基于PXI总线的飞航导弹武器装备ATS现场检定系统设计

郭洪岩，张秀勇，何慧

(北京振兴计量测试研究所，北京100074)

0 引言

上世纪80年代以来，我国的飞航导弹武器装备有了跨越式发展，国防工业部门研制生产了各系列飞航导弹武器系统。随着科学技术的发展，飞航导弹武器装备的复杂程度越来越高，为了满足其研制、设计、生产以及维护保障需求，自动化测试系统(简称ATS)大量应用，已经逐步成为飞航导弹武器装备的主要检测维护手段和可靠运行的必要保证，是各级军械保障大队必备的保障装备之一。

ATS是通过各类总线构建的多功能、多参数的先进综合性测试系统，与传统测试设备相比，结构复杂、体积较大、价格昂贵，因此如果将ATS完整系统送计量机构进行实验室检定校准，人力、物力成本高，且在检定校准后的运输过程中有可能导致ATS的失准;而如果将ATS的各功能模块拆开分别送检，由于ATS测试通道多，需要激励的信号繁杂，不仅导致检定难度增加，更主要的是无法考察整个ATS系统的技术指标是否符合相关技术要求。这要求ATS检定校准由传统的单值计量向多参数的综合计量转化、各独立模块单独计量向系统级计量转化、手动人工计量向自动化计量转化、实验室内检定向现场的机动化检定转化。因此，研制涵盖多参数，具备通用性、可扩展性的自动化现场检定装置成为必然的选择。

本文介绍了一种基于PXI总线的飞航导弹武器装备现场检定系统设计方案［1，2］。该方案通过虚拟仪器编程语言LabVIEW完成程序集的开发，实现对飞航导弹武器装备自动化测试系统的现场检定。该方案既能缩短设备的开发周期，开发出界面友好的测试软件，又能使检定系统具有良好的通用性和可扩展性。

1 总体方案设计

1.1 ATS分析

ATS涉及参数类型多，有电学、无线电、几何量等，既有静态性能，又有动态性能的测试。ATS组成随着被测对象组成的不同会有一些差异，但基本上都可分为三部分:通用电气平台、通用外围设备和专用外围设备，其组成框图如图1所示。

通用电气平台一般由通用电源、计算机系统以及控制总线组成。通用外围设备一般包括具有通用功能的货架产品(如示波器、通用信号源、大功率电源)、标准总线程控模块等;按其实现功能的不同可分为模拟类、数字类、开关类和脉冲类，除开关类外，其他三类都包含激励类和响应类。专用外围设备中更多的是专用设备，如专用雷达信号源、高度模拟器、高度表信号源、雷达目标模拟器、红外目标模拟器、转台、景象模拟器等，这些设备与具体型号上的分系统密切相关，可根据被测对象而组合使用。

综上，ATS具有如下特点:

1)系统结构复杂，自动化程度高

ATS一般把多种不同的控制或测试设备集成在一个或几个机箱或机柜里，甚至集成在一部测试车或方舱里，结构较为复杂;系统基于程控总线平台搭建，各专用、通用外围设备均具备程控接口，自动化程度高。

图1 ATS组成框图

2)涉及计量参数较多

ATS所涉及到的参数种类多，除了通常的电压、电流、频率、电阻等电学参数，功率、衰减、脉冲参数等无线电参数，还有很多几何量、光学等参数。

3)信号接口复杂多样，与标准接口不匹配

为了保障测试数据可靠、真实，ATS要尽可能地接近被测设备(UUT)，由于UUT接口的多样性和特殊性，导致ATS信号接口复杂，很难与检定系统相匹配。

1.2 现场检定系统的设计思想

针对ATS的测试需求及自身特点，本现场检定系统(OVS)的设计思想为:

1)信息化——提高计量系统的信息化能力

实现计量过程的自动化、计量信息的数字化和技术支持的实时化。既方便部队使用，有效减少人为误差，提高测试准确度，又能够分步实现计量工作管理、超期预警、设备健康管理等功能。同时，保持计量系统和采用的信息化技术具有一定的前瞻性，为将来实现武器系统的综合数据管理和远程技术支持奠定基础。

