基于LXI总线的液浮陀螺稳定平台自动化测试系统设计与实现

2019-09-25

计算机测量与控制 2019年9期

(1.火箭军士官学校，山东青州 262500; 2.火箭军工程大学，西安 710025)

0 引言

陀螺稳定平台是导弹制导和控制系统中的关键部件，其性能的优劣直接影响导弹的命中精度[1-2]。陀螺稳定平台的主要功能包括建立测量基准、测量导弹飞行的姿态角及测量导弹飞行的视加速度。在导弹发射之前为了确保其功能和精度满足系统的要求，需要对其进行测试和误差系数的标定。

LXI(LAN eXtension for Instrumentation)总线是近年来备受瞩目的新一代基于以太网的总线技术[3]。它融合了GPIB仪器的高性能，VXI、PXI仪器的小体积以及LAN的高吞吐率，其目的是组建灵活、高效、可靠、模块化的测试平台。IVI(Interchangeable Virtual Instrument)技术规范是IVI基金会在VPP规范基础上定义仪器的标准接口、通用结构和实现方法，用于开发一种可互换性、高性能、更易于开发维护的仪器编程模型[4]。它是基于网络的测量总线，解决了测试平台和测试设备之间接口总线定时、同步、控制和数据传输等问题，能够实现对分布式被测设备的测试[5]。使测试工程师获得更大的硬件独立性，减少软件维护和支持费用、缩短仪器编程时间、提高运行性能。

针对某型陀螺稳定平台测试自动化程度不高的问题，本文提出将LXI总线技术和IVI技术应用到自动化测试系统的设计中，降低了系统的开发难度，提高了系统的测试精度和可靠性，具有很好的可扩展性。实验表明研制的自动化测试系统能很好的完成液浮陀螺稳定平台各项功能和精度的测试。

1 总体设计

被测对象液浮陀螺稳定平台主要由平台本体、平台电子线路装置、加速度模数转换装置等组成，测试系统主要由测试控制台、是德34 980 A多功能开关/测量单元、是德53 220 A通用频率计数器/计时器及L4421A多路复用器、测试计算机、终端计算机、八通道虚拟示波器、三相换流器、高频换流器、脉冲放大器、稳压器、50 A大功率电源、转台等组成。系统框图如图1所示。

图1 陀螺稳定平台自动测试系统框图

28 V、50 A大功率电源一路输出通过测试控制台直接给陀螺稳定平台供电，用于仪表和台体的加温，另一路输出给二次电源供电，二次电源输出的各种交、直流电源通过测试控制台后加于陀螺稳定平台上。平台系统开始工作，由测试控制台上的开关和测试计算机中的测试软件控制平台系统处于不同的状态(如：稳定、归零、对准、锁定等)，完成对过程数据的实时采集，并进行实时显示、处理、保存及打印。

2 硬件设计与实现

2.1 测试控制台

平台系统单元测试控制台内共装有十二块电子线路板，全部装在3个线路插件盒中。其中，“报警”线路盒中有一块仪表超温报警线路板、一块姿态锁定测试放大器线路板和一块框架角控制器线路板；“调平”盒中有两块调平校正网络板、两块调平功率放大器板和两块调平显示电路板；“锁定”盒中有三块姿态锁定测试放大板。

2.2 基于LXI总线的模拟量采集

是德34980 A多功能开关/测量单元外加一块是德34922A和34922T端接块可实现33路信号调理和循环高精度采集。

是德34980 A是一个灵活、可靠的开关和数据采集平台，主要特性与技术指标：(1)8槽主机，21种模块可选择；(2)扫描速度每秒高达1000通道；(3)配置GPIB、USB及LAN，符合LXI C类标准；(4)可实现远程访问等。

是德34 922 A是70通道电枢多路转换器，主要特性与技术指标：(1)70路双线通道；(2)双线或四线混合配置；(3)扫描速度高达每秒100通道；(4)300 V，1 A开关；(5)2 A负载电流；(6)自锁电枢继电器。

33路信号名称及连接关系如表1所示。

2.3 基于LXI总线的脉冲量采集

平台系统内部的模/数转换电路(即I/F转换器)把与被测量成正比关系的电流变成脉冲，脉冲数的多少反映了电流的大小，正、负通道输出脉冲反映了电流的极性。可以选择基于PCI总线的数据采集卡，也可以选择台式仪表，选择考虑两个因素：(1)数据采集卡信号输入量程和平台输出脉冲量程的匹配。目前市面上绝大部分数据采集卡对输入信号的电压要求为±5 V，而平台输出脉冲信号的电压要大于5 V。如果直接将平台的输出接入数据采集卡，会对采集卡造成损坏甚至烧毁，为解决这一问题，在平台的输出和采集卡输入之间要设计数据调理电路，以解决输入和输出之间量程的匹配。(2)对采集卡采集频率的要求。选择是德53220A 350 MHz通用计数器/计时器可以很好的解决以上两个问题。

表1 是德34980A信号连接

是德53220A 350 MHz通用计数器/计时器是一款双通道频率计数器，能够执行所需的全部频率和时间间隔测量。它可以添加可选的射频通道，以进行6或15 GHz测量。主要特性与技术指标：(1)2个350 MHz输入通道，加可选的第3通道(6 GHz或15 GHz)；(2)12位/秒分辨率，100 ps时间间隔分辨率；(3)标配LXI-C/LAN和USB，可选GPIB。

