航天器动力学环境试验综合测试系统的设计

 
      
摘要：航天器动力学环境试验对其顺利完成任务具有非常重要的意义。本文介绍了航天器动力学环境试验综合测试系统研制的目的、系统工作的原理、构成、硬件结构的研制以及解决的关键问题。最后的结果表明，这套系统完全可以满足任务要求。

关键词：航天器；动力学环境模拟试验；高速数据采集

0 引言

    在航天器研制和定型生产的过程中，需要进行大量的动力学环境模拟试验。在对试验有效性评估、航天器产品的质量保证中，试验的数据采集合数据处理占很重要的地位。目前，航天器动力学环境试验的测试系统领域中，动力学综合测试系统的研制水平表征着一个国家在这一领域的技术领先程度，因此，有必要研制用于航天器动力学试验的综合测试系统。

1  动力学环境试验综合测试系统的原理、构成以及关键技术

1.1  综合测试系统的原理

    在航天器动力学环境试验中，结构的各种动态响应诸如加速度、速度、位移、力、声等物理量通过相关的传感器转换成动态电信号，这些弱小电信号通过调理、整形、放大等措施以后，输入到测试系统，由具有逻辑处理功能的测试系统动态实时采集动态信号以后进行处理。动力学环境试验中综合测试系统应当具有采集数据频率高，数据流量大，因此对满足使用的系统要求比较苛刻。

1.2  综合测试系统的主要性能指标
128路A/D同步采样；4路D/A输出；通道采样率最大为51.2KSa/s；通道采样数据转换精度为16位。

1.3  综合测试系统的构成
   按照功能划分，航天器动力学综合测试系统可以由数据的采集、数据的传输和数据的处理、存储等构成。按照结构组成来划分，航天器动力学综合测试系统可以分为以下的三大部分：

（1） 具有各种动态信号测试与分析功能的计算机软件：随机信号分析、正旋信号分    析、冲击信号分析等；

（2） 计算机主机平台以及附件：包括各种高性能的具有强大处理功能的处理器以及内存、高吞吐量的计算
机存储器、高分辨率的显示器及其附件；

（3） 试验信号的测试与采集装置：包括传感器、前置放大器和数据采集系统。

1.4  综合测试系统设计的关键技术

航天器动力学环境试验综合测试系统的研制，以下的几项技术中需要得到满足：

（1） 动力学综合测试系统的优化设计、结构组成、灵活配置技术：

（2） 综合测试系统高速数据同步采集技术；

（3） 大容量的数据实时传输技术；

（4） 高速的数据存储技术；

（5） 满足使用要求的各种数据处理技术：

2  航天器动力学环境试验综合测试系统的体系结构

    航天器动力学环境试验综合测试系统研制的宗旨是在较低成本上的工程化设计、缩短综合测试系统的开发时间，把风险降低到最低限度，因此在硬件体系的设计中必须采用国际上最先进的、成熟的工业标准，以保持功能模块的兼容性，直接吸收现代科技的发展带来的成果；软件设计应大量采用应用软件框架，最大限度地适应系统规模、参数等的变化。

   航天器动力学环境试验综合测试系统由硬件平台和软件系统这两大部分构成。硬件平台的选择，是由所采用的测试系统结构来决定的。具体的说，动力学综合测试系统结构包括控制方式、总线系统配置、分布式机箱结构、多总线复合体系结构等。软件系统是测试系统的核心，包括软件（即驱动程序、软面板）运行环境和面向测试的应用软件。

    集成化测试系统体系结构是组建测试系统的核心技术，包括测试系统结构、硬件平台、软件系统框架选择等。选择通用硬件平台和通用软件框架，是建立通用动力学测试系统的一个良好途径，本文的论述主要集中在硬件层面。

3  航天器动力学环境试验综合测试系统硬件系统结构选择

    目前在技术上比较成熟、市场上得到广泛应用的仪器总线平台分为VXI总线和PXI总线[4]。

    VXI技术作为开放式的总线技术，体现了标准化、模块化、系列化、通用化的系统要求。开放式结构能实现系统资源、软件资源、硬件资源共享。系统通道易于升级、扩充，适应各种场合的需要，方便地重组系统，并且能够适应计算机技术和集成技术的发展，采用计算机技术、集成技术的最新成果，保持系统的先进性和兼容性，提高系统测试的准确度和可靠性。
PXI总线技术除了具有类似于VXI总线技术的许多特点以外，同时具有数据传输率更高、小型化、价格更便宜

