凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀在電子時(shí)間引信通用測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

應(yīng)用領(lǐng)域

電子時(shí)間引信及裝定器產(chǎn)品測試應(yīng)用

挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的電子時(shí)間引信測試系統(tǒng)功能簡單，集成化程度低，需借助各種通用測試設(shè)備輔助完成，操作復(fù)雜，測試效率低下，測試精度受人為因素影響較大。隨著引信性能和功能的逐漸提高，現(xiàn)有的測試手段已無法滿足使用要求。因此提出了建立高性能電子時(shí)間引信通用測試系統(tǒng)的設(shè)想，該測試系統(tǒng)采取通用化、模塊化、集成化的設(shè)計(jì)思路，具有操作簡便、測量精度高、采購成本低、升級簡單、攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了全自動引信測試、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、性能分析等功能，使電子時(shí)間引信性能測試系統(tǒng)的技術(shù)水平有了質(zhì)的提高。

解決方案

電子時(shí)間引信通用測試系統(tǒng)使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)開發(fā)平臺，使用凌華科技的PCI-9846高速數(shù)字化儀作為信號采集模塊，使用圖形化編程軟件 LabVIEW進(jìn)行測試過程的控制、數(shù)據(jù)的分析判斷和用戶界面的開發(fā)，配合PCI-7230隔離數(shù)字輸入輸出卡、PCI-7250繼電器輸出卡等信號控制模塊、專用信號調(diào)理電路、數(shù)字程控電源，實(shí)現(xiàn)了通用化、模塊化的電子時(shí)間引信自動化測試系統(tǒng)，可完成電子時(shí)間引信產(chǎn)品的裝定波形、工作電壓、電流、功耗、輸入輸出信號等電性能的實(shí)時(shí)測量與評估。

電子時(shí)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(yuǎn)程壓制武器系統(tǒng)的主要裝備。電子時(shí)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(yán)格的測試，才能提供用戶使用。所以各種電子時(shí)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(shí)間引信技術(shù)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(shí)間引信的測試設(shè)備之間不具備通用性和互換性，因此急需設(shè)計(jì)一種新的通用測試系統(tǒng)來解決這些問題。

1 電子時(shí)間引信的工作原理及測試系統(tǒng)要求

電子時(shí)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(shí)間，彈藥發(fā)射后，電子時(shí)間引信以發(fā)射時(shí)刻為起點(diǎn)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到預(yù)先裝定的作用時(shí)間后，輸出開艙點(diǎn)火信號給戰(zhàn)斗部，完成彈藥起爆。

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

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

提供控制裝定器工作的模擬火控信號。

可按照實(shí)際工作時(shí)序控制電子時(shí)間引信和裝定器工作。

可提供模擬時(shí)間修改信號。

可為被測產(chǎn)品提供模擬負(fù)載。

可以采集多路模擬信號和數(shù)字信號。

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

2 方案設(shè)計(jì)

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

高集成度，盡量減少占用空間，便于移動。

自動化，盡量減少人為因素對產(chǎn)品測試結(jié)果帶來的影響。

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

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

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

根據(jù)電子時(shí)間引信的工作特點(diǎn)和自動化、通用化的使用要求，虛擬儀器技術(shù)十分符合方案要求，并且能夠較好地達(dá)到方案預(yù)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(xué)易用的開發(fā)軟件，可以利用它快速、簡便地開發(fā)出復(fù)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(jī)加PCI板卡的方式，并通過擴(kuò)展USB端口、串口、及其它模塊單元進(jìn)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(shè)計(jì)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(shí)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(jī)算機(jī)通過串行接口，可對其進(jìn)行編程，使其輸出電壓滿足不同型號電子時(shí)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(diǎn)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(jìn)行采集。

電子時(shí)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(jìn)行控制輸出。

信號調(diào)理電路主要是將被測電子時(shí)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(guān)常開、常閉觸點(diǎn)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(dāng)測試不同型號的電子時(shí)間引信和裝定器產(chǎn)品時(shí)，只需更換測試電纜和調(diào)用相應(yīng)的測試軟件及參數(shù)設(shè)置就可以了。

