基于PXI总线的无线电高度表过程测试方法的研究与实现

自动化测试
计算机测量与控制
.2010.18(5)　Computer Measurement &Control
　・1027・
收稿日期:2009209230;　修回日期:2009211217。

作者简介:张　驰(19782),男,辽宁锦州人,工程师,硕士研究生,主要从事导弹自动控制与自动化测试方向的研究。

文章编号:167124598(2010)0521027203 中图分类号:TM93019
文献标识码:A
基于PXI 总线的无线电高度表
过程测试方法的研究与实现
张　驰1,梁　彦2,李　博1
(11中国人民解放军91851部队,辽宁葫芦岛　125001;21中国人民解放军92941部队92分队,辽宁葫芦岛　125001)
摘要:针对传统的无线电高度表性能检测技术多以定高特征点位测试为主,等效高度特征点少,不能连续变化,无法对其整个工作过程进行全面考核评估的现状,从导弹无线电高度表测高工作原理和测试技术研究分析出发,提出了过程测试的方法;通过对现有导弹自动化检测系统进行功能扩展,利用可编程PXI 模块作为差拍信号发生器,实现了无线电高度表和导弹高度通道的过程测试,对用作其它用途的无线电高度表的全面性能检测同样具有参考价值,进而为导弹其它控制环节的动态性能检测提供了借鉴。

关键词:无线电高度表;飞航导弹;过程测试;差拍频率;PXI 总线
R esearch and R ealization on the Dynamic T est Method of R adio Altimeter B ased on PXI
Zhang Chi 1,Liang Yan 2,Li Bo 1
(11CPL A 91851Unit ,Huludao 125001,China ;21CPL A 92941Unit 92Element ,Huludao 125001,China )
Abstract :The conventional test technology of radio altimeters chiefly depend on constant characteristic altit ude inspection ,which is en 2slaved to t he few and discontinuous equivalent altitude point s ,and is restricted in t he entire operation process examination and evaluation.So on t he basis of research on t he altimetric measurement principle and test technology of t he missile -borne radio altimeter ,t he dynamic testing met hod is proposed ;By means of t he functional expanding for t he existing automatic testing equipment ,and developing t he program 2mable PXI module to a difference frequency signal generator ,t he dynamic test for t he radio altimeter and missile ’s altitude channel is real 2ized ,which has value to t he whole performance test of radio altimeters put into ot her application fields ,and t hen provides references and beneficial attempt s for t he dynamic test of t he ot her control systems of missiles.
K ey w ords :radio altimeter ;Winged Missiles ;dynamic test ;difference frequency ;PXI Bus
0　引言
无线电高度表是飞机和飞航导弹等飞行器的重要测量元
件,其性能决定了飞行器纵向航路的控制品质。

因此,无线电高度表的测试方法和检测手段就显得尤为重要。

通常,在对无线电高度表进行性能检测时,一般采用等效高度电缆箱模拟飞行器的飞行高度,并借助自动化测试设备对其输出的高度电压信号进行测判;传统检测方法存在的问题是高度特征点少,高度不能连续变化,无法对其整个工作过程进行全面评估。

为此,提出了无线电高度表过程测试方案,并尝试应用于飞航导弹的性能检测之中,对现有基于PXI 总线的自动化测试设备进行了功能扩展改造,即通过产生连续变化的低频脉冲信号来模拟导弹飞行高度的变化,使高度表的性能评估在接近真实的飞行环境下进行,从而实现了对高度表工作过程的全面检测,同时也实现了在全弹道仿真过程中对导弹飞行高度的动态模拟,考核了导弹高度通道的动态性能。

1　无线电高度表的测高原理与测试方法
111　无线电高度表的测高原理
无线电高度表是一部连续发射调频波的测高计,其测高原
理是利用无线电波的反射现象来准确测量飞行器相对地面或海面的真实高度,并输出一个与飞行高度成比例的电压信号,来对飞行器进行质心稳定和控制。

