虛擬儀器在遙測艙自動測試中的應(yīng)用

張建學(xué)

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

遙測特別適合在遠(yuǎn)距離，不易或無法接近的場合進(jìn)行測量，因而自誕生起就迅速在軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展[1]?？湛諏?dǎo)彈從研制到定型，歷經(jīng)若干次飛行試驗(yàn)，而每次試驗(yàn)均需使用遙測技術(shù)，以獲取導(dǎo)彈飛行中的特征參數(shù)，例如關(guān)于導(dǎo)彈的飛行性能/彈上設(shè)備工作狀態(tài)及性能等一系列參數(shù)。利用這些數(shù)據(jù)，可以評判飛行試驗(yàn)結(jié)果，以確定是否達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹Ｈ缡窃囼?yàn)出現(xiàn)故障或失敗，那么，分析遙測數(shù)據(jù)就可以找出故障或失敗原因，為分析故障原因提供依據(jù)[2]。查出故障部位，改進(jìn)導(dǎo)彈設(shè)計(jì)，以保障研制最終成功。導(dǎo)彈研制定型以后，在批生產(chǎn)抽檢以及部隊(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練中，遙測也是重要的數(shù)據(jù)獲取手段[4]。遙測艙為遙測系統(tǒng)的重要組成部分，必須具有高的精度和可靠性，所以需要通過測試設(shè)備進(jìn)行大量的測試。而傳統(tǒng)遙測艙測試沒有專用的測試設(shè)備，大多數(shù)情況下測試設(shè)備臨時(shí)拼湊，造成測試數(shù)據(jù)缺乏對比性。且測試所用的模擬信息源都是針對具體型號研制，沒有通用性，工作量大、測試時(shí)間長，操作依賴于測試人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)，測試精度比較低，測試設(shè)備一般體積大、重量重，帶來諸多不便。

遙測艙自動測試系統(tǒng)就是為解決這些缺點(diǎn)而研究的，它采用了當(dāng)今非常成熟并廣泛使用的GPIB總線體系架構(gòu)，具有小型便攜、可靠性高、通用性強(qiáng)、使用和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速、便捷地對遙測性能進(jìn)行測試。

1 需求分析

隨著空空導(dǎo)彈新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，遙測艙的測試量成倍增加，研制周期逐年縮短，測試精度日益提高，目前測試設(shè)備存在如下不足：

1）可以模擬的信號狀態(tài)少、精度較低，無法對遙測艙進(jìn)行全面的檢查和精確的標(biāo)定。

2）隨著空空導(dǎo)彈的不斷發(fā)展，遙測信息種類和數(shù)量將成倍增加。例如，第四代紅外空空導(dǎo)彈增加了高速紅外視頻圖像信號這樣的新型遙測信號。另外，空空導(dǎo)彈研制的復(fù)雜度不斷提高，要求遙測艙具有多種狀態(tài)以滿足不同研制階段的需要，這些狀態(tài)包括：地面發(fā)射程控彈、空中發(fā)射程控彈、動力外形彈、剛度彈、制導(dǎo)彈等。各種狀態(tài)遙測艙種類多，測試項(xiàng)目差別大。要充分考核遙測艙對所有信號的采集處理能力，僅靠原有軟硬件測試手段已無法完成。

3）遙測艙測試從視頻到射頻，從有線測試到無線測量，項(xiàng)目繁多，目前測試手段從輸入到輸出基本以手動為主，自動成分少，試驗(yàn)時(shí)間較長，且易出現(xiàn)差錯(cuò)，使得一些隱含問題無法暴露，留下質(zhì)量隱患，降低了產(chǎn)品的可靠性。

2 虛擬儀器的特點(diǎn)

虛擬儀器的概念是美國NI公司首先提出來的。所謂虛擬儀器，就是以計(jì)算機(jī)作為儀器的統(tǒng)一硬件平臺，充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有許多優(yōu)點(diǎn)：對測試量的處理和計(jì)算可更復(fù)雜且處理速度更快，測試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣，可以方便地存儲和交換測試數(shù)據(jù)，價(jià)格低，技術(shù)更新快。它的最大特點(diǎn)就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實(shí)現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的設(shè)計(jì)思想[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)越來越多地被應(yīng)用在測試領(lǐng)域。利用虛擬儀器代替真實(shí)的儀器設(shè)備，不僅減少了投入，而且可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)出不同的測試系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了一種以虛擬儀器為核心構(gòu)成的遙測艙自動測試設(shè)備。

