基于PCI-9846的電子時間引信通用測試系統(tǒng)設計 - 全文

　　電子時間引信是一種使用比較廣泛的引信產(chǎn)品，用來為子母式彈藥的母彈開艙提供控制信號，是遠程壓制武器系統(tǒng)的主要裝備。電子時間引信作為一種高度集成的電子引信，其工作性能必須經(jīng)過嚴格的測試，才能提供用戶使用。

　　各種電子時間引信產(chǎn)品均配備有專用的測試儀器完成性能測試，但過去采用的傳統(tǒng)儀器測試模式隨著電子時間引信技術的發(fā)展，暴露出了效率低、精度差和檢出率低等問題，而且各種型號電子時間引信的測試設備之間不具備通用性和互換性，因此急需設計一種新的通用測試系統(tǒng)來解決這些問題。

　　電子時間引信的工作原理及測試系統(tǒng)要求

　　電子時間引信是用來為子母式彈藥提供起爆發(fā)火信號的部件，其工作原理為：彈藥發(fā)射前首先由參數(shù)裝定器為其裝定火控系統(tǒng)解算出的開艙作用時間，彈藥發(fā)射后，電子時間引信以發(fā)射時刻為起點開始計時，當計時到預先裝定的作用時間后，輸出開艙點火信號給戰(zhàn)斗部，完成彈 藥起爆。

　　根據(jù)電子時間引信的工作原理，對通用測試系統(tǒng)的基本要求如下：

　　1）提供多路可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，為電子時間引信和裝定器提供工作電源。

　　2）提供控制裝定器工作的模擬火控信號。

　　3）可按照實際工作時序控制電子時間引信和裝定器工作。

　　4）可提供模擬時間修改信號。

　　5）可為被測產(chǎn)品提供模擬負載。

　　6）可以采集多路模擬信號和數(shù)字信號。

　　7）可對測試數(shù)據(jù)分析處理、顯示、存儲并自動生成測試報表，包括作用時間、工作電壓、工作電流、點火信號幅度、故障狀態(tài)等。

　　方案設計

　　根據(jù)原有電子時間引信測試系統(tǒng)的不足，希望新的測試方案能達到如下效果：

　　1）高集成度，盡量減少占用空間，便于移動。

　　2）自動化，盡量減少人為因素對產(chǎn)品測試結果帶來的影響。

　　3）通用性，可適應不同型號的電子時間引信及裝定器產(chǎn)品的測試，減少重復開發(fā)工作。

　　4）高效率，單發(fā)產(chǎn)品的測試時間盡可能的短，以適應大批量生產(chǎn)的使用要求。

　　5）高檢出率，對被測產(chǎn)品的中間參數(shù)也可以進行測試，提高覆蓋率。

　 　根據(jù)電子時間引信的工作特點和自動化、通用化的使用要求，虛擬儀器技術十分符合方案要求，并且能夠較好地達到方案預期的效果。凌華科技公司有著豐富的虛擬儀器測試測量產(chǎn)品線，可以給我們提供較大的選擇空間，LabVIEW是一種易學易用的開發(fā)軟件，可以利用它快速、簡便地開發(fā)出復雜、并行、有效并且易于 操作的測試系統(tǒng)。為了降低系統(tǒng)的成本，我們決定選擇選用工控機加PCI板卡的方式，并通過擴展USB端口、串口、及其它模塊單元進行數(shù)據(jù)交互和測試，在 LabVIEW軟件平臺下開發(fā)新的測試系統(tǒng)。總體方案設計如圖1所示，其中：

　　圖1：總體方案框圖。

　　數(shù)字程控電源用來為被測電子時間引信和裝定器提供工作電源，具有4路可編程和4路固定電壓輸出，輸出電壓范圍為-12V～+36V，工控機算機通過串行接口，可對其進行編程，使其輸出電壓滿足不同型號電子時間引信和裝定器的工作電源要求。

　　對于裝定信號、啟動信號、點火信號、工作電壓、工作電流等引信輸入輸出信號的波形監(jiān)控，都由PCI-9846高速數(shù)字化儀來進行采集。

　　電子時間引信和裝定器的啟動控制、模式控制等數(shù)字控制信號，以及對引信和裝定器工作過程中的各類中間信號的監(jiān)測，由PCI-7230隔離數(shù)字輸入輸出卡來完成。

　　提供給被測產(chǎn)品的工作電源由PCI-7250繼電器輸出卡通過繼電器進行控制輸出。

　　信號調(diào)理電路主要是將被測電子時間引信和裝定器的各類信號調(diào)理到測試板卡所能接受的范圍。如信號上拉、下拉匹配；各類開關常開、常閉觸點匹配；模擬、數(shù)字、脈沖電平電壓調(diào)制；信號濾波、放大等調(diào)制。

