基于PCI 总线的燃气舵机测试系统实现

2023-07-26韦佳霄王健

电子制作 2023年12期

韦佳霄，王健

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林，541000）

0 引言

随着当代科技进步、全球局势的变化及现代战争对战斗武器提出了全新的要求。显而易见，导弹是具有远途攻击特点的制导武器中的佼佼者。导弹对其控制系统的要求十分苛刻。而舵机作为导弹制导与控制系统的执行机构以及重要部分，其性能的好坏直接影响导弹的战斗性能和指导精度[1]。舵机是导弹控制系统的重要执行机构，舵机测试系统是导弹生产线上的重要设备[2]，在导弹性能审核中具有关键的意义。导弹舵机按照所使用的能源，通常可分成电动舵机、液压舵机、气动舵机等，气动舵机又可分为冷气舵机、燃气舵机、冲压式舵机。

舵机接收来自控制系统的控制信号，克服气动铰链力矩和弯曲力矩，驱动舵面偏转，改变弹体的飞行姿态，从而控制弹体在空中按照预定的轨道飞行[2-3]。

舵机性能测试是在导弹测试中的关键构成部分之一。以往的舵机性能测试设备笨重复杂、自动化程度低、试验时间长、精密程度低且操作不便。而本舵机性能测试系统，是以带有PCI 总线的工控计算机为主脑，配备相应的数据采集卡，应用虚拟仪器、数据库、多线程等技术，能够测试燃气舵机的动态特性，具有操作便捷、人机界面友好、自动化程度高、通用性强、移植性强、升级维护方便等优势。

1 系统工作原理及测试需求

如图1 所示是燃气舵机测试系统的硬件架构。测试系统工作时，根据测试任务要求，主控计算机通过数据采集卡发送数字指令给被测燃气舵机，被测燃气舵机接收指令并完成相应的指定动作，同时主控计算机通过数据采集卡采集数据，并对数据进行实时处理、显示分析、数据存储等。

图1 测试系统组成框图

根据测试需求，该测试系统能够实现燃气舵机动态测试。该系统测试项目有：

（1）并行A/D：

DK 信号、DP 信号、DJ 电流信号。

（2）数字I/O

供电指令、供气指令、15Hz指令、25Hz指令、35Hz指令。

2 测试系统硬件组成

由图1 可知，测试系统主要包括主控计算机、数据采集卡、信号调理单元。主要构成单元及功能如下：

（1）主控计算机：是高性能研华工控机，整个系统的控制中心，内置一块数据采集板卡PCI-6143，RS485 及RS232 串口通讯卡，借助于一根多功能线缆将采集板卡和信号调理单元连接，此多功能线缆选择取决于连接器的类型、硬件连接的要求和使用环境。某些电缆内部采用对绞的屏蔽电线，相比普通屏蔽电缆可更有效地屏蔽环境噪声，专为搭配高性能 NI 设备而设计。

测试软件运行在工控机上，向被测舵机发送数字测试指令，实现测试过程控制，并对测试过程中的各项参数和数据进行处理、显示、存储，以及生成报表打印，完成对整个测试系统的综合管理和控制功能。

（2）数据采集卡：采用NI PCI-6143 数据采集卡，它具备8 路同步模拟输入，8 条数字I/O 线，16 位分辨率，每通道采样率可达250kS/s，模拟信号输入范围为±5V，它负责系统中模拟量信号采集和数字量信号的输出。

（3）信号调理单元：被测舵机与PCI 采集板卡之间的模拟信号和数字信号传输的桥梁。出于对PCI 采集板卡的保护和分配采集信号通道的需求，以及提升系统的抗干扰能力，信号调理单元需要设计信号分配、信号衰减电路。不仅如此，所有输入、输出信号都经过光耦隔离电路，保证了该系统稳定性以及可靠性。因PCI-6143 数据采集卡有最大的输入电压值范围，需将输入的模拟信号经过衰减电路进行衰减，预防在实际测试中出现的瞬间大电压对PCI 采集板卡的破坏。

3 测试系统软件实现

舵机测试系统的软件设计选用美国NI 公司Measurement Studio集成式套件设计开发的。NI Measurement Studio 设计用于微软Visual Studio C# .NET中构建工程应用程序，以获取、分析和显示测量数据。

设计采用C# 语言来开发，其适用于上层界面开发，专门为.NET平台而创建，语法简单，调试简便，具有很强的兼容性，在C++中能完成的任务，C#都能完成，且一般不直接进行内存管理，安全性较高[7]。

采用SQL Server 关系型数据库，简单易用，适合分布式组织的可伸缩性，可跨多平台使用，高效且开发成本低。

舵机测试系统的软件设计综合以上工具，科学地利用用户界面控件、多线程技术和垃圾回收机制，缩短开发周期，提高通用性，以便移植维护和升级。

■3.1 系统功能

为后期方便维护以及系统功能的增加，程序必须需具备高度的可扩展性。按照燃气舵机的测试需求以及方案设计，本测试系统软件采用模块化思想。系统软件主要包括用户权限管理模块、系统自检模块、参数设置模块、测试管理模块、数据查询模块。通过调用各个模块来控制系统程序的运行，并完成相应的测试项目。如图2 所示。