   （低档系统通常比VXI系统便宜一万美元以上，中高档系统价格相差小一些）的优点，同时PXI总线较VXI总线更具有可以和计算机直接相连的优势。但是PXI总线技术出现的时间比较短，在技术层面上还有待完善，同时缺乏仪器领域内部最有影响厂家的充分支持，产品的品种还不够丰富，缺乏强有力的技术支持，因此，目前使用PXI总线技术组建满足航天器动力学环境试验要求的高精度大中规模的数据采集系统在技术上还存在一定的困难和风险。

     综合VXI总线技术和PXI总线技术的上述特点，通过对目前国内外组建航天器动力学环境试验测试系统所采用的总线技术进行的分析与研究，在本系统中使用VXI总线技术作为组建动力学集成化综合测试系统硬件平台的基础，以减少组建系统的困难与风险，同时在应用软件系统设计时间尽量采用软件独立于硬件平台的设计原则，保持对PXI总线技术发展的跟踪，待PXI技术发展更加成熟并且具备条件以后，动力学综合测试系统能够方便地进行硬件平台移植。

4 航天器动力学环境试验综合测试系统硬件平台设计

     硬件平台是测试系统结构最基本的组成部分，组建测试系统必须实现标准化、模块化、系列化设计体制，使硬件平台建立在高度标准化和模块化的结构上才能降低开发成本，缩短系统开发时间，确保系统的长期可用性。航天器动力学环境试验综合测试系统硬件平台采用具有双处理器的主控计算机和VXI机箱组成测试单元的结构。其中VXI测试总线机箱中内置一个零槽控制器用于管理VXI测试模块之间的协调以及同步；主控计算机通过内置于计算机中的PCI-1394转换卡、IEEE1394通讯电缆、零槽控制器与VXI测试机箱各种模块相连，实现与VXI测试机箱的快速数据传输以及通讯管理工作。在测试过程中，VXI总线机箱通过A/D转换器完成动力学响应数据的采集，所有的采集数据通过VXI总线以及IEEE1394联接线实时传送到主控计算机，由主控计算机完成数据处理分析、数据存储和实时显示等任务。

    为了完成动力学综合测试需求，系统中研制了32通道高速同步数据采集模块AMC2322，可以实现4个模块共128通道同步数据采集，同步采集速度达51.2KSa/s，并且在同步采集速度下降不多的情况下，通道数可以扩展到300多个。设计的另一个模块是4路任意波D/A模块，它实现任意波激励输出，可与A/D采集同步进行，并且可以扩展，这两种模块满足航天器动力学环境试验综合测试系统的性能要求，并且还为系统的扩充留有余地。

   系统研制过程中主要解决了以下的几个关键技术问题：一是如何保存连续高速采样的数据。方法是在数据采集板卡上集成64KWORD空间FIFO存储器，用于存储32通道并行采集数据，模块有设置上位机读数触发条件功能，即预先指定AD采集存储空间大小，一旦满足条件立即产生中断，上位机迅速完成批数据读取。由于采用FIFO技术，上位机读数不影响数据采集[5]。

   解决的另外一个问题是数据传递的问题，需要保证采集数据以要求的速度传递到计算机中。因为1394实测的数据传输率为7－8MB/s，速度不高，我们采用1394火线技术桥接测试系统总线和计算机，解决了数据传递的瓶颈，以后可以采用光纤技术桥接系统总线和计算机，从而获得更大的系统数据传输能力。

       图1 动力学综合测试系统硬件平台示意图

   解决的第三个问题是数据的存储问题。大量的采集数据涌入到计算机中，需要快速的存储，否则同样会造成系统反映速度不够，目前一般的计算机硬盘不能满足数据存储的要求，因此使用了SCSI技术的磁盘，将大量的采集数据快速地存储到计算机中，并且我们优化软件设计，对不必处理的数据进行事后分析和回放，提高了系统整体采集速度。

5 结论

    航天器动力学环境试验综合测试系统的设计在各个方面完全满足航天器动力学环境试验中数据采集、分析需要的技术指标，这为我们进行大中型综合测试系统研制打下很好的基础。