基于CompactRIO的载人航天器外场试验平台设计

应 鹏，赵吉明，刘武通

(中国空间技术研究院，北京 100094)



基于CompactRIO的载人航天器外场试验平台设计

应 鹏，赵吉明，刘武通

(中国空间技术研究院，北京 100094)

针对目前载人航天器外场试验的需要，提出一种基于CompactRIO的小型化试验平台；系统采用可配置的仪器系统进行设计，硬件可模块化配置，能适应外场环境，使用图形化编程软件进行虚拟仪器设计，具备实时性、多任务、可配置的特点，具备数据分析和存储能力，可进行灵活定制、快速开发；分析了外场试验小型化测试平台的优势及关键要素，对试验需求、系统设计、硬件设计、软件设计、使用效果进行说明，对整个系统性能的满足情况进行说明；经验证，该平台可提高外场试验的效率及试验稳定性，可为后续航天器外场试验提供参考。

载人航天器；外场试验；CompactRIO；小型化

0 引言

航天器研制过程中需要对实际性能进行真实环境考核，需要进行相关的外场试验[1]。随着航天科技的迅速发展，各类航天器进行外场试验的需求逐渐增多。传统的外场试验用测试系统基本使用本地测试用的各类专用设备进行组合，试验设备体积较大，数量较多，部分设备在室外恶劣条件下工作稳定性下降，设备的整合及调试花费较多时间。

通过总结前期的试验经验，能适应外场试验的测试平台从功能上需要实现各类信号的采集，产生激励信号，具备一定的通信功能，在噪声环境下具备良好的性能，方便携带，功耗低[2]。测试平台应具备以下特点。

1)小型化:测试平台在体积上、重量上相比目前常用测试设备有一定优势，方便携带，分解件少，方便组装，应能够适应外场试验的温度、震动、电磁干扰的影响，功耗较低，电源的续航能力强，在保证稳定性的前提下，提高系统便携性。

2)模块化:模块尽量通用化，便于拆卸和更换，支持热插拔功能。模块带有信号调理功能，采样速率与精度达到设计要求，可测量电压信号、数字时序信号，具备一定的输出功能，能够作为激励源或参考信号，具备通信功能。

3)方便开发:上位软件方便易用，可进行快速定制开发和原型设计，适应不同的测试需求，能够实现一定的算法功能。

4)降低成本:测试平台具有较高的测试灵活性，能够做到测试复用，覆盖大多数需求。通过更换模块，更改软件达到应对新需求目的。设备实用性强，便于长期使用。

出于提高外场试验效果及测试水平的需要，提出一种外场试验专用小型化测试平台。该平台采用相对灵活、可配置的仪器系统进行设计，硬件方便携带，能适应外场环境，可模块化配置；使用图形化编程软件进行快捷开发，系统具备实时性、多任务、可配置的特点，具备数据分析和存储能力，软件可进行灵活定制。

1 系统方案设计

图1 CompactRIO系统组成图

CompactRIO是一款能适应较恶劣环境和有限空间的嵌入式系统，属于面向仪器的PCI拓展的小型化系统，结合了PC的成熟优势和PCI总线向仪器领域扩展的能力。该系统包括三部分——实时处理器(Real-time processor)、内置FPGA的可重配置机箱、可插拔的输入输出模块。系统本身可适应-40～70℃的环境，结构坚固。CompactRIO平台软件可基于LabVIEW开发，架构开放灵活，可以便捷控制底层硬件设备。使用该系统开发出的测量测控系统，具备实时性、灵活性、高可靠性等特点[3]。

