梁嘉倩，魯文帥，孟升衛(wèi)，付 平

(1. 中國電子科學研究院，北京 100041；2. 哈爾濱工業(yè)大學自動化測試與控制研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著軍事裝備的現(xiàn)代化發(fā)展，以火箭測試為典型應用的自動測試系統(tǒng)也面臨著日趨升級的挑戰(zhàn)，特別是被測信號的數(shù)量、密度、種類等日益復雜。如何在裝備使用前快速、全面、準確、機動的完成整套復雜測量任務，是裝備性能保障的關(guān)鍵。在火箭發(fā)射前，需要在地面上對箭上各個設(shè)備的工作狀態(tài)進行測試檢查，由測試結(jié)果判斷導彈是否具備發(fā)射條件[1-2]。對火箭及其控制系統(tǒng)的測試，是檢驗裝備工作狀態(tài)和保證裝備處于良好技戰(zhàn)術(shù)水平的必不可少的環(huán)節(jié)[3-4]。在綜合測試中，被測對象數(shù)量龐大，傳統(tǒng)的人工檢測已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化的支持保障需求。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，自動測試技術(shù)慢慢進入了軍用領(lǐng)域，成為了軍用裝備可靠運行的必要保證[5]。

對于任何一個型號的武器裝備，都有數(shù)量龐大的組件需要測量，待測信號種類和路數(shù)更是繁多。為滿足對特定裝備型號的針對性可靠測試，自動測試系統(tǒng)一方面需要具備充分的專用性，以保障專項專用[6]；另一方面為滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對于訓練和實戰(zhàn)的機動性要求，測試系統(tǒng)載荷需要受到限定，為特定型號配備的測試系統(tǒng)要盡可能小型化和高集成度，盡可能減少測試設(shè)備種類和儀器數(shù)量[7]，因此要求研制的專用自動測試系統(tǒng)能夠配套于系統(tǒng)中不同待測對象的不同信號組合。通常，對于測試系統(tǒng)而言，信號調(diào)理和信號測量在同一塊模塊上完成，以追求面積最小化[8]；但當被測信號變得復雜且多樣時，這樣的設(shè)計思想難以保證靈活性和專用性的兼顧。

本論文在對箭上被測信號進行全面梳理分析的基礎(chǔ)上，對信號的特征進行了分類，并基于此將原始被測信號分為直流、交流、時變?nèi)N，設(shè)計專用的調(diào)理模塊，將被測信號調(diào)理為共性的測壓和測頻信號，再進入集中復用的測量模塊。為了實現(xiàn)調(diào)理電路、測量電路和被測信號的實時適配，設(shè)計了同步調(diào)理編碼，并基于FPGA予以編碼分析和調(diào)理控制的實現(xiàn)，最后通過測試結(jié)果驗證了設(shè)計的正確性和優(yōu)越性。

1 被測信號分析

本論文以火箭測試中的兩個特定場景的被測信號組合(以下稱被測信號組合I和被測信號組合II)為例分析常見的箭上被測信號。表1是對應兩個組合的待測信號詳細屬性描述。由表1可見，待測信號從交直流變化(直流、交流、時變)、被測物理量(電壓、頻率)、測量范圍(小電壓、低壓、高壓、低頻、高頻)等維度劃分有多種類型，每種類型分布在多個通道，共計160路。對被測信號提取共性屬性，如圖1所示。

表1 被測信號組合I和II的待測信號描述表

圖1 被測信號組合分類示意圖

由表1和圖1，對測量需求分解：從測量物理量上，包括測壓和測頻；從被測信號的電流方向，包括固定直流、固定交流和母線時變；從測量的工作模式，包括單次測量和循環(huán)測量；從被測信號范圍，包括小電壓、低壓、高壓、低頻、高頻。

在此基礎(chǔ)上分析測試需求：當不考慮被測信號范圍時，測試需求包括單通道直流電壓測量、單通道交流有效值測量、單通道頻率測量以及多通道循環(huán)電壓測量；當不考慮測量范圍和交直流時，測試需求只包括電壓測量和頻率測量，這為復用測量功能提供了設(shè)計依據(jù)；當不考慮被測范圍和測量功能時，測試對象只包括固定參數(shù)直流信號、固定參數(shù)交流信號、時變參數(shù)母線信號，這為專用調(diào)理功能提供了設(shè)計依據(jù)。

