基于LabVIEW與FPGA的飛行訓練彈測試系統設計

劉克軒 ，李永紅 ，岳 妮 ，麻少軒

（1.中北大學 儀器與電子學院，太原 030051；2.山西科泰微技術有限公司，太原 030051；3.內蒙古蒙東能源鄂溫克電廠，呼倫貝爾 021000）

在飛行訓練彈研制的過程中，易出現不可預知的故障，嚴重威脅飛行訓練彈的裝備安全，因此為飛行訓練彈提供專用測試訓練設備有助于及時發現問題，排除故障[1-3]。為了滿足飛行訓練彈自動測試要求，提高訓練彈的技術保障能力，應用計算機技術、虛擬儀器技術、自動化技術、數據庫技術等，設計了一套基于CPCI總線的自動測試系統[4-5]。飛行訓練彈綜合測試設備的主要用途就是在飛行訓練彈研制過程中對訓練產品、彈架系統、記錄艙組件進行測試，以及在飛行訓練彈研制完成后對全彈進行測試，完成與發射裝置進行系統聯試、全彈交付相關的交付試驗、鑒定試驗等。

1 系統組成

系統由主控計算機、電連接器適配模塊、可編程負載和程控電源4部分組成，系統結構框圖如圖1所示。主控計算機提供操作平臺，進行多種不同的測試試驗和實現上位機與被測設備的信號采集、通訊，主要由計算機控制模塊、1553B通信模塊、LVDS功能模塊、模擬量采集模塊、IO模塊組成。電連接器適配模塊安裝于測試設備機箱內部，完成線纜轉接與接插件轉換?？删幊棠M負載為訓練彈存在地的阻性負載，與計算機控制臺模塊間采用RS232總線接口通信。用戶可通過負載操作面板或在測試軟件界面設定負載大小。程控電源把交流輸入轉換為直流輸出，為系統及被測設備提供電源。

2 測試系統整體設計

測試系統的核心是主控計算機，由LabVIEW應用程序為核心的計算機控制模塊，提供VGA、USB、RS232等外設接口，以形成圖形窗口顯示等人機交互接口；與以FPGA為核心的功能模塊間通過CPCI總線互連，運行于該平臺的測試軟件完成對分模塊的配置、控制與狀態監測。因此，測試系統整體設計也可以分硬件設計和軟件設計2部分。

2.1 硬件板卡設計

硬件設計主要是各模塊板卡設計，由1553B通信板卡、LVDS板卡、模擬量采集板卡、IO板卡組成，其中對LVDS板卡、IO板卡進行了詳細的電路及邏輯設計。各模塊與計算機控制模塊間通過CPCI總線互連，運行于該平臺的測試軟件完成對分模塊的配置、控制與狀態監測。1553B通信模塊采用雙冗余A、B總線掛接在2個總線耦合器上，完成與訓練彈、發射裝置、記錄艙的通信，并將被測對象反饋信息傳輸至計算機控制模塊，由測試軟件記錄、顯示與分析處理。LVDS功能模塊與記錄艙總線互連，在工作狀態下，該模塊按照幀、字格式要求周期性地將信息字傳輸至記錄艙，原理框圖如圖2所示。

圖2 LVDS傳輸模塊原理Fig.2 Principle diagram of LVDS transmission module

在測試軟件控制下，模擬量采集模塊周期性輪詢采集DC1、DC2、DC1存在、DC2存在4路電壓信號，并在計算機控制模塊下完成記錄、顯示。數字IO模塊完成數字量輸出與數字量輸入采集功能，數字量輸出形式有數字輸出與三極管輸出2種方式，輸入采取光電隔離方式。在測試軟件指令序列控制下，數字量輸出端口執行輸出動作，數字量輸入端口檢測電平變化，并由計算機控制模塊讀取、顯示、記錄。原理框圖如圖3所示。

圖3 數字IO板卡原理Fig.3 Principle diagram of digital IO board

2.2 軟件整體設計

軟件測試系統基于Windows平臺利用Lab-VIEW圖形化開發軟件進行設計開發，基于模塊化設計思想，充分考慮可維護性和可擴展性，以及測試效率、用戶體驗等要求，開發界面簡潔、美觀、符合Windows操作系統風格。用戶可根據需求創建測試流程，通過1553B總線通信、LVDS數據傳輸、模擬量采集、數字量輸入、數字量輸出等通訊功能將測試指令發送給被測設備，然后將被測設備反饋回來的數據顯示、保存生成報表。測試軟件按功能劃分為以下幾個模塊：系統初始化模塊、供電監控模塊、硬件配置與檢測模塊（提供設備組成硬件的校準/檢測接口）、系統測試模塊（手動/自動測試）、記錄艙測試模塊（自動測試）、記錄保存模塊等功能模塊，軟件程序功能框圖如圖4所示。