无线电高度表通常由发射机、接收机、信号处理电路和电源等功能模块组成。

为实现超低空飞行,提高突防攻击能力,弹载无线电高度表一般采用频率测量法来间接测量导弹的飞行高度,其理论公式为[1]:
f b =4Δf ・f m
c
・H
(1)(1)式中,f b 为高度表发射频率与接收频率之差,称为
差拍频率;(f 为频偏;f m 为调制频率;H 为飞行高度;c 为
光速。

由式(1)中可以看出,当频偏f 与调制频率f m 不变时,差拍频率f b 与飞行高度H 成正比。

在实际电路中,差拍频率f b 与飞行高度H 的关系如下:
f b =100+10H
(2)高度表输出的高度电压与飞行高度的关系如下:
U H =2166+012H
(3)112　无线电高度表的测试方法
飞航导弹自动化测试系统由主控机、接口适配箱、模拟转台、高度模拟箱、大功率电源、配套电缆和标校设备等组成。

主控机和接口适配箱是系统测量及控制的中心,采用基于PXI 体系结构的虚拟仪器测控方案,具有缓变信号采集、直流模拟
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卷
量输出、开关量电平判断、开关量输出、开关量跃变计时、系统标定与设备自检等基本测量与控制功能。

其中,主控机是构成虚拟测控系统的核心部件,以计算机(零槽控制器)和PXI 总线功能模块等硬件为基础,实现信号采集、激励波形输出、I/O控制、计数、定时、数据分析和图表显示等功能。

根据测试系统“模块化、通用化、系列化”的要求,主控机的最小配置包括A/D、D/A、I/O、计数/定时与输入/输出隔离等基本PXI功能模块,主控机硬件设备选型如表1所示[2]。

表1　PXI主控机硬件资源配置
硬件名称型号主要技术特性功能
零槽控制器NI28186
PⅣ212GHz,128MB内存,10G硬盘,
US B接口和串口各2个,GPI B接
口、并口、10/100M以太网口各1个。

为模块化仪
器搭建紧凑可
靠的PC平台。

基本功能模块PXI26031E
(1块)
具有64路单端或32路双端差分
A/D输入,分辨率为16bits,采样率
为100kc/s,输入电压范围±10V;
8路数字I/O,2路16位D/A输出,
2个24位计数/定时器。

输入脉冲计数;
定量脉冲串输
出;计时测量;
缓变信号采集。

PXI26713
(1块)
具有8路高速D/A模拟量输出,
垂直分辨率为12bits,最高输出
信号频率1MHz,输出电压幅度
±10V;另带8个数字I/O,
2个24位定时/计数器。

和接口适配箱中
的隔离放大器和
装定放大器配合
完成角度装定和
直流或任意波形
信号的隔离输出;
开关量输入/输出。

PXI26527
(2
块)
24路光电隔离输入(0～28V);
24路固态继电器隔离
输出(0～60V)。

完成对开关量输
入信号状态的
有效判定和开关
量信号的输出。

PXI22566
(2块)
16个独立的非自锁单刀双掷继
电器,开关切换容量2A/30V AC
和2A/30VDC,开关承载容量为
5A/150VDC和5A/125V AC,
切换速度115点/s,软件可编程。

发出各种相关控
制指令,用于系统
中有较大容量负
载要求的场合。

在无线电高度表性能检测时,采用等效高度模拟箱为其提供等效高度,该高度模拟箱由同轴电缆、高频开关、衰减器、延迟线和控制电路等组成,用于模拟几类相对固定的飞行高度特征点位。

测试原理方框图如图1所示[3]。

来自高度表发射机的高频信号f1经过等效高度模拟箱内的多路开关选择不同的衰减和延迟,输出同频率但衰减和延迟时间不同的高频信号f2,回收到高度表接收天线,经接收机混频器形成相应的差拍信号f b,信号处理电路输出与差拍信号f b相对应的高度电压U H,U H经接口适配箱内的分压功能电路后,由多功能数据采集模块PXI26031E进行采集测量判定。

