多通道自校准导弹飞控测试系统设计

胡建，韩登峰

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

随着导弹智能技术的发展，导弹智能飞行控制系统具有恶劣环境自适应能力、智能再规划能力、智能规避能力、跟踪高机动目标能力、自修复能力和高弹性控制能力[1]。飞控测试系统用于飞控组件的环境应力筛选试验（ESS）测试及仿真试验，测试系统模拟使用环境给飞控系统发出控制指令及激励信号，接收存储飞控返回的工作状态信息，实现飞控系统工作状态的监控与分析[2]。

测试系统在内场、外场等多个场景中使用，由于工作条件、工况的影响，被控对象的参数可能变化，环境影响对系统造成干扰，多数干扰是随机的[3]。飞控测试系统结构复杂、信号种类多，使用场景变化后测试精度可能发生变化，使用前必须校准。传统解决方法是使用多个校准仪器对测试系统进行校准，效率低；校准频次高，对校准设备资源的占用率高。设计具有自校准功能的测试系统可极大地提高测试系统对多场景应用的适应性，通过自校准技术，能够自动对量测数据中的系统误差进行识别、估计、补偿和修正，从而提高状态的估计精度[4-5]。自校准方法既能消除系统误差，又能减小偶然误差[6]。为了提高测试效率，测试系统必须具备多通道自动测试功能。

1 设计原则

智能化测控技术以计算机为核心，通过智能检测与智能控制自动获取信息，并利用人工智能、专家系统等技术实现检测、监控、自诊断和自修复[7]。

自校准功能是利用测试系统自身资源，实现系统测试功能与测试精度的校准。对测试信号进行归类，每类信号具有发送、接收电路，在测试接口端将发送、接收电路连通形成回路实现通道自校准。校准信号的频率、电压幅值及采样点均需覆盖工作信号的范围。

多通道功能是测试系统具备对多个被测件独立的测试能力，因此需要多个测试接口，通过测控信号进行通道分时切换。需确保通道间的隔离要求、电磁兼容性要求、阻抗匹配要求和安全性要求，满足高速、高同步性能要求[8]，从而实现测试系统多通道测试功能。

该测试系统包含以下几类测试信号：1）ARIN C429 总线信号；2）LVDS 总线信号；3）模拟信号：电压、电流信号，电压信号频率最大为10 kHz，信号幅值为±27 V；4）I/O 信号：输入输出开关量，信号特征为+27 V或+5 V的数字量。测试系统要求具备较为全面的硬件接口，具有良好的实时解算能力，操作维护方便，具有一定的扩展能力和通用要求[9]。该测试系统对外接口类型和数量多，数据速率快，因此对数据处理性能、实时性以及任务调度能力要求较高[10]。

2 硬件设计

2.1 系统结构功能

测试系统实现向被测产品加电、装订任务参数、与被测件信息交换、静态电阻测试等功能。该系统包含测控单元、信号调理单元、切换单元、供电单元、数字万用表和测试接口六部分，其硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图

测控单元以PXI 总线工控机为核心，工控机通过多种测试接口板控制供电电源、信号调理单元、切换单元、数字万用表等工作。在环境应力筛选试验中，测控单元控制温箱升温、降温、保温及停止；测控单元控制振动台起振、停振，实现多种设备协同工作、自动完成试验。

A/D 板为32 路模拟信号输入采集卡，A/D 板包含采集模块和隔离模块，数字隔离能够减少噪声干扰[11]。该板卡具有16 位分辨率、单通道最大采样率为100 kSPS、具有1 024 采样点输入FIFO 缓存，其作用是与信号调理单元配合，采集被测件输出的模拟信号。

D/A 板为16 路模拟信号输出接口板，数模转换作为信号源的核心，其转换精度关系到系统的整体数据精度，决定整个系统能否达到应用要求的关键[12]。D/A 板具有16 位分辨率，输出范围为±10 V，与信号调理单元配合，产生模拟激励信号及系统自检所需模拟信号，在FPGA 的控制下实现多路模拟信号的输出。

429 总线接口卡是以单片机为核心的智能化板卡，单片机采用32 位ARM 单片机LPC2214，负责429数据的发送、接收、格式转换等；CPLD采用EPM3256A实现，其主要作用是进行单片机控制信号与协议芯片控制信号间的译码控制、时序变换；8 kB×16 位双端口存储器实现数据缓冲；429 总线通信协议发送、接收波特率在0～100 kHz 范围内连续可调。

LVDS 接口卡和数字信号调理及切换单元，组合实现数字遥测信息接收、I/O 指令控制及多通道切换的功能，实现8 组共60 位数字量的I/O 控制。

模拟信号调理装置实现被测件与测试设备部件信号间的电平转换、量程变换、隔离等功能。

供电电源为被测产品可靠供电，并具有过压、过流、欠压保护功能。

数字万用表对静态电阻及电压进行测试，电阻测试切换装置能将被测件需要测试的多路电阻中的任意一路接入数字万用表进行测量。

测试接口连接多发产品，并可通过测试接口进行设备自检及校准。

2.2 多通道电路

使用继电器网络和FPGA 控制电路两种方式实现对不同电气特性信号的切换。

1）继电器网络

由于电子选通方式无法通过最高+27 V 的电压，因此电源信号、I/O 信号、模拟量信号使用继电器网络切换，如图2 所示；429 总线接口卡信号电压为±5 V，也使用继电器切换。

