红外成像导引头通用测试评估系统设计

黄 莉，杨 博

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）

红外成像导引头通用测试评估系统设计

黄 莉，杨 博

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）

为满足对新型红外导引系统的检测需求，设计了一种基于PXI标准总线结构和多层软件开发平台的红外成像导引头通用测试评估系统，该系统按照通用化的设计思想，采用集成板卡构建虚拟仪器，具有多通道高精度A/D、D/A和数字I/O，数据吞吐量较大，能满足不同型号红外成像导引头的测试需求，解决了红外成像导引头的测量与评估问题。

PXI总线；通用化；信号调理；数据采集；多层软件平台

0 引 言

红外成像导引头具有作用距离远、抗干扰能力强等优点,但其导引系统原理和结构复杂,传统的测试系统已不能满足研究需求,本文提出的红外成像导引头通用测试评估系统基于PXI标准总线结构和多层软件开发平台,通过获取导引头在各种工作状态下的全部参数和图像数据,实现对导引头的状态控制、数据采集、图像显示、状态显示、参数测试、数据分析、结果记录、图像回放等,满足单元、多元、成像导引头的测试与评估。

1 总体设计思路

红外成像导引头通用测试评估系统由硬件和软件两部分组成,其系统结构如图1所示。硬件部分主要由嵌入式控制器模块、各种通用功能板卡和信号调理电路组成；软件部分由底层、逻辑层、表现层三种结构组成。

该测试评估系统采用集成板卡来构建虚拟仪器组成测控系统,性能较高的PXI标准总线结构能够采集高度数字、图像信号。具有多通道高精度A/D、D/A和数字I/O,数据吞吐量较大,系统集成度较高。

图1 红外导引头测试评估系统结构

2 硬件通用化设计

PXI总线计算机系统各类硬件板卡一般只具备标准的电气接口和物理接口,不能直接与导引头在电气和物理上互连。因此,系统在总体结构上设计了一套通用接口适配部分,导引头首先与接口适配单元相连,进行必要的电气信号和物理接口转换后再与PXI总线计算机硬件板卡相连。

2.1 通用接口适配部分

图2 信号调理单元结构

通用接口适配部分设计方案采用以NI公司的模拟量调理系统SCXI为主来构造整个系统的适配调理单元,以保证系统具有良好的通用性、一致性、测试精度和信号带宽。如图2所示,通用接口适配部分包括A/D、D/A、数字I/O调理单元,以实现输入输出模拟信号的隔离、放大、衰减和数字信号的隔离功能。

由于不同型号产品的数据传输协议不同,如传输数字红外图像信号可采用低压差分串行传输的LVDS协议、高速串行传输的HotlinK协议和模拟图像Video信号,因此需要将不同数据格式进行调理,将其转换后再与PXI总线计算机硬件板卡相连。

采用LVDS形式进行传输时,图像采集卡只能采集16 bits宽度的并行图像数据,二者之间必须进行串并转换,这一功能由通用串并转换图像调理卡完成。该卡主要利用FPGA和PCI桥接芯片实现,首先将接收到的串行LVDS数据进行串并转换,将转换后的数据存入FIFO缓冲区,然后构造数据传输时序,生成字同步信号,同时读取FIFO缓冲区中的数据,要确保字同步信号的上升沿在数据的有效时间内,高速数据IO卡根据字同步信号的上升沿对数据进行采样,从而获得有效数据,其工作过程如图3所示。

图3 LVDS信号的调理过程

测试导引头与导弹飞控数据传输功能时,红外导引头采用双口RAM与飞控进行数据交换,需要对双口RAM的数据进行读写测试,但是双口RAM的总线信息为并行数据,不宜远距离传输。因此,必须在导引头附近把双口RAM的并行数据转换为串行数据,再经过RS-422传送到测试评估系统。转换电路利用RS-422收发器MAX3077E发送和接收RS-422的串行数据,同时利用FPGA实现数据的串并转换。双口RAM到RS-422的转换过程如图4所示。

