一种便携式遥测信号组件通用检测装置

涂 炯，袁 强，秦友伦

（中国兵器工业第五八研究所 四川 绵阳621000）

一种便携式遥测信号组件通用检测装置

涂 炯，袁 强，秦友伦

（中国兵器工业第五八研究所 四川 绵阳621000）

针对遥测信号的精度要求，设计了一种便携式遥测信号组件通用检测装置。采用主要模拟产生多种模拟量信号、开关量信号和数字量信号作为导弹遥测信号组件调试或测试的数据输入源，并将导弹遥测信号组件输出的串行信号和特殊信号进行存储、实时显示和处理。通过软件分层设计，提高了设备的独立性、兼容性和系统的可靠性。测试结果表明该装置具有测试精确性高、体积小、处理速度快、信号种类多、成本低、携带方便、接口丰富等特点。

便携式；遥测信号；PCI-Express；FPGA；检测装置

遥测信号组件是导弹飞行器重要的组成部分，它记录和传输导弹飞行过程中的飞行参数，为导弹飞行质量和状态提供重要的依据，因此对遥测信号组件进行精确和详细的测试甚为重要[1]。

目前，国内遥测信号组件的测试和检测过程较多的采用人工或半自动化测试，遥测信号组件所需信号种类繁多，接口数量较多，测试具有耗时较长、测试复杂、出错概率大等缺点[2]。同时，测试中所需的仪器设备多种多样，体积庞大，难以携带，给遥测信号组件现场调试和维修带来的很大的困难。有鉴于此，笔者提供一种便携式遥测信号组件用多功能通用检测装置，集数据通信、信号解调、数据采集、信号产生、数据处理等功能于一身的多功能通用检测装置，具有测试精确性高、体积小、处理速度快、信号种类多、成本低、携带方便、接口丰富等特点。

1 PCI-Express总线简介

PCI-Express是新一代的总线接口，而采用此类接的显卡产品，已经在2004年正式面世，早在2001年的春季“英特尔开发者论坛”上，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片内部连接，并称之为第三代I/O总线技术。随后在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在内的20多家业界主导公司开始起草新技术的规范，并在2002年完成，对其正式命名为PCI Express（以下简称PCIE）[3]。

PCIE的接口根据总线的位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16，而X2模式将用于内部接口而非插槽模式。PCIE规格从1条通道连接到32条通道连接，有非常强的伸缩性，以满足不同系统设备对数据传输带宽不同的需求。此外，较短的PCIE卡可以插入较长的PCIE插槽中使用，PCIE接口还能支持热拔插，PCIE X1的250 MB/秒传输速度以及可以满足主流声效芯片、网卡芯片和存储设备对数据传输的需求。

目前PCIE3.0规范已经确定，其编码数据速率，比同等情况下的PCIE2.0规范提高了一倍，X32端口的双向速率高达320 Gbps。

2 便携式机箱设计

机箱的外形尺寸为：（宽×深×高）404 mm×244 mm×333 mm，提供5个6U PCIe板卡槽位，除主板安装占用2槽 （8HP）外，其余板卡安装均占用1槽（4HP），机箱板卡安装如图1所示。

图1 板卡安装图

机箱内部分为4个区域，分别是板卡安装区域、电源模块安装区域、风扇组、线缆走线区域，如图2机箱内部布局图所示。机箱内部所有功能板卡均采用后出线方式，通过PCIe背板信号转接至机箱后面板输入输出接口。

图2 内部布局图

机箱材质采用铝件，侧面连接器采用直接安装方式，连接器与箱体安装之间涂覆有导电胶，有效的防止电磁干扰，增大整机电磁屏蔽性能。机箱键盘为防水键盘，采用下翻方式，前面板设计有15寸液晶显示屏以及电源指示灯、状态指示灯、开关等。本机箱特点如下：

