MLS信号源状态参数的自动测试系统设计*

李 雷, 严玉国, 曹海霞, 王晓锋

(空军工程大学信息与导航学院, 西安 710077)

MLS信号源状态参数的自动测试系统设计*

李 雷, 严玉国, 曹海霞, 王晓锋

(空军工程大学信息与导航学院, 西安 710077)

微波着陆系统(MLS)信号源需要定量测量大量的参数,传统的测试方式需要大量仪器而且连接复杂,测量效率和精度受到了很大限制。智能仪器的发展为自动测试提供了基础,通过对微波着陆系统信号源状态参数的测试特点进行分析,在MATLAB平台上完成了自动测试系统的开发。实际测试结果表明,该自动测试系统在测量MLS信号源状态参数的过程中具有精度高、效率高的特点,可以实现测试的自动化。

微波着陆系统;自动测试;状态参数;系统设计

0 引言

微波着陆系统(microwave landing system,MLS)是一种精密近着陆系统,可以给飞机提供航向信息、下滑信息和距离信息,还可以提供与着陆有关的提示和数据信息。具有工作频段高、波道多、测角范围大、精度高等优点,在精密着陆引导领域有着广泛的应用。

为了保障MLS设备的可靠工作,需要对MLS进行多种模式的测试,检测设备性能。目前对MLS的检测主要靠多台通用仪器来完成,测试任务复杂,重复性高,工作量大,耗费大量的人力物力,因此迫切需要设计一款能够模拟产生MLS地面设备各种信号的信号源,以对机载MLS设备进行检测。而信号源能否处于正常工作状态,对于机载MLS设备的检测具有十分重要的影响。文中针对MLS信号源的检测设计了一个自动测试系统。MLS信号源的状态参数随着测试环境的变化会发生改变,如果测试时间过长,测试就会产生一定的误差,影响测试结果。随着智能仪器的发展,针对测试需求编写相应的程序,可以实现自动测试功能,缩短测试周期,节约人力资源,提高测试精度和效率。

传统的自动测试系统采用Labview、LabWindows、VC等作为开发平台[1-4]。在分析不同开发平台的优缺点后[5-8],根据微波着陆系统信号源测试数据量大,后期需要对数据进行分析处理的特点。利用MATLAB强大的数据分析处理功能,提出了一种新的基于MATLAB的微波着陆自动测试系统。后期的测试结果表明,该系统满足测试需求,工作稳定,自动化程度高，可自动完成对MLS信号源各项设备技术指标的检测。

1 系统硬件组成

根据实际测试需求,设计一个由计算机、待测设备、频谱分析仪和示波器构成的自动测试系统。计算机通过串口给待测设备发送指令,改变其工作状态。通过射频线缆连接待测设备和频谱分析仪,从而实现测试状态参数的传输。再通过USB或LAN接口将频谱分析仪和示波器测得的数据读入计算机。系统硬件连接框图如图1所示。

1.1 串口控制

为了将整个系统的功能都集成到MATLAB环境中来,用MATLAB代替传统测试方式中的串口调试助手,给MLS信号源发送指令,改变其工作状态[9]。具体操作步骤如下:第一步,选择需要使用的串口。第二步,对串口进行配置,设置串口的波特率、数据位、校验位、停止位和响应时间并打开串口。第三步,发送数据,将设备的响应与通过串口调试器发送的响应进行比较,确定是否工作正常。第四步,关闭串口,释放资源。

1.2 仪器控制

为实现智能仪器与计算机的连接,在连接计算机和智能仪器之前首先需要安装相应的仪器驱动,为下一步计算机与仪器的通讯打下基础[10]。根据实验室环境特点,传输距离较短,而且经常需要移动仪器,所以使用USB或LAN接口连接智能仪器与计算机,实现仪器的控制。

1.3 电路连接

MLS信号源与频谱分析仪之间的信号传输是通过射频电缆连接的,由于射频电缆对信号具有一定的衰减作用,在测试程序中需要对衰减进行补偿,从而得到信号的实际功率。而频谱分析仪与计算机的连接是通过USB或LAN接口完成的。可根据不同的测试需求,灵活选择连接方式。如果频谱分析仪与计算机距离较近,可以采用USB接口完成计算机与频谱分析仪的连接。如果距离较远,可以采用LAN接口完成频谱分析仪与计算机的连接。