2)机动性——实现现场计量保障

OVS应结构简单，具有良好的机动性。可装载在方舱或特装车上实现系统的机动化，也可以根据需要在指定的时间到达指定的地点，有利于根据整体的作战方案部署计量保障工作，开展大范围的计量保障。

3)扩展性——具备检定功能可扩展性

OVS预留扩展接口，通过适当增加通用、专用标准设备、配备相应计量软件，实现或扩展参数、或扩展量程，最终实现兼容其它型号ATS的计量检定要求。

4)可溯源性——保证ATS的量值能够溯源到国家标准［3］

ATS中需要计量的仪器仪表的量值溯源到OVS，OVS中的标准仪器、设备可以溯源到满足条件的部队计量站或具备资质的计量技术机构，通过不间断的溯源链，最终溯源到国家或国防最高计量标准。

1.3 设计方案

按照被检ATS的参数分类，可将OVS划分为对应功能的分系统检定装置，各分系统检定装置在系统主机的控制下协同工作。系统主机与被检ATS主控计算机之间通过专用计量软件实现通讯，形成全自动的检定流程，最终打印输出检定证书。OVS组成框图如图2所示。

图2 OVS组成框图

2 硬件设计

鉴于OVS相对复杂，本文重点介绍电气参数现场检定装置的设计，其他参数可参考设计。

2.1 电气参数现场检定装置功能分析

电气参数现场检定装置主要负责计量ATS中的交直流电源、UPS电源、电气通道电压测量及电压输出、电阻测量等。因此，电气参数现场检定装置应具有手动、程控两种操作方式，具备交直流信号输出功能，具备交直流电压、交直流电流、电阻、频率测量、失真、具备功能，可程控通道数量多(本系统具有96通道)。

2.2 电气参数现场检定装置硬件设计

电气参数现场检定系统由测控主机、电子负载、适配器等组成，如图3所示。

图3 电气参数现场检定系统框图

测控主机主要有信号输出和测量功能，采用PXI总线构架，包括PXI机箱、PXI控制器板卡、PXI DA板卡、PXI数字表板卡、PXI示波器板卡、PXI矩阵开关板卡等。其中，PXI数字表板卡能够满足对电压、电阻等的测量功能;PXI示波器板卡能够满足对直流电源纹波、交流电源失真度、相位、频率等的测量功能;PXI矩阵开关板卡能够实现不同通道的自动切换，实现自动计量。

PXI D/A卡输出的幅度一般不超过±10 V，不能满足ATS的±60 V(峰峰值)电压的计量需求，因此需要对D/A卡输出的电压进行放大。本检定系统设计了由PXI机箱内背板供电的信号调理卡，电压输出范围-60～+60 V，其直流电压准确度±0.02%，交流电压(60～1000 Hz)准确度±0.05%。

负载由直流负载和交流负载组成，分别用于现场计量直流电源和交流电源。测控主机和电子负载均有程控接口，便于通过软件配合实现自动化检定。

接口适配器是将电气参数现场检定系统的专用接口转换为与被检ATS项匹配的接口形式，可以根据不同的ATS更换相应的接口适配器，这样可以实现一套电气参数现场检定系统兼容多个被检ATS，实现功能的最大化。

3 软件结构与设计

3.1 软件结构

电气参数现场检定系统采用虚拟仪器的设计思想，便于通过修改软件扩展系统功能。该系统软件结构主要包括:硬件驱动、虚拟仪器、测试管理等。硬件驱动:模块厂家提供的或者设计者自己编制的仪器驱动库，完成PXI模块在Windows操作系统的驱动和连接;虚拟仪器:设计者开发的程序，用于满足各种应用测试的需要;测试管理:设计者开发的应用测试程序，包括信号采集、分析、处理、波形显示、数据通信与储存、数据库管理、检定证书生成、管理与打印等。

