基于虛擬儀器的電子時間引信自動化測試系統(tǒng)

李子愷 張博威 許舒怡 何 躍 葉 鑫

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710021；2.索邦大學(xué)，巴黎 75005）

隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，自動測試設(shè)備逐漸由臺式儀器過渡為模塊化儀器，自動測試系統(tǒng)由專用型系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ眯拖到y(tǒng)[1-2]。虛擬儀器（Virtual Instrumentation，VI）的概念最早由美國國家儀器（National Instruments，NI）公司提出，主要通過硬件與軟件結(jié)合完成各種自動化測試，是當今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)[3-4]。LabVIEW開發(fā)平臺正是NI公司基于此概念開發(fā)的圖形化程序編譯平臺，具有界面與功能設(shè)計相互獨立及開發(fā)周期短的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電子測量、信號分析、控制理論仿真及跨平臺設(shè)計等領(lǐng)域[5-8]。

電子時間引信是在炮彈發(fā)射過程中通過預(yù)定時間定時控制點火電路引爆傳爆序列的裝置。它的特征參數(shù)是性能評估的主要依據(jù)，也是影響其工作性能的重要參考指標。目前，我國引信測試技術(shù)仍處于手工測試階段，存在效率低和精度差的問題。在引信的研制與生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的測試設(shè)備測試覆蓋面較小，往往一臺設(shè)備只能用于某一種型號的單發(fā)電子時間引信的測試，且測試人員需要手動記錄測試數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測試效率較低，測試靈活性較差。針對此問題，本文提出了一種基于虛擬儀器的電子時間引信自動化測試系統(tǒng)，以完成對電子時間引信產(chǎn)品點火脈沖幅值和點火時間兩類特征參數(shù)的測試。

1 電源選擇、操作臺控制與數(shù)據(jù)采集

該測試系統(tǒng)在全流程測試中主要完成3個關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)。

1.1 電源選擇控制

根據(jù)待測對象的工作特性，供電電源選擇程控電源4NIC-XTC109，通過RS-232協(xié)議實現(xiàn)與上位機的通信。為滿足多類型待測產(chǎn)品多路并行測試的要求，該測試系統(tǒng)根據(jù)當前測試產(chǎn)品及操作步驟選擇相應(yīng)的供電電壓。利用case結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對電源選擇的控制，通過VISA工具包進行串口命令的發(fā)送與接收。

1.2 操作臺控制

操作臺外部一端與待測產(chǎn)品相連，另一端與上位機的RS-232通信板卡和PCI235X系列光隔離輸入/輸出（Input/Output，I/O）卡相連。操作臺內(nèi)部由STM32F103VE及其擴展板組成。擴展板包括按鍵控制電路和發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）顯示電路等。通過啟停按鍵控制4NIC-XTC109程控電源，實現(xiàn)對待測產(chǎn)品供電，將按鍵狀態(tài)信號量傳輸至I/O板卡以控制數(shù)采進程。另外，根據(jù)上位機測試系統(tǒng)對測試結(jié)果的判定，利用虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（Virtual Instrument Software Architectuere，VISA）工具包向單片機發(fā)送對應(yīng)指令，以控制LED燈的狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件架構(gòu)由ART PCI565X系列數(shù)字采集板卡和PCI235X系列光隔離I/O卡組成，安裝在工控機主板。板卡通過信號轉(zhuǎn)接電路與待測產(chǎn)品相連，以實現(xiàn)對待測產(chǎn)品的信號采集。光隔離I/O卡與操作臺的繼電器信號相連，以實現(xiàn)信號采集的啟停控制。軟件利用數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition，DAQ）工具包實現(xiàn)對采集通道、采樣頻率以及采樣模式等參數(shù)的設(shè)定，程序如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集程序

