基于LXI总线的无线电高度表自动化测试系统设计*

薄志峰

(92941部队92分队 葫芦岛 125001)



基于LXI总线的无线电高度表自动化测试系统设计*

薄志峰

(92941部队92分队 葫芦岛 125001)

针对目前对无线电高度表的检测方法已不能满足需要的问题,设计一种基于LXI总线的自动测试系统。该系统应用虚拟仪器、LXI总线等技术,通过LabVIEW编写的控制标准仪器的动态库函数,可以对无线电高度表的工作电压、发射频率、接收频率、灵敏度、发射功率等参数进行测量、显示、打印、存储,测量结果可供以后查询。利用触发器实现了各个测量单元之间的时间同步测量,解决了自动测试系统中常见的各仪器模块之间的协同工作问题。利用参数化设计技术和数据库建模知识,通过在参数表中增加记录和升级动态函数可以方便地用该测试设备测试其他的无线电高度表。实验结果表明,系统检测与控制精度高,具有一定的实用性。

无线电高度表; 自动测试系统; LXI总线; 高度模拟装置

Class Number TP274

1 引言

无线电高度表[1～2]是通过测量电磁波在空间内传播的延迟时间来确定地面(或水面)上空飞行器的相对高度。无线电高度表的测量范围为零高度至卫星高度,其测量精度是由信号带宽和时间测量系统精度决定的,测量精度最高甚至可以达到厘米级。

随着航空技术的迅猛发展,精确测量飞行器相对于地面(或水面)某一基准面的高度,对确保飞行器飞行质量和飞行安全变得愈加重要,高度表也不断应用在各类飞行器中。作为一种主动遥感式设备,高度表最初是用来测量地面(或水面)上空飞行器的高度,后来逐渐扩展到其它方向的应用。随着现代航空技术、制导控制技术、电子技术、信号处理技术的快速发展,高度表技术也取得了长足的进步,近几年来国内外各种新型高度表已成功地应用在了轨道测量、卫星定位、大地测绘等方面,同时对高度表的检测技术也提出了新的更高的要求。

传统的无线电高度表检测系统[3～5]在对无线电高度表进行性能检测时,一般采用等效高度电缆箱来模拟飞行器的飞行高度,并利用测试设备对高度表输出的高度电压信号进行测量和判断。传统检测方法存在的主要问题是高度测量点少;高度测量点在确定后很难调整;不能连续模拟高度变化;无法对高度表整个工作过程进行全面评估。为此,提出了基于LXI总线[6～8]的自动化测试系统,系统设计采用基于LXI总线的虚拟仪器技术、构件技术和标准化技术。LXI总线技术融合了计算机、网络与仪器领域的最新技术,并能够借鉴相关领域已有的成熟经验,具有高可靠性、紧凑灵活、成本低廉的优点。LXI基于LAN的结构以及IVI可互换仪器驱动的特点,使得其在测试领域中长寿命仪器的实现成为可能。LXI没有带宽和底板结构的限制,它可以利用日益提高的以太网吞吐量,可满足各种自动测试设备的要求,能够应用于各种复杂的战场环境中,为组建高性能、低价位、便携式的测试系统提供了一个良好的测试平台。

2 高度表测试原理

无线电高度表按照调制方式的不同分为脉冲体制无线电高度表和调频连续波体制无线电高度表,通常把脉冲体制的无线电高度表称为雷达高度表,而把调频连续波体制的无线电高度表称为无线电高度表。调频连续波无线电高度表又分为恒定调制周期体制和恒定差拍体制。本文主要研究由锯齿波调制的调频连续波恒定差拍体制无线电高度表。

图1 信号传输图

在测量飞行器至地面(或水面)的高度H时,无线电高度表的发射机和接收机放在同一运载飞行器上,如图1所示,无线电高度表利用飞行器上的发射天线在t1时刻发射一个频率为f1探测信号,并在t2时刻利用飞行器上的接收天线接收由地面(或水面)反射的频率为f2回波信号,这时回波信号相对发射信号的延迟时间Δt为式(1):

