薄志峰

(92941部隊(duì)92分隊(duì) 葫蘆島 125001)

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基于LXI總線的無線電高度表自動(dòng)化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

薄志峰

(92941部隊(duì)92分隊(duì) 葫蘆島 125001)

針對目前對無線電高度表的檢測方法已不能滿足需要的問題,設(shè)計(jì)一種基于LXI總線的自動(dòng)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用虛擬儀器、LXI總線等技術(shù),通過LabVIEW編寫的控制標(biāo)準(zhǔn)儀器的動(dòng)態(tài)庫函數(shù),可以對無線電高度表的工作電壓、發(fā)射頻率、接收頻率、靈敏度、發(fā)射功率等參數(shù)進(jìn)行測量、顯示、打印、存儲,測量結(jié)果可供以后查詢。利用觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了各個(gè)測量單元之間的時(shí)間同步測量,解決了自動(dòng)測試系統(tǒng)中常見的各儀器模塊之間的協(xié)同工作問題。利用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫建模知識,通過在參數(shù)表中增加記錄和升級動(dòng)態(tài)函數(shù)可以方便地用該測試設(shè)備測試其他的無線電高度表。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)檢測與控制精度高,具有一定的實(shí)用性。

無線電高度表; 自動(dòng)測試系統(tǒng); LXI總線; 高度模擬裝置

Class Number TP274

1 引言

無線電高度表[1～2]是通過測量電磁波在空間內(nèi)傳播的延遲時(shí)間來確定地面(或水面)上空飛行器的相對高度。無線電高度表的測量范圍為零高度至衛(wèi)星高度,其測量精度是由信號帶寬和時(shí)間測量系統(tǒng)精度決定的,測量精度最高甚至可以達(dá)到厘米級。

隨著航空技術(shù)的迅猛發(fā)展,精確測量飛行器相對于地面(或水面)某一基準(zhǔn)面的高度,對確保飛行器飛行質(zhì)量和飛行安全變得愈加重要,高度表也不斷應(yīng)用在各類飛行器中。作為一種主動(dòng)遙感式設(shè)備,高度表最初是用來測量地面(或水面)上空飛行器的高度,后來逐漸擴(kuò)展到其它方向的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代航空技術(shù)、制導(dǎo)控制技術(shù)、電子技術(shù)、信號處理技術(shù)的快速發(fā)展,高度表技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步,近幾年來國內(nèi)外各種新型高度表已成功地應(yīng)用在了軌道測量、衛(wèi)星定位、大地測繪等方面,同時(shí)對高度表的檢測技術(shù)也提出了新的更高的要求。

傳統(tǒng)的無線電高度表檢測系統(tǒng)[3～5]在對無線電高度表進(jìn)行性能檢測時(shí),一般采用等效高度電纜箱來模擬飛行器的飛行高度,并利用測試設(shè)備對高度表輸出的高度電壓信號進(jìn)行測量和判斷。傳統(tǒng)檢測方法存在的主要問題是高度測量點(diǎn)少;高度測量點(diǎn)在確定后很難調(diào)整;不能連續(xù)模擬高度變化;無法對高度表整個(gè)工作過程進(jìn)行全面評估。為此,提出了基于LXI總線[6～8]的自動(dòng)化測試系統(tǒng),系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于LXI總線的虛擬儀器技術(shù)、構(gòu)件技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。LXI總線技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)與儀器領(lǐng)域的最新技術(shù),并能夠借鑒相關(guān)領(lǐng)域已有的成熟經(jīng)驗(yàn),具有高可靠性、緊湊靈活、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。LXI基于LAN的結(jié)構(gòu)以及IVI可互換儀器驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn),使得其在測試領(lǐng)域中長壽命儀器的實(shí)現(xiàn)成為可能。LXI沒有帶寬和底板結(jié)構(gòu)的限制,它可以利用日益提高的以太網(wǎng)吞吐量,可滿足各種自動(dòng)測試設(shè)備的要求,能夠應(yīng)用于各種復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中,為組建高性能、低價(jià)位、便攜式的測試系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的測試平臺。