2 組合測量設(shè)計

2.1 測量機制設(shè)計

一般而言，數(shù)據(jù)采集模塊的常規(guī)設(shè)計思路是信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集功能電路集成化設(shè)計。而本文中被測信號數(shù)量多、差異大，采用統(tǒng)一的電路難以完成對不同通道的調(diào)理，因此對不同通道需要設(shè)計不同的調(diào)理電路；而調(diào)理之后的信號可以統(tǒng)一采用通用的數(shù)據(jù)采集電路采集電壓量或頻率量。因此，為了簡化系統(tǒng)并提高系統(tǒng)的靈活性，本文設(shè)計將調(diào)理與數(shù)據(jù)采集兩部分功能分解為兩個去耦合的環(huán)節(jié)：調(diào)理環(huán)節(jié)負責信號的接入、隔離與調(diào)理，設(shè)計為針對特定類型被測信號的專用模塊，而數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)負責電壓與頻率的測量，設(shè)計為不同被測信號可以分時復用的通用模塊。去耦合的測試機制如圖2所示。

圖2 調(diào)理與測量環(huán)節(jié)去耦合的組合測試機制示意圖

圖2所示的組合測試機制中，由分時復用的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)、互相獨立的信號調(diào)理專用環(huán)節(jié)、被測組合信號選通環(huán)節(jié)組成。信號調(diào)理模塊可進一步分類成三種不同模塊，直流調(diào)理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對直流信號的衰減或放大，使被測信號滿足AD的測量范圍要求；交流調(diào)理模塊能夠衰減或放大交流信號的幅值，完成交流信號的電壓有效值轉(zhuǎn)換，并將正弦信號轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號；母線調(diào)理模塊專門用來調(diào)理母線信號，該模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊上FPGA發(fā)送的控制指令，來切換電路，從而改變測量內(nèi)容與測量方式。

調(diào)理模塊通過外部走線連接被測信號，調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊之間通過內(nèi)部走線互連。針對不同被測對象組合，系統(tǒng)中主控模塊和數(shù)據(jù)采集模塊可固定不變，只需要根據(jù)被測信號的測試需求選擇相應數(shù)量與種類的調(diào)理模塊。這樣的設(shè)計可以靈活調(diào)理復雜信號，又有效復用測量資源。

2.2 調(diào)理編碼設(shè)計

組合測試系統(tǒng)的靈魂在于被測信號和調(diào)理測量的同步執(zhí)行，以及調(diào)理測量電路的軟件在線實時可編程，即軟件定義硬件，以確保針對被測對象和主機用戶所需的不同信號組合進行信號選通和調(diào)理配置。為了使主控模塊能夠同步且方便的控制被測對象給出待測信號，控制調(diào)理電路選通配置通道，控制數(shù)采模塊控制測量模式，本課題為系統(tǒng)設(shè)計了一套調(diào)理編碼，主控模塊根據(jù)應用發(fā)出調(diào)理編碼，數(shù)據(jù)采集模塊通過解析調(diào)理編碼明確用戶的控制命令，控制調(diào)理模塊切換通道，改變量程、配置測壓和測頻電路，并最終完成測量任務，返回測量數(shù)據(jù)。這里的調(diào)理編碼，指隨著主機指令傳輸?shù)膮?shù)化編碼，編碼涵蓋了被測通道、測試類型、測量范圍等。

如圖3所示，調(diào)理編碼設(shè)計為12位二進制數(shù)。調(diào)理編碼高6位表示測量通道，中間3位表示測量操作的模式類型，其中第5位區(qū)分交流還是直流信號，其余2位表示小電壓信號(00)、低壓信號(01)、高壓信號(10)、測頻信號(11)。對于母線信號，調(diào)理編碼低3位表示信號的衰減放大比例參數(shù)(對于測壓操作)或被測信號的頻率參數(shù)范圍(對于測頻操作)，而對于其他信號低3位無意義，均為0。