这种方法能够准确检查高度表的整个工作回路,是检查无线电高度表的基本方法。

2　过程测试方法的研究
211　过程测试方法的提出
无线电高度表在飞行器上的实际测高工作过程中,高度电压的输出将随飞行高度连续变化;而目前的高度表测试方法主要是利用等效电缆箱模拟飞行高度,其局限性一是模拟高度不能连续变化,只对特定点进行测试;二是测试特性点较少,信息量小。

因此,现行的测试方法无法全面考核高度表的整个工作过程[1]。

图1　无线电高度表测试原理
为此,需要对传统的测试方法进行大胆改革,创新提出了基于PXI总线的无线电高度表过程测试的新方法。

通过模拟飞行器真实的飞行高度变化过程,对高度表进行大数据量且多特征点的全面连续的性能评测,从而实现对飞航导弹高度通道动态性能的定量测判。

但欲采用传统的等效延迟线来模拟高度的连续变化,工程实施难度大,目前尚无成熟可行的技术。

212　基本方案
考虑到无线电高度表的工作原理,在调制频率和频偏一定的情况下,发射机发射频率f1与反射回波频率f2之差拍频率f b决定了飞行高度H,差拍频率范围可由式(2)确定。

若关闭高频输入信号,而产生一程控信号f b1来模拟差拍信号,直接注入到接收机混频器的后级,然后测量高度表输出电压U H,便可完成高度表的过程测试,如图2所示。

图2　基于PXI总线的高度表过程测试方案
模拟差拍信号f b1可由PXI26713或PXI26031E模块的24位定时器产生,测试时关闭等效高度模拟箱,则高度表接收机无信号输入,混频器输出的差拍信号极小,高度表处于闭锁状态。

此时在混频器后级注入一定幅度的模拟差拍信号f b1,则高度表输出与之相对应的高度电压U H,利用自动化测试设备测量此高度电压;按照纵向弹道高度变化规律改变差拍信号f b1,再测量与之相对应的高度电压U H,即可获得高度表动态工作特性,然后与式(3)决定的理论弹道高度电压标称值U HO相比较,即可获得高度表动态特性曲线与理论高度电压的误差ΔU H。

3　过程测试方法的实现
飞航导弹的纵向弹道一般包括:初始爬升、降高下滑、平飞巡航和俯冲攻击等几个阶段,飞行高度基本上按照指数规律
第3期张　驰,等:基于PXI 总线的无线电高度表过程测试方法的研究与实现　・1029
・　
变化。

无线电高度表通常在某段特定的时间范围内参与导弹的
飞行控制。

导弹高度变化的动态特性曲线可由相应的弹道方程来描述,选取纵向理论弹道上的任意时间间隔Δt 对纵向弹道方程进行量化,便可求出对应的飞行高度值,再利用式(2)亦可确定相应的差拍频率变化规律。

311　差拍信号的产生方法
选取自动化测试设备主控机上已具备的PXI 26713或PXI 26031E 模块,通过软件编程,操控其上的任意两个定时器配合工作,用以产生不同差拍频率的脉冲信号。

其中,定时器0设置为“脉冲发生器”工作模式,用于发送差频脉冲,由定时器1的单脉冲门控信号实施外触发控制,终止差拍脉冲信号的输出;定时器1设置为“单脉冲发生器”工作模式,用于产生固定时间间隔的单脉冲,作为定时器0的外触发控制信号,以控制差频脉冲的发送时间。

同时,在接口适配箱中相应地增加光隔驱动电路,经光隔电平变换后,形成210～218V 的方波信号,作为高度表混频器后级的差拍频率输入信号[4]。

PXI 26713或PXI 26031E 模块的晶体振荡器采用20M Hz ,
则一个机器周期为0105
μs ,故最小计数周期为0105μs ,即其定时器产生的脉冲信号误差为±0105
μs ;而差拍频率最大值为313k Hz ,对应的振荡周期为303
μs ,完全满足差拍信号的误差要求。

