慣性儀器通用測(cè)試技術(shù)應(yīng)用研究

1、引言

慣性儀器是陀螺儀、加速度表等慣性儀表和陀螺穩(wěn)定平臺(tái)以及捷聯(lián)慣性測(cè)量組合等慣性測(cè)量裝置的總稱，是導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等航天飛行器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中的核心部件。其作用是為飛行器建立方位和姿態(tài)基準(zhǔn)，同時(shí)測(cè)量飛行器相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng)的角度、角速度、速度和加速度。慣性儀器的性能和精度直接影響飛行器飛行彈道，通過測(cè)試，可以判定慣性儀器是否符合技術(shù)條件所要求的性能和質(zhì)量指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)其故障與誤差來源及其規(guī)律，為改進(jìn)總裝技術(shù)和進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償提供依據(jù)。因此，對(duì)慣性儀器的性能測(cè)試無論部隊(duì)還是總裝廠都十分重視。在以往的測(cè)試中，由于慣性儀器的種類較多，各自的用途和工作原理也不盡相同，因此一直沒有制訂統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)范。這里從慣性儀器在飛行器上的應(yīng)用方式分類 ，以捷聯(lián)方式和陀螺穩(wěn)定平臺(tái)方式為主要研究對(duì)象，針對(duì)慣性平臺(tái)、速率陀螺、橫法向儀、捷聯(lián)慣測(cè)組合等單元儀器的共性與特性進(jìn)行研究，對(duì)這四種被測(cè)對(duì)象的測(cè)試需求和測(cè)試方法進(jìn)行總結(jié)和歸納，找到一種滿足大多數(shù)慣性儀器測(cè)試需求的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)一套通用化的慣性儀器測(cè)試系統(tǒng)。

2、設(shè)計(jì)思想

慣性儀器本身就是高精度、高靈敏度的測(cè)量裝置，選擇和采用的測(cè)試方法必須和慣性儀器的工作原理緊密相聯(lián)，因此，我們對(duì)常用的、典型的慣性儀器測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了深入分析、歸納，總結(jié)出典型的測(cè)試方法和手段。同時(shí)，由于慣性儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，品種和接口數(shù)量繁多，對(duì)測(cè)試信號(hào)的數(shù)量、復(fù)雜性以及精度要求等因素變化較大，這就要求測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟結(jié)構(gòu)均具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，達(dá)到“以不變應(yīng)萬變” 的設(shè)計(jì)要求。

通常情況下，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具有三大基本功能，即：信號(hào)的測(cè)量與控制、數(shù)據(jù)的分析與處理，測(cè)試結(jié)果的計(jì)算與輸出。其中：信號(hào)的測(cè)量與控制是測(cè)試系統(tǒng)硬件要解決的主要問題，為解決接口繁多、標(biāo)準(zhǔn)不一的問題，考慮到測(cè)試的靈活性和適應(yīng)性，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，我們采用了“ VXI總線標(biāo)準(zhǔn)儀器模塊+通用信號(hào)轉(zhuǎn)接+適配器”的分層轉(zhuǎn)接模式；對(duì)系統(tǒng)硬件的調(diào)度指揮、數(shù)據(jù)的分析與處理以及測(cè)試結(jié)果的計(jì)算與輸出則是系統(tǒng)軟件解決的主要問題。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，我們?cè)谔摂M儀器軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用通用化的框架式軟件設(shè)計(jì)，構(gòu)建通用的可剪裁的軟件公共平臺(tái)，軟件開發(fā)人員可根據(jù)通用ATE/ATS系統(tǒng)對(duì)軟件功能的要求，在軟件框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能增減及參數(shù)的選配，實(shí)行動(dòng)態(tài)配置，達(dá)到測(cè)試軟件通用化的目的。

VXI總線是一種開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總線接口不僅結(jié)構(gòu)緊湊、標(biāo)準(zhǔn)開放、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、模塊可重復(fù)使用，而且建立在虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（VISA）基礎(chǔ)上的通用軟件框架解決了系統(tǒng)中所使用的各種VXI總線儀器與測(cè)試應(yīng)用軟件開發(fā)的通用化問題，因此，VXI總線儀器所具有的系列化、組合化特點(diǎn)、為組建通用測(cè)試系統(tǒng)提供了良好的技術(shù)支撐。