1）机箱选用铝件2A12-T4-4-GB，通过铝板焊接形成主体框架，四周设计有加强筋，整机加固性能优于常规便携式机箱；

2）采用强迫风冷的方式，在机箱内部形成独立风道，提高整机散热性能；

3）机箱进出风口安装通风波导，降低了机箱对外辐射，同时提供散热风道；

4）采用一体化设计，便于外场测试；

5）机箱内部喷涂三防清漆，防止“霉变”，有效提高三防性能；

6）所有板卡采用模块化设计，提高了机箱可靠性和维修性；

7）机箱总重量小于15 kg，便于携带。

3 总体设计

3.1 板卡主要功能划分

3.1.1 主板

主要完成功能板卡控制指令的下发、数据通信设置以及数据解析后处理等操作，并将被测设备输出的信号进行存储、实时显示和处理，提供2路10/ 100/1 000 Mbps自适应以太网接口，2路USB接口以及VGA、LVDS显示接口。

3.1.2 数字信号处理卡

主要完成数字信号产生和处理，产生开关量信号、继电器信号，完成特殊通信接口之间的相互通信，如提供继电器通道和路异步RS422、CAN通信接口。

3.1.3 模拟信号处理卡A

主要产生一般模拟信号，实现0～35 V直流小信号、-2.5～2.5 V交流小信号和时序信号的产生。

3.1.4 模拟信号处理卡B

主要产生特殊模拟信号，实现0～150 V可调的正高压脉冲信号0～-150 V可调的负高压脉冲信号、5～8 V可调的低压脉冲信号、半正弦信号、等特殊模拟信号的产生。

3.1.5 解调信号处理卡

主要完成5 V CMOS电平以及3路12 V脉冲串输入接口电路设计，完成特殊数据信号的解调。

3.2 工作原理

如图3所示，检测装置交流输入220 V/50 Hz通过电源模块转换输出三路直流电源，分别是+12 V、+5 V、+3.3 V，电源模块主要由高可靠、高性能的VICOR电源模块搭建而成，为整机提供稳定的工作电源；主板运行WinXP操作系统，选用 Intel I7 3555LE处理器，主频2.5 GHz，2 GB内存容量，板载128 G固态硬盘。支持4路USB2.0接口，1路LVDS接口，1路VGA接口，2路1 000 Mbps以太网口；其余功能板卡均采用 “FPGA+功能接口”的方式，由FPGA做每个功能板卡的控制器，实现数据上传、指令接收、逻辑运算等功能[4]，FPGA选用XILINX公司型号为XC7K325T-FFG900-2I，该芯片拥有320 K逻辑单元，50 950个Slices（约700万），4 000 K分布式RAM，16 020 K内置BRAM，500个用户I/O，其可编程单元逻辑资源和存储空间满足设计需求[5]。每块功能板卡在 FPGA内部构建 PCIe IP核，通过PCIe总线背板实现各个功能板卡与CPU主板之间的信息交互，该总线遵循PCI Express 2.0规范，采用1X模式，速率可达500 MB/S。主板运行上位机应用程序，下发指令和配置参数，各个功能板卡收到指令后进行分析，配置各寄存器参数，产生相应信号，经各板卡功能接口完成物理层接口电平变化或数模信号的转换，提供遥测组件所需检测信号；同时各个功能板卡可将遥测组件输出的信号进行采集处理，解析后打包上传至CPU主板，实现存储、实时显示、处理等功能。

图3 检测装置原理框图

3.3 设备自检

本检测装置具备自动检测的功能，通过自检开关控制实现工作状态和自检状态自检的切换，自动检测信号通路工作是否正常。

在上位机软件上设计自检和工作状态选项按钮，设备自检开关平常均处于断开的状态，如图4所示，当打开测试软件后点击自检按钮后自检开始，上位机下发自检命令，所有功能板卡FPGA控制自检回路上继电器和模拟开关闭合，输出自检预设值，通过自检回路返回给FPGA进行数据比对，在测试软件上设计自检显示状态栏，可看到当前自检进度，如果FPGA判断自检返回值错误，将上报给上位机，测试软件将会弹出错误提示窗口，并提示对应哪一路信号错误，提示是否继续或停止，同时上位机测试软件保存错误信息。如果所有信号自检返回值均无问题，测试软件状态栏中将会显示自检完成，同时上位机测试软件自动保存测试数据。

