基于同步调理编码的复杂信号组合测量机制研究与实现

梁嘉倩，鲁文帅，孟升卫，付 平

(1. 中国电子科学研究院，北京 100041；2. 哈尔滨工业大学自动化测试与控制研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

随着军事装备的现代化发展，以火箭测试为典型应用的自动测试系统也面临着日趋升级的挑战，特别是被测信号的数量、密度、种类等日益复杂。如何在装备使用前快速、全面、准确、机动的完成整套复杂测量任务，是装备性能保障的关键。在火箭发射前，需要在地面上对箭上各个设备的工作状态进行测试检查，由测试结果判断导弹是否具备发射条件[1-2]。对火箭及其控制系统的测试，是检验装备工作状态和保证装备处于良好技战术水平的必不可少的环节[3-4]。在综合测试中，被测对象数量庞大，传统的人工检测已经无法满足现代化的支持保障需求。随着自动化技术的发展，自动测试技术慢慢进入了军用领域，成为了军用装备可靠运行的必要保证[5]。

对于任何一个型号的武器装备，都有数量庞大的组件需要测量，待测信号种类和路数更是繁多。为满足对特定装备型号的针对性可靠测试，自动测试系统一方面需要具备充分的专用性，以保障专项专用[6]；另一方面为满足现代战争对于训练和实战的机动性要求，测试系统载荷需要受到限定，为特定型号配备的测试系统要尽可能小型化和高集成度，尽可能减少测试设备种类和仪器数量[7]，因此要求研制的专用自动测试系统能够配套于系统中不同待测对象的不同信号组合。通常，对于测试系统而言，信号调理和信号测量在同一块模块上完成，以追求面积最小化[8]；但当被测信号变得复杂且多样时，这样的设计思想难以保证灵活性和专用性的兼顾。

本论文在对箭上被测信号进行全面梳理分析的基础上，对信号的特征进行了分类，并基于此将原始被测信号分为直流、交流、时变三种，设计专用的调理模块，将被测信号调理为共性的测压和测频信号，再进入集中复用的测量模块。为了实现调理电路、测量电路和被测信号的实时适配，设计了同步调理编码，并基于FPGA予以编码分析和调理控制的实现，最后通过测试结果验证了设计的正确性和优越性。

1 被测信号分析

本论文以火箭测试中的两个特定场景的被测信号组合(以下称被测信号组合I和被测信号组合II)为例分析常见的箭上被测信号。表1是对应两个组合的待测信号详细属性描述。由表1可见，待测信号从交直流变化(直流、交流、时变)、被测物理量(电压、频率)、测量范围(小电压、低压、高压、低频、高频)等维度划分有多种类型，每种类型分布在多个通道，共计160路。对被测信号提取共性属性，如图1所示。

表1 被测信号组合I和II的待测信号描述表

图1 被测信号组合分类示意图

由表1和图1，对测量需求分解：从测量物理量上，包括测压和测频；从被测信号的电流方向，包括固定直流、固定交流和母线时变；从测量的工作模式，包括单次测量和循环测量；从被测信号范围，包括小电压、低压、高压、低频、高频。

在此基础上分析测试需求：当不考虑被测信号范围时，测试需求包括单通道直流电压测量、单通道交流有效值测量、单通道频率测量以及多通道循环电压测量；当不考虑测量范围和交直流时，测试需求只包括电压测量和频率测量，这为复用测量功能提供了设计依据；当不考虑被测范围和测量功能时，测试对象只包括固定参数直流信号、固定参数交流信号、时变参数母线信号，这为专用调理功能提供了设计依据。

2 组合测量设计

2.1 测量机制设计

一般而言，数据采集模块的常规设计思路是信号调理与数据采集功能电路集成化设计。而本文中被测信号数量多、差异大，采用统一的电路难以完成对不同通道的调理，因此对不同通道需要设计不同的调理电路；而调理之后的信号可以统一采用通用的数据采集电路采集电压量或频率量。因此，为了简化系统并提高系统的灵活性，本文设计将调理与数据采集两部分功能分解为两个去耦合的环节：调理环节负责信号的接入、隔离与调理，设计为针对特定类型被测信号的专用模块，而数据采集环节负责电压与频率的测量，设计为不同被测信号可以分时复用的通用模块。去耦合的测试机制如图2所示。