為了滿足多路異步并行測試的實時性要求，根據(jù)排隊論中M/M/1模型，需對單個對象平均到達時間與單個對象平均服務(wù)時間2個參數(shù)進行設(shè)定。其中，單個對象平均服務(wù)時間為1～3 ms，包括波形數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)計算、結(jié)果判定與顯示等操作。經(jīng)多次試驗，當每次循環(huán)采樣點數(shù)為2 000點即每通道單個對象平均到達時間約為13.3 ms時，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)超時溢出的現(xiàn)象。在多通道異步并行采集場景下，波形數(shù)據(jù)具有實時處理、存儲及檢索的功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用技術(shù)數(shù)據(jù)管理流（Technical Document Management System，TDMS），實現(xiàn)相應(yīng)的測試需求。TDMS是美國國家儀器有限公司（NationalInstruments，NI）主推的一種二進制記錄技術(shù)，通過文件、組及通道3個層級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)文件的存儲與讀取，具有處理速度快和文件結(jié)構(gòu)清晰的優(yōu)勢，也為其他函數(shù)的調(diào)用提供了較多應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）?；赥DMS與LabVIEW的適配性，利用LabVIEW平臺開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能較大程度提高測試數(shù)據(jù)存儲與讀取的效率與安全性。

2 數(shù)據(jù)分析與管理模塊

2.1 數(shù)據(jù)分析模塊

為提高測試精度，選用多項式擬合算法進行數(shù)據(jù)處理。

多項式擬合數(shù)學(xué)模型可用公式表示為

式中：x為采集電壓，即待標定電壓；y為標定后電壓；ai為多項式系數(shù)。該模型可用于對采集電壓的標定，各項參數(shù)通過離線訓(xùn)練方式獲得。先使用QR分解算法求解多項式模型參數(shù)，再結(jié)合十折交叉驗證算法緩解過擬合現(xiàn)象。經(jīng)仿真分析，n取值為3時，計算量與精度達到平衡。階數(shù)n確定后，使用各通道數(shù)據(jù)分別對模型進行訓(xùn)練，得到各通道的線性靈敏度和非線性項系數(shù)。在測試系統(tǒng)實時運行過程中，采集得到的數(shù)據(jù)通過該模型的標定后傳送至下一模塊。

2.2 特征參量計算模塊

對于數(shù)據(jù)處理模塊標定后的數(shù)據(jù)，特征參量計算模塊通過恒比甄別算法對該波形數(shù)據(jù)中的脈沖進行定位，并在此基礎(chǔ)上完成采集電壓和采集時間2類特征參數(shù)的提取。參數(shù)提取是根據(jù)引信信號的特性，提取定位到脈沖上升沿的采樣點，截取上升沿起點與峰值之間的采樣點，并對其進行特征分析以計算采樣電壓。根據(jù)采樣頻率，通過采樣電壓對應(yīng)的采樣點計算引信觸發(fā)時間間隔，從而計算出采樣時間。

2.3 數(shù)據(jù)管理模塊

測量出特征參數(shù)后，需要整理參數(shù)，并將結(jié)果顯示在測試界面，同時附加對應(yīng)的編號、時間以及結(jié)果判定等信息，按照預(yù)先設(shè)定的格式模板生成Excel報表。在該模塊中，報表創(chuàng)建采用Report Generation Toolkit工具包，報表格式調(diào)整使用Oきce VBA（Visual Basic for Applications）函數(shù)接口，并調(diào)用Worksheet對象的方法和屬性節(jié)點，依次對插入的內(nèi)容和數(shù)據(jù)進行格式整理。

3 測試結(jié)果及誤差分析

選取流程中某一步驟進行測試，從TDMS文件中查看測試采集的波形并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，波形采集結(jié)果如圖2所示。

圖2 波形采集結(jié)果

根據(jù)通道命名和對應(yīng)波形可知，預(yù)定的配置指令在系統(tǒng)中得到了正確執(zhí)行，數(shù)據(jù)傳輸快速準確，數(shù)字采集系統(tǒng)與測試軟件匹配效果無誤。由于引信產(chǎn)品信號的不可重復(fù)性，可通過測量多組數(shù)據(jù)進行均值統(tǒng)計來確定誤差范圍。這里選取100組測量數(shù)據(jù)的均值作為實測值，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。經(jīng)驗證，該測試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定合理，特征參量計算結(jié)果準確，滿足系統(tǒng)指標要求。

表1 待驗證參數(shù)實測值統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)語

基于LabVIEW開發(fā)平臺的電子時間引信自動化測試系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方案相比，可以實現(xiàn)大批量電子時間引信產(chǎn)品的多路異步自動化測試。測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)測試效率較高，測試結(jié)果真實可靠。模塊化的編程思維使系統(tǒng)功能具有較強的可移植性，為系統(tǒng)的二次開發(fā)提供了較大便利。此外，該測試系統(tǒng)降低了測試設(shè)備及人力成本，提高了開發(fā)效率，具有較高的實際應(yīng)用價值。