圖3 用于參數(shù)化測試的同步調(diào)理編碼格式字段圖

3 組合測量的硬件和邏輯實現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計

以CPCI自動測試系統(tǒng)為實驗平臺，以被測對象的時變參數(shù)母線信號及其母線調(diào)理模塊為例，闡述軟件可定義的母線信號調(diào)理硬件設(shè)計。基于可編程的繼電器組合開關(guān)設(shè)計的可編程母線專用調(diào)理模塊如圖4所示。

圖4 母線專用調(diào)理模塊的硬件設(shè)計框圖

如圖4，母線專用調(diào)理模塊的硬件工作機制為：根據(jù)不同的調(diào)理編碼，數(shù)據(jù)采集模塊通過J2/P2的E列給出繼電器切換控制信號。

當被測信號為需要衰減的高壓信號時，F(xiàn)PGA發(fā)送的開關(guān)量信號將控制繼電器K1(或K2)開通接入分壓電路，并根據(jù)被測信號的電壓值不同，選擇開通K1或K2繼電器，從而選取相應阻值組合的分壓電路，實現(xiàn)不同比例的分壓。當被測信號為需要放大的小電壓信號時，F(xiàn)PGA發(fā)送的開關(guān)量信號將控制繼電器K1和K2都關(guān)斷，不進行分壓衰減，并開通繼電器K3，使被測信號接入單運放的放大電路。

當母線通道信號為交流信號時，F(xiàn)PGA發(fā)送的開關(guān)量信號控制繼電器K4接通有效值測量電路，測得的交流信號有效值經(jīng)過隔離運放后輸出。另外交流信號還需要由比較器變換為同頻率的方波信號，經(jīng)過光耦后作為數(shù)字量(頻率量)輸出。當母線信號為直流信號時，F(xiàn)PGA發(fā)送的開關(guān)量信號控制繼電器K4切換為輸出原信號通道，信號不用測量有效值，將原信號直接經(jīng)過一個隔離運放后輸出。

繼電器K5選擇被測對象或板載自檢基準源LM136，繼電器K6選擇板載自檢基準源LM136的電源或地，繼電器K3選擇是否接通交流衰減放大濾波運放OP27，繼電器K1和K2選擇是否接通直流衰減電阻網(wǎng)絡(luò)及衰減系數(shù)，繼電器K4選擇直流測壓通道或交流有效值測壓通道接通隔離運放AD202，繼電器K7選擇交流衰減放大濾波運放的配置電阻。直流調(diào)理、交流調(diào)理、通用測量模塊的硬件設(shè)計參考我們以往的論文[9]。

3.2 邏輯設(shè)計

采用FPGA實現(xiàn)對調(diào)理編碼的解析和對調(diào)理電路的控制。調(diào)理編碼邏輯從本地總線的寫空間寄存器獲取主機發(fā)來的調(diào)理編碼，并根據(jù)預定的含義解析編碼內(nèi)容，為測壓邏輯或測頻邏輯配置參數(shù)，并為直流調(diào)理模塊或交流調(diào)理模塊硬件提供多路選擇器的選通控制信號，為母線調(diào)理模塊硬件提供繼電器組控制信號。調(diào)理解析控制邏輯框圖設(shè)計如圖5所示。

圖5 調(diào)理編碼解析邏輯框圖

FPGA調(diào)理編碼邏輯總體上分成字段解析部分、模式綜合部分、邏輯配置部分、電路控制部分。其中字段解析部分包括將編碼拆分成功能字段和信號字段，功能字段用來判別測量單次或循環(huán)、電壓或頻率，信號字段判別交流、直流、母線。模式綜合部分在字段解析部分基礎(chǔ)上對調(diào)理編碼的各個字段含義進行綜合，得到配置控制策略。邏輯配置部分是面向本地邏輯，根據(jù)模式綜合部分的策略，配置測壓邏輯的范圍、通道、次數(shù)等，或配置測頻邏輯的基準、閘門等。電路控制部分是面向CPCI系統(tǒng)三個信號調(diào)理模塊，給出直流模塊2個多路選擇器或交流模塊1個多路選擇器的選通信號，或給出母線模塊的交直流選擇、增益選擇等。

