基于PCI总线的无线电高度表测试系统

0引言

为了适应高科技条件下的现代战争，不仅要不断地提高战斗机的性能，而且对相应检测设备也提出了更高要求。先进测试技术的应用是战斗机维护修理的发展方向，是减少维修时间、提高装备完好率的重要手段。本文所设计的检测设备的技术高低对高度表的日常维护、检测起了决定性的作用。

本文对高度表的组成和工作原理进行分析，确定被测试项目。重点对被测参数进行分析，采用并行的开发模式。选择适合的工控机，设计相应的调理电路。软件用LabWindows/CVI语言，完成编辑、编译、连接、调试、仿真等开发。

1 高度表概述

本文所研究的无线电高度表(以下简称高度表)作为某型导弹纵向弹道控制的关键部件，其性能的好坏将直接影响着导弹飞行高度的准确性和战术发挥。在导弹飞行过程中，它实时测量导弹相对陆地(或海面)的真实高度，并给出与高度成正比的高度脉冲信号送给综合控制计算机，以协助控制导弹在预定的高度上稳定飞行。

对于LFMCW高度表，其测高原理主要有差频法和调制信号周期法。由于该高度表采用恒定差拍闭环体制，则其测高原理为调制信号周期法，可用式(1)来表征：

式中：fb——差拍频率(Hz);

△F——调频带宽(MHz);

C——电磁波传播速度(3×1O8 m/s);

Tm——锯齿波调制周期(μs);

H——被测高度(m)。

对于确定的高度表，Tm与H成正比。当保持高度脉冲信号与调制周期Tm同步时，就可实现高度测量。

2 测试需求

高度表本质上属于近程无线电探测系统，为判断这类系统工作状态与性能，通常对其高频辐射信号和信号处理电路输出的控制信号或状态信号进行检测，检查其是否满足辐射设计指标要求、工作时序与工作状态要求。对该型高度表，需要检查辐射信号频率、带宽、功率和整机灵敏度;检查搜索/跟踪状态;检查工作状态是否满足要求;检查给定高度时，高度表输出控制信号的正确性;还要监测整机工作电流。高度表工作是否正常、性能是否满足探测、跟踪与测距精度要求。

3 整体设计思路

本检测设备的设计应遵循以下原则，以使系统功能完善、技术先进、性能优良、使用安全、操作简单、维护方便，并具有一定动态适应性。从功能上讲，要它能够顺利完成高度表的自动测试任务，具有连续自动测试、单步测试、自检、测试结果储存打印显示等功能。

根据该系统的使命任务要求，“无线电高度表测试系统”由工控机、功能模板、适配器、程控高度模拟器和测试与管理软件5个子系统组成。系统结构及子系统间控制与信息相互关系如图l所示。

图1 测试设备原理框图

3.1 系统所涉及的各个子硬件功能介绍

3.1.1 工控机

工控机是整个测试系统操作、测控程序、管理程序的基本平台，实现测试自动运行与管理。它提供测试功能模板所需的PCI总线，该总线也作为测试系统的测控总线。鉴于测试系统使用中温度、力学环境适应性和可靠性要求较高，拟选用西门子公司的工控机产品作为整个测试系统的测控中心。

3.1.2 功能模板

功能模板是根据被测试信号种类和测试精度选购的。在高度表测试中，需要的功能模板主要有数据采集卡、数字I/O卡、计数卡和继电器矩阵卡。这些功能模板均选用PCI总线结构，以便装载在工控机内。

3.1.3 适配器

适配器的作用是对被测信号进行调理、分类，使得测试资源与被测信号适配，在模拟被测对象和数字测试资源之间建立一个测试接口。主要由分压转换、光隔离、开关控制组合、衰减控制组合、电源模块等组成，其结构如图2所示。

图2 适配器结构原理

分压与转换模块主要完成模拟电压信号调理和分类，使得较大幅值电压信号按比例调整到数据采集卡测试范围内，并将同类模拟信号集中送至继电器矩阵，以便测试选择。

光隔离模块主要对Pc、Pn信号进行隔离与电平转换处理，以适应计数卡输入计数信号电平需要。同时，对微波开关驱动信号进行隔离，以减小微波信号干扰。

因为微波开关数量较多，设计开关逻辑组合，用四位信号控制16路开关。

衰减控制信号通过计算机控制D/A器件产生，视具体电控衰减其型号确定。

电源模块为整个测试系统和高度表提供测试电源，输出电压分别为+28.5VDC、±15VDC、+5VDC、+3.3VDC等。

3.1.4 程控高度模拟器

程控高度模拟器为模拟发射信号在目标与接收天线之间往返路径产生的参数变化而设计，完成射频信号经由的自由空间状态模拟，即模拟导弹的飞行高度。程控高度模拟器为高度表测试提供测试高度要求的电磁波衰减与延迟特性，从而提供闭环测试条件。程控高度模拟器主要由微波开关、电控衰减器、延迟组件和控制部分组成，如图3所示。

图3 程控高度模拟器结构原理

延迟组件采用声体波延迟技术制作，由电(声)转换薄膜换能器、传播声波晶体、匹配网络(或滤波器)三部分组成。根据测试要求，需要模拟7个不同的导弹飞行高度，因此需要7个延迟组件。每个延迟组件延迟时间是固定的，根据模拟的高度不同，确定每个延迟组件的延迟时间。在每个模拟高度上，程控高度模拟器总的延迟时间τ应该满足式(2)：