图2 继电器网络

继电器网络保证了在任何时刻，信号只能连接至一个被测件，即使是在某个继电器发生粘连故障的情况下，通过该继电器网络也不会出现两个被测件同时接通的情况。

根据信号频率、电压等特性，采用相应的继电器实现被测量信号的选通及切换。电源通道继电器采用日本松下公司的20ATM 型EP 高容量断路继电器，其最大切换电流为20 A，最大切换电压为400 V DC。信号通道采用日本松下公司的RA 高频继电器，该继电器具有1 GHz 高频特性，其触点间插入损耗可达20 dB 以上。

2）FPGA 控制电路

由于FPGA 具有很强的并行处理能力和时序控制能力，因此被广泛地应用于高速并行数据处理领域。使用FPGA 芯片控制的切换电路实现LVDS 信号的切换，如图3 所示。

图3 FPGA切换电路

LVDS 信号为低电压差分信号，其电压值较低，功耗相对小，传输距离短[13]。输出的LVDS 信号经LVDS-TTL 转换器件转换，成为单端TTL 电平信号，送至FPGA；在选通信号控制下，只有被选中的信号被送至FPGA 输出端，这些单端信号再经TTL-LVDS转换器件电平转换，重新变为LVDS 信号送至工控机中的LVDS 接口板。TTL-LVDS 转换器件必须采用具有输出控制的器件，以保证未选中的通道对产品的输出为三态，避免对被测产品造成损坏。因测试数据量较大，对数据传输的准确度要求较高，LVDS-TTL 转换器件电平转换后的信号具有较强的抗干扰能力，提高了数据传输的可靠性[14]。LVDS-TTL 转换器件采用SN75LVDS386，TTL-LVDS转换器件采用SN75LVDS387，FPGA 选用Cyclone 系列的EP1C6 实现。

2.3 自校准电路

利用各类信号独立的发送、接收电路，在测试接口端将发送及接收电路连接起来，通过自发自收实现各通道自校准，自校准示意图如图4 所示。

图4 自校准示意图

ARINC429 总线信号、LVDS 总线信号、I/O 信号为数字量信号，通过信号闭环处理，可实现通道功能及性能自校准。

模拟量信号的校准要求较高，零偏要求小于10 mV，需对零偏和放大系数进行校准，除了回路的整体精度满足要求，还必须保证输入量和输出量的精度。因此模拟量自校准是将AD 电路输出与DA 电路输入在测试接口端连接形成回路，并同时将AD 电路输出信号连接到高精度数字多用表进行测试，数字多用表测量精度可达0.015%DCV。输入输出接口需提供校准内部基准源接口和外接外部基准源接口。

3 软件设计

测控系统软件逻辑架构包含了多个独立功能模块，各模块之间协同运行[15]。测控系统软件实现计量测控、系统测控、综合测控等功能[16]。该测试系统软件包含驱动软件、自校准软件、测控软件、仪器管理软件和信息化软件。

设备驱动程序是测试系统软件访问硬件的基础。应用程序通过设备驱动程序访问底层硬件；设备驱动程序采用WDM 架构，该驱动程序支持PnP 与电源管理功能，且能够实现高效的I/O 操作，提高数据传输速率。

自校准软件能够对设备进行自检校准，软件预设校准参数，包括通道选择、信号种类选择、量值设置，启动自检程序后程序控制硬件自动对预设参数进行自检，并显示校准结果。模拟量AD/DA 通道校准结果判读不合格，启动自适应调整，根据校准结果控制调整零位调整电路或放大系数调整电路，自校准流程如图5 所示。

图5 自校准流程

测控软件控制测试系统自动完成被测件的各项功能、性能测试，并能根据实时记录的数据，对被测件性能进行深度分析。数据采集由计算机自动完成，大大提高了试验效率。

仪器管理软件的作用是对测试系统中的电源、数字多用表、供电控制装置、温箱及振动台进行管理。对供电控制装置进行过压值、过流值、欠压值等各种参数的设置，并能进行过压、过流、欠压报警；对电源的各种参数进行设置、并可将电源的输出值显示在工控机上；温箱管理软件对温箱进行温度控制管理；振动台管理软件实现振动台的控制操作。

信息化软件实现任务接收、数据存储及信息上传功能。在测试前测试设备主动向信息部门数据库发出申请，从任务列表中选择将要进行的测试任务；测试结束后按用户要求，将测试数据自动生成检测报表，并进行存盘、打印等操作；自动完成测试状态与测试数据的信息化上传。

4 测 试

使用自校准电缆在测试系统的测试接口端将信号输入输出连接起来，对各个通道、各种信号进行自校准，ARINC429 总线、LVDS 总线发送随机数，I/O 发送“1”、“0”，模拟通道发送设定值。经测试，数字量平均测试误码率小于10-8，模拟量AD/DA 的零位误差小于10 mV，工作电压范围内的误差小于20 mV，自校准测试数据如表1 所示，测试结果满足使用要求。

表1 AD/DA自校准数据

5 结束语

该导弹飞控测试系统采用多通道、自校准的设计思路，极大地提高了测试效率和环境适应性。采用继电器网络和FPGA 控制电路实现多种电气特性的信号切换；利用测试系统自身资源，将信号发送电路与接收电路连接形成校准回路，程序控制自发自收与高精度仪器检测相结合，实现各通道功能与性能的自校准；多个软件模块设计满足了测试自动化、信息化的需求。通过安装调试及大量的实验表明，该测试系统工作可靠、高效、智能，满足某型导弹飞控系统测试要求。