基于LXI和USB的某導彈測試系統設計

胡 車,劉鈞圣,張延風,陳二雷,母勇民

(西安現代控制技術研究所,陜西 西安 710065)

反坦克導彈是指打擊摧毀坦克和裝甲、工事等目標的導彈,在陸戰中發揮著非常重要的作用[1],它具有威力猛、精度高、攻擊方式多等特點[2]。隨著未來新技術的發展,反坦克導彈會向小體積、輕質量、遠射程、多模導引頭、多個制導體制的方向發展[3]。

面向未來戰爭,坦克等裝甲高價值目標,反坦克導彈將會發揮重大作用。美俄等都在研制發展新型反坦克導彈,遠程精確打擊是未來反坦克導彈的發展方向[4],我國也在研制發展某新型遠距離和多模導引的反坦克導彈。

針對遠距離和多模導引的某反坦克導彈,本文設計了一套基于LXI和USB的自動測試系統,利用USB和LXI總線的高速、高吞吐量與擴展性,設計了基于USB和LXI的測試盒,測試盒通過串行總線和復合目標模擬器、車載圖傳以及衛星模擬器連接,測試盒通過與導彈、車載圖傳等的通信等交互工作,快速高效地實現了某反坦克導彈的工作全流程的各部件功能與性能的測試任務。

1 系統結構組成及工作原理

某反坦克導彈測試系統由筆記本、USB測試盒和LXI測試盒、復合目標模擬器、車載圖傳、衛星模擬器等組成,系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 某測試系統組成示意圖

某導彈被測試時,將導彈放置在測試臺或振動試驗臺上,各測試設備放置在便攜測試桌上,復合目標模擬器放置在三腳架上。筆記本通過網線與LXI測試盒連接,筆記本通過USB線纜與USB測試盒連接,LXI測試盒通過供電輸出線纜與USB測試盒(下文將LXI測試盒和USB測試盒稱為測試設備)連接,USB測試盒通過彈尾測試線纜、彈測試接口測試線纜與被測導彈連接,USB測試盒通過車載圖傳測試線纜、目標模擬器控制線纜、衛星模擬器控制線纜等實現與車載圖傳、復合目標模擬器、衛星模擬器連接。測試過程中導彈的工作電源由LXI測試盒的4個程控電源保證;導彈的供電過程以及導彈CAN通信等工作交互過程由LXI測試盒、USB測試盒與筆記本共同完成,彈上信號數據、車載圖傳數據的采集存儲通過USB測試盒和測試線纜采集到筆記本上。車載圖傳、復合目標模擬器、衛星模擬器通過RS422串行總線與USB測試盒連接,通過串口的指令傳輸數據交換,共同完成對導彈發射前后全過程的測試任務。其中車載圖傳用于導彈發射后,測試設備與車載圖傳的指令交互實現和導彈的彈載圖傳的無線通信實現發射后流程的交互驗證等,測試設備與復合目標模擬器通過指令交互實現激光的出光、紅外電視點源的移動控制等,測試設備與衛星模擬器通過指令交互實現星歷數據的獲取等,從而實現導彈星歷參數的裝訂等。

2 系統的硬件設計

2.1 測試設備(USB測試盒和LXI測試盒)硬件設計

本文應用虛擬儀器技術、數據采集技術、計算機技術、通信技術以及LXI和USB總線等技術,以通用筆記本為核心控制器,輔以由4個程控電源、以太網交換機、多根網線等組成LXI測試盒1(單獨的結構箱體),由USB-HUB、USB CAN通信板、USB RS232通信板、USB RS422通信板、USB視頻采集板、USB模擬采集板、串口繼電器板、信號調理板(模擬信號調理)等組成USB測試盒2(獨立的結構箱體)共同構建測試設備,系統的硬件框圖設計如圖2所示。