2 高度表測試原理

無線電高度表按照調(diào)制方式的不同分為脈沖體制無線電高度表和調(diào)頻連續(xù)波體制無線電高度表,通常把脈沖體制的無線電高度表稱為雷達(dá)高度表,而把調(diào)頻連續(xù)波體制的無線電高度表稱為無線電高度表。調(diào)頻連續(xù)波無線電高度表又分為恒定調(diào)制周期體制和恒定差拍體制。本文主要研究由鋸齒波調(diào)制的調(diào)頻連續(xù)波恒定差拍體制無線電高度表。

圖1 信號傳輸圖

在測量飛行器至地面(或水面)的高度H時(shí),無線電高度表的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)放在同一運(yùn)載飛行器上,如圖1所示,無線電高度表利用飛行器上的發(fā)射天線在t1時(shí)刻發(fā)射一個(gè)頻率為f1探測信號,并在t2時(shí)刻利用飛行器上的接收天線接收由地面(或水面)反射的頻率為f2回波信號,這時(shí)回波信號相對發(fā)射信號的延遲時(shí)間Δt為式(1):

Δt=t2-t1

(1)

式中:Δt為延遲時(shí)間,單位為微秒(μs);t1為發(fā)射時(shí)間,單位為微秒(μs);t2為接收時(shí)間,單位為微秒(μs)。

飛行器距地面(或水面)的高度H為式(2):

H=Δt*c/2

(2)

式中:H為被測高度,單位為米(m);c為電磁波傳播速率,3*108,單位為米每秒(m/s)?；夭ㄐ盘栂鄬Πl(fā)射信號的差拍頻率fb為式(3):

fb=f2-f1

(3)

式中:fb為差拍頻率,單位為赫茲(Hz);f1為發(fā)射頻率,單位為赫茲(Hz);f2為接收頻率,單位為赫茲(Hz)。

由圖1可以得到式(4):

fb/Δf=Δt/Tm

(4)

式中:Δf為調(diào)頻帶寬,單位為兆赫茲(MHz);Tm為鋸齒波調(diào)制周期,單位為微秒(μs);由式(2)可得Δt=2H/c,將它代入式(4)中,得式(5)

fb/Δf=2H/(c*Tm)

(5)

經(jīng)整理,則有式(6):

Tm=2Δf*H/(c*fb)

(6)

式中,處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí),Δf和c是常數(shù),fb在瞬態(tài)平衡狀態(tài)下也是常數(shù),故式(6)可寫作式(7):

H=K*Tm

(7)

式中:K=(c*fb)/2Δf。

可見,調(diào)制周期Tm與被測高度H成正比。通過對與調(diào)制周期Tm同步的高度脈沖信號的測量即可達(dá)到測量高度的目的。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)以LXI總線為核心,將主控計(jì)算機(jī)、程控高度模擬裝置、信號處理設(shè)備、接口適配器、通用測試模塊和專用測試模塊等有機(jī)結(jié)合起來,采用數(shù)字采集與存儲技術(shù)、可編程軟件控制技術(shù)和數(shù)字瞬時(shí)測頻技術(shù)組成無線電高度表自動(dòng)化測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

主控計(jì)算機(jī)是整個(gè)測試系統(tǒng)的核心,對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施控制,對測試過程進(jìn)行管理,提供測試操作人員的人機(jī)對話接口,控制各種LXI儀器和設(shè)備的工作狀態(tài),將采集到的信號及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,判斷被測參數(shù)是否合格。主控計(jì)算機(jī)通過多路開關(guān)模塊和控制器模塊對無線電高度表進(jìn)行激勵(lì)傳輸,并將無線電高度表對激勵(lì)產(chǎn)生的相應(yīng)指令信號、數(shù)字信號及模擬信號由數(shù)據(jù)采集模塊采集,然后分發(fā)到相應(yīng)的LXI儀器和主控計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理和存儲。信號處理設(shè)備和接口適配器提供被測無線電高度表的連接接口,用于連接測試設(shè)備,對信號進(jìn)行變換,測試設(shè)備產(chǎn)生的激勵(lì)信號通過信號處理設(shè)備和接口適配器送往被測無線電高度表,測試結(jié)果信號也都經(jīng)過接口適配器和信號處理設(shè)備送往測試設(shè)備進(jìn)行處理。微波信號是無線電高度表測試時(shí)的關(guān)鍵參數(shù),要對其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制并實(shí)時(shí)檢測無線電高度表工作狀態(tài)。程控高度模擬裝置能夠真實(shí)模擬高度回波信號,主控計(jì)算機(jī)通過LXI總線向程控高度模擬裝置發(fā)出指令,程控高度模擬裝置控制微波信號產(chǎn)生相應(yīng)的高度回波信號,無線電高度表探測到回波信號,并根據(jù)無線電高度表工作流程產(chǎn)生相應(yīng)工作狀態(tài)及微波信號變化,測試系統(tǒng)通過各種LXI總線通用模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)測量與監(jiān)視。