信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)接是組建通用測(cè)試系統(tǒng)不可缺少的環(huán)節(jié)，也是通用測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中相對(duì)較為復(fù)雜的部分。信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)接的主要作用是連接被測(cè)對(duì)象與VXI測(cè)試儀器，測(cè)試過程中的所有被測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)均在這里進(jìn)行集中。被測(cè)信號(hào)的指標(biāo)超出VXI模塊輸入指標(biāo)的，需經(jīng)過調(diào)理變換，如阻抗變換、放大、衰減，隔離等措施；被測(cè)信號(hào)的指標(biāo)在VXI模塊測(cè)量范圍的，在這里經(jīng)過轉(zhuǎn)接，送入各個(gè)VXI測(cè)試采集通道的信號(hào)輸入端；指令或控制信號(hào)由計(jì)算機(jī)通過這里分配、調(diào)理、轉(zhuǎn)接發(fā)往被測(cè)對(duì)象。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了插卡式的通用信號(hào)轉(zhuǎn)接箱，為不同被測(cè)提供了靈活多變的信號(hào)轉(zhuǎn)接模式。被測(cè)信號(hào)由調(diào)理模塊的前面板輸入，通過調(diào)理板的調(diào)理變換電路后，經(jīng)通用信號(hào)轉(zhuǎn)接箱的背板及機(jī)箱后面板轉(zhuǎn)接，通過外部電纜送給VXI測(cè)控組合中的測(cè)試儀器，完成測(cè)量。測(cè)試信號(hào)也可以采用由機(jī)箱后面板輸入、前面板輸出的“逆向”轉(zhuǎn)接調(diào)理模式，以縮短轉(zhuǎn)接電纜的長(zhǎng)度。 這里的調(diào)理板對(duì)用戶而言可以選用標(biāo)準(zhǔn)配置的，也可以根據(jù)需要由用戶自行設(shè)計(jì)調(diào)理電路。

適配器作為通用信號(hào)轉(zhuǎn)接箱在處理大功率信號(hào)能力的補(bǔ)充，主要用于布放2A 以上的大功率器件的供電與控制電路，在被測(cè)對(duì)象供電功率和被測(cè)信號(hào)小于2A的測(cè)試系統(tǒng)中，適配器機(jī)箱可以省去，被測(cè)信號(hào)直接分配至通用信號(hào)轉(zhuǎn)接箱的輸入端。

3、通用測(cè)試硬件研究

3.1 測(cè)試需求分析

針對(duì)慣性儀器的測(cè)試特點(diǎn)，其測(cè)試內(nèi)容主要包括擴(kuò)功能測(cè)試、調(diào)整測(cè)試、工藝測(cè)試、精度測(cè)試四個(gè)部分。其中，調(diào)整測(cè)試和工藝測(cè)試是生產(chǎn)過程和總裝測(cè)試的主要內(nèi)容；功能測(cè)試和精度測(cè)試是儀器出廠和部隊(duì)測(cè)試的主要內(nèi)容，也是通用測(cè)試的研究重點(diǎn)，其測(cè)試項(xiàng)目主要包括以下內(nèi)容：

1）電源電壓測(cè)試、電流測(cè)試、頻率測(cè)試；
2）陀螺及回路參數(shù)檢查；
3）回路前放測(cè)試；
4）力矩馬達(dá)電流測(cè)試；
5）陀螺慣性時(shí)間測(cè)試；
6）加速度表啟動(dòng)電流測(cè)試；
7）加速度表工作電流測(cè)試；
8）加速度表回路前放測(cè)試；
9）程序功能檢查；
10）程序機(jī)構(gòu)精度檢查；
11）平臺(tái)姿態(tài)角比例系數(shù)和姿態(tài)安全角的測(cè)試；
12）動(dòng)態(tài)漂移精度測(cè)試；
13）調(diào)平精度測(cè)試；
14）直流電阻檢查；
15）馬達(dá)交流電壓和電流、傳感器激磁電源交流電壓和電流的測(cè)試；
16）正、負(fù)指令信號(hào)輸出檢查；
17）零位輸出電壓測(cè)試；
18）靈敏度檢查；
19）輸出特性檢查；
20）極限輸出檢查。
21）捷聯(lián)慣性測(cè)量組合位置標(biāo)定；
22）捷聯(lián)慣性組合速率標(biāo)定；
23）溫控系統(tǒng)和溫度狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