Δt=t2-t1

(1)

式中:Δt为延迟时间,单位为微秒(μs);t1为发射时间,单位为微秒(μs);t2为接收时间,单位为微秒(μs)。

飞行器距地面(或水面)的高度H为式(2):

H=Δt*c/2

(2)

式中:H为被测高度,单位为米(m);c为电磁波传播速率,3*108,单位为米每秒(m/s)。回波信号相对发射信号的差拍频率fb为式(3):

fb=f2-f1

(3)

式中:fb为差拍频率,单位为赫兹(Hz);f1为发射频率,单位为赫兹(Hz);f2为接收频率,单位为赫兹(Hz)。

由图1可以得到式(4):

fb/Δf=Δt/Tm

(4)

式中:Δf为调频带宽,单位为兆赫兹(MHz);Tm为锯齿波调制周期,单位为微秒(μs);由式(2)可得Δt=2H/c,将它代入式(4)中,得式(5)

fb/Δf=2H/(c*Tm)

(5)

经整理,则有式(6):

Tm=2Δf*H/(c*fb)

(6)

式中,处于动态平衡状态时,Δf和c是常数,fb在瞬态平衡状态下也是常数,故式(6)可写作式(7):

H=K*Tm

(7)

式中:K=(c*fb)/2Δf。

可见,调制周期Tm与被测高度H成正比。通过对与调制周期Tm同步的高度脉冲信号的测量即可达到测量高度的目的。

3 系统硬件结构及原理

系统以LXI总线为核心,将主控计算机、程控高度模拟装置、信号处理设备、接口适配器、通用测试模块和专用测试模块等有机结合起来,采用数字采集与存储技术、可编程软件控制技术和数字瞬时测频技术组成无线电高度表自动化测试系统。测试系统结构原理图如图2所示。

图2 测试系统结构原理图

主控计算机是整个测试系统的核心,对整个系统实施控制,对测试过程进行管理,提供测试操作人员的人机对话接口,控制各种LXI仪器和设备的工作状态,将采集到的信号及数据进行分析处理,判断被测参数是否合格。主控计算机通过多路开关模块和控制器模块对无线电高度表进行激励传输,并将无线电高度表对激励产生的相应指令信号、数字信号及模拟信号由数据采集模块采集,然后分发到相应的LXI仪器和主控计算机上进行处理和存储。信号处理设备和接口适配器提供被测无线电高度表的连接接口,用于连接测试设备,对信号进行变换,测试设备产生的激励信号通过信号处理设备和接口适配器送往被测无线电高度表,测试结果信号也都经过接口适配器和信号处理设备送往测试设备进行处理。微波信号是无线电高度表测试时的关键参数,要对其进行实时控制并实时检测无线电高度表工作状态。程控高度模拟装置能够真实模拟高度回波信号,主控计算机通过LXI总线向程控高度模拟装置发出指令,程控高度模拟装置控制微波信号产生相应的高度回波信号,无线电高度表探测到回波信号,并根据无线电高度表工作流程产生相应工作状态及微波信号变化,测试系统通过各种LXI总线通用模块进行实时测量与监视。

4 系统软件平台设计

4.1 系统功能

系统具有自动测试、手动测试、单项抽测、系统计量、标校、自检、数据处理及故障诊断等功能,为了方便用户维护和系统扩展,系统软件设计采用模块化思想,主要包括用户管理模块、测试项目模块、系统计量模块、标校模块、自检模块、仪器设备管理模块故障诊断模块、数据管理模块及系统扩展模块等。系统运行时通过调用多个相应的功能模块,控制系统软件的流程,完成相应的测试任务。测试系统软件功能结构图如图3所示。