4 系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)具有自動(dòng)測試、手動(dòng)測試、單項(xiàng)抽測、系統(tǒng)計(jì)量、標(biāo)校、自檢、數(shù)據(jù)處理及故障診斷等功能,為了方便用戶維護(hù)和系統(tǒng)擴(kuò)展,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想,主要包括用戶管理模塊、測試項(xiàng)目模塊、系統(tǒng)計(jì)量模塊、標(biāo)校模塊、自檢模塊、儀器設(shè)備管理模塊故障診斷模塊、數(shù)據(jù)管理模塊及系統(tǒng)擴(kuò)展模塊等。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過調(diào)用多個(gè)相應(yīng)的功能模塊,控制系統(tǒng)軟件的流程,完成相應(yīng)的測試任務(wù)。測試系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

4.2 測試模式

基于LXI總線的測試系統(tǒng)有兩種測試模式,一種是C/S(客戶端/服務(wù)器)模式,客戶端通過IVI-COM對LXI儀器進(jìn)行訪問和控制;另一種是B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式,客戶端安裝一個(gè)瀏覽器,輸入LXI儀器的IP地址,就能直接訪問相應(yīng)儀器的主頁面,并實(shí)施遠(yuǎn)程控制。在C/S模式中,IVI-COM儀器協(xié)議在客戶端和LXI儀器設(shè)備之間建立一條通道,客戶端運(yùn)行測試控制軟件,LXI儀器設(shè)備端的應(yīng)用程序接收相應(yīng)的服務(wù)請求,執(zhí)行相應(yīng)操作,然后返回結(jié)果給客戶端。IVI-COM儀器協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口(API)。通過C/S模式構(gòu)建的測試系統(tǒng),可獲得比較好的測試性能,能滿足并行測試的需求。根據(jù)上面的分析及實(shí)際需要,系統(tǒng)采用C/S模式。

4.3 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件平臺采用層次化結(jié)構(gòu),根據(jù)組成系統(tǒng)平臺軟、硬件之間的關(guān)系和作用,將其劃分為:應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)層和物理層,其層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)軟件平臺結(jié)構(gòu)圖

1) 應(yīng)用層:系統(tǒng)應(yīng)用了參數(shù)化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫和虛擬儀器技術(shù),操作系統(tǒng)采用Windows XP系統(tǒng),系統(tǒng)軟件的開發(fā)是由LabVIEW完成的,LabvIEW是NI公司的一種基于圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境,它提供了儀器驅(qū)動(dòng)程序、虛擬儀器的控件、數(shù)據(jù)庫工具軟件包、豐富的數(shù)據(jù)處理分析函數(shù)。LabVIEW可以使程序設(shè)計(jì)簡化,效率提高。根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù),進(jìn)行無線電高度表參數(shù)測試功能的數(shù)學(xué)建模,數(shù)學(xué)模型通過數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)表進(jìn)行描述。對測試無線電高度表不同參數(shù)的測試功能模塊用LabVIEW封裝成不同的動(dòng)態(tài)庫函數(shù),以方便系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行調(diào)用。系統(tǒng)軟件是整個(gè)測試系統(tǒng)的測試程序,它通過控制LXI儀器設(shè)備,實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生、采集,通過一系列分析處理程序,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、分析處理,能夠生成結(jié)果報(bào)表,可以顯示和打印報(bào)表等。系統(tǒng)軟件通過虛擬面板實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,各項(xiàng)測試通過點(diǎn)擊虛擬面板上的按鈕就能完成。