我們對(duì)以上測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行了歸類和總結(jié)：對(duì)測(cè)試系統(tǒng)而言，慣性儀器的電特性參數(shù)主要分為三種類型：被測(cè)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)和控制信號(hào)。被測(cè)信號(hào)中，如電壓、電流、電阻、溫度、轉(zhuǎn)速、加速度、等物理參數(shù)在輸出時(shí)，大多以模擬量或數(shù)字量的形式輸出 ，即：電壓、電流、電阻、脈沖以及波形等信號(hào)；激勵(lì)信號(hào)包括波形信號(hào)、電源和指令控制信號(hào)，在測(cè)試過程中，一般由測(cè)試系統(tǒng)為被測(cè)對(duì)象提供；控制信號(hào)包括數(shù)字量控制和開關(guān)量控制等，一般用于激勵(lì)信號(hào)的控制和被測(cè)設(shè)備供電的控制以及測(cè)量回路的通道控制等。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)組成

圖1 慣性儀器通用測(cè)試系統(tǒng)組成原理圖

基于上述分析，我們構(gòu)建了如圖1所示的系統(tǒng)。其中：

1）主控計(jì)算機(jī)和VXI測(cè)控組合主要是在測(cè)試軟件的控制下，完成測(cè)試所需的指令輸出和測(cè)試數(shù)據(jù)的獲取。其中：

系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的操作指揮中心，它按照測(cè)試流程通過1394總線和VXI總線零槽控制器模塊將測(cè)試命令下達(dá)至各VXI功能模塊，由各VXI總線功能模塊執(zhí)行測(cè)試命令，并將測(cè)試數(shù)據(jù)通過總線傳送給主控計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄和必要的數(shù)據(jù)處理，并對(duì)測(cè)試過程中出現(xiàn)的異�，F(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄、判斷和保護(hù)。

VXI測(cè)控組合組中，數(shù)字多用表模塊配合64路繼電器采樣開關(guān)模塊完成慣性儀器測(cè)試中電壓、電流、電阻等模擬量測(cè)量。32路數(shù)字量輸入/輸出模塊完成開關(guān)量、狀態(tài)量讀取、監(jiān)測(cè)或發(fā)出控制指令。32路繼電器控制開關(guān)模塊完成系統(tǒng)加電控制或保護(hù)控制等。4通道A/D模塊用于測(cè)量波形信號(hào)，任意波形發(fā)生器可以產(chǎn)生測(cè)試過程中所需的激勵(lì)信號(hào)。脈沖數(shù)和時(shí)間的測(cè)量是慣性儀器測(cè)試中的重要參數(shù)，對(duì)測(cè)試精度和穩(wěn)定度要求較高，我們采用高精度和高穩(wěn)定度的多路可逆計(jì)數(shù)器完成脈沖數(shù)和時(shí)間測(cè)試。

2）通用信號(hào)轉(zhuǎn)接箱與信號(hào)調(diào)理模塊是連接被測(cè)與VXI測(cè)試系統(tǒng)的橋梁；測(cè)試信號(hào)在這里進(jìn)行分類與轉(zhuǎn)接調(diào)理后，輸入到各VXI測(cè)量模塊。根據(jù)需要，在信號(hào)調(diào)理模塊中主要設(shè)計(jì)和布置以下電路：

a. 電壓測(cè)量保護(hù)電路；
b. 電流測(cè)量調(diào)理電路；
c. 控制指令驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路；
d. 加電控制、激勵(lì)控制電路；
e. 程序機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路；
f. 歸零鎖定電路；
g. 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路；
h. 溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換及指示電路；
i. 平臺(tái)倒臺(tái)保護(hù)、加度速表飛轉(zhuǎn)保護(hù)電路等；
j. 調(diào)理模塊識(shí)別代碼產(chǎn)生電路；
k.專用電源電路等。

3）專用適配器: 用于對(duì)較大功率（2A以上）信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和變換,再送入通用信號(hào)轉(zhuǎn)接箱或被測(cè)對(duì)象。

4）配套專用設(shè)備：是被測(cè)對(duì)象測(cè)試時(shí)必須的配套輔助設(shè)備，為被測(cè)提供供電、位置翻轉(zhuǎn)與調(diào)整等。一般由工業(yè)部門與慣性儀器配套生產(chǎn)和使用，這里不作深入研究。