即由微波开关、延迟组件、程控衰减器和传输通道产生的延迟时间均应考虑在内。

微波开关用来作为天线信号通道控制器件，选择射频信号经过的延迟组件，每一时刻只打开一个通道。通道选择由微波开关控制电路实现，在进行通道转换时，应当先断开当前通道，然后接通新的通道。

电控衰减器与延迟组件、微波开关串联在射频信号回路中，用于模拟射频信号传播不同路径时产生的能量衰减。衰减值大小由施加的控制信号控制，当控制电压为O 时衰减最小。在不同模拟高度上的衰减值大小同样要综合考虑衰减器衰减值、其它器件和传输通道产生的衰减。衰减值与控制电压关系视具体衰减器型号而定。

无延迟组件射频信号通道是专为高度表射频频率、发射功率和频偏测试而设计。发射信号经过固定衰减器与本振信号(频率固定)混频(下变频)，经过一个滤波器滤波后进行正交变换，将该信号送至数据采集卡进行采样，通过数据处理，计算射频信号发射功率、中心频率和调频带宽。尽管该部分不属于高度模拟器，但因其高频属性而放在一起。该部分的另外一种选择方案就是利用频谱仪、微波功率计等市售仪器组成射频参数测试子系统。其优点是便于维修调试，缺点是费用高。

3.2 测试与管理软件

“无线电高度表测试系统”软件主要由操作系统(Windows XP)、设备驱动程序、开发平台LabWindows/CVI和测试软件集组成，相互关系见图4。

图4 软件层次结构

LabWindows/CVI是一种高效率的开发软件，可以编译生成独立运行的测试程序。LabWindows/CVI采用C语言编程，与仪器驱动程序的语言形式相同，便于测试编程工作。LabWindows/CVI还提供了安装打包手段，可将所有测试程序及驱动软件打包成可安装型文件形式，便于用户安装使用。

测试程序在软件平台之上完成，利用软件平台提供的用户开发接口开发测试程序，而不通过设备驱动程序等低层软件对具体的仪器设备编程。软件平台驱动包括硬件接口、仪器驱动程序等与测试资源相关的所有软件驱动，完成软件平台与硬件之间接口驱动。测试层次结构如图5所示。

图5 测试层次结构

(1)物理接口层

物理接口层是软件和硬件结合层，硬件是功能模板卡及标准仪器，由测控计算机提供PCI总线控制和GPIB总线控制转接接口，软件是计算机的驱动程序，提供对控制卡的I/O操作。该层提供测控计算机与仪器间物理连接。

(2)测试资源层

测试资源层主要由测控卡及测试仪器驱动程序组成，系统所选用的测控卡及测试仪器无论是PCI总线还是GPIB总线仪器，仪器供应商均提供了驱动程序，该驱动程序按仪器驱动程序的标准要求来编写，仪器驱动程序的功能函数则完成对仪器测试功能的控制和测试数据的读取。该层根据测试策略生成测试代码，为不同的测试功能提供测试程序。

(3)用户管理层

用户管理层主要包括测试功能组件、自行开发的应用软件工具、数据库系统和CVI本身的功能函数库，是软件平台设计的重要组成部分，也是软件对资源高度集中管理的体现。通过测试功能组件对资源进行控制，而不必理解熟悉该层以下的低层软件。

(4)用户应用层

用户应用层是实现检测功能的一层，该层为测试要求提供正式标准的定义，将维修测试数据标准化，从而决定测试策略，最终生成测试代码。

用户应用层是软件平台的重要组成部分，包括高度表的测试程序、检测系统管理程序(程序管理器、数据管理器)。测试程序完成待测装备的功能测试;程序管理器提供测试程序的启动运行环境，对各种测试程序统一管理;数据管理程序用于管理、查询或打印测试结果。

根据高度表测试系统使命任务与功能要求，测试软件集应包含以下测试程序模块：a)自动测试程序模块;b)单步测试程序模块;d)自检程序模块;e)校准程序模块;f)用户界面;g)管理及维护模块;h)参数与故障数据库。其相互关系如图6所示。

图6 测试软件结构

3.2.1 测试主程序

高度表测试软件主程序的功能是提供用户界面，通过用户操作来控制测试内容的执行。主程序面板采用菜单的形式，所有选择通过鼠标操作完成。菜单栏显示了系统所具有的所有可执行功能项。图6内所有选项均可以在主程序界面进行选择。

3.2.2 管理及维护程序

管理及维护程序进行操作员资格确认(密码)、生成测试结果数据库和报表、建立故障数据库、日志管理和内部文件管理。

3.2.3 测试项目

测试项目主要包含高度表测试系统自检、自动测试、单步测试和计量校验。系统自检主要指工控机部分，再开机时自动完成。

4 结束语

测试系统采用自下而上的设计思想，设备硬件系统采用了基于PCI的西门子公司的工控机作为核心，采集、检测、控制、调理和辅助电路配置在一台机箱中，具有结构简单、技术成熟、抗干扰性能良好的优点。软件系统采用开发效率高、应用功能强大的LabWindows/CVI作为测试软件的开发工具，以目前流行的Windows XP作为开发平台。程序结构清晰，可读性强，易于功能扩展。程序的界面图形化，直观，友好。使用简单明了，易于操作，自动化程度较高。完全能够满足相关国军标和修理厂、*测试要求。