基于PXI總線的某紅外成像導引頭便攜式測控系統設計

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(凱邁(洛陽)測控有限公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

某紅外成像導引頭在總體性能調試、環境試驗、可靠性試驗、電磁兼容性試驗、外場掛飛性能測試等場合需要對其進行功能和性能測試，現階段主要配備的傳統導引頭測試設備，已逐漸難以滿足測試設備通用化、輕小型化和高機動性的要求。便攜式測控系統[1]的研制給導引頭測試帶來了方便，避免了之前自動測試系統存在的體積大、重量重和機動性差等問題。在系統組建方面，PXI總線檢測系統由于其開放的架構和成熟的體系，成為搭建中小型、低價位檢測系統的首選[2]。基于PXI總線的現代計算機開放式模塊化結構，使測試系統的構建能夠采用最先進的商業化的硬件和軟件技術，能夠以較低的成本為用戶提供高端測試所需的高性能產品，成為目前一種主流的測量和自動化系統運載平臺[3-4]。同時，外場試驗中設備的便攜式性能也是考慮的主要方面，這樣一方面降低了設計生產的成本，另一方面也提高了測試工作的效率。

本文針對某紅外成像導引頭測試設備具體應用場合與測試需求，采用基于PXI總線的一體化便攜式機箱，研制了具有一定通用性、可擴展性、便攜性及良好人機交互功能的便攜式式測控系統，較好的完成導引頭在各種使用環境下的性能測試及試驗測試需求。

1 系統組成及硬件設計

便攜式測控系統硬件主要由三部分組成：便攜式一體化計算機(含適配單元)、監視器和便攜式目標模擬器。系統總體組成框圖如圖1所示。

圖1 系統總體組成框圖

其中，便攜式計算機及資源板卡完成軟件加載、人機交互、測試控制及信號采集等功能，同時配合目標模擬器，模擬彈上計算機對導引頭工作時序進行控制，完成導引頭的各項性能測試；電源單元提供導引頭測試所需的直流電源和設備供電電源；適配單元進行供電控制、測試資源和激勵資源的轉接、被測信號調理；監視器用于導引頭輸出模擬圖像數據的顯示；目標模擬器提供圖案目標，模擬導引產品典型目標特征。

1.1 便攜式計算機系統

便攜式計算機系統選用手提4U便攜式一體PXI機箱，機箱為整體框架式結構，上層為一體化KVM，中間集成PXI機箱，底層內置設備電源。其中PXI機箱提供1個PXI系統槽及5個外設槽位，可定制接插轉換面板。

便攜式測控系統對該便攜式機箱的結構形式進行適應性改進，機箱背部增加接口適配單元并與便攜式機箱集成為一體，方便測試使用。

根據被測導引頭功能需求，便攜式計算機系統所需信號板卡資源與功能如下：

1)控制器是整個設備的控制和數據處理核心，選用四代Intel Core i7-4700E、主頻3.4 GHz(四核)、4 GB DDR3內存高性能嵌入式工業級控制器，外置2個RS232串口、6個USB2.0接口，工作溫度-20°～+70°，存儲溫度-50°～+100°；

2)多功能數據采集卡用于模擬量采集，以及控制信號的輸出。多功能采集卡選用美國NI公司的PXI-6224型多功能采集卡，板卡具有32路單端模擬輸入；最大輸入電壓范圍：±10 V；48路DI/O；

3)串行通訊卡用于設備功能單元間及主控計算機與被測導引頭之間RS422通訊，選用美國NI公司PXI-8431/4四端口RS232/422通訊接口卡；

4)LVDS遙測采集卡用來完成被測導引頭輸出的LVDS數據的接收。LVDS遙測采集卡選用公司自行開發的ZH-PXI-7322型LVDS采集卡。

LVDS數據采集卡：

根據導引頭輸出的LVDS協議特性，自行研制PXI總線接口LVDS數據采集卡，該卡根據傳輸數據協議進行定制，基于FPGA技術開發，可完成對數據的接收，串并轉換，FIFO存儲及PXI總線數據傳輸。導引頭輸出的LVDS信號包含3路差分信號，包括：時鐘信號一路(SCLK)、同步信號一路(SDOFS)、串行數據一路(SDO)，信號時序關系如圖2所示。