調(diào)理編碼的指令解析是測量設(shè)備理解主機測試指令的關(guān)鍵。定義12位邏輯緩存器Code[11:0]接收調(diào)理編碼。根據(jù)前文所述調(diào)理指令方案的編碼格式，Code[11:6]為信號通道指示碼，Code[5:3]指示測頻或測壓需求，Code[2:0]指示測量的具體參數(shù)。

圖6 測試系統(tǒng)直流信號測壓曲線

特別的，當通道指示碼Code[11:6]為1時，固定表示為母線被測信號，此時Code[5]用于區(qū)分直流輸入或交流輸入，Code[2:0]用于指示期望對母線信號采取的衰減放大倍數(shù)。

當Code[11:6]為0(非法)或1(母線通道)以外的其他合法參數(shù)時，分別對應了信號組合I或II的非母線信號的不同通道。這時進一步，當Code[5:3]指示此時需要測頻時，Code[2:0]給出被測頻信號的組合參數(shù)，包括頻率范圍(如177 Hz，200 Hz，500 Hz，1000 Hz，8000 Hz等幾個檔位)，電壓范圍(如4～6 V，6～12 V，12～22 V，22～35 V，35～41 V等幾個檔位)和信號類型(正弦、方波)。當Code[5:3]指示此時需要測壓時，Code[2:0]給出被測電壓信號的電壓范圍，測壓配置邏輯向ADC測壓控制邏輯發(fā)出ADC通道選擇指令和測量次數(shù)指令，指定8通道ADC的具體輸入通道和需要模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。

3.3 測試驗證

用可編程校準源模擬被測信號先驗電壓范圍的輸入信號，利用實現(xiàn)的組合測量系統(tǒng)對電壓范圍(小電壓、低壓、高壓)和信號類型(直流固定、交流的固定、母線時變)不同的分類信號做組合測試，記錄信號通過專用測試系統(tǒng)后的輸出響應數(shù)據(jù)，繪制得到系統(tǒng)的測試曲線。

圖6 (續(xù))

圖7 測試系統(tǒng)交流信號有效值測壓曲線

直流被測信號經(jīng)直流模塊調(diào)理測得的小電壓、低壓、高壓直流信號曲線如圖6(a)(b)(c)所示，經(jīng)母線模塊調(diào)理測得的小電壓、低壓、高壓直流信號曲線如圖6(d)(e)(f)所示，交流被測信號經(jīng)交流模塊調(diào)理測得的低壓、高壓交流有效值信號曲線如圖7(a)(b)所示，經(jīng)母線模塊調(diào)理測得的低壓、高壓交流有效值信號曲線如圖7(c)(d)所示。上述所有校準源的被測信號均按照箭上真實被測信號的取值范圍給定。對應的測量結(jié)果的精度如表2所示，經(jīng)計算測試精度誤差小于1‰，滿足應用需求。

表2 分類信號的組合測量結(jié)果

以上所有信號的測量全部采用一套3塊調(diào)理模塊和1塊數(shù)采模塊實現(xiàn)，驗證了組合測量機制的可行性和優(yōu)越性。

4 結(jié) 語

本論文在對導彈復雜測試信號需求分析的基礎(chǔ)上，提出了分類調(diào)理、復用測量的組合測試機制，并給出了系統(tǒng)驗證和測試結(jié)果。測試表明，對于多通道、多種類、高密度被測信號，提出的分類調(diào)理、復用測量的組合測試方案能夠在滿足測試精度和時效性的要求下，有效簡化測試系統(tǒng)，減小體積尺寸，提高測試系統(tǒng)的機動性與靈活性，對于被測信號和測試系統(tǒng)的適配、同步問題，提出的整套調(diào)理控制編碼機制和編碼參數(shù)化的測試指令，能夠有效實現(xiàn)調(diào)理電路的軟件可定義，提高了系統(tǒng)的復用性和自動化的程度。本文提出的組合測量機制對面向復雜信號的自動測試系統(tǒng)研制具有重要參考價值。