基于PXI總線的空間站對接機構(gòu)自動測試系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

陳 超

（火箭軍士官學校，青州262500）

1 引言

隨著神舟十一號飛船與天宮二號空間實驗室自動對接成功，我國空間站建設(shè)任務(wù)已經(jīng)圓滿完成第二階段的工作。在這一階段中，對接機構(gòu)單機的可靠運行是保證對接任務(wù)圓滿完成的基礎(chǔ)，因此在發(fā)射前期，對對接機構(gòu)單機進行全方位的長時間測試、驗證、分析和評估就顯得尤為重要。然而國內(nèi)的對接結(jié)構(gòu)單機測試，大多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的手工串行測試手段，手工作業(yè)比重高，誤差大，自動化程度低，測試時間長［1］，亟需一種綜合化、自動化的并行測試平臺來進行驗收試驗。通過自動化測試平臺不僅可以進行人工難以執(zhí)行的測試，減少人為的錯誤［2-3］，提高測試效率；還可以使測試人員更加專注于新的測試模塊的建立和開發(fā)，從而提高測試覆蓋率和測試精度［4］，保證產(chǎn)品進度，提高工作效率。

針對國內(nèi)在自動化并行測試平臺方面的研究空白，結(jié)合對接機構(gòu)供電需求、信號指令需求、開關(guān)信號輸入需求、模擬信號輸入需求、遙測指令信號監(jiān)測需求等，以優(yōu)化利用系統(tǒng)資源、提高測試效能及測試質(zhì)量，降低整個裝備測試成本為研究目標，本文提出并搭建一套針對對接機構(gòu)單機產(chǎn)品的基于PXI總線的自動測試系統(tǒng)硬件平臺方案。

2 硬件平臺總體設(shè)計

本文提出的硬件平臺總體方案包括電源、PXI機箱、示波器、多路選擇器板卡、多路開關(guān)模塊、AD采集模塊、DA輸出模塊、232通訊模塊、遙控指令信號產(chǎn)生板卡、遙測指令信號監(jiān)測板卡、0～10 K八路可調(diào)拉偏電阻板卡以及0～50 K模擬電位計板卡，還有適配電路板，如圖1。

圖1 硬件平臺總體設(shè)計方案Fig.1 Overall design of hardware platform

2.1 PXI平臺及其功能模塊選型

考慮本系統(tǒng)涉及的信號種類大，精度、分辨率要求高，且要求實現(xiàn)自動測試、數(shù)據(jù)管理、存儲、調(diào)度等功能，因此采用基于PXI總線的虛擬儀器測試平臺（PXI平臺詳見文獻［2］）實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 PXI平臺Fig.2 PXI platform

2.2 智能儀器設(shè)備驅(qū)動函數(shù)開發(fā)

由于NI的PXI測試平臺只提供Labview和Labwindows／CVI平臺的完整接口函數(shù)［5］，而本文上層軟件采用 Visual Studio 2013＋SQL Server 2012的綜合測試平臺，因此，有必要編寫專用的儀器驅(qū)動。驅(qū)動函數(shù)庫總體框架如圖3所示。

圖3 虛擬儀器設(shè)備驅(qū)動框架Fig.3 Overview of virtual instrument driver

2.3 遙控指令信號產(chǎn)生電路設(shè)計

遙控指令信號產(chǎn)生板卡以STM32F103ZE為微處理器實現(xiàn)核心控制邏［6］輯，采用UNL2803 A非門實現(xiàn)高低電平信號輸出，通過RS232串口與上位機進行通信，接收上位機的控制指令使指定通道輸出，共16路輸出通道。電路原理如圖4，實物如圖5。

圖4 遙控指令信號產(chǎn)生板卡原理Fig.4 diagram of generation of remote－control instruction signal by board card

圖5 遙控指令信號產(chǎn)生模塊電路板Fig.5 Circuit board of generation module of remote control instruction signal

單片機程序流程如圖6。程序始終處于等待就位狀態(tài)，直到收到上位機指令。收到指令后，程序立刻將指令反發(fā)給上位機，即告知上位機已成功接收指令。隨后，對程序指令進行分解，提取出開閉信息、通道號以及脈沖寬度等信息，控制指定通道相應(yīng)指令。