圖2 LVDS信號時序

LVDS板卡采用圖3所示的結構原理圖。

圖3 LVDS采集卡結構原理

LVDS信號首先經過電氣轉換變換為標準TTL信號，送入FPGA進行采樣處理，在接收SDO數據時，用SCLK的下降沿鎖存數據，針對每個同步信號連續接收16位串行數據，經過串并轉換后存入實時緩沖區供實時讀取顯示，同時數據流轉存入大容量FLASH，可供離線批量讀取。

根據導引頭所傳輸的LVDS信號內容，對實時緩沖區的存儲方式進行組織，形成如圖4所示的雙緩沖結構。

圖4 實時緩沖區數據組織方式

從FPGA輸出的每幀數據，包含每個通道的單次采樣值，在實際使用時采用的是連續繪制一段時間內各個通道的數據變化情況，通過軟件實現類似示波器界面的效果。為此在實時緩沖區中配置兩個數據區域，每個區域可存儲每個通道連續1024次的采樣值，并由專門的存儲管理數據區進行管理，當A區存儲滿后，指示A區數據有效，可從A區成批讀取，并自動將FPGA發送的后續采樣數轉往B區依次存儲。B區存滿后變為有效，再轉A區存儲，如此往復執行。

1.2 適配單元

適配單元作為設備與被測導引頭之間信號交互的樞紐，一方面實現被測導引頭的供電控制及被測信號的調理，另一方面便攜式計算機系統板卡輸入、輸出信號經單元內部電纜傳輸后，通過面板航空連接器轉接實現與被測導引頭的信號交互。該單元主要實現以下功能：

1)供電控制：電源單元主要包括產品電源和設備電源，產品電源選用TDK-LAMBDA公司Z+系列程控電源Z36-24，設備電源提供信號調理電路所需±12 V，設備電源與產品電源經繼電器控制之后輸出給后級電路，供電控制原理框圖如圖5所示。

圖5 電源供電控制原理

2)信號調理：信號調理電路用于對產品輸出的模擬信號進行調理和阻抗匹配，然后送至多功能采集卡采集。電阻網絡對輸入電壓分壓，將電壓調理至-10 V到+10 V，以滿足后端A/D采集卡的輸入范圍；為了抑制輸入端共模電壓，采用儀表放大器將差分的電壓信號轉變為-10 V到+10 V的單端電壓輸出。儀表放大器采用了TI公司推出的INA2128，該儀表放大器占用面積小，帶寬、精度均能滿足數據采集通道的要求，同時放大倍數可以通過芯片外部管腳增益電阻值進行配置。該儀表放大器一方面抑制了差分輸入信號的共模干擾，另一方面把差分輸入轉換為單端輸出，在對精度影響較小的同時，能夠方便的調節信號放大倍數，將微弱信號放大，從而滿足A/D轉換器的信號采集范圍，從而提高采樣精度。

3)自檢電路：自檢電路模擬測試回路對系統的各項測試功能進行自檢測，主要包括：AD采集通道自檢、RS422通訊回路自檢、LVDS采集通路自檢等，將自檢信號源引至自檢口，自檢時將導引頭測試電纜接口與自檢口對接后，測試軟件自動完成設備自檢，自檢電路原理圖如圖6所示。

圖6 自檢電路原理圖

AD采集通道自檢通過程控電源輸出固定電壓值，經自檢插座后形成測試回路，AD卡采集后判斷采集通道是否正常；RS422通訊回路自檢時，通過自檢插座形成自發自收回路，根據收、發數據是否一致判斷通訊通道是否正常；LVDS板卡自身設計專門的時鐘、同步及數據發送通道作為自檢信號源，LVDS采集通路自檢時，通過自檢插座將信號源通路與測試通路形成自發自收回路，根據收、發數據是否一致判斷LVDS采集通路是否正常。