采用基于CompactRIO设计的测试系统架构图如图2所示。该系统由监控上位机、CompactRIO系统、外围扩展调理接口模块组成。上位机通过USB接口、网络接口与CompactRIO系统中的实时控制器通信，接受处理完成的各类测量数据，发送相关监控及调度指令；实时控制器实现控制算法与数据处理，控制FPGA背板及可插拔模块的硬件逻辑及接口，调度系统内的软硬件资源；可重配置机箱包含一块FPGA背板，用于连接实时控制器与可插拔模块，可插拔模块安装在机箱中与FPGA建立通信，模块采样到的数字量数据在FPGA中会经过预先的处理，如进行傅里叶变换、曲线拟合等，FPGA完成数据处理后会通过高速数据总线传送至实时控制器进行处理，实时控制器发出的控制指令在FPGA中也会进行解码用于控制各个模块，转换为各类输出和通信信号，FPGA由于时钟统一、硬件并行特点使得数据的传输量及实时性得到保证，工作性能可以等同于专门定制的硬件电路[4]；可插拔模块内置信号调理和数模转换电路，并且具备工业级的隔离设计，可直接与外部传感器/驱动器互联。

图2 基于CompactRIO的测试系统架构

在程序开发方面：利用图形化开发环境，可以使用LabVIEW对嵌入式系统的处理器、FPGA和I/O进行编程，以实现嵌入式控制、监测、处理和数据录入应用。上位机运行LabVIEW开发的监控程序，CompactRIO实时控制器运行LabVIEW RT开发的嵌入式程序，可重配置机箱中的FPGA运行开发的FPGA硬件逻辑，鉴于LabVIEW开发的便捷性，在完成上位机至外围接口的配置后，利用开发环境可以方便的访问控制底层硬件，可缩短程序开发时间。

CompactRIO包含可软件定制的仪器系统，仪器模块化集成、数据吞吐量较大，可以配置为各种外场试验的测量测控系统使用，使用LabVIEW图形化编程软可以整合软硬件资源，实现整个定制过程的自动化，能够继承使用大量成熟的开发模块及算法，开发速度比传统嵌入式系统研发从硬件到软件全定制的过程有很大提升[5]。从分析航天器外场试验小型化测试平台的系统设计方案来看，在目前的技术趋势下，选择CompactRIO系统为基础来搭建测试平台具备一定的优势。使用相对成熟、接口丰富的模块化仪器来实现信号的输入输出、信号调理、数据滤波、数据采集与存储，以上功能集成于相对紧凑、坚固的仪器系统中，平台的工作性能及适应性得到满足。

2 硬件设计

2.1 总体方案

总体硬件方案采用典型的上位机-下位机模式，即选用通用便携计算机作为上位机，CompactRIO模块及外围拓展及调理接口作为下位机，上位机下位机间通过网络或USB连接，上位机用于数据存储、状态监控，下位机以CompactRIO系统为核心，搭配相应功能的输入输出模块及外围拓展模块。系统能适应野外工作能力，所有设备支持使用直流电源供电。硬件设计考虑便携性及可靠性，整体结构进行紧凑布局，约为一个手提箱大小，方便携带和运输。

2.2 外围拓展、调理接口设计

被试验对象有各种不同类型的连接接口，包括有线信号、无线信号、模拟电压电流信号、温度信号、振动信号、应力信号、声信号、射频信号、高低速数字信号等。外围拓展及调理接口模块需要能适应被试验对象的各类接口，同时需要与CompactRIO系统进行连接，将各类信号经过信号隔离、信号解调、信号放大、信号滤波，电平转换，确保待测信号安全、稳定。外围接口进行模块化设计，采用背板-板卡插接式进行集成，最大限度适应各类信号需求。待测信号经后面板输入，通过背板进行跳线分路、经信号处理办卡进行信号调理后，由前面板输出至CompactRIO可插拔模块，完成信号的输入输出。如电压输入首先通过板卡的隔离放大器进行信号隔离，隔离后的电压信号通过电压调理电路转换为模块采集的使用电压范围(一般为±10 V)，电压信号再进入模块进行模数转换、信号滤波及处理等；电流输出信号首先由CompactRIO发出相应配置指令，由FPGA选通相应的可插拔模块中的电流输出接口，电流输出信号为0～20 mA信号，经过外围接口模块进行信号隔离、电流放大器放大，输出被测对象适用的相应电流。