图2 调理与测量环节去耦合的组合测试机制示意图

图2所示的组合测试机制中，由分时复用的数据采集环节、互相独立的信号调理专用环节、被测组合信号选通环节组成。信号调理模块可进一步分类成三种不同模块，直流调理模块能够实现对直流信号的衰减或放大，使被测信号满足AD的测量范围要求；交流调理模块能够衰减或放大交流信号的幅值，完成交流信号的电压有效值转换，并将正弦信号转换为同频率的方波信号；母线调理模块专门用来调理母线信号，该模块根据数据采集模块上FPGA发送的控制指令，来切换电路，从而改变测量内容与测量方式。

调理模块通过外部走线连接被测信号，调理模块和数据采集模块之间通过内部走线互连。针对不同被测对象组合，系统中主控模块和数据采集模块可固定不变，只需要根据被测信号的测试需求选择相应数量与种类的调理模块。这样的设计可以灵活调理复杂信号，又有效复用测量资源。

2.2 调理编码设计

组合测试系统的灵魂在于被测信号和调理测量的同步执行，以及调理测量电路的软件在线实时可编程，即软件定义硬件，以确保针对被测对象和主机用户所需的不同信号组合进行信号选通和调理配置。为了使主控模块能够同步且方便的控制被测对象给出待测信号，控制调理电路选通配置通道，控制数采模块控制测量模式，本课题为系统设计了一套调理编码，主控模块根据应用发出调理编码，数据采集模块通过解析调理编码明确用户的控制命令，控制调理模块切换通道，改变量程、配置测压和测频电路，并最终完成测量任务，返回测量数据。这里的调理编码，指随着主机指令传输的参数化编码，编码涵盖了被测通道、测试类型、测量范围等。

如图3所示，调理编码设计为12位二进制数。调理编码高6位表示测量通道，中间3位表示测量操作的模式类型，其中第5位区分交流还是直流信号，其余2位表示小电压信号(00)、低压信号(01)、高压信号(10)、测频信号(11)。对于母线信号，调理编码低3位表示信号的衰减放大比例参数(对于测压操作)或被测信号的频率参数范围(对于测频操作)，而对于其他信号低3位无意义，均为0。

图3 用于参数化测试的同步调理编码格式字段图

3 组合测量的硬件和逻辑实现

3.1 硬件设计

以CPCI自动测试系统为实验平台，以被测对象的时变参数母线信号及其母线调理模块为例，阐述软件可定义的母线信号调理硬件设计。基于可编程的继电器组合开关设计的可编程母线专用调理模块如图4所示。

图4 母线专用调理模块的硬件设计框图

如图4，母线专用调理模块的硬件工作机制为：根据不同的调理编码，数据采集模块通过J2/P2的E列给出继电器切换控制信号。

当被测信号为需要衰减的高压信号时，FPGA发送的开关量信号将控制继电器K1(或K2)开通接入分压电路，并根据被测信号的电压值不同，选择开通K1或K2继电器，从而选取相应阻值组合的分压电路，实现不同比例的分压。当被测信号为需要放大的小电压信号时，FPGA发送的开关量信号将控制继电器K1和K2都关断，不进行分压衰减，并开通继电器K3，使被测信号接入单运放的放大电路。

当母线通道信号为交流信号时，FPGA发送的开关量信号控制继电器K4接通有效值测量电路，测得的交流信号有效值经过隔离运放后输出。另外交流信号还需要由比较器变换为同频率的方波信号，经过光耦后作为数字量(频率量)输出。当母线信号为直流信号时，FPGA发送的开关量信号控制继电器K4切换为输出原信号通道，信号不用测量有效值，将原信号直接经过一个隔离运放后输出。

继电器K5选择被测对象或板载自检基准源LM136，继电器K6选择板载自检基准源LM136的电源或地，继电器K3选择是否接通交流衰减放大滤波运放OP27，继电器K1和K2选择是否接通直流衰减电阻网络及衰减系数，继电器K4选择直流测压通道或交流有效值测压通道接通隔离运放AD202，继电器K7选择交流衰减放大滤波运放的配置电阻。直流调理、交流调理、通用测量模块的硬件设计参考我们以往的论文[9]。