4、通用測(cè)試軟件研究

測(cè)試軟件是測(cè)試系統(tǒng)的靈魂，通用化的測(cè)試系統(tǒng)需要通用軟件的支持。在通用測(cè)試系統(tǒng)中追求軟件的易用性、通用性、可維護(hù)性、可擴(kuò)充性和可移植性，也是通用測(cè)試軟件設(shè)計(jì)的最重要內(nèi)容。這里在“虛擬儀器”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了“虛擬系統(tǒng)”的概念。所謂“虛擬系統(tǒng)”，就是由軟件平臺(tái)隔離系統(tǒng)硬件、底層驅(qū)動(dòng)軟件與系統(tǒng)用戶之間的直接聯(lián)系，建立起一個(gè)“抽象層”，由通用平臺(tái)提供一個(gè)通用的測(cè)試構(gòu)成和定義，按照這個(gè)定義，解決不同被測(cè)信號(hào)之間、不同被測(cè)設(shè)備之間、不同被測(cè)系統(tǒng)之間的公用和通用問題。

北京航天測(cè)控公司的“測(cè)試程序自動(dòng)生成器”軟件就是在通用化的背景需求下，為組建通用測(cè)試系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)工具。測(cè)試人員根據(jù)被測(cè)對(duì)象的測(cè)試需求，采用自動(dòng)測(cè)試程序生成器中的流程配置工具，對(duì)測(cè)試過程中調(diào)用的VXI模塊進(jìn)行通道配置、功能調(diào)用、數(shù)據(jù)運(yùn)算、延時(shí)設(shè)置等，無需了解編程語言，就可以完成某個(gè)測(cè)試軟件的開發(fā)。 “測(cè)試程序自動(dòng)生成器”將自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試程序，組織測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試流程，訪問測(cè)試儀器，顯示儀器測(cè)量結(jié)果，調(diào)用相應(yīng)的分析庫(kù)，最終結(jié)果存到結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，并輸出HTML文檔、Word文檔等。

圖2 自動(dòng)測(cè)試生成軟件流程

自動(dòng)測(cè)試生成軟件流程如圖2所示。利用該軟件開發(fā)的測(cè)試程序具有以下主要功能：

1 具有系統(tǒng)自檢功能和一定的故障定位及故障導(dǎo)向功能；
2 測(cè)試程序可自動(dòng)按照流程執(zhí)行，也可由人工干預(yù)單步執(zhí)行；
3 測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示（圖表、曲線等），和測(cè)試數(shù)據(jù)的事后處理、分析功能；
4 具有系統(tǒng)保護(hù)功能，可對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)量值進(jìn)行判斷，超出正常范圍的應(yīng)具有明顯提示；必要時(shí)，由軟件執(zhí)行系統(tǒng)保護(hù)，如停止測(cè)試、系統(tǒng)斷電等。
5 具有軟件仿真功能：仿真測(cè)試所需的各種激勵(lì)、開關(guān)動(dòng)作和儀器的采集數(shù)據(jù)。
6 具有直觀、方便的操作界面，對(duì)測(cè)試流程中的關(guān)鍵步驟具有明顯的提示和軟面板按鍵。
7 具有測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表生成和打印輸出功能；

5、結(jié)論

本文采用VXI總線測(cè)試技術(shù)，在充分研究慣性儀器測(cè)試原理和測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試參數(shù)進(jìn)行了提煉和總結(jié)， 組建了用于慣性儀器測(cè)試的VXI總線通用測(cè)試系統(tǒng)。由于通用化的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)途徑，使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)均具有較強(qiáng)的可移植性和可擴(kuò)充性，使得該系統(tǒng)不僅僅適用于慣性儀器的測(cè)試，只要對(duì)系統(tǒng)中的硬件配置稍加調(diào)整，利用測(cè)試程序自動(dòng)器重新編制測(cè)試流程，就可在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出用于電子儀器測(cè)試、伺服機(jī)構(gòu)測(cè)試乃至飛行器綜合測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)，可大大減少設(shè)計(jì)人員在分析、設(shè)計(jì)、編碼等方面的重復(fù)性勞動(dòng)，縮短測(cè)試系統(tǒng)研制周期、降低研制費(fèi)用。其成果已經(jīng)成功地應(yīng)用于我國(guó)部分導(dǎo)彈的單元或綜合測(cè)試中，也可廣泛推廣應(yīng)用于航空、航天和武器系統(tǒng)等領(lǐng)域的自動(dòng)化測(cè)試。

 

作者：余紅

上海昱新儀器有限公司

2008.3.3