312　过程测试软件流程
如图3所示。

(1)相关变量清零,确定高度变化特征点数,并设置PXI 26031E 的A/D 采样率(50次/s );
(2)对两定时器清零复位,并对相关参数和工作模式进行设置(假设两定时器均选自PXI 26713);
设置定时器0:
　//定时器0清零复位iStatus =GPCTR _Control (NI6713,ND
_COUN TER _0,ND _RESET );
//配置定时器0为脉冲串发生器
iStatus =GPCTR _Set _Application (NI6713,ND _COUN TER _0,ND _PUL SE _TRAIN _GNR );
//配置定时器0的晶振频率为20M Hz
iStatus =GPCTR _Change _Parameter (NI6713,ND _COUN T 2ER _0,ND _SOU RCE ,ND _IN TERNAL _20_M HZ );
//配置定时器0的门控信号为其他定时器输出
iStatus =GPCTR _Change _Parameter (N I6713,ND _COUN T 2ER _0,ND _GA TE ,ND _O T H ER _GPCTR _OU TPU T );
设置定时器1:　//定时器1清零复位
iStatus =GPCTR _Control (NI6713,ND _COUN TER _1,ND _RESET );
//配置定时器1为单脉冲发生器
iStatus =GPCTR _Set _Application (NI6713,ND _COUN TER _1,ND _SIN G L E _PUL SE _GNR );
//配置定时器1的晶振频率为20M Hz
iStatus =GPCTR _Change _Parameter (NI6713,ND _COUN T 2ER _1,ND _SOU RCE ,ND _IN TERNAL _20_M HZ )。

(3)依次从高度特征点差拍频率数组中读入对应的脉冲频
率数据,用于定时器0输出脉冲信号频率的设置;对定时器1
输出的单脉冲频率进行设置,
即对每个高度特征点的差拍脉冲
图3　无线电高度表过程测试流程图
信号输出均维持012s ,作为系统的响应时间(系统每秒产生5
个高度变化特征点,对应于每个高度电压采集10次)。

//设置定时器0的脉冲宽度(以输出215k Hz 的差频脉冲为例)iStatus =GPCTR _Change _Parameter (NI6713,ND _COUN T 2ER _0,ND _COUN T _1,4000);
iStatus =GPCTR _Change _Parameter (NI6713,ND _COUN T 2ER _0,ND _COUN T _2,4000);
//设置定时器1的的脉冲宽度(定时器0输出的脉冲数3定时器0
的脉冲宽度32=012s 3215k Hz 3400032,即为定时012s )
iStatus =GPCTR _Change _Parameter (NI6713,ND _COUN T 2ER _1,ND _COUN T _1,4000000);
iStatus =GPCTR _Change _Parameter (NI6713,ND _COUN T 2ER _1,ND _COUN T _2,4000000);
(4)同时进行3项操作:启动定时器0发送差拍脉冲信号f b1、启动定时器1开始计时012s 、启动PXI 26031E 同步采集
高度电压(并对10次测高结果求取均值);当定时器1计时结
束后,对此次测高结果进行判断处理,从而完成一个高度特征点的测量过程。

//指定定时器0的输出特性,从低电平至高电平有效
iStatus =Select _Signal (NI6713,ND _GPCTR0_OU TPU T ,ND _GPCTR0_OU TPU T ,ND _LOW _TO _HIGH );
　//启动定时器0发送差拍脉冲信号
iStatus =GPCTR _Control (NI6713,ND _COUN TER _0,ND _PRO GRAM );
(下转第1032页)
　・1032・　计算机测量与控制　第18
卷
动中提供了对这些函数的相应支持,故通过v4l数据结构,在进行图像采集和处理的过程中可以方便地对摄像头进行各种操作。

调用相关函数就可以采集到图像原始数据。

对图像的采集采用内存映射法,即用mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。

因为进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝,所以采用共享内存通信提高了效率。

3　系统运行效果
对目标板上电,系统的软硬件启动后,当远程用户在web 浏览器中输入IP地址,即可看到登陆主页,每次登陆要求用户输入帐号,并通过密码验证,只有通过验证的用户才能进入下面的监控主页。