3.2 逻辑设计

采用FPGA实现对调理编码的解析和对调理电路的控制。调理编码逻辑从本地总线的写空间寄存器获取主机发来的调理编码，并根据预定的含义解析编码内容，为测压逻辑或测频逻辑配置参数，并为直流调理模块或交流调理模块硬件提供多路选择器的选通控制信号，为母线调理模块硬件提供继电器组控制信号。调理解析控制逻辑框图设计如图5所示。

图5 调理编码解析逻辑框图

FPGA调理编码逻辑总体上分成字段解析部分、模式综合部分、逻辑配置部分、电路控制部分。其中字段解析部分包括将编码拆分成功能字段和信号字段，功能字段用来判别测量单次或循环、电压或频率，信号字段判别交流、直流、母线。模式综合部分在字段解析部分基础上对调理编码的各个字段含义进行综合，得到配置控制策略。逻辑配置部分是面向本地逻辑，根据模式综合部分的策略，配置测压逻辑的范围、通道、次数等，或配置测频逻辑的基准、闸门等。电路控制部分是面向CPCI系统三个信号调理模块，给出直流模块2个多路选择器或交流模块1个多路选择器的选通信号，或给出母线模块的交直流选择、增益选择等。

调理编码的指令解析是测量设备理解主机测试指令的关键。定义12位逻辑缓存器Code[11:0]接收调理编码。根据前文所述调理指令方案的编码格式，Code[11:6]为信号通道指示码，Code[5:3]指示测频或测压需求，Code[2:0]指示测量的具体参数。

图6 测试系统直流信号测压曲线

特别的，当通道指示码Code[11:6]为1时，固定表示为母线被测信号，此时Code[5]用于区分直流输入或交流输入，Code[2:0]用于指示期望对母线信号采取的衰减放大倍数。

当Code[11:6]为0(非法)或1(母线通道)以外的其他合法参数时，分别对应了信号组合I或II的非母线信号的不同通道。这时进一步，当Code[5:3]指示此时需要测频时，Code[2:0]给出被测频信号的组合参数，包括频率范围(如177 Hz，200 Hz，500 Hz，1000 Hz，8000 Hz等几个档位)，电压范围(如4～6 V，6～12 V，12～22 V，22～35 V，35～41 V等几个档位)和信号类型(正弦、方波)。当Code[5:3]指示此时需要测压时，Code[2:0]给出被测电压信号的电压范围，测压配置逻辑向ADC测压控制逻辑发出ADC通道选择指令和测量次数指令，指定8通道ADC的具体输入通道和需要模数转换的次数。

3.3 测试验证

用可编程校准源模拟被测信号先验电压范围的输入信号，利用实现的组合测量系统对电压范围(小电压、低压、高压)和信号类型(直流固定、交流的固定、母线时变)不同的分类信号做组合测试，记录信号通过专用测试系统后的输出响应数据，绘制得到系统的测试曲线。

图6 (续)

图7 测试系统交流信号有效值测压曲线

直流被测信号经直流模块调理测得的小电压、低压、高压直流信号曲线如图6(a)(b)(c)所示，经母线模块调理测得的小电压、低压、高压直流信号曲线如图6(d)(e)(f)所示，交流被测信号经交流模块调理测得的低压、高压交流有效值信号曲线如图7(a)(b)所示，经母线模块调理测得的低压、高压交流有效值信号曲线如图7(c)(d)所示。上述所有校准源的被测信号均按照箭上真实被测信号的取值范围给定。对应的测量结果的精度如表2所示，经计算测试精度误差小于1‰，满足应用需求。

表2 分类信号的组合测量结果

以上所有信号的测量全部采用一套3块调理模块和1块数采模块实现，验证了组合测量机制的可行性和优越性。

4 结 语

本论文在对导弹复杂测试信号需求分析的基础上，提出了分类调理、复用测量的组合测试机制，并给出了系统验证和测试结果。测试表明，对于多通道、多种类、高密度被测信号，提出的分类调理、复用测量的组合测试方案能够在满足测试精度和时效性的要求下，有效简化测试系统，减小体积尺寸，提高测试系统的机动性与灵活性，对于被测信号和测试系统的适配、同步问题，提出的整套调理控制编码机制和编码参数化的测试指令，能够有效实现调理电路的软件可定义，提高了系统的复用性和自动化的程度。本文提出的组合测量机制对面向复杂信号的自动测试系统研制具有重要参考价值。