2.2 通用集成采集卡

采集的导引头信号通常可分为模拟信号和数字信号,模拟信号包括高频率信号、低频率信号、大幅值信号和小幅值信号；数字信号包括静态数字信号和高频数字信号。要测试这些不同种类的信号,就要根据被测信号特点并结合对象的数据吞吐量、实时性要求、精度、分辨率和带宽要求等方面来选择不同性能的数据采集卡,既要满足信号要求,又要避免资源浪费。作为通用的测试平台,采集卡采用PXI总线方式,该总线具有数据传输速率高、实时性好以及扩展性强的特点。

图4 双口RAM的转换过程

3 软件通用化设计

在测控系统中数据种类多样,采集、处理以及显示的要求各异,如果没有约束任由模块之间纵横交错,互相调用,相互依赖和影响,其复杂程度和依赖关系的增加既会带来更多的潜在错误风险,也会增加日后代码维护的难度及工作量。

图5 软件层次结构图

本文将其分成三种功能模块,分别是软件底层、软件逻辑层和表现层,结构如图5所示。其工作过程为：首先通过表现层的“控制组件”下发测试命令,经过逻辑层的“控制适配”部件翻译成底层硬件板卡可以识别的命令,底层硬件板卡执行数据采集命令后得到了相应的数据(包括图像数据),该数据返回到逻辑层,经由“数据转换组件”变换为合适的形式供给用户界面显示,或经由“数据存储组件”处理为适合于存储的数据存放起来。

这种设计可以使得测控软件结构清晰、层次分明、分工明确、独立性强,还可减少耦合,具有便于修改和后期维护的特点。

3.1 软件底层

软件底层直接和硬件的测控板卡发生联系,它们对硬件板卡进行直接操控,以便从被测产品获取信息(如图像信息、模拟量数据和数字量数据),或将数据或命令发送到产品。各硬件板卡有通用的API接口函数,底层软件将这些API函数按照功能统一封装为不同的类,两个基类分别为任务类和任务配置类。

(1)任务类

硬件采集卡可以实现多种采集功能,统一称为任务。在软件设计中将这些任务抽象成类,这些类由一个基类(BaseTasK)派生而来。在基类中定义这些任务共有的属性,例如启动任务、停止任务、安全地清理任务、获取任务配置对象、清理占用资源等。

(2)任务配置类

每一个任务对象包含了相应任务类型的任务配置对象。对于任务配置的处理同样采用类设计的思想,即所有任务有统一的任务配置基类(TasKCfg-Base),这个配置类中,存在所有配置文件公共的行为,包括保存配置、读取配置、检查配置。

涉及到具体的任务,不同任务有不同的执行流程,但通过底层软件的设计使得不同板卡执行采集任务的流程基本一致：首先创建任务配置对象,再创建数据采集板卡的核心任务,将任务对象与配置对象进行绑定,启动任务,最后清理任务,释放资源。

3.2 软件逻辑层

逻辑层包括数据滤镜框架、图像滤镜框架、数据存储组件、数据库组件等模块。数据滤镜框架将不同板卡的不同格式的数据流转换成统一的格式；图像滤镜框架将采集到的原始图像及状态信息数据分离与转化；数据存储组件将采集来的不同数据包(包括图像、数字量、模拟量等)进行统一存储；数据库组件负责控制用户的访问权限以及保存设置和维护数据采集与发生过程中所需要的参数。

逻辑层将不同硬件板卡采集的数据进行统一处理和协调,将用户界面发出的控制指令“翻译”为针对某个板卡可以识别的操作命令。这种设计可以将与硬件板卡进行交互的底层和显示信息的用户界面隔离开来,在用户界面与底层硬件之间架设了一个相互沟通的桥梁,使得整个系统的扩展性更强,结构更清晰。