2.3 CompactRIO模块选用

1)实时控制器与FPGA背板：

图4 采集及信号模拟软件框图

使用实时控制器与FPGA背板集成的CompactRIO系统9073,内含主频266MHz工业实时处理器，可用于控制、数据记录和分析；FPGA拥有2百万门，背板上布置了8个槽位，用于定制的I/O定时、控制和处理。实时控制器循环周期抖动在微秒级。需要内置一定容量的固态存储器用于数据存储器、具备相应的存储扩展接口便于数据查询。控制器具备相对低的功耗，具备直流电源供电的能力，外壳应能适应振动及冲击，能够满足复杂的环境需要。

FPGA背板使用40 MHz基准时钟，以25 ns时间周期执行定时和控制循环，是实时控制器与可插拔模块的桥梁，可编程逻辑模块直接与I/O模块互联，计算速率可达到200 kHz。可编程逻辑并行执行数据采集、计算和控制操作，使用FPGA开发可修改底层硬件配置，快速变换硬件的跳线，不需要重复投产硬件，可适应多种模式的测试，达到一机多用的目的[6]。

2)可插拔模块：

模拟电压输入模块使用NI-9221作为模拟输入模块，拥有8个通道，量程为±60 V，分辨率12位，采样率800 kS/s,单端输入，多路复用。模拟信号在模拟输入模块中经过噪声滤波后做数字化处理，通过背板总线传入FPGA做进一步处理。模拟电压输出模块使用NI-9263作为模拟输出模块，拥有4个通道，采样率100 kS/s，精度达到16位，范围为±10 V。在测试过程中产生模拟激励信号，如正弦波、特定电压值等。数字输入输出模块使用NI-9401作为高速双向数字I/O模块，电平标准为5 V/TTL，速率为100 ns，漏极/源极数字输入输出，可按半字节配置，该模块同时作为计数器、定时器、信号发生器来使用。通信模块使用NI-9871进行RS422/RS485信号的收发。

可插拔模块主要用于信号调理及通信。可插拔模块具备信号隔离能力，保证安全性，具备模拟输入输出、数字输入输出、数字通信能力。在数据输入方面，信号调理模块将数字信号进行调理，调理成实时处理服务器可接入的电平标准，还可将模拟信号进行模数转换，转换出的数字信号供处理器进行处理。在数据输出方面，信号调理模块可将数字信号进行放大调理，将弱电平数字信号调理成与接口设备电平匹配的数字信号，还可进行数模转换，将数字信号转换为模拟信号，再经过放大电路，输出所需要的模拟电压电流信号；在通信方面，支持主流的串行、并行、GPIO通信功能。

3 软件设计

基于CompactRIO系统的测试平台软件通用结构与功能如图3所示。

图3 软件结构与功能说明

软件通用结构包括三部分，分别是上位机软件、实时控制器RT软件、FPGA逻辑。

1)上位机软件：

上位机软件基于Labview设计，用于CompactRIO的数据监视与控制，具备进行数据分析的功能，同时快速生成数据报表。上位机与实时控制器间通过以太网连接，基于TCP/IP协议进行数据通信，带宽达到100 M，上位机软件可实时读取实时控制器中的状态数据，也可读取存储在实时控制器存储器中的数据，新的配置模块也可通过网络实时地部署到实时控制器中。上位机软件基于Labview的图形化优势，可以开发出功能较为丰富的操作与监控界面，使得用户直观全面掌控CompactRIO系统的实时信息。

2)实时控制器软件：

实时控制器软件基于LabVIEW RT开发，具备较强的实时性，对事件能够迅速反应，同时处理较为复杂的算法程序，将处理后的数据打包上传至上位机。实时控制器与上位机间基于TCP/IP协议进行数据通信，实时控制器软件的各项配置、执行任务情况都可上传至上位机；实时控制器与FPGA背板间通过高速总线实现通信，实时性强，具备较大的数据吞吐率。

CompactRIO运行Labview RT实时操作系统，可以实现精确的定时运行，及时响应各类事件。操作系统按抢先式和时间片循环式对执行任务进行排序，当高优先级线程需要进行处理时，低优先级线程停止运行以保证高优先级线程运行，同等优先级线程由时间片循环排序[7]。混合了抢先式和时间片循环的任务排序能确保LabVIEW RT具有较好的时间确定性。