1.3 便攜式目標模擬器

便攜式目標模擬器采用公司已定型一體化目標模擬器，由紅外準直光學系統、黑體輻射源、光閘、十字光闌和溫度控制箱組成，在其頂部設計有把手，方便攜帶。

紅外準直光學系統用于將紅外輻射源發出的紅外光，經光闌孔后射向紅外非球面透鏡組，出射后成為平行光，投射到位標器上；黑體輻射源提供定向輻射能量源，通過設定溫度變化模擬紅外目標源；光閘用于在測試中遮擋目標，根據測試需要，光閘有開啟和閉合兩種工作狀態，閉合時完全不透光，開啟時達到最大通光口徑；目標光闌采用圖形光闌，根據測試要求，在導引頭視場中心模擬出一個“十”字圖案；溫度控制箱由目標源能量控制電路、光閘控制電路、鋰電池和電量顯示器組成，溫度控制箱采用內部鋰電池供電，面板設計有充電接口，可以通過該接口對電池進行充電。溫度控制箱工作原理框圖如圖7所示。

圖7 溫度控制箱控制原理框圖

2 測試軟件設計

測控軟件是便攜式測控系統的控制核心，完成測試流程控制、電源輸出控制、總線通訊、數據采集、處理、顯示和記錄，測試數據事后處理和分析等功能，軟件系統主要包括開發和運行環境、菜單系統、運行界面、參數交互界面和數據事后處理平臺等部分。

測控軟件在Windows 7 32bit操作系統下運行，該操作系統是基于NT內核的32位操作系統，系統的穩定性和可靠性已經過充分驗證，并且擁有豐富的編程接口以及組件、控件供軟件開發人員選用[5-7]，是現階段測試設備理想的軟件運行平臺，能夠保證基于該系統開發的應用軟件擁有較長的生命力。

測試系統軟件采用采用微軟VC++ 2010和NI公司LabWindows/CVI 2010進行開發，VC++ 2010和LabWindows/CVI 2010兩種軟件開發環境是成熟可靠的可視化集成開發環境，VC++ 2010的優勢在于對操作系統的細節控制容易實現，支持面向對象的開發，運行效率高，用戶交互界面美觀[8-11]；LabWindows/CVI 2010在測試儀器及設備的控制、以及數據分析等方面功能強大。在軟件設計、開發過程中，根據測試需求，可以通過DLL鏈接、進程通訊等方式結合使用，從而開發出高質量的測試程序。

2.1 軟件結構設計

測試系統包含了多種測試總線，操控對應的板卡和外圍設備，為了保證可系統可靠性，提高測試控制效率，軟件采用分層次的模塊化設計，設計開發過程中采用面向對象的方式。軟件對象有一致性的功能模塊，將其封裝形成可復用的功能對象，各功能對象在軟件協議控制下形成交互式軟件總體，軟件結構設計如圖8所示。

圖8 測控軟件結構

軟件系統從結構上劃分為兩大層次：測試功能層和硬件驅動層。硬件驅動層負責對測控系統硬件及板卡進行操作，完成測試信號采集和傳輸數據的收發，向上層提供一種透明的傳輸通道。硬件驅動層在測試過程中僅負責通過相關板卡進行測試數據采集，將采集數據存入內存中特定的單元，或者根據軟件交互協議從內存中取出所需的數據并發送出去。測試功能層負責完成測試流程控制、具體測試信號的接收、發送、數據記錄、分析和顯示。

兩個功能層之間通過相關總線完成數據交換。與硬件驅動層相反，測試功能層只關注具體的測試信號，比如某路電源電壓是否輸出、信號電平值是否合格等，而不需關心電源的輸出控制是由板卡哪些資源控制；硬件資源分配及數據接口管理是兩大層次之間的中間層，用于實現硬件資源與測試信號之間的關聯，不同數據通道由對應的配置數據庫進行綁定，該實現方法可以提供強大的測試通道重組功能，提高板卡資源利用率。

測試功能層針對不同測試的功能需求，設計了多個功能模塊：

1)測試控制功能模塊：該模塊用于對導引頭加電過程和測試流程進行控制，根據測試時序完成總線通訊、信號激勵、測試數據采集、顯示和記錄。對導引頭電源狀態和工作狀態實時監控，保證測試過程的安全性，該模塊設計在保證功能性需求的基礎上，對人機操作界面進行優化，提供關鍵數據的實時顯示，確保數據記錄的可靠準確，提供盡可能多的圖形顯示窗口以便能夠實時觀察數據的變化；