图4 自检处理流程图

4 软件设计

上位机软件采用“操作系统+驱动+数据接口+应用层”的设计方法，操作系统采用WindowsXP，驱动软件采用WDM驱动架构进行开发[6]，同时配合VC开发的中间件为应用层留出可操作的数据接口，屏蔽硬件之间的不同点，为应用层提供标准接口，软件结构如图5所示。

图5 软件结构图

板卡驱动软件将各个功能子模块驱动软件设计成相对独立、单一功能的模块结构。再根据数据的流程和功能的要求采用多层框架将软件系统分层[7]，为应用层软件提供有较高的可靠性、效率以及可维护性、可扩充性的软件接口，易于进行测试、修改和功能扩充，提高了软件系统的设备独立性和软件健壮性。

软件中间层采用动态链接库DLL实现，它将不同的硬件模块驱动调用集成为一套标准的功能函数接口供上层应用开发者使用。

应用软件为最上层，主要针对各个功能模块，调用驱动来实现各个模块功能。所有硬件设备对应用软件是透明的，应用软件通过标准数据接口与数据接口层交换数据，完成测量参数设置和数据结果读取，为上层应用开发提供便利。本层具有友好的用户界面，支持SQLite数据库系统。

软件系统的分层设计，反映了系统的整个数据流程结构。封装的设备驱动层提供了灵活的设备接口，使得硬件系统的改变与修改不会直接影响软件系统的正常运行，提高了设备的独立性、兼容性和系统的可靠性。

5 结束语

笔者通过机箱结构、工作原理、设备自检以及软件设计等几个方面阐述了一种便携式遥测信号组件用多功能通用检测装置的设计方案，实现了一种便携式的导弹遥测信号的检测装置。所述的方案已经成功应用于笔者单位的某型号项目中，实际应用结果及测试结果表明，该设计方法可行、有效。

[1]耿潇.小型化遥测组件自动测试平台的设计与实现[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[2]刘斌友，土雪梅.基于CompactRIO的便携式导弹自动测试系统设计[J].弹箭与制导学报，2009，29（1）: 8184.

[3]马鸣锦，朱剑冰PCI，PCI-和PCI Express、的原理及体系结构[M].北京：清华大学出版社，2007.

[4]符意德，陆阳.嵌入式系统原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社，2007.

[5]孙延鹏，张芝贤.VHDL与可编程逻辑器件应用[M].北京:航空工业出版社，2006.

[6]武安河.Windows 2000/XP WDM设备驱动程序开发[M].2版.北京:电了工业出版社，2005.

[7]郭双宙，梁金兰.自动测试系统软件框架的设计与实现[J].计算机测量与控制，2009，17（1）:224-227.

A general detection device of portable telemetry signals module

TU Jiong，YUAN Qiang，QIN You-lun
（No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to precision requirements of the telemetry signals，a general detection device of portable telemetry signals module is designed.The device adopts mainly produces a variety of analog signal，switching signal and digital signal as missile telemetering signal module debug or test data input source，and the missile telemetering signals output module serial and special signal storage，real-time display and processing.Software is designed by the layered，improve independence，compatibility，and system reliability of the device.The experimental results show that the device has high test accuracy，small volume，fast processing speed，signal variety，low cost，easy to carry，abundant interface，etc.

portable；telemetry signals；PCI-Express；FPGA；detection device

TN0

：A

：1674－6236（2017）03-0117-04

2015-08-26稿件编号：201508135

国家自然科学基金（61133016）

涂 炯（1986—），男，四川绵阳人，工程师。研究方向：工业控制计算机和特种计算机。