圖2 測試設備硬件原理框圖

本系統中筆記本采用高性能加固筆記本,采用神基公司的Getac S410筆記本,筆記本通過千兆網線控制LXI測試盒1中的4個程控電源,通過USB3.0線纜控制USB測試盒2中的所有硬件。LXI測試盒1中的電源選用固緯公司的PSW系列8027程控直流電源,該電源支持以太網程控接口等,電源用于導彈地面供電、模擬熱電池供電等,以太網交換機選用普聯公司的五端口千兆以太網TP-Link TL-SG1005D交換機;USB測試盒2中的USB-HUB選用工業級的八端口百兆USB3.0HUB,該HUB需要適配器供電工作,USB CAN通信板選用周立功致遠電子公司的2路高性能USB CAN通信板USB CAN-2E-U,支持波特率125 kbps～1 Mbps,該板用于與導彈發射擊發前的通信;USB RS232通信板選用摩莎公司的單路高性能RS232串口通信卡Port1110,支持多個波特率傳輸速度,該板用于與串口繼電器板通信指令交互來控制繼電器的通斷等;USB RS422通信板選用摩莎公司的多路高性能RS422串口通信卡Port1650,支持多個波特率傳輸速度,該板用于對車載圖傳、目標模擬器、衛星模擬器的通信,以及采集彈上多路RS422信號的數據;USB視頻采集板選用工業級EasierCap視頻采集板,盒內裝了2個視頻采集板,一塊采集彈上視頻,一塊采集車載圖傳輸出的視頻;USB模擬采集板選用阿爾泰科技公司的USB總線的模擬采集板USB 3136,該板支持16通道模擬量采集,采樣率達500 ksps,量程達±10 V,該板用于采集彈上輸出的各種模擬信號;串口繼電器板采用工業級RS232串口控制的8路繼電器板,該板用于供電輸出、通斷控制;信號調理板用于信號的分壓、濾波、跟隨等調理,它與模擬采集板和導彈連接,用于一些彈上超過±10 V量程的信號調理、采集等。

2.2 復合目標模擬器

復合目標模擬器由光源控制系統、光學系統等構成。光源控制系統包括黑體溫控、可見光以及激光控制電路、電源電路、串口通信控制電路等,可以控制光源的開啟關閉等;光學系統包含了光闌組件、復合光源及光路等,用于輸出可見光、紅外光以及激光光源。其組成示意圖如圖3所示。

圖3 符合目標模擬器組成示意圖

圖4 測試系統主軟件架構圖

使用時,其放置在三腳架上,對準導彈的導引頭光軸,導彈擊發后測試設備與復合模擬器通信,控制其在一定時刻輸出不同的光源,驗證導彈導引頭的跟蹤性等。

2.3 車載圖傳

車載圖傳裝置由車載圖傳、車載天線組件和車載射頻電纜組件組成,其和導彈上的彈載圖傳實現雙向通信,它通過圖傳測試電纜與測試設備連接。

使用時,測試設備與車載圖傳進行串口通信,導彈擊發后,測試設備通過通信指令交互控制導彈的各種參數變化等,包括導引頭的光軸、波門、鎖定等各種指令。

2.4 衛星模擬器

衛星模擬器由模擬應答機和姿態軌道仿真器、通信控制電路、電源電路等組成[5],其和導彈測試設備通過串口線纜連接。

使用時,測試設備與它進行串口通信,用于導彈擊發前的星歷數據的串口通信傳輸、導彈擊發后導彈的導航星歷數據無線傳輸等。

3 系統軟件設計

測試系統的軟件用來完成產品的測試流程控制、數據采集、存儲、分析、數據顯示、數據處理后給出測試分析結果以及數據后期處理等功能[6]。

3.1 開發環境和運行平臺

本文測試系統軟件運行在Windows 10操作系統上,使用LabVIEW開發環境開發本文軟件。LabVIEW是美國NI公司設計的虛擬儀器開發平臺,它是圖形化編程語言[7],在工控測試領域具有編程效率高、通用性好、可嵌入C和MATLAB等代碼特點[8]。

3.2 軟件結構設計

測試系統主軟件編程框架是采用多線程編程技術和多個高級狀態機JKI架構[9],軟件采用了導彈通信等流程主測程序線程、與車載圖傳通信線程、用戶界面事件處理線程、計時線程等4個線程架構技術,主測程序線程主要實現對導彈擊發前自動測試的流程和狀態,車載圖傳通信線程主要實現測試設備與車載圖傳通信的自動控制流程,用戶界面事件處理線程主要用于實現用戶界面事件處理、測試條件選擇配置、參數輸入修改等,計時線程主要用于實現導彈上電和擊發后計時等功能,其中導彈通信等流程主測程序線程(空閑態、自檢態、配置態、自動測試流程態、各步驟手動態、退出態等)、與車載圖傳通信線程(空閑態、自檢態、自動通信測試態、退出態)內部采用JKI高級狀態機結構,軟件架構圖如4所示。