2)數據分析功能模塊：該模塊用于導引頭測試后的結果分析，通過調用當前和已存儲測試數據，提供數據解析功能。同時測試軟件提供強大的數據顯示能力，可以根據用戶的需求，將數據顯示方式以不同形式進行呈現，對軟件界面規劃不同的顯示窗口，對多窗口同時顯示的大數據能力進行優化；

3)自檢校準功能模塊：為了滿足設備自檢和定期校準，軟件設計了專門的自檢校準模塊。程序啟動時，首先對電源狀態、板卡初始化狀態進行快速自檢，確保其工作狀態正常；同時測控系統在自檢連接狀態下，測試程序根據測試時序要求，依次對控制回路、供電回路、采集通路、通訊通路等依次進行檢查，確保各測試回路工作正常；校準模塊設計專門校準程序窗口，定期校準時能夠提供方便快捷的操作界面，操作人員借助外部標準儀器，便能夠高效的進行校準操作。

2.2 軟件測試流程

軟件測試流程如圖9所示。

圖9 軟件測試流程圖

測試流程描述如下。

1)測試環境設定：進行系統資源的連接狀態、設定狀態判定，關鍵測試組件的狀態確認；

2)地面測試：通過RS422發送控制指令完成與導引頭通訊檢查，檢查導引頭供電電壓、消耗電流、對時脈沖信號等是否合格；

3)目標數據裝訂：通過RS422完成導引頭與彈上計算機的數據幀設置，并受控于工作時序；

4)導引頭自檢：完成導引頭加電及自檢時序測試，判定工作狀態；

5)預偏角測試：通過RS422控制目標模擬器模擬預置目標預偏角，向導引頭發出預置角指令并進行預偏轉測量，并通過數據回讀判斷導引頭狀態；

6)啟動測試：模擬發出“導引頭啟動信號”，完成導引頭啟動測試；

7)捕獲測試：通過RS422控制目標模擬器模擬目標，發出“捕獲指令”，完成導引頭對目標的捕獲鎖定測試；

8)跟蹤測試：導引頭進入跟蹤狀態，通過RS422控制目標模擬器模擬目標運動，進行視線角測試。

3 測控系統試驗驗證

測控系統生產試制完成后，進行測控系統軟件編制。

測控系統在軟件配合下依次進行了設備調試、設備首次校準及導引頭聯試，在確認設備功能和性能達到指標要求后，交付用戶使用。用戶在導引頭總體性能調試、環境試驗、可靠性試驗、電磁兼容性試驗等試驗均使用該設備進行導引頭試驗測試，實際使用結果表明：測控系統小巧輕便、轉場移動方便，在各種試驗場合僅需連接外部供電及測試電纜便可快速轉開測試，在方便試驗開展的同時極大提高了試驗效率；測試程序界面友好、功能強大，兼容自動測試、手動單項測試、參數設置、圖形顯示等多種功能于一體，能夠滿足多種試驗環境下的測試需求；測控系統自投入使用以來，系統性能穩定可靠，測試精度高，具有一定擴展性及通用性，環境適應性強，滿足用戶指標要求。

4 結束語

本文針對某紅外成像導引頭試驗及調試需求，綜合考慮設備使用環境等因素，采用基于PXI總線的計算機平臺，搭建了一套便攜式測控系統。該系統通過外部電纜的簡單連接便可快速展開測試，能夠適應多種試驗環境條件下使用，體積小、重量輕，便于攜帶。目前，該設備已配合用戶完成多項環境試驗測試及產品交付試驗。用戶使用結果表明，便攜式測控系統穩定性好、轉運方便、展開快速、環境適用性強，大大提高了測試效率，能夠滿足用戶實際使用需求，為后續該型導引頭配套設備研制具有一定借鑒意義，同時根據用戶使用意見，后續會對測控系統顯示屏在陽光下可視、加強三防設計等方面進行優化設計。