基于儀器總線平臺和傳感器技術(shù)設(shè)計航天器動力學(xué)綜合測試系統(tǒng)

引言

在航天器研制和定型生產(chǎn)的過程中，需要進行大量的動力學(xué)環(huán)境模擬試驗。在對試驗有效性評估、航天器產(chǎn)品的質(zhì)量保證中，試驗的數(shù)據(jù)采集合數(shù)據(jù)處理占很重要的地位。目前，航天器動力學(xué)環(huán)境試驗的測試系統(tǒng)領(lǐng)域中，動力學(xué)綜合測試系統(tǒng)的研制水平表征著一個國家在這一領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先程度，因此，有必要研制用于航天器動力學(xué)試驗的綜合測試系統(tǒng)。

1、 動力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的原理、構(gòu)成以及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 綜合測試系統(tǒng)的原理

在航天器動力學(xué)環(huán)境試驗中，結(jié)構(gòu)的各種動態(tài)響應(yīng)諸如加速度、速度、位移、力、聲等物理量通過相關(guān)的傳感器轉(zhuǎn)換成動態(tài)電信號，這些弱小電信號通過調(diào)理、整形、放大等措施以后，輸入到測試系統(tǒng)，由具有邏輯處理功能的測試系統(tǒng)動態(tài)實時采集動態(tài)信號以后進行處理。動力學(xué)環(huán)境試驗中綜合測試系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有采集數(shù)據(jù)頻率高，數(shù)據(jù)流量大，因此對滿足使用的系統(tǒng)要求比較苛刻。

1.2 綜合測試系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

128路A/D同步采樣;4路D/A輸出;通道采樣率最大為51.2KSa/s;通道采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度為16位。

1.3 綜合測試系統(tǒng)的構(gòu)成

按照功能劃分，航天器動力學(xué)綜合測試系統(tǒng)可以由數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的處理、存儲等構(gòu)成。按照結(jié)構(gòu)組成來劃分，航天器動力學(xué)綜合測試系統(tǒng)可以分為以下的三大部分：

(1) 具有各種動態(tài)信號測試與分析功能的計算機軟件：隨機信號分析、正旋信號分 析、沖擊信號分析等;

(2) 計算機主機平臺以及附件：包括各種高性能的具有強大處理功能的處理器以及內(nèi)存、高吞吐量的計算機存儲器、高分辨率的顯示器及其附件;

(3) 試驗信號的測試與采集裝置：包括傳感器、前置放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.4 綜合測試系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

航天器動力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的研制，以下的幾項技術(shù)中需要得到滿足：

(1) 動力學(xué)綜合測試系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)組成、靈活配置技術(shù)：

(2) 綜合測試系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)同步采集技術(shù);

(3) 大容量的數(shù)據(jù)實時傳輸技術(shù);

(4) 高速的數(shù)據(jù)存儲技術(shù);

(5) 滿足使用要求的各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)：

2、 航天器動力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

航天器動力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)研制的宗旨是在較低成本上的工程化設(shè)計、縮短綜合測試系統(tǒng)的開發(fā)時間，把風(fēng)險降低到最低限度，因此在硬件體系的設(shè)計中必須采用國際上最先進的、成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保持功能模塊的兼容性，直接吸收現(xiàn)代科技的發(fā)展帶來的成果;軟件設(shè)計應(yīng)大量采用應(yīng)用軟件框架，最大限度地適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模、參數(shù)等的變化。

航天器動力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)由硬件平臺和軟件系統(tǒng)這兩大部分構(gòu)成。硬件平臺的選擇，是由所采用的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來決定的。具體的說，動力學(xué)綜合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括控制方式、總線系統(tǒng)配置、分布式機箱結(jié)構(gòu)、多總線復(fù)合體系結(jié)構(gòu)等。軟件系統(tǒng)是測試系統(tǒng)的核心，包括軟件(即驅(qū)動程序、軟面板)運行環(huán)境和面向測試的應(yīng)用軟件。

集成化測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是組建測試系統(tǒng)的核心技術(shù)，包括測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件平臺、軟件系統(tǒng)框架選擇等。選擇通用硬件平臺和通用軟件框架，是建立通用動力學(xué)測試系統(tǒng)的一個良好途徑，本文的論述主要集中在硬件層面。

3 、 航天器動力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

目前在技術(shù)上比較成熟、市場上得到廣泛應(yīng)用的儀器總線平臺分為VXI總線和PXI總線。

VXI技術(shù)作為開放式的總線技術(shù)，體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化、通用化的系統(tǒng)要求。開放式結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)系統(tǒng)資源、軟件資源、硬件資源共享。系統(tǒng)通道易于升級、擴充，適應(yīng)各種場合的需要，方便地重組系統(tǒng)，并且能夠適應(yīng)計算機技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展，采用計算機技術(shù)、集成技術(shù)的最新成果，保持系統(tǒng)的先進性和兼容性，提高系統(tǒng)測試的準(zhǔn)確度和可靠性。