　　被測產(chǎn)品和通用測試系統(tǒng)之間通過專用測試電纜連接，當測試不同型號的電子時間引信和裝定器產(chǎn)品時，只需更換測試電纜和調(diào)用相應的測試軟件及參數(shù)設置就可以了。

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　　參數(shù)裝定功能的測試

　　電子時間引信在進行參數(shù)裝定時，為了滿足快速反應的要求，需要在盡量少的時間內(nèi)傳輸盡量多的數(shù)據(jù)信息，因此其裝定編碼的長度都不能太長，最短的碼形長度為微秒級的信號，而且在一些特定的使用環(huán)境下，參數(shù)裝定工作是隨著武器系統(tǒng)的工作一直持續(xù)進行的，直到彈 藥發(fā)射出去為止，所以進行產(chǎn)品的裝定可靠性測試時，需要進行長時間的連續(xù)裝定測試。由以上所列舉的有關進行參數(shù)裝定功能測試的特點，可知完成該項測試的關鍵是測試系統(tǒng)要同時具有較高的采樣率和較長的數(shù)據(jù)存儲時間兩項特性。

　　凌華科技的PCI-9846高速數(shù)字化儀是一種4通道的高速數(shù)據(jù)采集設備，其具有每通道40MS/s的采樣率，16位的采樣分辨率，可以滿足對裝定信號波形的實時高精度采集，而且其配備了高達512MB的板載內(nèi)存，擺脫了PCI總線的帶寬限制，使之能儲存更長時間的波形，滿足了進行連續(xù)裝定可靠性測試時大容量數(shù)據(jù)存儲的使用要求。

　　PCI-9846數(shù)字化儀的輸入阻抗為50Ω或1MΩ，輸入范圍為±1V或±5V，以上兩個參數(shù)均可以通過軟件進行調(diào)整，因此對數(shù)字信號裝定的產(chǎn)品可直接進行采集處理，對模擬信號裝定的產(chǎn)品，因為其裝定信號幅度可能會超過數(shù)字化儀的輸入范圍，因此通過信號調(diào)理電路，對模擬信號進行分壓，將其轉(zhuǎn)換到±5V的范圍內(nèi)進行采集。

　　進行裝定性能測試時，主控程序首先根據(jù)被測產(chǎn)品的型號，確定輸出的工作電壓，通過PCI-7250繼電器輸出卡上的繼電器控制輸出工作電源給被測產(chǎn)品，然后通過串口發(fā)送裝定參數(shù)給裝定器，然后運行數(shù)據(jù)采集子程序（見圖2），數(shù)據(jù)采集子程序控制數(shù)字化儀開始采集信號調(diào)理電路輸出的特征信號，一個通道記錄裝定信號波形，一個通道檢測供給產(chǎn)品的工作電源信號，一個通道檢測產(chǎn)品的工作電流信號，同時通過PCI-7230上的數(shù)字輸出口給裝定器發(fā)出啟動信號，在監(jiān)測到裝定信號發(fā)送完畢后，系統(tǒng)停止信號采集，開始對采集到的信號數(shù)據(jù)進行分析處理，通過對裝定信號的幅度、碼寬、占空比，以及工作電壓、工作電流等參數(shù)進行測量，根據(jù)產(chǎn)品的性能指標給出判定結果。

　　圖2：數(shù)據(jù)采集子程序。

　　進行連續(xù)裝定功能測試時，主控控制程序在啟動信號采集子程序以后，通過PCI-7230連續(xù)發(fā)送啟動控制信號給裝定器，控制裝定器工作，整個測試過程共循環(huán)10000次。在裝定器連續(xù)發(fā)送裝定信號的同時，測試系統(tǒng)連續(xù)采集被測引信裝定線上的信號波形及工作電壓、工作電流等參數(shù)，主控程序?qū)崟r將采集到的波形數(shù)據(jù)從數(shù)字化儀的板載內(nèi)存中讀取并存儲，整個測試流程結束以后，主控軟件停止數(shù)據(jù)采集，并將存儲的數(shù)據(jù)回讀，進行分析處理，將還原的波形信號進行顯示，并對每一組裝定信號進行性能分析，判斷參數(shù)裝定的可靠性，并給出統(tǒng)計結果。數(shù)據(jù)分析處理界面見圖3。