2 系统软件结构

系统软件程序的编写,是自动测试系统的核心。根据实际测试需求,设计相关测试流程,用SCPI指令实现对智能仪器的控制,从而通过计算机控制仪器完成相关参数的自动测试。

2.1 设计目标

为确保MLS信号源工作在正常状态,需要对MLS信号源的频率、功率、功耗、温度等参数进行测试。因此,设计的自动测试系统不仅可以完成MLS信号源各项指标的测试,而且还可以对测试结果进行分析处理和保存[11]。在实际的测试过程中,为了便于操作使用,该自动测试系统还需要具有良好的人机交互界面,在界面上完成相关参数的设置和测试系统的控制,并将测试结果实时显示在系统界面上。图2为系统的功能模块。

根据设计目标,MLS信号源状态参数自动测试系统需要具有以下功能:

1)操作控制功能

通过程序来完成自动测试,首先要实现对待测设备和智能仪器的控制。针对测试的不同模块编写相应的测试程序。

在每次测试开始之前,需要对测试仪器进行校准,并将仪器的自动校准功能关闭,防止在测试的过程中影响测试结果。为了在仪器需要校准的时候及时对仪器进行校准,满足测试精度,在程序运行的过程中,需要通过检测仪器的工作状态来决定是否需要进行校准,如果需要校准,将暂停测试并完成校准,校准完成之后返回测试程序,继续进行测试。

针对多个波道的测试,在一个工作状态测试完成之后,通过串口发送控制指令,改变设备工作状态,进入下一工作状态的测试,实现循环测试。

2)数据分析处理功能

为了解整个设备的工作状态,有时需要得到测试结果的不同统计特性,可以根据实际需求,直接在MATLAB中调用相关函数,对测试结果进行分析处理。根据分析结果,可以更准确的判断设备的工作状态。

在实际的工程测试中,有时需要根据原始数据来调整设备的工作状态,因此在测试完成之后,根据实际需求,可以将测试结果调整为工程实际需求的数据格式,通过调用这些数据文件来调整待测设备。可以大大减轻操作人员的工作量。

3)人机交互界面

为了方便测试人员测试,需要良好的人机交换界面。在MATLAB环境下开发了测试程序的GUI界面。在该界面下,可以完成整个测试过程的控制,方便不熟悉程序的测试人员进行操作。

图3是自动测试系统的软件界面。整个系统由5个模块构成,分别是参数设置区、功能按钮区、波形显示区、数据显示区和实时监控区。参数设置区用于完成测试参数的设置以及测试模式的选择;功能按钮区可以完成整个测试系统的控制;波形显示区用于实时显示测试数据的波形;数据显示区用于记录测试结果,方便用户在界面上查看所有测试数据;实时监控区主要显示当前测试结果以及测试结果的相关数字特性。

2.2 程序设计

图4是软件的测试流程图。整个测试程序主要包括频谱分析仪、示波器和待测设备的控制。频谱分析仪和示波器的主要作用是完成相关参数的测试;待测设备的控制是通过串口完成,由串口发送相关指令,改变待测设备的工作状态,在测试仪器的配合下,实现自动测试。

1)频谱分析仪的控制

频谱分析仪的主要作用是测试信号的频率和功率。以下为其具体的控制过程:

第一步:连接频谱分析仪,实现仪器的远程控制。

第二步:根据测试需求,使用SCPI指令,完成频谱分析仪Span、Sweep Time、Rbw、Vbw、Frquency等相关参数的设置。

第三步:读取频谱分析仪测试结果并保存。

第四步:测试结束之后,断开计算机与频谱分析仪的连接。

2)示波器控制

示波器的控制过程与频谱分析仪基本一致。下面以测试距离为例,给出详细过程。在测试距离时,需要确定询问信号和应答信号的时间间隔。传统测量距离的方法是通过移动示波器光标来确定时间间隔,测试完成之后还需要计算才能得到对应距离。在数字示波器中,波形数据以点的形式存储,通过对采集到的波形数据进行灵活的分析运算处理,不仅可以将采集到的波形显示在计算机上,还可以通过相应的数据处理得到距离信息。下面是距离的计算过程。