3 設(shè)備組成

遙測艙自動測試設(shè)備是為空空導(dǎo)彈遙測艙提供通用測試平臺。其特點(diǎn)如下：

1）測試設(shè)備應(yīng)具有通用性，能夠兼顧其他型號的遙測艙測試。

2）遙測艙測試應(yīng)具有前瞻性、可擴(kuò)展性。測試設(shè)備采用模塊化、總線式設(shè)計(jì)，新增的測試信號類型可通過增添模塊利用通訊總線實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。通過添加功能模塊，能夠兼顧未來遙測型號的特殊測量要求。

測試設(shè)備主要包括信號模擬及檢測設(shè)備、射頻信號接收解調(diào)設(shè)備、智能化數(shù)據(jù)處理平臺和信道模擬設(shè)備等部分。為滿足自動測試的需要，采用以GPIB總線為基礎(chǔ)和LABWINDOWS/CVI軟件平臺。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、信號轉(zhuǎn)換、標(biāo)準(zhǔn)信號激勵(lì)和狀態(tài)控制等采用了GPIB總線模塊化儀器，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 遙測艙測試原理框圖Fig.1 Block diagram of telemetry cabin test

3.1 信號模擬設(shè)備

包括可編程遙測信號模擬設(shè)備、遙測基帶信號模擬源、傳輸精度標(biāo)定設(shè)備。

3.1.1 遙測信號模擬器

模擬產(chǎn)生導(dǎo)彈的各種遙測信號，包括多種背景下的紅外圖像信號、各種模擬信號、開關(guān)信號、總線數(shù)字信號（飛控?cái)?shù)據(jù)、RS232、ARINC429 等）。

3.1.2 基帶信號模擬源

模擬產(chǎn)生各種電平和各種幀格式的基波信號，為遙測艙調(diào)制特性參數(shù)的測試提供輸入源。

3.1.3 傳輸精度標(biāo)定設(shè)備

為遙測艙標(biāo)定時(shí)提供高精度的直流和交流基準(zhǔn)信號，主要由任意函數(shù)發(fā)生器和可編程精密電源組成。

3.2 遙測信號檢測設(shè)備

遙測艙信號種類繁多，涉及視頻和射頻，信號類型既有模擬信號，又有邏輯信號。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)調(diào)試階段，需要對這些信號進(jìn)行測試、分析，為發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供可靠依據(jù)。

信號監(jiān)視設(shè)備主要包括用于視頻信號測量便攜式混合示波器和交流電壓表；用于射頻參數(shù)測量的功率計(jì)和頻譜分析儀。

混合示波器能夠在統(tǒng)一時(shí)基上瞬時(shí)捕捉遙測艙模擬信號和邏輯信號，用于接口特性測量，可以快速進(jìn)行故障定位。

功率、頻譜分析儀可以對遙測艙射頻信道各參數(shù)：功率、頻率、調(diào)制帶寬、載波噪聲比、諧雜波抑制等進(jìn)行測試和分析。

3.3 射頻信號接收解調(diào)設(shè)備

用于射頻信號接收和解調(diào)遙測艙輸出信號，由遙測接收機(jī)、視頻解調(diào)卡和接收天線等部分組成。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

該軟件是遙測艙測試設(shè)備的控制核心，實(shí)現(xiàn)自動化測試。為了滿足各項(xiàng)功能需求，在重點(diǎn)考慮應(yīng)用軟件可靠性的同時(shí)，還應(yīng)兼顧軟件的可擴(kuò)展性等其他需要，因此采用模塊化的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將軟件劃分為若干功能模塊，如圖2所示。包括信號模擬設(shè)備控制軟件、遙測信號檢測設(shè)備控制軟件、測信號接收處理設(shè)備軟件、圖像解壓和分析軟件、試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格生成軟件等。它通過通訊總線控制各種信號模擬和檢測設(shè)備，并接收遙測信號接收處理系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解壓紅外壓縮圖像，實(shí)時(shí)顯示各種遙測信號，能夠自動形成測試表格及數(shù)據(jù)評估，支持?jǐn)?shù)據(jù)存盤和測試表格打印。