(1)数据滤镜框架

通用类型数据滤镜框架包括动态解算数据组件和解析规则配置器。由于数据都是以数据包的形式进行传输,需要按照一定的规则压缩和解析其格式,数据参数信息的多样化决定了压包和解包的算法必须是动态的。动态解算数据组件又包括动态数据压包和动态数据解包两部分,源端根据动态数据包定义将不同类型的数据打包组帧；接收终端读取该定义便可将参数信息存贮到一个容器中；获取动态数据包以后,根据容器中参数信息序列,可以将该参数的实际值解算出来并存进容器；使用时,通过参数名称便可在存贮容器中查找到其对应的数值。

(2)图像滤镜框架

图像滤镜框架的结构如图6所示,图像数据在滤镜之间传递,滤镜将图像数据处理之后输出,在经过了所有的滤镜链之后得到最终图像显示在显示器上。图像滤镜框架包括图像显示、图像编码和图像解码滤镜,为了实现纯图像数据的显示,封装了第三方库LeadTools一部分功能,定义图像显示滤镜类ImaqDisplayer,创建其对象并调用功能函数即可实现图像显示等功能；图像存储采用编码滤镜file_encoder,将图像数据按照规定的文件格式进行存储；图像解码滤镜file_decoder从存储文件里读取数据包,并实现数据包的分离,以便将图像数据和其他状态数据分开处理。

图6 图像滤镜框架

3.3 软件表现层

软件表现层作为与用户交互的界面,负责对用户登录的管理、测试方式和测试项目的选择、测试命令的下发和命令执行后最终结果或状态的显示,包括控制组件、数据显示组件和图像显示组件。控制组件用来对测试评估系统的具体测试任务行为进行控制；数据显示组件将图像中包含的状态信息以及采集的模拟数据和数字数据进行显示；图像显示组件将采集的图像数据转化为图片进行直观显示。

4 结 束 语

本文所设计的红外成像导引头通用测试评估系统采用集成板卡构建虚拟仪器组成测控系统,基于PXI标准总线结构,具有多通道高精度A/D、D/A和数字I/O、数据吞吐量较大,系统集成度较高。硬件设计通用调理适配单元,对导引头输出的信号进行统一调理适配,使信号具备标准的电气接口和物理接口,通过调换不同的通讯协议和数据采集板卡实现红外单元、多元及成像导引头的通用测试评估；软件设计通用化,采用底层、逻辑层、表现层的层次结构,对于不同产品测试仅需对表现层进行重新搭建按照通用化的设计思想研制,在实际应用中满足了不同型号红外成像导引头的测试要求。

［1］王建国,杨士义.某型空空导弹总体测试系统设计［J］.信息与电脑(理论版),2012(2).

［2］韩惠莲,王浩.基于虚拟仪器的导弹测发控系统设计与实现［J］.计算机测量与控制,2011,19(3).

［3］郑竑宇,董德新,贾明勇.基于PXI总线的红外导引头性能测试系统设计［J］.航空兵器,2010(4).

［4］樊尚春,周浩敏.信号与测试技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社,2011.

［5］朱刚.基于虚拟仪器的模拟试验台测控系统设计［D］.西安：西北工业大学,2007.

Design of a Universal Testing and Evaluation System for Infrared Imaging Seeker

Huang Li,Yang Bo
(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China)

In order tomeet the testing demands of a new infrared seeKer system,a universal testing and evaluation system of infrared imaging seeKer is designed,which bases on PXI standard bus structure and multi-layer software platform.According to the design idea of generalization,the system uses integrated board to structure virtual instrument.It hasmulti-channel,high-precision A/D,D/A and digital I/O, and hasmass data handling capacity.It can meet the testing demand of variant infrared imaging seeKers, and can solve the testing and evaluation problems of the infrared imaging seeKer.

PXIbus；generalization；signal processing；data acquisition；multi-layer software platform

TJ760.6

A

1673-5048(2015)03-0054-04

2015-01-18

黄莉（1983-），女，贵州铜仁人，工程师，研究方向是目标特性测试。