虛擬儀器在遙測艙自動測試中的應用

張建學

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009）

遙測特別適合在遠距離，不易或無法接近的場合進行測量，因而自誕生起就迅速在軍事領域得到應用和發(fā)展[1]。空空導彈從研制到定型，歷經(jīng)若干次飛行試驗，而每次試驗均需使用遙測技術，以獲取導彈飛行中的特征參數(shù)，例如關于導彈的飛行性能/彈上設備工作狀態(tài)及性能等一系列參數(shù)。利用這些數(shù)據(jù)，可以評判飛行試驗結果，以確定是否達到試驗目的。如是試驗出現(xiàn)故障或失敗，那么，分析遙測數(shù)據(jù)就可以找出故障或失敗原因，為分析故障原因提供依據(jù)[2]。查出故障部位，改進導彈設計，以保障研制最終成功。導彈研制定型以后，在批生產(chǎn)抽檢以及部隊作戰(zhàn)訓練中，遙測也是重要的數(shù)據(jù)獲取手段[4]。遙測艙為遙測系統(tǒng)的重要組成部分，必須具有高的精度和可靠性，所以需要通過測試設備進行大量的測試。而傳統(tǒng)遙測艙測試沒有專用的測試設備，大多數(shù)情況下測試設備臨時拼湊，造成測試數(shù)據(jù)缺乏對比性。且測試所用的模擬信息源都是針對具體型號研制，沒有通用性，工作量大、測試時間長，操作依賴于測試人員的技術水平和工作經(jīng)驗，測試精度比較低，測試設備一般體積大、重量重，帶來諸多不便。

遙測艙自動測試系統(tǒng)就是為解決這些缺點而研究的，它采用了當今非常成熟并廣泛使用的GPIB總線體系架構，具有小型便攜、可靠性高、通用性強、使用和維護方便等優(yōu)點，能夠快速、便捷地對遙測性能進行測試。

1 需求分析

隨著空空導彈新技術的發(fā)展與應用，遙測艙的測試量成倍增加，研制周期逐年縮短，測試精度日益提高，目前測試設備存在如下不足：

1）可以模擬的信號狀態(tài)少、精度較低，無法對遙測艙進行全面的檢查和精確的標定。

2）隨著空空導彈的不斷發(fā)展，遙測信息種類和數(shù)量將成倍增加。例如，第四代紅外空空導彈增加了高速紅外視頻圖像信號這樣的新型遙測信號。另外，空空導彈研制的復雜度不斷提高，要求遙測艙具有多種狀態(tài)以滿足不同研制階段的需要，這些狀態(tài)包括：地面發(fā)射程控彈、空中發(fā)射程控彈、動力外形彈、剛度彈、制導彈等。各種狀態(tài)遙測艙種類多，測試項目差別大。要充分考核遙測艙對所有信號的采集處理能力，僅靠原有軟硬件測試手段已無法完成。

3）遙測艙測試從視頻到射頻，從有線測試到無線測量，項目繁多，目前測試手段從輸入到輸出基本以手動為主，自動成分少，試驗時間較長，且易出現(xiàn)差錯，使得一些隱含問題無法暴露，留下質(zhì)量隱患，降低了產(chǎn)品的可靠性。

2 虛擬儀器的特點

虛擬儀器的概念是美國NI公司首先提出來的。所謂虛擬儀器，就是以計算機作為儀器的統(tǒng)一硬件平臺，充分利用計算機的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結合成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有許多優(yōu)點：對測試量的處理和計算可更復雜且處理速度更快，測試結果的表達方式更加豐富多樣，可以方便地存儲和交換測試數(shù)據(jù)，價格低，技術更新快。它的最大特點就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的設計思想[3]。

隨著科學技術的發(fā)展，虛擬儀器技術越來越多地被應用在測試領域。利用虛擬儀器代替真實的儀器設備，不僅減少了投入，而且可以根據(jù)實際需要設計出不同的測試系統(tǒng)。設計了一種以虛擬儀器為核心構成的遙測艙自動測試設備。

3 設備組成

遙測艙自動測試設備是為空空導彈遙測艙提供通用測試平臺。其特點如下：

1）測試設備應具有通用性，能夠兼顧其他型號的遙測艙測試。

2）遙測艙測試應具有前瞻性、可擴展性。測試設備采用模塊化、總線式設計，新增的測試信號類型可通過增添模塊利用通訊總線實現(xiàn)功能擴展。通過添加功能模塊，能夠兼顧未來遙測型號的特殊測量要求。

測試設備主要包括信號模擬及檢測設備、射頻信號接收解調(diào)設備、智能化數(shù)據(jù)處理平臺和信道模擬設備等部分。為滿足自動測試的需要，采用以GPIB總線為基礎和LABWINDOWS/CVI軟件平臺。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、信號轉換、標準信號激勵和狀態(tài)控制等采用了GPIB總線模塊化儀器，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 遙測艙測試原理框圖Fig.1 Block diagram of telemetry cabin test