图3 测试系统软件功能结构图

4.2 测试模式

基于LXI总线的测试系统有两种测试模式,一种是C/S(客户端/服务器)模式,客户端通过IVI-COM对LXI仪器进行访问和控制;另一种是B/S(浏览器/服务器)模式,客户端安装一个浏览器,输入LXI仪器的IP地址,就能直接访问相应仪器的主页面,并实施远程控制。在C/S模式中,IVI-COM仪器协议在客户端和LXI仪器设备之间建立一条通道,客户端运行测试控制软件,LXI仪器设备端的应用程序接收相应的服务请求,执行相应操作,然后返回结果给客户端。IVI-COM仪器协议采用标准的应用程序接口(API)。通过C/S模式构建的测试系统,可获得比较好的测试性能,能满足并行测试的需求。根据上面的分析及实际需要,系统采用C/S模式。

4.3 软件结构

系统软件平台采用层次化结构,根据组成系统平台软、硬件之间的关系和作用,将其划分为:应用层、驱动层和物理层,其层次结构如图4所示。

图4 测试系统软件平台结构图

1) 应用层:系统应用了参数化设计、数据库和虚拟仪器技术,操作系统采用Windows XP系统,系统软件的开发是由LabVIEW完成的,LabvIEW是NI公司的一种基于图形化的编程语言和开发环境,它提供了仪器驱动程序、虚拟仪器的控件、数据库工具软件包、丰富的数据处理分析函数。LabVIEW可以使程序设计简化,效率提高。根据参数化设计技术,进行无线电高度表参数测试功能的数学建模,数学模型通过数据库中的参数表进行描述。对测试无线电高度表不同参数的测试功能模块用LabVIEW封装成不同的动态库函数,以方便系统软件对其进行调用。系统软件是整个测试系统的测试程序,它通过控制LXI仪器设备,实现信号发生、采集,通过一系列分析处理程序,实现数据存储、分析处理,能够生成结果报表,可以显示和打印报表等。系统软件通过虚拟面板实现人机交互,各项测试通过点击虚拟面板上的按钮就能完成。

2) 驱动层:完成在操作系统下仪器设备的驱动和连接。所有LXI仪器设备都支持符合IVI规范的驱动程序和VISA资源名,这使得在系统底层硬件发生变化时,用户不用改变上层的驱动程序就可实现系统扩展,实现了底层仪器设备的互换性和互操作性。

3) 物理层:物理层是由构成系统的所有仪器设备以及对应的LXI总线接口软件组成。系统通过对系统硬件各部分的直接驱动并将其由LXI总线连接起来形成一个的完整的测试系统。LXI总线接口软件是存在于仪器驱动程序与仪器设备间的底层软件层,完成对LXI仪器设备测试与控制、对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递。

5 关键技术

5.1 时间同步触发

为了降低开发成本,系统采用不具备时间同步功能的LXI-C类仪器模块来建构测试系统。然而,在雷达测试过程中需要多台仪器协同工作,因此必须解决多台仪器之间的时间同步问题。采用符合LXI-B规范的同步触发器,可以满足系统的时间同步触发需求。

5.2 基于UML的软件建模

UML[9～10]是一种面向对象的建模语言,也是概念建模的重要工具。UML建立了面向对象的统一的概念、术语以及图形符号,建立了易于人们交流沟通的语言,用于对软件系统进行描述、可视化处理、构造以及建立软件系统的文档。UML为编写系统软件模型提供了一种标准化的方法,包括系统功能和软件流程类的抽象概念,还包括数据库设计、具体的程序语句和可重用的模块化程序这类具体的东西。UML能够准确地将软件系统的结构、层次以及流程用图形化的方式表达出来,使人们可以清晰地了解软件系统各功能之间的相互联系,还能根据模型生成相关的软件代码框架,极大地节约了系统软件设计开发工作时间。

5.3 基于多线程的软件设计

多线程技术就是一个进程中的多个线程同时执行测试任务的结构,主要是通过在线程间切换来完成并行测试任务。多线程结构中,多个测试任务在一个进程中执行,这些线程只拥有一个简单的内存地址。主线程是用来控制所有其它线程执行的。在进程执行中可以任意创建或取消其他的线程。多线程结构的一个重要特点就是所有线程都在一个进程中,它们能更好地共享测试资源和通信,使CPU开销减小。