PXI總線技術(shù)除了具有類似于VXI總線技術(shù)的許多特點以外，同時具有數(shù)據(jù)傳輸率更高、小型化、價格更便宜

(低檔系統(tǒng)通常比VXI系統(tǒng)便宜一萬美元以上，中高檔系統(tǒng)價格相差小一些)的優(yōu)點，同時PXI總線較VXI總線更具有可以和計算機直接相連的優(yōu)勢。但是PXI總線技術(shù)出現(xiàn)的時間比較短，在技術(shù)層面上還有待完善，同時缺乏儀器領(lǐng)域內(nèi)部最有影響廠家的充分支持，產(chǎn)品的品種還不夠豐富，缺乏強有力的技術(shù)支持，因此，目前使用PXI總線技術(shù)組建滿足航天器動力學(xué)環(huán)境試驗要求的高精度大中規(guī)模的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在技術(shù)上還存在一定的困難和風(fēng)險。

綜合VXI總線技術(shù)和PXI總線技術(shù)的上述特點，通過對目前國內(nèi)外組建航天器動力學(xué)環(huán)境試驗測試系統(tǒng)所采用的總線技術(shù)進行的分析與研究，在本系統(tǒng)中使用VXI總線技術(shù)作為組建動力學(xué)集成化綜合測試系統(tǒng)硬件平臺的基礎(chǔ)，以減少組建系統(tǒng)的困難與風(fēng)險，同時在應(yīng)用軟件系統(tǒng)設(shè)計時間盡量采用軟件獨立于硬件平臺的設(shè)計原則，保持對PXI總線技術(shù)發(fā)展的跟蹤，待PXI技術(shù)發(fā)展更加成熟并且具備條件以后，動力學(xué)綜合測試系統(tǒng)能夠方便地進行硬件平臺移植。

4、 航天器動力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

硬件平臺是測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最基本的組成部分，組建測試系統(tǒng)必須實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化設(shè)計體制，使硬件平臺建立在高度標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的結(jié)構(gòu)上才能降低開發(fā)成本，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，確保系統(tǒng)的長期可用性。航天器動力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)硬件平臺采用具有雙處理器的主控計算機和VXI機箱組成測試單元的結(jié)構(gòu)。其中VXI測試總線機箱中內(nèi)置一個零槽控制器用于管理VXI測試模塊之間的協(xié)調(diào)以及同步;主控計算機通過內(nèi)置于計算機中的PCI-1394轉(zhuǎn)換卡、IEEE1394通訊電纜、零槽控制器與VXI測試機箱各種模塊相連，實現(xiàn)與VXI測試機箱的快速數(shù)據(jù)傳輸以及通訊管理工作。在測試過程中，VXI總線機箱通過A/D轉(zhuǎn)換器完成動力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集，所有的采集數(shù)據(jù)通過VXI總線以及IEEE1394聯(lián)接線實時傳送到主控計算機，由主控計算機完成數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)存儲和實時顯示等任務(wù)。

為了完成動力學(xué)綜合測試需求，系統(tǒng)中研制了32通道高速同步數(shù)據(jù)采集模塊AMC2322，可以實現(xiàn)4個模塊共128通道同步數(shù)據(jù)采集，同步采集速度達51.2KSa/s，并且在同步采集速度下降不多的情況下，通道數(shù)可以擴展到300多個。設(shè)計的另一個模塊是4路任意波D/A模塊，它實現(xiàn)任意波激勵輸出，可與A/D采集同步進行，并且可以擴展，這兩種模塊滿足航天器動力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的性能要求，并且還為系統(tǒng)的擴充留有余地。

系統(tǒng)研制過程中主要解決了以下的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題：一是如何保存連續(xù)高速采樣的數(shù)據(jù)。方法是在數(shù)據(jù)采集板卡上集成64KWORD空間FIFO存儲器，用于存儲32通道并行采集數(shù)據(jù)，模塊有設(shè)置上位機讀數(shù)觸發(fā)條件功能，即預(yù)先指定AD采集存儲空間大小，一旦滿足條件立即產(chǎn)生中斷，上位機迅速完成批數(shù)據(jù)讀取。由于采用FIFO技術(shù)，上位機讀數(shù)不影響數(shù)據(jù)采集。

解決的另外一個問題是數(shù)據(jù)傳遞的問題，需要保證采集數(shù)據(jù)以要求的速度傳遞到計算機中。因為1394實測的數(shù)據(jù)傳輸率為7-8MB/s，速度不高，我們采用1394火線技術(shù)橋接測試系統(tǒng)總線和計算機，解決了數(shù)據(jù)傳遞的瓶頸，以后可以采用光纖技術(shù)橋接系統(tǒng)總線和計算機，從而獲得更大的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力。

解決的第三個問題是數(shù)據(jù)的存儲問題。大量的采集數(shù)據(jù)涌入到計算機中，需要快速的存儲，否則同樣會造成系統(tǒng)反映速度不夠，目前一般的計算機硬盤不能滿足數(shù)據(jù)存儲的要求，因此使用了SCSI技術(shù)的磁盤，將大量的采集數(shù)據(jù)快速地存儲到計算機中，并且我們優(yōu)化軟件設(shè)計，對不必處理的數(shù)據(jù)進行事后分析和回放，提高了系統(tǒng)整體采集速度。

5、 結(jié)論

航天器動力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計在各個方面完全滿足航天器動力學(xué)環(huán)境試驗中數(shù)據(jù)采集、分析需要的技術(shù)指標(biāo)，這為我們進行大中型綜合測試系統(tǒng)研制打下很好的基礎(chǔ)。

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