2) 驅(qū)動(dòng)層:完成在操作系統(tǒng)下儀器設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和連接。所有LXI儀器設(shè)備都支持符合IVI規(guī)范的驅(qū)動(dòng)程序和VISA資源名,這使得在系統(tǒng)底層硬件發(fā)生變化時(shí),用戶不用改變上層的驅(qū)動(dòng)程序就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)了底層儀器設(shè)備的互換性和互操作性。

3) 物理層:物理層是由構(gòu)成系統(tǒng)的所有儀器設(shè)備以及對應(yīng)的LXI總線接口軟件組成。系統(tǒng)通過對系統(tǒng)硬件各部分的直接驅(qū)動(dòng)并將其由LXI總線連接起來形成一個(gè)的完整的測試系統(tǒng)。LXI總線接口軟件是存在于儀器驅(qū)動(dòng)程序與儀器設(shè)備間的底層軟件層,完成對LXI儀器設(shè)備測試與控制、對儀器內(nèi)部寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作并為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 時(shí)間同步觸發(fā)

為了降低開發(fā)成本,系統(tǒng)采用不具備時(shí)間同步功能的LXI-C類儀器模塊來建構(gòu)測試系統(tǒng)。然而,在雷達(dá)測試過程中需要多臺儀器協(xié)同工作,因此必須解決多臺儀器之間的時(shí)間同步問題。采用符合LXI-B規(guī)范的同步觸發(fā)器,可以滿足系統(tǒng)的時(shí)間同步觸發(fā)需求。

5.2 基于UML的軟件建模

UML[9～10]是一種面向?qū)ο蟮慕ＵZ言,也是概念建模的重要工具。UML建立了面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一的概念、術(shù)語以及圖形符號,建立了易于人們交流溝通的語言,用于對軟件系統(tǒng)進(jìn)行描述、可視化處理、構(gòu)造以及建立軟件系統(tǒng)的文檔。UML為編寫系統(tǒng)軟件模型提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法,包括系統(tǒng)功能和軟件流程類的抽象概念,還包括數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、具體的程序語句和可重用的模塊化程序這類具體的東西。UML能夠準(zhǔn)確地將軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、層次以及流程用圖形化的方式表達(dá)出來,使人們可以清晰地了解軟件系統(tǒng)各功能之間的相互聯(lián)系,還能根據(jù)模型生成相關(guān)的軟件代碼框架,極大地節(jié)約了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)工作時(shí)間。

5.3 基于多線程的軟件設(shè)計(jì)

多線程技術(shù)就是一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行測試任務(wù)的結(jié)構(gòu),主要是通過在線程間切換來完成并行測試任務(wù)。多線程結(jié)構(gòu)中,多個(gè)測試任務(wù)在一個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行,這些線程只擁有一個(gè)簡單的內(nèi)存地址。主線程是用來控制所有其它線程執(zhí)行的。在進(jìn)程執(zhí)行中可以任意創(chuàng)建或取消其他的線程。多線程結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是所有線程都在一個(gè)進(jìn)程中,它們能更好地共享測試資源和通信,使CPU開銷減小。

5.4 程控高度模擬裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

程控高度模擬裝置是無線電高度表測試的重要設(shè)備,主要作用是模擬高度回波信號[11～12]。要模擬高度回波信號,可以先接收無線電高度表的原始發(fā)射信號,然后對該信號直接進(jìn)行加入目標(biāo)特征的處理。高度回波信號中的目標(biāo)特征簡單來講就包括三種:時(shí)延信息、頻率信息和幅度信息。高度回波信號的時(shí)延信息主要是由高度距離引起的。回波信號的頻率信息主要由目標(biāo)徑向速度帶來的多普勒頻移引起的。高度回波信號的幅度信息主要受到高度距離的影響。在這三種信息的處理上都有相應(yīng)的主要技術(shù)途徑:幅度模擬以由大動(dòng)態(tài)的程控衰減器實(shí)現(xiàn);多普勒頻率可以通過直接式數(shù)字合成器(DDS)實(shí)現(xiàn),也可以通過高速數(shù)字信號處理系統(tǒng)的運(yùn)算實(shí)現(xiàn);延時(shí)可以通過數(shù)字射頻存儲技術(shù)(DRFM)[13～14]來實(shí)現(xiàn)。此外還可以通過數(shù)字射頻存儲技術(shù)(DRFM)來實(shí)現(xiàn)對干擾信號的調(diào)制。