關(guān)鍵模塊軟硬件的實(shí)現(xiàn)

1)參數(shù)裝定功能的測試

電子時(shí)間引信在進(jìn)行參數(shù)裝定時(shí)，為了滿足快速反應(yīng)的要求，需要在盡量少的時(shí)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(jìn)行的，直到彈藥發(fā)射出去為止，所以進(jìn)行產(chǎn)品的裝定可靠性測試時(shí)，需要進(jìn)行長時(shí)間的連續(xù)裝定測試。由以上所列舉的有關(guān)進(jìn)行參數(shù)裝定功能測試的特點(diǎn)，可知完成該項(xiàng)測試的關(guān)鍵是測試系統(tǒng)要同時(shí)具有較高的采樣率和較長的數(shù)據(jù)存儲時(shí)間兩項(xiàng)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(shè)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(shí)時(shí)高精度采集，而且其配備了高達(dá)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(shí)間的波形，滿足了進(jìn)行連續(xù)裝定可靠性測試時(shí)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(gè)參數(shù)均可以通過軟件進(jìn)行調(diào)整，因此對數(shù)字信號裝定的產(chǎn)品可直接進(jìn)行采集處理，對模擬信號裝定的產(chǎn)品，因?yàn)槠溲b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(jìn)行分壓，將其轉(zhuǎn)換到±5V的范圍內(nèi)進(jìn)行采集。

進(jìn)行裝定性能測試時(shí)，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(yùn)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(gè)通道記錄裝定信號波形，一個(gè)通道檢測供給產(chǎn)品的工作電源信號，一個(gè)通道檢測產(chǎn)品的工作電流信號，同時(shí)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(jìn)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(jìn)行測量，根據(jù)產(chǎn)品的性能指標(biāo)給出判定結(jié)果。

圖2 數(shù)據(jù)采集子程序

進(jìn)行連續(xù)裝定功能測試時(shí)，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(gè)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(shí)，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(shí)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(gè)測試流程結(jié)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(jìn)行分析處理，將還原的波形信號進(jìn)行顯示，并對每一組裝定信號進(jìn)行性能分析，判斷參數(shù)裝定的可靠性，并給出統(tǒng)計(jì)結(jié)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

2)電子時(shí)間引信計(jì)時(shí)精度的測試

電子時(shí)間引信的計(jì)時(shí)時(shí)間是指其從接收到計(jì)時(shí)啟動信號開始計(jì)時(shí)時(shí)刻，到輸出點(diǎn)火信號時(shí)刻的時(shí)間之差，根據(jù)不同型號引信應(yīng)用背景的不同，其計(jì)時(shí)精度和計(jì)時(shí)時(shí)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(shí)間引信其計(jì)時(shí)精度要達(dá)到微妙級，計(jì)時(shí)時(shí)間長度到100毫秒以上，對其進(jìn)行計(jì)時(shí)精度測試時(shí)最重要的是采樣率要足夠高，而對遠(yuǎn)程壓制武器系統(tǒng)所使用的電子時(shí)間引信其計(jì)時(shí)精度為毫秒級，但計(jì)時(shí)時(shí)間長度要達(dá)到400秒以上，對其進(jìn)行測試時(shí)采樣率可以適當(dāng)?shù)慕档?，以滿足長時(shí)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(shí)間引信進(jìn)行計(jì)時(shí)精度測試時(shí)，數(shù)字化儀的采樣率可通過軟件進(jìn)行控制，從1MS/s到40MS/s不同，在保證了時(shí)間測試精度的前提下，也節(jié)省了系統(tǒng)資源。