　　圖3：連續(xù)裝定測試數(shù)據(jù)分析界面。

　　電子時間引信計時精度的測試

　　電子時間引信的計時時間是指其從接收到計時啟動信號開始計時時刻，到輸出點火信號時刻的時間之差，根據(jù)不同型號引信應用背景的不同，其計時精度和計時時間范圍各不相同，相差很大，對于超近程攔截型彈 藥的電子時間引信其計時精度要達到微妙級，計時時間長度到100毫秒以上，對其進行計時精度測試時最重要的是采樣率要足夠高，而對遠程壓制武器系統(tǒng)所使用的電子時間引信其計時精度為毫秒級，但計時時間長度要達到400秒以上，對其進行測試時采樣率可以適當?shù)慕档?，以滿足長時間數(shù)據(jù)采集的要求。

　　根據(jù)以上特性，對不同型號的電子時間引信進行計時精度測試時，數(shù)字化儀的采樣率可通過軟件進行控制，從1MS/s到40MS/s不同，在保證了時間測試精度的前提下，也節(jié)省了系統(tǒng)資源。

　　進行計時精度測試時，主控程序首先根據(jù)被測產(chǎn)品的型號，確定需提供給被測產(chǎn)品的工作電源電壓，然后通過繼電器輸出卡控制輸出給被測產(chǎn)品，然后運行數(shù)據(jù)采集子程序，同時發(fā)送啟動控制信號給被測引信，使被測引信開始計時，測試系統(tǒng)同步監(jiān)測被測引信的啟動控制信號、點火輸出信號、工作電壓及工作電流等，當監(jiān)測到點火信號后，停止信號采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，從啟動信號開始時刻到點火信號輸出時刻即為引信的計時時間，同時還要對引信的點火信號波形進行分析，對點火信號的最大電壓進行測量，對點火信號波形進行積分，判斷引信輸出的點火信號幅度及能量、工作電源、工作電流等參數(shù)是否滿足性能指標要求。圖4為測試系統(tǒng)采集到的某型號電子時間引信啟動信號和點火信號波形。

　　圖4：某型號引信啟動信號和點火信號波形。

　　產(chǎn)品控制信號的產(chǎn)生

　　電子時間引信和裝定器工作時的控制信號大部分為數(shù)字I/O信號，因此選用PCI-7230隔離數(shù)字輸入輸出卡來產(chǎn)生，該卡具有16通道的隔離數(shù)字輸入和16通道的隔離數(shù)字輸出功能，其輸出通道擁有5～35V的寬信號輸出范圍，可以滿足為不同型號電子時間引信和裝定器提供各類控制信號的使用要求，數(shù)字輸入通道具有0～24V的輸入范圍，可用來監(jiān)測引信及裝定器工作過程中各類中間信號的變化。

　　系統(tǒng)測試時，首先根據(jù)被測產(chǎn)品型號確定所需要的數(shù)字電源電壓，然后通過串口完成對裝定器的數(shù)據(jù)傳輸，然后由數(shù)字輸出通道1發(fā)出裝定啟動信號，控制裝定器開始工作，裝定完畢后，由數(shù)字輸出通道2發(fā)出引信計時啟動信號，被測引信開始計時，根據(jù)不同引信的測試要求，通過數(shù)字輸入通道實時監(jiān)測被測引信的各種中間特征信號，如果測試具有時間修改功能的電子時間引信時，在引信開始計時以后，還要通過另外3個數(shù)字輸出通道，發(fā)送修改信號脈沖給被測引信。圖5為輸出的啟動控制信號波形。

　　圖5：測試系統(tǒng)輸出的啟動控制信號。

　　測試系統(tǒng)軟件設計

　　電子時間引信通用測試系統(tǒng)控制軟件在Windows操作系統(tǒng)平臺下，基于LabVIEW8.5開發(fā)完成，采用模塊化編程思想，自頂向下設計，為了滿足高速率采集的要求，采用多線程編程，應用程序被分為3個線程：一個用戶界面線程，一個數(shù)據(jù)獲取線程和一個儀器控制線程。具有良好的人機交互界面，可進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、存儲及自動報表生成等功能。系統(tǒng)測試軟件主要流程如圖6所示。

　　圖6：通用測試系統(tǒng)軟件設計流程。

　　1）產(chǎn)品型號選擇

　　根據(jù)被測產(chǎn)品的型號，在操作界面上選擇相應的產(chǎn)品型號，系統(tǒng)控制軟件根據(jù)被測產(chǎn)品型號自動加載相應的系統(tǒng)設置參數(shù)。

　　2）電源設置

　　系統(tǒng)控制軟件根據(jù)加載的被測產(chǎn)品工作電源參數(shù)，將所需的電源參數(shù)編碼后通過串口發(fā)送給數(shù)字程控電源，數(shù)字程控電源根據(jù)收到的電源參數(shù)進行系統(tǒng)工作電源的自動調(diào)整，并將調(diào)整結果反饋給系統(tǒng)控制軟件。

