基于虚拟仪器的雷达故障检测系统

2011-06-29罗伟会李云涛刘虎平

成都信息工程大学学报 2011年6期

马亮, 罗伟会, 李云涛, 刘虎平

(中核第四研究设计工程有限公司,河北石家庄050021)

1 引言

随着计算机和软件技术、大规模集成电路技术、通信技术的不断发展和完善,电子雷达装备的系统也越来越复杂,自动化水平也越来越高,为了保证雷达正常的运行,对其进行高效的故障检测,对于保持良好的作战状态和提高战斗力具有重要意义。目前对雷达故障诊断和检测的方法很多,但普遍存在测试周期长、工序复杂、效率低、成本高、容易出错等问题。虚拟仪器技术可以通过软件编程,将多种测试功能集于一身,并进行快速准确的数据处理和显示,真正实现集成化、模块化和智能化。与传统仪器相比较,虚拟仪器具有性能高、扩展性强、开发效率高、无缝集成等优势,因此,雷达设备性能检测和故障诊断的虚拟仪器技术已经成为一种新的发展趋势和方向。

主要围绕着雷达故障检测系统可控制NI设备卡通过PXI测试平台、适配器实现对被测电路板的静电测试,给被测雷达电路板加工作电压,测试电路板电源的准确性,给被测雷达电路板输入标准数字及模拟激励信号,采集被测电路板的数字输出或激励信号,检测电路板的输出或激励信号,然后打印检测报告,最终给出故障定位的信息代码。

2 系统总体方案设计

雷达故障检测设备以美国国家仪器NI公司生产的PXI虚拟仪器为检测平台,以LabVIEW8.6软件为开发工具的系统。系统设计采用模块化设计方法,充分考虑系统和分系统的可靠性和可维修性。系统总体设计方案如图1所示。

2.1 被测雷达工作原理

雷达(Radio Detection and Ranging,Radar),含义是用无线电方法对目标进行探测和测距。雷达最基本的任务有两个,一是发现目标的存在;二是测量目标的参数。前者称为雷达检测,后者称为雷达参数提取或参数估值。雷达问世之初,主要的观察目标是飞机。发现飞机目标的过程是：雷达发射机向空间发射电磁波,电磁波遇到目标时,一小部分能量被反射回接收机,接收机接收到从目标反射回来的回波信号,如果超过一定的门限电压值,就称为探测到了或者是发现了目标,由电波传播的往返时间即可获得雷达至目标的距离。

图1 雷达故障检测系统总体设计框图

雷达系统组成主要包括：主振信号源、定时器、频率合成器、主振功率放大链发射机、收/发开关(T/R开关)、雷达天线、接收机、数字信号处理机、数字数据处理机、雷达终端显示器、天线伺服系统。

研究雷达系统采用性能指标：输入、输出电压、波形、频率、信号幅度、信号相位、脉冲周期、节拍、地址间隔、占空比、等技术参数。对性能指标分别通过对雷达组合模块进行静态电阻测试、给被测电路板加工作电压,检测电源的正确性、给被测组合灌入标准数字及模拟激励信号,采集被测组合的数字输出信号,检测组合的输出信号。

2.2 系统故障检测原理

系统通过查询标准技术参数或通过实际采集正常设备的输入、输出电压、波形、频率、信号幅度、信号相位、脉冲周期、节拍、地址间隔、占空比等技术参数,通过编写程序软件,存储在主计算机存储器内,作为检测的标准数据。测试原理如图2所示。

2.3 系统硬件设计

系统硬件部分依据模块化设计理念和思想,充分考虑到各个接口电路的扩展性和通用性,检测系统的硬件部分设计在满足总体设计方案的基础上,还保留了雷达系统中被测电路板模块与上级的单元接口。同时,将与PXI检测平台各电路板板卡的接口电路关系独立起来,使PXI虚拟仪器检测接口平台适用于其他测试场合,从而拓宽了接口电路的使用领域和范围。从模块化设计角度研究。

检测系统的硬件接口电路主要包括：

(1)NI专用板卡与适配器接口电路,由于NI专用板卡与被测电路板模块接口不匹配,故自主研制了一系列适配板卡,连接NI专用板卡与被测电路板模块,使之匹配。

(2)适配板器与被测雷达电路板模块接口电路,通过一系列数据传输电缆,将电路板与适配板卡相连。

(3)电阻测量接口电路。

(4)电源电路设计,主要是给被测雷达电路板模块供电。

2.4 系统软件设计

系统软件是整个雷达故障检测系统的核心,所有的硬件设备都是在软件的控制下工作。系统充分开发和利用计算机的资源,采用NI公司的LabVIEW8.60软件,运用特定的算法和仪器控制技术,进行信号的分析、测量和产生激励信号,在硬件显著减少的条件下,极大地提高测试功能,使自动检测系统的控制器不仅仅只是控制系统的协调工作,而且能直接参与信号的产生,完成被测系统性能参数的测量等任务,充分发挥计算机的巨大潜力。

雷达检测系统统软件部分采用3层设计架构,以保证最终的虚拟仪器产品既有良好的可靠性、可维护性以及可扩展性。控制电路板检测仪软件3层结构如图3所示。

图2 雷达故障检测系统测试原理图

系统软件是整个测试系统的核心,主要由系统主界面、系统选择模块、自检模块、采集模块、信号检测模块和显示存储等功能模块组成。检测系统软件设计流程图如图4所示。

由于数字采集卡NI-6541支持SMC(同步及储存核心)技术,故在用到多办卡激励时,对相应板卡进行设置后可由NI-TCLK函数进行同步触发,实现多块NI-6541的数据ns级同步输出。其中信号采集实现对被测电路板的数字信号进行采集(多板卡时能实现同步采集)。包括电路板激励信号采集子模块及输出信号采集子模块。

图3 虚拟仪器软件结构图

算法：用事件结构结合队列控制响应前面板上两个按钮：‘开始采集'、及‘退出程序'。用一个while循环监控前面板两个按钮,当‘开始采集'按钮按下时,枚举变量‘开始激励'入控制队列,在另一个while循环控制队列的元素(枚举变量)出列,默认是‘闲置状态'故当前面板不执行当任何操作时,进入该分支,这时程序执行延时50ms,同时自动释放CPU,让CPU得以空闲处理其他应用程序,当‘开始采集'按钮按下时,此时由控制队列控制进入开始激励分支。

信号采集算法程序源代码如图5所示。

图4 检测系统软件设计流程图

图5 信号采集算法程序源代码

3 系统检测结果及分析

首先通过适配器将雷达电路板与虚拟仪器开发的PXI检测平台进行连接。然后给电路板模块提供正常工作电压,使其正常工作。最后将计算机里存储的标准信号回放到被测试的电路板模块里,登陆检测系统主界面按照操作步骤对电路板模块进行故障测试。

雷达故障检测系统对部分雷达电路板模块进行随机测试。首先选择测试点,主要测试电路板模块的静电阻值、二次电源值、信号参数。标准值已经通过计算机语言编程存储到计算机里面,以便于和实际测试值进行比对,从而给出测试结果。

首先用户进行系统登陆,点击“进入系统”按钮,系统进入雷达故障检测系统主界面如图6所示。

测试实验结果,通过采用人工手动或其他测试方法验证测试结果准确,证明系统测试结果比较准确,尤其是对故障点的定位。能准确将故障点定位到雷达电路板的板卡级。充分说明基于虚拟仪器的雷达故障检测系统是一种操作方便简捷、准确性高、可靠性高、实效性高的现代化测试系统,有很高的研发价值和应用价值,也会将成为测试领域的一种发展方向。