測試系統數據采集分析軟件采用生產者循環線程、消費者循環、用戶界面事件、圖像采集線程等4個線程架構,生產者循環(空閑態、采集態、配置態、通信態、退出態)采用普通狀態機架構編程,主要與主測軟件通信實現采集的自動啟?？刂?、采集參數的配置、數據采集后入隊列等,消費者循環主要實現各數字量數據出隊列與文件存儲、模擬量文件采集存儲功能,用戶界面事件處理線程主要用于實現用戶界面事件處理、采集參數配置選擇、采集數據回放畫圖、數據分析、給出結果報表等,圖像采集線程主要實現圖像數據采集、圖像字符疊加和存儲等,軟件架構如圖5所示。

圖5 測試系統數據采集分析軟件架構圖

3.3 測試流程

測試開始時,設備應先完成自檢成功,如程控電源電壓符合要求、CAN通信板連接正常、RS422通信板連接、繼電器板連接正常、模擬采集板數據誤差符合要求、復合目標模擬器與測試設備通信正常、視頻采集板正常工作等,設備自檢合格后才能對被測彈上電測試,導彈上電自檢正常后,因為被測彈有7個測試條件,需要依次選擇不同的測試條件和多個不同的輸入導彈參數,選擇和配置好測試條件和參數后,導彈方可進入自動測試流程(裝訂星歷、對準、選彈、諸元裝訂、擊發、時序上電或其他操作、向車載圖傳發各種順序測試指令、與模擬器發指令等),同時進行所有的彈上數據采集存儲,導彈斷電后將存儲的數據進行逐個文件解析、計算和分析,并根據計算與反算分析結果給出每一個部件的每一個復雜參數的合格結果報告。軟件的測試流程圖如圖6所示。

圖6 測試系統軟件流程圖

4 試驗結果與研究

反坦克導彈測試時,將反坦克導彈通過測試彈尾線纜、彈測試口線纜與測試系統(筆記本、USB測試盒和LXI測試盒、復合目標模擬器、衛星模擬器等)連接(見圖1),測試條件包含低溫、高溫、溫度循環、振動篩選測試、出廠測試、靶場測試等條件,其中被測彈放置在高低溫箱、振動試驗臺、彈藥防爆庫房、靶場陣地等。測試系統自檢與導彈自檢正常后,選擇測試條件后,進入自動測試流程(裝訂星歷、對準、選彈、諸元裝訂、擊發、向車載圖傳發送操控導引頭的指令等),同時進行所有的彈上數據采集存儲,導彈斷電后將存儲的數據進行逐個文件解析、計算(含反算)和分析等。

測試數據報表(見表1)主要由各個彈部件測試物理參數的理論范圍、實測值以及判讀結果構成。某一次的測試數據某一參數的計算分析繪制圖如圖7所示。

表1 測試數據報表

圖7 點火1的電壓-時間數據圖

經過多個階段的產品的多次不同測試聯試證明,研制的測試系統能夠對被測某反坦克導彈的總體功能、性能進行系統性與各子部件級(飛控、導引頭、引信、圖傳、慣導衛星等)的設計驗證與考核。在多個階段不同被測彈的測試過程中,查找和排除了被測彈的設計中的多個軟件和硬件錯誤,提出更改被測彈的軟件錯誤,并為系統的各部件級排除和定位故障。經多輪產品驗證,系統軟件測試時間耗時短,自動化效率高,數據分析和判讀效率高于人工判讀效率,能夠滿足各部件多個指標的設計驗證需求,提高了總體設計驗證的效率。

5 結語

本文研制設計了基于LXI和USB的某反坦克導彈測試系統,并用串行總線連接了其他輔助測試組件與設備,組成了一個系統完整的某反坦克導彈測試系統,高效完成了某反坦克導彈的多個生命周期的設計驗證測試工作。該系統對被測彈的所有工作時序流程進行自動測試,采集信號包涵了被測彈的全部信號,完成了導彈各階段的設計驗證測試工作。同時研制的設備結構小型化,重量輕,自動化程度高,操作簡單,軟件與硬件使用了模塊化、通用化的設計思想,修改升級維護方便。它的研制成功提高了某反坦克導彈的測試效率和合格率,并對反坦克導彈總體設計具有重要的意義。