3.1 信號模擬設備

包括可編程遙測信號模擬設備、遙測基帶信號模擬源、傳輸精度標定設備。

3.1.1 遙測信號模擬器

模擬產(chǎn)生導彈的各種遙測信號，包括多種背景下的紅外圖像信號、各種模擬信號、開關信號、總線數(shù)字信號（飛控數(shù)據(jù)、RS232、ARINC429 等）。

3.1.2 基帶信號模擬源

模擬產(chǎn)生各種電平和各種幀格式的基波信號，為遙測艙調(diào)制特性參數(shù)的測試提供輸入源。

3.1.3 傳輸精度標定設備

為遙測艙標定時提供高精度的直流和交流基準信號，主要由任意函數(shù)發(fā)生器和可編程精密電源組成。

3.2 遙測信號檢測設備

遙測艙信號種類繁多，涉及視頻和射頻，信號類型既有模擬信號，又有邏輯信號。在產(chǎn)品設計調(diào)試階段，需要對這些信號進行測試、分析，為發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供可靠依據(jù)。

信號監(jiān)視設備主要包括用于視頻信號測量便攜式混合示波器和交流電壓表；用于射頻參數(shù)測量的功率計和頻譜分析儀。

混合示波器能夠在統(tǒng)一時基上瞬時捕捉遙測艙模擬信號和邏輯信號，用于接口特性測量，可以快速進行故障定位。

功率、頻譜分析儀可以對遙測艙射頻信道各參數(shù)：功率、頻率、調(diào)制帶寬、載波噪聲比、諧雜波抑制等進行測試和分析。

3.3 射頻信號接收解調(diào)設備

用于射頻信號接收和解調(diào)遙測艙輸出信號，由遙測接收機、視頻解調(diào)卡和接收天線等部分組成。

3.4 軟件設計

該軟件是遙測艙測試設備的控制核心，實現(xiàn)自動化測試。為了滿足各項功能需求，在重點考慮應用軟件可靠性的同時，還應兼顧軟件的可擴展性等其他需要，因此采用模塊化的軟件結構設計，將軟件劃分為若干功能模塊，如圖2所示。包括信號模擬設備控制軟件、遙測信號檢測設備控制軟件、測信號接收處理設備軟件、圖像解壓和分析軟件、試驗數(shù)據(jù)表格生成軟件等。它通過通訊總線控制各種信號模擬和檢測設備，并接收遙測信號接收處理系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，實時解壓紅外壓縮圖像，實時顯示各種遙測信號，能夠自動形成測試表格及數(shù)據(jù)評估，支持數(shù)據(jù)存盤和測試表格打印。

圖2 系統(tǒng)軟件示意圖Fig.2 Diagram of system software

該測試系統(tǒng)采用了多面板設計，面板由控制（Controls）、指（Indicators）和修飾（Decoration）構成，可以模擬傳統(tǒng)儀器工作方式，在前面板上放置所需要的控件和指示器，實現(xiàn)儀器控制以及數(shù)據(jù)輸入和結果顯示。有模擬采集和數(shù)據(jù)顯示存儲面板、視頻數(shù)據(jù)處理面板、射頻面板。其中數(shù)據(jù)處理面板中又有溫度信號波形測量和相關分析子面板。該套系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，形象直觀的控制界面，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)警報及顯示、界面清屏的功能，簡便實用，大方親切。

該系統(tǒng)有如下特點:

1）采用多面板設計，各面板功能明確，對于操作者來說清晰明了，易于對整個過程進行操作。

2）數(shù)據(jù)采集模塊中，前面板設有采樣頻率，可以很容易設定采樣頻率，并設有監(jiān)測數(shù)，可以很明確的觀察到。系統(tǒng)采用低通濾波器[8-9]濾波，因為在信號傳輸過程中

3）該系統(tǒng)有強大的數(shù)據(jù)處理功能。利用LabV軟件附加的豐富模塊和強大的數(shù)據(jù)處理及信號分析功能，對采集的數(shù)據(jù)進行實時分析處理。在該系統(tǒng)中，可以對采集的原始進行時域、頻域的分析，系統(tǒng)把結果直接顯示成數(shù)字，很直觀，并可以把這些數(shù)據(jù)以運行的時間為名，保存在指定的地點，供日后瀏覽數(shù)據(jù)之用，以便進行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)調(diào)用。

4 結 論

虛擬儀器技術的發(fā)展為遙測艙測試系統(tǒng)的開發(fā)開辟了一條新的途徑。以LABWINDOWS/CVI軟件為核心，使得測量結果的準確性得到提高，測量信號得到及時有效的分析，同時，該系統(tǒng)還具有良好的人機交互界面，形象直觀的控制界面，數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)警報及顯示、界面清屏的功能，使得系統(tǒng)既簡便又實用。

遙測艙測試設備完成遙測艙研制過程中對遙測信號的模擬、對遙測信道的模擬、對遙測艙的通用化測試和試驗。測試項目全面，包括對遙測艙視頻和射頻各項性能參數(shù)進行全面準確的測試。該設備自動化測試程度高，從測試輸入到數(shù)據(jù)分析和測試數(shù)據(jù)表格形成，基本實現(xiàn)自動化操作，可以大大加速遙測艙的研制進度，提高產(chǎn)品的可靠性。

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