5.4 程控高度模拟装置结构设计

程控高度模拟装置是无线电高度表测试的重要设备,主要作用是模拟高度回波信号[11～12]。要模拟高度回波信号,可以先接收无线电高度表的原始发射信号,然后对该信号直接进行加入目标特征的处理。高度回波信号中的目标特征简单来讲就包括三种:时延信息、频率信息和幅度信息。高度回波信号的时延信息主要是由高度距离引起的。回波信号的频率信息主要由目标径向速度带来的多普勒频移引起的。高度回波信号的幅度信息主要受到高度距离的影响。在这三种信息的处理上都有相应的主要技术途径:幅度模拟以由大动态的程控衰减器实现;多普勒频率可以通过直接式数字合成器(DDS)实现,也可以通过高速数字信号处理系统的运算实现;延时可以通过数字射频存储技术(DRFM)[13～14]来实现。此外还可以通过数字射频存储技术(DRFM)来实现对干扰信号的调制。

图5 程控高度模拟装置结构图

系统工作时,将从高度表发射端接收到的高度表发射信号传输给下变频模块;下变频模块将从高度表发射端和频率源接收到的信号转换为中频信号分别传输给VCO模块和频率引导模块;VCO模块受主控计算机控制改变振荡回路谐振频率,产生具备纯净频谱特性的信号,并将其传输给频率引导模块;频率引导模块将接收到的中频信号进行频率测量,根据测量结果确定反馈调整量,进而调节频率源输出频率;频率源根据频率引导模块提供的频率参数快速调整本振工作频率以使其对应于当前的无线电高度表工作频率,并将信号传输到DRFM模块。主控计算机控制DRFM模块产生除加入延时以外的与输入信号一致的输出信号,并根据系统的设置参数确定是否进行干扰调制以及干扰调制的类型;将DRFM输出信号和DDS模块的输出信号进行混频,产生包含距离延时和多普勒频移的正交双通道多普勒信号;将混频调制后的信号进行幅度调制产生相应的高度回波信号;上变频模块将接收到的高度回波信号转换使其成为真实高度回波模拟信号;将真实高度回波模拟信号发送给高度表接收端。程控高度模拟装置结构图如图5所示。

6 结语

以往对无线电高度表测试使用的高度模拟装置和测试方法,不但精度低下、测试项目只能覆盖有限的几个高度点,而且不能真实反映无线电高度表的工作状态。本文利用LXI总线构建无线电高度表自动测试系统,研制能够模拟无线电高度表的高度信号真实变化过程的程控高度模拟装置,实现了测试程序真实模拟无线电高度表工作过程及其过程中各项参数的自动测试,能够真实反映无线电高度表的工作状态,系统具有测试速度快捷、测试与控制精度高、操作方便、通用性强、可扩展性强、可靠性高等特点,满足目前无线电高度表自动测试的需求,同时能够检验无线电高度表的真实工作状态和性能,为后续无线电高度表测试方法的研究奠定了基础。

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Design of the Automatic Testing System of Radio Altimeter Based on LXI Bus

BO Zhifeng

(Unit 92, No. 92941 Troops of PLA, Huludao 125001)

In order to solve the problem that the existing test devices for radio altimeter are unable to meet the demand, an automatic testing system based on LXI bus is designed. The system applies the technologies of virtual instrument and LXI bus, by using Dynamic Link Library(DLL) of standard instruments control built via LabVIEW, the parameters of radio altimeter such as working voltage, transmitting frequency, receiving hequency, sensitivity and transmitting power can be tested, displayed, printed and stored. The test results can be queried in the future. It uses trigger to synchrony with some test units. The system solves the problem of the various instruments work together. By increasing notes in parameter list and upgrading DLL, it is convenient to measure other types of radio altimeter with this test equipment using parametric design and database modeling technology. The technology and methods adopted in the system are practical.

radio altimeter, automatic test system, LXI bus, altitude simulators

2014年10月8日,

2014年11月19日

薄志峰,男,工程师,研究方向:自动化测试。

TP274

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.037