2.4 遙測指令信號監(jiān)測電路設(shè)計

遙測指令信號監(jiān)測模塊以STM32F103ZE為微處理器實現(xiàn)核心控制邏輯，通過實時監(jiān)測HCPL芯片輸出管腳的電壓狀態(tài)進而監(jiān)測由被測產(chǎn)品發(fā)出的遙測指令信號［7］，如圖7，共可實現(xiàn)16路輸出通道實時監(jiān)測。通過RS232串口與上位機進行通信［8］，通過串口將遙測指令信號信息上傳至上位機，進行顯示。電路原理如圖8，實物如圖9。

2.5 模擬電位計電路設(shè)計

圖6 遙控指令產(chǎn)生板卡硬件程序流程圖Fig.6 Flow chart of hardware program in remote control instructions production board card

圖7 基于HCPL芯片的信號監(jiān)測原理Fig.7 Principle of signal monitoring based on HCPL chip

模擬電位計電路以STM32F103ZE為微處理器實現(xiàn)核心控制邏輯，通過RS232串口與上位機進行通信。整個電阻陣列由前后兩部分組成，中間的觸點為模擬電位計的輸出點。兩部分的機構(gòu)完全相同，將不同的阻值的電阻串聯(lián)起來，其中每個電阻可以通過繼電器控制實現(xiàn)短路，進而實現(xiàn)0～50 k的電阻輸出。前后兩部分協(xié)調(diào)控制，保證二者輸出電阻值的和為50 k，最終實現(xiàn)模擬電位計的效果，原理如圖10，實物如圖11。

2.6 可調(diào)拉偏電阻電路設(shè)計

圖8 遙測指令信號監(jiān)測模塊原理Fig.8 diagram of monitoring module for telemetry instruction signal

圖9 遙測指令信號檢測模塊電路板Fig.9 Circuit board of detection module for telemetry instruction signal

圖10 電阻矩陣簡易示意圖Fig.10 Simplified diagram of resistance matrix

圖11 模擬電位計板卡Fig.11 Analog potentiometer card

可調(diào)拉偏電阻電路以STM32F103ZE為微處理器實現(xiàn)核心控制邏輯，通過RS232串口與上位機進行通信。設(shè)計的八路可調(diào)電阻每一路含有八個電阻，每個電阻與一個繼電器并聯(lián)，單片機通過控制繼電器的開閉實現(xiàn)0～10 k不同阻值的輸出，輸出精度為100 Ω，如圖12所示，實物如圖13。

圖12 單路拉偏電阻原理圖Fig.12 diagram of single path pulling resistance

3 測試系統(tǒng)組裝聯(lián)調(diào)

圖13 可調(diào)拉偏電阻板卡Fig.13 Adjustable pull-off resistance board

本系統(tǒng)分兩大部分，由兩個SKB機箱組成。為了方便陳述，我們將上面的機箱稱為A箱，下面的機箱稱為B箱。A箱主要包含供電電源、供電通道切換模組、MOXA串口擴展組件以及KVM控制組件，B箱主要包含PXI測試平臺以及自研的測試板卡和轉(zhuǎn)接電路，設(shè)備正、背面分別如圖14（a）、（b）所示。

與軟件系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試，通過測試軟件系統(tǒng)發(fā)出指令，控制A箱完成供電通道的切換及電源變換，B箱進行了OC門信號進行了監(jiān)測和測量，測試界面如圖15，調(diào)試結(jié)果顯示能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)量輸出繼電器的開關(guān)控制，能夠完成其他測試項目。測試數(shù)據(jù)如表1，說明通過該硬件平臺可以滿足對接機構(gòu)的測試需求，硬件平臺方案的可行性得到驗證。

圖15 測試界面Fig.15 Test interface

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于PXI總線的自動測試系統(tǒng)硬件平臺及其遙控指令信號產(chǎn)生電路、遙測指令信號監(jiān)測電路、模擬電位計電路以及可調(diào)拉偏電阻電路，可以提高空間站對接機構(gòu)的測試精度，減少測試時間，提高工作效率；并提高測試的自動化程度。