询问信号和应答信号之间的时间间隔为t1,其计算公式为:

t1=N*x_increment

(1)

其中:N为测试点之间数据个数;x_increment为相邻两点之间的时间间隔。

系统电路的延时为t0,则实际传输时间为Δt,Δt的计算公式为:

Δt=t1-t0

(2)

传输距离为s,其计算公式为:

(3)

3 系统测试与分析

图5是测试不同波道对应功率和频率时的系统界面。系统实时监控区中当前值是代表当前测量波道对应的波道号以及相应的功率和中心频率。最大功率和最小功率分别对应功率最大时和功率最小时对应的波道号、功率和中心频率。功率的变化范围为(5.5±2)dBm,如果超过这个范围,那么就认为工作异常,设备存在问题。从实时监控区可以看到,测试的第126波道功率只有-41.55 dBm,存在错误,在波形显示区中,可以观察到明显的下跳,很直观地反映了设备在该波道下存在故障。

图6是控制示波器进行距离测试的系统工作状态界面,图7是示波器实时波形显示图。图6中,波形显示区显示了当前测试的波形,通过与图7示波器界面显示相比较,可以确定数据提取正确。图6中波形显示区中,上面通道对应的是询问信号,下面通道对应的是应答信号,通过波形数据的处理,可以确定询问信号与应答信号的时间间隔是0.000 059 s。传统的测试方法很难达到这一精度。在图6中,也完成了设备工作状态的自检,设备在自检时,根据通信协议,如果自检通过将会发送AA C,并将串口接收到的数据显示在实时监控区,进而弹出自检正常对话框。

表1是在55 ℃环境下每隔20个波道对系统工作状态测试的结果。功率的变化范围为(5.5±2)dBm,测试功率均在这一变化范围内,说明设备功率正常;每个通道有各自对应的中心频率,频率的变化范围为±0.1 MHz,测试结果均在这一变化范围内,验证了设备频率正常;串口接收到的数据与设备有关,设备在工作的时候,能够根据自身状态,发送不同的数据,不同数据代表了设备工作的不同信息,串口接收到的数据前两位代表设备工作状态,后两位代表设备工作温度对应的十六进制数,当数据前两位为AA时,代表设备工作正常,表1中数据后两位为41,将其换算成十进制就对应了当前设备的工作温度为65 ℃。

表1 部分测试数据

4 结论

文中基于MATLAB平台开发了MLS信号源状态参数的自动测试系统,完成了预期的目标,实现了对MLS信号源的快速准确测试,在工程实践中得到了很好的应用。实际测试结果表明,该测试系统具有以下优点:

1)可以快速准确的测试MLS信号源,实现自动测试,缩短测试周期,提高测试精度。

2)可以对测试结果进行后期的分析处理,为调整设备状态提供了便利。

3)可以方便的拓展系统的功能,为其它导航设备的自动测试积累了宝贵的经验。

4)利用计算机将各种测量仪器连接起来,设计专门的软件,在实现测试仪器的现有功能的基础上,还可以通过数据处理,拓展仪器功能,实现传统仪器无法完成的测试,具有功能丰富,测量精确,界面友好以及测试效率高的优点。

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DesignofAutomaticTestSystemforMLSSignalSourceStateParameters

LI Lei, YAN Yuguo, CAO Haixia, WANG Xiaofeng

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

The microwave landing system (MLS) signal source needed to measure a large amount of parameters quantitatively, and the conventional measurement methods needed a large number of instruments and the connection was complex which led to the great limitation of measurement efficiency and accuracy. The development of intelligent instruments provided the foundation of automatic measurement. Based on the analysis of the test characteristics of the signal source state parameters of MLS, the development of automatic test system was completed on the MATLAB platform Practical testing results indicated that the automatic test system had the characteristics of high precision and high efficiency in the process of measuring the state parameters of the MLS signal source, and this system could realize the atomization of the measurement.

microwave landing system; automatic testing; state parameters; system design

TP274

A

2016-08-30

李雷(1994-),男,陕西西安人,硕士研究生,研究方向:仪器科学与技术。