3.2 软件设计

本系统软件基于LabVIEW虚拟仪器开发平台编制，利用其模块化和递归方式，用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统［4］。根据被检ATS的特点，该系统软件采用如图4所示的模块化设计思路。软件由多个功能测试模块组成，便于开发扩展。针对不同的计量项目选择主接口程序，来调用不同计量模块［5］。

图4 系统软件模块结构图

该系统除了完成ATS现场计量所需的计量模块外，还具有系统自检和系统溯源两个模块，分别对应系统的自检功能和溯源功能。系统自检功能是依靠系统内部的数字表板卡和数模转换卡实现的，通过开关矩阵进行适当的组合，结合相关门限设定，可以实现对系统的功能性检查，便于该系统的日常维护和排故。为了实现溯源功能，该系统在硬件和软件方面都进行了专门设计。硬件方面设计了专门的计量标准接口(如图3所示)，将内部需要计量的板卡(如数字表、示波器等)的输入输出端子连接到系统前面板，并设计成通用的标准接口形式，便于标准设备连接;软件方面设计了专门的计量溯源软件，便于计量人员操作该系统完成溯源工作。

该系统的测控主机采用PXI总线形式，其PXI控制器板卡集成了USB，GPIB、串口、以太网以及其他外围设备，通过编写相应软件可以方便的控制操作其他硬件设备，实现全流程自动检定。因此，该软件设计时考虑了对被检ATS的操作。以ATS电压输出精度计量过程为例，简要程序流程图如图5所示。

图5 测试流程图

本系统中，失真度和相位测量是关键技术。失真度和相位测量硬件均基于PXI示波器模块(也即数字化仪)。

失真度测量方法为频谱分析法，具体步骤为:①配置数字化仪的一个通道采集信号;②根据采集的信号选定相应的窗函数并加窗处理;③进行快速傅里叶变换(FFT)，并对各点相对于最大值进行归一化处理;④编程寻找基波频率点及其幅值;⑤在各谐波频率点附近寻找最大各谐波幅值;⑥由失真度定义计算失真度。

相位测量方法为过零鉴相法，具体步骤为:①配置数字化仪的两个通道同时采集信号;②编程寻找信号A幅值过零时刻点t1;③编程寻找信号B幅值过零时刻点t2;④计算t2与t1的时间差并除以周期T再乘以360得到相位角。

4 结构设计

具备较强的机动性是该现场计量检定系统的主要设计思想之一。为了实现该设计思想，该系统采用了12U标准机柜和便携式PXI机箱组成。12U标准机柜内部集成交直流负载，并且底部有四个轮子便于移动。便携式PXI机箱集成测控主机部分、显示器和键盘等外设，其侧面盖板处采用内凹式设计，在插入PXI板卡后仍有空间(深度大约8 cm)进行接线转接，方便进行整体设计。

5 结束语

该现场检定系统不仅具有人机界面友好、操作方便、智能化程度和测试精度高等优点，从总体方案设计、硬件系统集成、软件开发设计等方面都遵循信息化、机动化、可扩展、可溯源的设计思想。该现场检定系统，目前已经准备应用到某型导弹自动测试系统的保障系统中，为提高导弹自动测试系统的质量与可靠性提供了极佳手段，具有很强的实用价值。

［1］闫淑群，黎玉刚，母勇民，等.基于PXI总线的导弹自动测试系统设计［J］.计算机测量与控制，2011，19(8):1923-1928.

［2］蒋新广，柳维旗，姜志保，等.基于PXI总线的某型导弹综合测试系统设计.计算机工程与科学，2012，34(4):151-155.

［3］中国计量科学研究院.JJG 381-1986BX-21型低频数字相位计检定规程［S］.北京:中国计量出版社，1986.

［4］杨乐平，李海涛.LabVIEW高级程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［5］吴小良，胡旭东，张建新，等.基于虚拟仪器的三相多功能电能参数测试系统［J］.浙江理工大学学报，2007，2(27):181-185.