该监控主页面左侧显示有重新登陆页面,可重新登录系统。

观测站远程环境信息远程监测系统,显示现场的环境信息,如:温度、湿度和气压等。

通过点击页面的重新查询按钮能方便实时地查询现场的环境状态;现场开关的远程监控系统,在页面上的简单操作可以显示和控制现场3个开关量的状态;现场图像信息远程采集与监视系统,将远程采集的现场图像信息显示给客户端,并且每隔一秒钟页面动态刷新一次。

手机用户可以根据开发程序中设定好的命令,发送短消息实现远程监控。

例如:发送‘m’到GSM模块的SIM卡中,即可返回现场的环境信息;发送‘naw’或‘faw’可打开或关闭L ED1并且以短信的形式返回现场3个开关量L ED的状态。

4　结束语
本课题基于嵌入式ARM2Linux实现了一个对大型光电望远镜设备所在环境信息、图像信息以及对现场一些开关量的多功能远程信息采集与监控系统。

本系统将嵌入式系统应用于大型光电望远镜设备的远程监控中,并采用了Internet及GSM 双网络的实现模式,强大的网络功能不仅能实现跨地域的信息访问,而且利用网络低廉的通信费用给基于ARM2Linux嵌入式的大型光电望远镜设备的监控诊断以及维护带来了全新的活力和更高的效益。

总之,基于嵌入式的双网络远程监控技术将会得到广泛运用,必将大大提高设备使用效能,有利于对大型光电望远镜设备的管理和维护。

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ARM9处理器[M].北京:电子工业出版社,2007.
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(上接第1029页)
//启动定时器1,单脉冲定时信号的输出用于终止定时器0发送差拍脉冲信号
iStatus=GPCTR_Control(NI6713,ND_COUN TER_1,ND_ PRO GRAM);
重复上述过程,直至将与全部差拍信号相对应的高度电压U H测量完毕,即完成了高度表的动态测试。

这样,既扩展了高度测试特征点,增加了检测信息量,又可基本实现检测高度的连续变化,模拟了高度表真实飞行工作环境。

313　自动化测试设备功能扩展兼容性分析
在充分确保自动化测试系统各软硬件功能模块协调工作,相关检测功能不受影响的前提下,选取PXI26713或PXI2 6031E模块上的任意两个闲置定时器,通过软件编程调试,合理设置工作模式,准确设置脉冲频率,配合协调工作,模拟连续变化的差拍信号,实现频率和波形的任意变化,完全可以满足高度表的测量精度要求;对原有测试设备的功能扩展与技术改造,在不破坏原有自动化测试环境的基础上增加了动态测试功能,实现了系统软硬件资源的可靠对接,达到了对高度表实施全面检查的目的,成本低廉、实用性强且兼容性好。

无线电高度表过程测试方法的实现,有效整合了现有设备硬件的技术资源,充分挖掘了测试系统的功能潜力,最大程度地扩展了原有自动化测试设备的使命任务,极大地丰富了无线电高度表的测试手段,成功实现了飞航导弹高度通道的全过程仿真测试。

4　结束语
无线电高度表是飞机和飞航导弹等飞行器控制系统的重要组成部分,在飞行器的整个飞行过程中起着至关重要的作用。

目前对无线电高度表的检测方法过于简单,特征点少,不足以对高度表进行全面考核。

高度通道过程测试方法在现有自动化测试设备上实现简单易行、成本低廉且兼容性好,特别是在动态环境下对高度表进行测试不但模拟了高度表的真实工作环境,更侧重于对其工作可靠性的检查,对提高飞行器的飞行控制有效性与可靠性具有非常重要的意义,同时也为高度表在导弹全弹道仿真中提供了一种有效的试验手段,是传统测试方法的改进和提高,也是对现有自动化测试设备的充实和完善。

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