　　3）測試項目選擇

　　根據(jù)不同引信的測試要求，對裝定性能測試、連續(xù)裝定可靠性測試、計時精度功能測試等不同測試內(nèi)容進行選擇，同時針對不同的試驗項目進行試驗條件選擇，如高溫、低溫、振動等，并根據(jù)不同的測試內(nèi)容和試驗項目自動加載相應的測試數(shù)據(jù)。

　　4）功能測試

　　功能測試在前三項選擇完畢后點擊運行即可自動進行測試，系統(tǒng)通過控制信號控制被測產(chǎn)品工作，并對被測產(chǎn)品工作過程中的相關特征信號進行采集。每個測試項目都封裝成一個子VI，方便主VI和TestStand調(diào)用，測試數(shù)據(jù)可自動加載，也可在測試開始前進行設置修改，如裝定時間、修改時間等。

　　5）數(shù)據(jù)處理及存儲

　　測試完成后，需將各種測試信息和數(shù)據(jù)進行記錄、分析處理和存儲，包括當前測試日期、時間、測試數(shù)據(jù)和各測試項目的狀態(tài)（未測試、通過、故障信息）等。數(shù)據(jù)處理存儲界面見圖7所示。

　　圖7：數(shù)據(jù)處理存儲界面

　　6）自動報表生成

　　當需要打印或提交測試報告時，可通過LabVIEW報表生成工具包調(diào)用相應的報表模版文件，或通過TestStand，將存儲的數(shù)據(jù)內(nèi)容以模版格式自動生成所需要的各種報表和文件。

　　測試及性能驗證

　　測量數(shù)據(jù)的圖形化實時動態(tài)顯示是測試儀器必備的功能，像常見的數(shù)字示波器、頻譜分析儀等儀器都具有能夠顯示測量信號波形和儀器的工作狀態(tài)的CRT熒光屏。LabVIEW是通過波形顯示控件即實時趨勢圖控件。實時趨勢圖控件把新的數(shù)據(jù)連續(xù)添加到已有的數(shù)據(jù)的后面，波形是連續(xù)向前推進顯示的，這樣就可以很清楚地觀察到引信工作過程中的信號變化過程，能實時監(jiān)控被測信號的變化。

　　本測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時顯示是將引信的多路信號，在“通道回放”一欄中通過選擇，可以顯示某通道的波形，當數(shù)據(jù)回放時，顯示的波形還可以進行放大和縮小變換。圖8所示為本測試系統(tǒng)顯示的某通道波形圖。

　　圖8：本測試系統(tǒng)某通道波形圖。

　　引信測試的目的在于獲取引信的工作性能、狀態(tài)或特征信號，所以數(shù)據(jù)采集只是測試工作的第一步。數(shù)據(jù)的分析和處理構成測試系統(tǒng)的重要組成部分之一，傳統(tǒng)的引信測試數(shù)據(jù)處理通過DSP或MATLAB等其它工具完成，而本測試系統(tǒng)利用LabVIEW軟件內(nèi)容豐富、功能強大的分析工具包，完全可以勝任復雜的數(shù)據(jù)分析和處理工作，其數(shù)據(jù)處理都在后臺調(diào)用工具包，其測試結果在運行完后即顯示合格與否的判定，使測試人員一目了然的明白測試結果。

　　測試系統(tǒng)設計完成后，我們設置了一些條件對系統(tǒng)的實際性能進行了測試。通過測試人員操作，對平均單發(fā)產(chǎn)品測試時間進行了測量；通過重復測試，對系統(tǒng)可靠性進行了驗證；通過設置故障，對系統(tǒng)的檢出率水平進行了測試；通過信號對比標定，對系統(tǒng)的測試精度進行了測試。經(jīng)過測試表明，測試系統(tǒng)的單發(fā)測試時間縮短了一半以上，測試精度、可靠性和檢出水平都有較好的提升，在自動化、通用性方面都達到了系統(tǒng)設計的要求。

　　結論

　　針對電子時間引信的工作特點和自動化、通用化的使用要求，本測試系統(tǒng)采用虛擬儀器技術，通過工控機加裝凌華科技的高速數(shù)字化儀、數(shù)字I/O、繼電器輸出等板卡的硬件設計，結合LabVIEW的圖形化軟件編程，開發(fā)出了功能強大、性能優(yōu)越且易于擴展的電子時間引信通用測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對測試過程和步驟進行自動化控制、對測量數(shù)據(jù)進行分析處理，對故障模式進行自動判斷等功能，顯著提高了測試效率、測試精度和檢出率。與傳統(tǒng)測試手段相比，虛擬儀器測試有著巨大優(yōu)越性，必將得到更廣泛、深入的應用。