LabVIEW RT支持TCP/IP、UDP、VISA RS232等多种通讯协议，与上位机进行数据通信；提供FPGA接口函数，可将FPGA bit文件下载至目标FPGA并实现控制变量读写；可通过DMA、握手、中断等模式与FPGA进行通信；可以实现信号生成、时域/频谱分析、曲线拟合、线性代数等功能。

3)FPGA逻辑：

FPGA逻辑基于LabVIEW FPGA模块编写，并行度高，包括模块配置逻辑，数据读取逻辑、数据输出逻辑、数据滤波处理逻辑等，实现与实时控制器的数据通信、中断同步、数据缓存(FIFO)和内存读写。各类测量模块的采集到的信号会经过转换与调制隔离，变为易处理的数字信号，FPGA逻辑可以定制为多种应用，对采样到的模拟电压量进行数字化滤波处理，模拟总线时序输出总线信号，与外部接口进行实时通信。LabVIEW FPGA模块上运行需要并行执行、重复执行、数据处理等逻辑。确保各类逻辑执行的并行性，循环速率能达到MHz以上，完成大量的数据滤波，数据组帧等功能。目前有很多成熟的FPGA信号处理IP核可供使用，完成波形合成、滤波、FFT、连续/离散控制，PID控制等功能。

4 系统实现及测试

基于搭建的小型化试验平台，针对某外场试验进行测试验证。通过环境搭建将后方的上位机与前置的CompactRIO及信号调理模块连接，并与被测真实电子设备进行电气连接，自带电源为被测设备正常供电，按照约定的电气协议由CompactRIO控制相应模块发送数字信号，与被测对象完成协议握手，开始数据通信。标识被测对象状态的各类模拟量信号、数字信号通过电气接口由前置模块正常采集，经过信号调理滤波发送至CompactRIO进行处理，并在后台上位机上进行数据显示及存储；通过握手协议向被测设备发送模拟的数据注入，并从状态监视上监视设备的响应情况；模拟故障模拟量及故障注入，从输入接口观察设备的响应情况，模拟出被仿真设备和被测设备的真实接口。经过测试验证复合，该系统能有效覆盖被测对象的外场测试项目，设备工作稳定正常，且能快速进行重复测试。

5 结论

构建载人航天器外场试验小型化测试平台，一方面，有益于根据需求快速进行试验的准备及定制，提高外场试验的效率，压缩不必要的准备时间和调试时间，让试验人员更多精力集中于试验过程；另一方面，相对灵活的定制平台及丰富的功

能也能帮助参试人员试验更多的功能，试验的全面性得到提高，对现有航天器研制工作起到有益的作用。

[1] 孙亚楠,涂歆滢,向开恒,等.航天器仿真与测试一体化系统[J].航天器工程,2015,13(4):73-78.

[2] 宋海峰,张 敏.基于cRIO的时序控制软件架构设计[J].太赫兹科学与电子信息学报,2009,18(1):619-624.

[3] 谢 宽,吴杰长.基于CompactRIO平台的舰船实船训练系统[J].机电工程,2013,30(4):505-508.

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Design of Manned Spacecraft Field Testing Platform Based on CompactRIO

Ying Peng, Zhao Jiming, Liu Wutong

(China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

For the current needs of the manned spacecraft field test, propose a miniaturized test platform based on CompactRIO. The system uses a configurable instrument system, hardware can be modular configurations, able to adapt to the external environment, uses graphical programming software to make virtual instrument design, with real-time, multi-tasking, configurable features, with data analysis and storage capacity, can be used to make flexible customization and rapid development. Analyzing the advantages and key elements of field tests of miniaturized test platform, illustrating test requirements, system design, hardware design, software design, describing the overall system performance. The platform can improve the efficiency and stability of the field test experiments. It can provide a reference for subsequent field testing of spacecraft.

manned spacecraft; field test; CompactRIO; miniaturization

2016-06-27；

2016-07-18。

应 鹏(1985-)，男，山西长治人，工程师，硕士研究生，主要从事自动化测量测控系统研究。

赵吉明(1963-)，男，山东人，研究员，主要从事航天器综合测试技术方向的研究。

1671-4598(2016)09-0274-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.077

TP274.2

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