圖4 軟件程序功能Fig.4 Function block diagram of software program

3 實現的關鍵技術

3.1 生產者消費者結構應用于連續采集記錄

程序結構整體上采用LabVIEW連續采集記錄的生產者消費者結構，該結構包含5個并行的循環，如圖5所示。

圖5 生產者-消費者結構Fig.5 Producer consumer structure

事件處理循環主要用于產生基于前面板的事件，通過對前面板的事件監視，根據發生事件的不同，做出不同的響應。作為生產者，向其消費者（消息處理循環、數據采集循環、數據記錄循環）發送信息。

消息處理循環是一個循環條件結構，既接收事件處理循環發來的消息也響應其他消息處理循環發送的消息，并根據消息的內容不同，做出響應。消息處理模塊主要是處理與界面有關的事件，與通訊有關的事件由通訊模塊相應。

連續采集數據的消息處理循環包含1553B通訊、A/D板卡通訊、I/O板卡通訊、LVDS通訊、電源通訊5部分。當它接收到其生產者（事件處理模塊）發送的消息時，根據消息的不同做出響應，完成命令的發送、數據采集等操作，并根據需要向其消費者（數據解析模塊）發送消息，與板卡通訊即在該循環完成。

連續記錄采集數據的消息處理循環可根據用戶設置的參數記錄采集到的數據，并打印報表。

數據顯示循環，用于將采集到的數據顯示到前面板，當它接收到其生產者（通訊模塊中的讀數據VI）發送的消息時，根據消息的不同做出響應，最終實現曲線顯示等功能，其還有參數配置對話框用于配置程序或者板卡參數。

程序的層次結構使得簡單的、耗時少的操作在較高級的循環中進行處理，將復雜的、耗時多的操作在較低級的循環中進行處理，這樣使得各種操作并發處理而不會因為某一個操作過于費時而導致阻塞。合理的循環布局可以使得高層循環控制低層循環的過程更加簡便，各層之間的消息及數據傳遞通過隊列完成，使得本層的執行過程直接根據上層發出的消息進行順序執行。

3.2 動態鏈接庫調用

不同于簡單的 232、485等串口操作，在與LVDS板卡、IO板卡、1553B板卡等進行通訊的過程中，由于LabVIEW沒有現成的開關和復位設備、讀寫數據、中斷以及對通道的操作，因此都需要調用動態鏈接庫來實現這些功能。其中，可以通過調用PLX Tech公司提供的基于其API函數包實現上位機與LVDS板卡和IO板卡的通訊。由于自帶的API函數包部分數據類型在LabVIEW中不支持，需要將自帶的DLL重新封裝，使其適應LabVIEW編程。其中用到的函數主要包括開關設備、讀寫數據、設備復位、添加中斷等幾種，如開關設備的函數分別為 RETURN_CODE PlxPciDeviceOpen（DEVICE_LO CATION*pDevice，HANDLE*pHandle）、RETURN_CODE PlxPciDeviceClose（HANDLE hDevice）。

重新封裝后，通過LabVIEW中的調用庫函數節點的功能，將各個參數封裝成具有不同通訊功能的子VI。

4 系統結果

本測試系統主要通過自動測試流程，簡單、高效地測試各項數據指標，實時接收測試反饋，主要完成總線監控數據記錄與生成報表2部分功能。

在系統測試過程中，1553B總線通訊數據反應了導彈各工作階段邏輯，對用戶非常重要，所以需要系統實時記錄總線監控數據。對于總線監控文件保存格式，考慮到方便用戶查看與分析，保存格式設計為既保存總線數據解析后的內容同時也保存原始總線數據。保存的總線監控數據如圖6所示。

圖6 總線監控數據Fig.6 Bus monitoring data

對系統測試或記錄艙測試的結果生成報表，在用戶設置的相應記錄保存路徑下的文件夾內分別創建系統測試和記錄艙測試文件夾，在系統測試和記錄艙測試文件夾下以產品編號創建文件夾保存測試報表，報表以產品編號_試驗時間_試驗項目命名，若沒有設置產品編號，則保存至以年月日命名的文件夾下。報表內容據測試項、測試結果及出錯信息等生成，含測試項目、產品編號、試驗地點、測試時間等信息，以方便測試結果的溯源。

5 結語

本文介紹了一種基于LabVIEW與FPGA的飛行訓練彈測試系統。該系統性能穩定、實用性強、實時性高，能夠對飛行訓練彈進行故障診斷與分析、性能測試等多種鑒定，并且在試驗的過程中得到完整的測試數據，并提供數據存儲與處理；同時結構設計合理、集成度高，具有很強的通用性，對其他的測試系統有一定的借鑒意義。

[1] 徐曉貝，曹軍明.某紅外型地面測試訓練彈的設計[J].電子測量技術，2013，36（12）：8-11．

[2] 張華敏，丘學軍.某型導彈模擬訓練系統的設計[J].計算機測量與控制，2002，10（10）：668-669．

[3] 張毅剛，彭喜元，姜守達.自動測試系統[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2001．

[4] 孫勝男，戴呼合，姜守達.某導彈測試訓練與評價系統研制[J].自動化技術與應用，2010，29（10）：98-101．

[5] 祖先鋒，潘孟春.基于虛擬儀器技術的多型號戰術導彈自動測試系統[J].計算機測量與控制，2005，13（9）：960-963．