進(jìn)行計(jì)時(shí)精度測試時(shí)，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(yùn)行數(shù)據(jù)采集子程序，同時(shí)發(fā)送啟動控制信號給被測引信，使被測引信開始計(jì)時(shí)，測試系統(tǒng)同步監(jiān)測被測引信的啟動控制信號、點(diǎn)火輸出信號、工作電壓及工作電流等，當(dāng)監(jiān)測到點(diǎn)火信號后，停止信號采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從啟動信號開始時(shí)刻到點(diǎn)火信號輸出時(shí)刻即為引信的計(jì)時(shí)時(shí)間，同時(shí)還要對引信的點(diǎn)火信號波形進(jìn)行分析，對點(diǎn)火信號的最大電壓進(jìn)行測量，對點(diǎn)火信號波形進(jìn)行積分，判斷引信輸出的點(diǎn)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(biāo)要求。圖4為測試系統(tǒng)采集到的某型號電子時(shí)間引信啟動信號和點(diǎn)火信號波形。

圖4 某型號引信啟動信號和點(diǎn)火信號波形

3)產(chǎn)品控制信號的產(chǎn)生

電子時(shí)間引信和裝定器工作時(shí)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(shí)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(shí)，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(jì)時(shí)啟動信號，被測引信開始計(jì)時(shí)，根據(jù)不同引信的測試要求，通過數(shù)字輸入通道實(shí)時(shí)監(jiān)測被測引信的各種中間特征信號，如果測試具有時(shí)間修改功能的電子時(shí)間引信時(shí)，在引信開始計(jì)時(shí)以后，還要通過另外3個(gè)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

4)測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電子時(shí)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(shè)計(jì)，為了滿足高速率采集的要求，采用多線程編程，應(yīng)用程序被分為3個(gè)線程：一個(gè)用戶界面線程，一個(gè)數(shù)據(jù)獲取線程和一個(gè)儀器控制線程。具有良好的人機(jī)交互界面，可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、存儲及自動報(bào)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(shè)計(jì)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(yīng)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(yīng)的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)。

2)電源設(shè)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(jìn)行系統(tǒng)工作電源的自動調(diào)整，并將調(diào)整結(jié)果反饋給系統(tǒng)控制軟件。

3)測試項(xiàng)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(jì)時(shí)精度功能測試等不同測試內(nèi)容進(jìn)行選擇，同時(shí)針對不同的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)項(xiàng)目自動加載相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)。

4)功能測試

功能測試在前三項(xiàng)選擇完畢后點(diǎn)擊運(yùn)行即可自動進(jìn)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(guān)特征信號進(jìn)行采集。每個(gè)測試項(xiàng)目都封裝成一個(gè)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(jìn)行設(shè)置修改，如裝定時(shí)間、修改時(shí)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(jìn)行記錄、分析處理和存儲，包括當(dāng)前測試日期、時(shí)間、測試數(shù)據(jù)和各測試項(xiàng)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(bào)表生成

當(dāng)需要打印或提交測試報(bào)告時(shí)，可通過LabVIEW報(bào)表生成工具包調(diào)用相應(yīng)的報(bào)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(bào)表和文件。

5 測試及性能驗(yàn)證

測量數(shù)據(jù)的圖形化實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)趨勢圖控件。實(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)控被測信號的變化。

本測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(dāng)數(shù)據(jù)回放時(shí)，顯示的波形還可以進(jìn)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(gòu)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(qiáng)大的分析工具包，完全可以勝任復(fù)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(jié)果在運(yùn)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(jié)果。

測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，我們設(shè)置了一些條件對系統(tǒng)的實(shí)際性能進(jìn)行了測試。通過測試人員操作，對平均單發(fā)產(chǎn)品測試時(shí)間進(jìn)行了測量;通過重復(fù)測試，對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證;通過設(shè)置故障，對系統(tǒng)的檢出率水平進(jìn)行了測試;通過信號對比標(biāo)定，對系統(tǒng)的測試精度進(jìn)行了測試。經(jīng)過測試表明，測試系統(tǒng)的單發(fā)測試時(shí)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(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

6 結(jié)論

針對電子時(shí)間引信的工作特點(diǎn)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(shù)，通過工控機(jī)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(shè)計(jì)，結(jié)合LabVIEW的圖形化軟件編程，開發(fā)出了功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越且易于擴(kuò)展的電子時(shí)間引信通用測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對測試過程和步驟進(jìn)行自動化控制、對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對故障模式進(jìn)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(yīng)用。