圖2 系統(tǒng)軟件示意圖Fig.2 Diagram of system software

該測試系統(tǒng)采用了多面板設(shè)計(jì)，面板由控制（Controls）、指（Indicators）和修飾（Decoration）構(gòu)成，可以模擬傳統(tǒng)儀器工作方式，在前面板上放置所需要的控件和指示器，實(shí)現(xiàn)儀器控制以及數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果顯示。有模擬采集和數(shù)據(jù)顯示存儲面板、視頻數(shù)據(jù)處理面板、射頻面板。其中數(shù)據(jù)處理面板中又有溫度信號波形測量和相關(guān)分析子面板。該套系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，形象直觀的控制界面，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)警報(bào)及顯示、界面清屏的功能，簡便實(shí)用，大方親切。

該系統(tǒng)有如下特點(diǎn):

1）采用多面板設(shè)計(jì)，各面板功能明確，對于操作者來說清晰明了，易于對整個(gè)過程進(jìn)行操作。

2）數(shù)據(jù)采集模塊中，前面板設(shè)有采樣頻率，可以很容易設(shè)定采樣頻率，并設(shè)有監(jiān)測數(shù)，可以很明確的觀察到。系統(tǒng)采用低通濾波器[8-9]濾波，因?yàn)樵谛盘杺鬏斶^程中

3）該系統(tǒng)有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。利用LabV軟件附加的豐富模塊和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及信號分析功能，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。在該系統(tǒng)中，可以對采集的原始進(jìn)行時(shí)域、頻域的分析，系統(tǒng)把結(jié)果直接顯示成數(shù)字，很直觀，并可以把這些數(shù)據(jù)以運(yùn)行的時(shí)間為名，保存在指定的地點(diǎn)，供日后瀏覽數(shù)據(jù)之用，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)調(diào)用。

4 結(jié) 論

虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展為遙測艙測試系統(tǒng)的開發(fā)開辟了一條新的途徑。以LABWINDOWS/CVI軟件為核心，使得測量結(jié)果的準(zhǔn)確性得到提高，測量信號得到及時(shí)有效的分析，同時(shí)，該系統(tǒng)還具有良好的人機(jī)交互界面，形象直觀的控制界面，數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)警報(bào)及顯示、界面清屏的功能，使得系統(tǒng)既簡便又實(shí)用。

遙測艙測試設(shè)備完成遙測艙研制過程中對遙測信號的模擬、對遙測信道的模擬、對遙測艙的通用化測試和試驗(yàn)。測試項(xiàng)目全面，包括對遙測艙視頻和射頻各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行全面準(zhǔn)確的測試。該設(shè)備自動化測試程度高，從測試輸入到數(shù)據(jù)分析和測試數(shù)據(jù)表格形成，基本實(shí)現(xiàn)自動化操作，可以大大加速遙測艙的研制進(jìn)度，提高產(chǎn)品的可靠性。

[1]李英麗，劉春亭.空空導(dǎo)彈遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2]樊會濤.空空導(dǎo)彈系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[3]詹惠芹，古軍，袁亮.虛擬儀器技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[4]李巖.防空導(dǎo)彈測試技術(shù)與遙測系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：中國宇航出版社，2009.

[5]林占江，林放.電子測量儀器原理與使用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[6]袁朝輝，程浩宇，王鴻輝.基于虛擬儀器的某型導(dǎo)彈飛控計(jì)算機(jī)綜合測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008（6）2994－2997.YUAN Zhao-hui，CHENG Hao-yu，WANG Hong-hui.Design of synthetic testing system for a missile FCC based on virtual instruments[J].Science Technology and Engineering，2008（6）：2994－2997.

[7]張德寶，陳江定.虛擬儀器技術(shù)在炮控系統(tǒng)檢測維修設(shè)備中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17（6）：1143－1145.ZHANG De-bao，CHEN Jiang-ding.Applying virtual instrument technology to improvement of maintenance and test device of artillery control system[J].Computer Measurement&Control，2009，17（6）：1143－1145.

[8]張鵬，李嘯驄，黃綠橙，等.避免電力諧波導(dǎo)致電子式電能表計(jì)量誤差的研究與設(shè)計(jì)[J].陜西電力，2010,38（6）：1-4.ZHANG Peng,LI Xiao-cong,HUANG Lu-cheng,et al.Design and research on avoiding measurement errors of electronic power meter caused by power harmonics[J].Shaanxi Electric Power,2010,38(6):1-4.

[9]陳若珠，黃錦華，駱東松，等.基于ARM的電力系統(tǒng)諧波分析儀的研究與設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2010（4）：23-25.CHEN Ruo-zhu,HUANG Jin-hua,LUO Dong-song,et al.The research and design of power system harmonic analyzer based an AEM[J].Industrial Instrumentation&Automation,2010(4):23-25.