但是，是德53220A 350 MHz通用计数器/计时器只有两个计数通道，而平台输出的脉冲路数多于两路，故选用是德L4421A多路复用器对信号进行转接，实现多路脉冲信号的分时测量。

是德L4421A多路复用器是一款用于通用扫描的多功能、高性能40通道衔铁式多路复用器。它在端接模块上可与外部万用表结合使用。4个带熔丝的附加输入(总共44个通道)可把1 A电流送至外部万用表，从而无需使用外部分流电阻器即可进行交流和直流电流测量。标准的50针Dsub连接器可与标准电缆、端接模块或大容量互联解决方案一起使用。主要特性与技术指标：(1)符合LXI-C类标准，包含内置以太网连通性。(2)全功能图形Web界面。(3)40个双线自锁衔铁式继电器。(4)用于使用外部万用表进行温度测量的热电偶参考接点继电器计数器。(5)扫描速度高达100通道/秒。(6)300 V、1 A开关，2 A承载电流。

表2 是德L4421A信号连接

2.4 基于LXI总线的信号高速采集

搭建了八通道虚拟示波器，用于对关键参数的实时监测、存储、打印。

示波器技术参数如下：(1)最大带宽70 MHz；(2)最大实时采样率：1GSa/s；(3)存储深度：64K /CH；(4)自动设置(AUTOSET)；(5)快速傅里叶变换(FFT)；(6)20种自动测量；(7)光标测量；(8)波形存储，记录和回放动态波形；(9)自校正；(10)加，减，乘和除计算；(11)波形平均；(12)可调波形清晰度。

2.5 大功率电源

由于液浮陀螺稳定平台系统功耗较大，尤其是平台加温需要很大的电流，故选用龙威TPR6050D直流稳压电源，该电源采用线性串联调整方式，具有较高的稳定性和低纹波等优点。采用基准电压悬浮迭加技术，输出电压可以从零伏调到额定值，输出电流可以从零安培预置到额定值。预稳电路采用继电器控制，使整流桥两端电压平稳变化。从而保证调整管压降相对稳定。

技术指标如下所示：

1)输入电压：AC220V±10%，50 Hz±5 Hz；

2)输出电压：0-标称值之间连续可调；

3)输出电流：0-标称值之间连续可调；

4)电源效应：CV≤5×10-3+5mV，

CC≤7×10-3+10mA；

5)负载效应：CV≤5×10-3+5mV，

CC≤7×10-2+10mA；

6)周期与随机漂移：Vp-p≤30mV。

2.6 关键技术及方法

2.6.1 模拟量及脉冲量的多通道高精度测量技术

33路模拟量经过70通道电枢多路转换器34922A后，进入34980A多功能开关/测量单元进行信号调理和高精度采集，采集结果传输到测试计算机上； 5路脉冲经过40路多路复用器L4421A后，进入53220A通用频率计数器/计时器进行调理并高精度计数，测试结果传输到测试计算机上。模拟量和脉冲量均在仪表内部进行调理，不许再加额外转接箱。

2.6.2 基于LXI总线的网络测试技术

该系统是基于LXI总线的自动化测试系统，选用的34980A多功能开关/测量单元、L4421A多路复用器、53220A通用频率计数器/计时器都是符合LXI标准的C类仪器，故采集后的数据都可以通过网络进行传输，从而实现陀螺稳定平台的网络测试。

3 软件设计与实现

3.1 软件系统功能

开发了基于C#的《陀螺稳定平台自动测试系统主控机软件》和《陀螺稳定平台自动测试系统终端机软件》，针对不同的功能开发了相应的软件模块，可以完成对数据的采集、显示、保存、打印等功能。

3.2 软件系统组成

测试系统主控机软件由电源电压测试、加温电阻值测试、框架归零系统、平台稳定系统、姿态锁定系统、初始对准系统、姿态角测量系统、视加速度测量系统、平台漂移测试等功能模块组成，如图2所示。

图2 软件功能模块图

部分测试子界面分别如图3～5所示。

图3 电源电压测试界面

图4 测温电阻值测试界面

图5 框架归零系统界面

3.3 软件编程方法

软件开发中采用了IVI技术规范，有效提高了系统中所用仪器的克互换性和代码的可重复性，也降低了系统升级的成本和难度。IVI技术规范用于开发一种高性能、易于开发维护、可互换性的仪器编程模型，它是在VPP规范的基础上定义的通用结构、标准接口及实现方法。IVI技术进一步提升了仪器驱动器的标准化程度，使仪器驱动器提升到了仪器类的互操作性。通过为各类仪器定义API接口，系统开发人员在编程时可以做到最大程度的不考虑硬件，当替代原有仪器或加入新仪器时，或进行系统升级时，代码可以不用做太大的改动，大大提高了代码的利用率，也降低了成本缩短了开发周期。

从是德官网下载相应仪器的IVI驱动，查询windows操作系统的位数是32位还是64位，选择相应的安装包进行下载并安装。在开始-程序目录中找到相应的仪器文件夹，里面有例程、帮助文档和仪器资料的中英文介绍。一般例程中只给出远程操作这台仪器的连接及关闭的简单方法，要实现对某个测试对象参数的测量，需要查找仪器资料和编程的帮助文档。具体实现方法是，本文在VS2008编程环境下，基于C#语言编写winform程序，首先在工程引用中加入相应仪器的驱动文件，一般是.dll后缀的文件。通过仪器的IP地址建立与仪器的连接，连接成功后，仪器的右上角会显示FMT字样，表示仪器正在接受远程操作。

程序流程如图6所示。