圖5 程控高度模擬裝置結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作時(shí),將從高度表發(fā)射端接收到的高度表發(fā)射信號傳輸給下變頻模塊;下變頻模塊將從高度表發(fā)射端和頻率源接收到的信號轉(zhuǎn)換為中頻信號分別傳輸給VCO模塊和頻率引導(dǎo)模塊;VCO模塊受主控計(jì)算機(jī)控制改變振蕩回路諧振頻率,產(chǎn)生具備純凈頻譜特性的信號,并將其傳輸給頻率引導(dǎo)模塊;頻率引導(dǎo)模塊將接收到的中頻信號進(jìn)行頻率測量,根據(jù)測量結(jié)果確定反饋調(diào)整量,進(jìn)而調(diào)節(jié)頻率源輸出頻率;頻率源根據(jù)頻率引導(dǎo)模塊提供的頻率參數(shù)快速調(diào)整本振工作頻率以使其對應(yīng)于當(dāng)前的無線電高度表工作頻率,并將信號傳輸?shù)紻RFM模塊。主控計(jì)算機(jī)控制DRFM模塊產(chǎn)生除加入延時(shí)以外的與輸入信號一致的輸出信號,并根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)確定是否進(jìn)行干擾調(diào)制以及干擾調(diào)制的類型;將DRFM輸出信號和DDS模塊的輸出信號進(jìn)行混頻,產(chǎn)生包含距離延時(shí)和多普勒頻移的正交雙通道多普勒信號;將混頻調(diào)制后的信號進(jìn)行幅度調(diào)制產(chǎn)生相應(yīng)的高度回波信號;上變頻模塊將接收到的高度回波信號轉(zhuǎn)換使其成為真實(shí)高度回波模擬信號;將真實(shí)高度回波模擬信號發(fā)送給高度表接收端。程控高度模擬裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

6 結(jié)語

以往對無線電高度表測試使用的高度模擬裝置和測試方法,不但精度低下、測試項(xiàng)目只能覆蓋有限的幾個(gè)高度點(diǎn),而且不能真實(shí)反映無線電高度表的工作狀態(tài)。本文利用LXI總線構(gòu)建無線電高度表自動(dòng)測試系統(tǒng),研制能夠模擬無線電高度表的高度信號真實(shí)變化過程的程控高度模擬裝置,實(shí)現(xiàn)了測試程序真實(shí)模擬無線電高度表工作過程及其過程中各項(xiàng)參數(shù)的自動(dòng)測試,能夠真實(shí)反映無線電高度表的工作狀態(tài),系統(tǒng)具有測試速度快捷、測試與控制精度高、操作方便、通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn),滿足目前無線電高度表自動(dòng)測試的需求,同時(shí)能夠檢驗(yàn)無線電高度表的真實(shí)工作狀態(tài)和性能,為后續(xù)無線電高度表測試方法的研究奠定了基礎(chǔ)。

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Design of the Automatic Testing System of Radio Altimeter Based on LXI Bus

BO Zhifeng

(Unit 92, No. 92941 Troops of PLA, Huludao 125001)

In order to solve the problem that the existing test devices for radio altimeter are unable to meet the demand, an automatic testing system based on LXI bus is designed. The system applies the technologies of virtual instrument and LXI bus, by using Dynamic Link Library(DLL) of standard instruments control built via LabVIEW, the parameters of radio altimeter such as working voltage, transmitting frequency, receiving hequency, sensitivity and transmitting power can be tested, displayed, printed and stored. The test results can be queried in the future. It uses trigger to synchrony with some test units. The system solves the problem of the various instruments work together. By increasing notes in parameter list and upgrading DLL, it is convenient to measure other types of radio altimeter with this test equipment using parametric design and database modeling technology. The technology and methods adopted in the system are practical.

radio altimeter, automatic test system, LXI bus, altitude simulators

2014年10月8日,

2014年11月19日

薄志峰,男,工程師,研究方向:自動(dòng)化測試。

TP274

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.037