图2 测试系统软件功能框图

用户权限管理模块：该模块分为管理员和测试操作员，管理员有权限登录进入系统修改相应的参数系数，测试操作员没有权限修改系数。

系统自检模块：对工控机内PCI 采集板卡的状态、通道配置情况、串口通讯卡RS232 和RS485 卡，以及其可用性进行检测。如若自检不成功，需检查连接线以及采集卡的安装是否正确，再进入NI MAX 检测是否检测到采集板卡。

参数设置模块：此模块分成KВ 参数设置和报表指标参数设置模块。由于环境以及硬件老化等原因会对测试结果造成误差，操作人员可通过对KВ 参数设置，从软件层面抵消外在因素带来的误差。加之，由于外界因素的影响，如若报表中的参数指标需要变动，可有管理员修改指标，程序员不必为此专门跑一趟，减少人力物力的浪费，也为后期维护做铺垫。

测试管理模块：此模块是测试系统软件实现对燃气舵机相关测试的关键所在，主要包括对数据进行采集并显示在界面上，以及发送控制指令进而对得到的数据进行处理，如显示有效值、平均值或是峰值，存储数据以及计算报表中所求的参数。

数据查询模块：有两种查询方式可选择，其一按照时间方式查询，其二是按照产品编号方式查询，可删除选中的数据记录，可对该条选中的记录实现波形回放。如若不确定该条记录的参数结果，可再重新计算。可以对当前波形截图并生成报表打印。

■3.2 主程序流程

测试流程的设计是整个测试系统软件的心脏，程序逻辑的编写是按照测试系统软件的测试流程设计的，测试系统软件主程序流程如图3 所示。

图3 测试系统软件主流程图

进入登录界面，系统软件先进行自检，自检成功，即说明PCI 采集板卡连接成功才能进行下一步，如果自检不成功则异常处理。开始测试前，系统会连接数据库读取配置参数的数据，然后选择测试的类型，点击开始测试，系统通过PCI 采集板卡发送测试指令，在指定的时间内硬件设备作出相应的动作，同时系统也会对信号采集任务采集到的数据进行处理，完成波形的显示以及数值的显示。当出现异样时则交给异常处理线程处理。当点击 “停止测试”按钮后测试结束，测试系统会自动地保存此次数据到数据库中。

■3.3 多线程技术

由于该测控系统在测试过程中，需要对多通道信号进行实时采集并显示，同时也需要对供电指令、供气指令等数字I/O 指令进行实时控制。如果采用单线程技术进行程序设计，则没法实现上述的功能。因此，引进了多线程技术设计。

多线程是指操作系统支持一个进程中执行多个线程的能力，当一个线程等待用户响应或大量计算结果时，另一个线程可以继续其他处理[4-5]，使得进程总处于运行状态，随时可以进行响应，从而提高系统的响应效率。一个多线程的应用程序实际上可理解成是并行执行，实现多任务的扩展，从而提高了对CPU 的利用率，加快程序对信息处理的速度。当然，线程并不是越多越好，更有甚者会出现“军师多了乱朝纲”的现象，因此要适当合理地运用多线程技术。

在编写燃气舵机性能测试软件时，按照软件的功能需求，把应用程序需要处理的任务分为用户界面控制、数据采集实时显示、参数计算结果显示。测试系统软件将用户界面作为主线程，其余部分的任务作为次线程，如此分割处理，在同一时刻能够并行做完更多的任务，加快系统的反应速率，提高了执行的效率。

■3.4 用户界面控制线程

用Measurement Studio 集成套件能够便捷且迅速地建立复杂的交互式面板，在GUI的设计过程中，开发员需要核定该测试系统时怎样获取并显示数据，以及对界面、控件和对话框如何操作以及想要呈现怎样的效果等问题，是以用户界面是程序设计的起点，将其作为程序设计的主线程，能够迅速地解决各类交互信息。

■3.5 数据采集实时显示线程

该线程开启后，就负责多个通道数据采集的使命，包含DK 信号、DP 信号、DJ 电流信号的采集。以下给出数据采集的程序主体。

■3.6 参数计算结果显示线程

采用线程定时器技术，由线程池的线程提供支持，不依赖窗体，是一种简单且轻量的定时器。在定期执行任务刷新界面参数的结果值。该线程定时器开启后，就会定时地计算参数结果并显示在主程序界面中。以下给出该部分的程序主体。

4 测试系统结果分析

利用本测试系统软件对某交付合格的燃气舵机进行多次重复性测试，根据计算参数的结果以及报表的参数指标范围对比，测试得到的参数结果在报表的参数指标范围。同时，将测试得到的试验数据和某型已校准过的示波器相较，试验数据的误差在可允许的范围内，如表1 所示，且该测试系统可以准确地进行数据采集和处理，工作稳定可靠，测试数据能够真实地反应被测燃气舵机动态的工作性能。