一種基于PXI技術(shù)的無人機(jī)綜合測試系統(tǒng)

摘要：采用虛擬儀器技術(shù)，在PXI體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了某型無人機(jī)電氣性能綜合測試系統(tǒng)，可對無人機(jī)全機(jī)或各部件的性能進(jìn)行全面檢測。系統(tǒng)具有硬件可靠性高、軟件可移植性和可擴(kuò)充性強(qiáng)等特點(diǎn)，并具有優(yōu)良的性價(jià)比。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 機(jī)載設(shè)備 參數(shù)測試 模塊化結(jié)構(gòu)

隨著虛擬儀器在測控技術(shù)上的廣泛應(yīng)用，設(shè)備檢測已進(jìn)入到開放性和具有模塊化儀器總線的新階段。無人機(jī)電氣性能綜合測試系統(tǒng)是基于PXI體系結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的檢測設(shè)備，可對無人機(jī)全機(jī)功能、各分系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)、工作程序、協(xié)同動作和各種激勵響應(yīng)等進(jìn)行綜合性檢測。測試系統(tǒng)不僅能對被測對象的各種物理參數(shù)實(shí)施非電量到電量的轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、記錄和顯示，還能對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析計(jì)算，自動生成測試結(jié)果報(bào)告。系統(tǒng)用靈活的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，并用計(jì)算機(jī)直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特征的解析，使硬件開發(fā)的工作量大大減小。

1 系統(tǒng)組成

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以PXI體系結(jié)構(gòu)作為測試平臺，配以相應(yīng)的功能模板。為統(tǒng)一檢測設(shè)備外部接口特性，設(shè)計(jì)了各被測設(shè)備的適配器，對被測信號做一定調(diào)理。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

內(nèi)嵌入控制計(jì)算機(jī)PXI-8156/333是測試系統(tǒng)的核心部件，它控制測控儀器按邏輯次序和實(shí)驗(yàn)測試規(guī)程運(yùn)作，并以良好的人-機(jī)界面顯示被測設(shè)備的工作狀態(tài)及測試結(jié)果。

數(shù)據(jù)采集模塊PXI-6031E具有64路模擬輸入通道、兩路16位模擬輸出通道、8條數(shù)字I/O線、兩個(gè)24位的可逆定時(shí)/計(jì)數(shù)器，16位垂直分辨率，100kS/s采樣率。D/A輸出模塊PXI-67138路12位模擬輸出通道和高速數(shù)據(jù)傳遞功能，每通道數(shù)據(jù)更新率最高為1MS/s。PXI-8420、8421是兩個(gè)8路RS-232和RS-422串行通訊模塊，數(shù)據(jù)傳輸速率為460Kb/s，分別接收或模擬發(fā)送各種串行數(shù)據(jù)。矩陣開關(guān)模塊NI-2501在系統(tǒng)中以多路復(fù)用器的模式使用，用以提高系統(tǒng)應(yīng)用靈活性。

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件由系統(tǒng)管理軟件、系統(tǒng)自檢軟件、功能模塊軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、系統(tǒng)幫助軟件等組成。

測試系統(tǒng)選用了NI公司的Measurement Studio和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺。Measurement Studio主要應(yīng)用于虛擬儀器的開發(fā)測試和自動化應(yīng)用軟件，它捆綁了LabWindows/CVI和Component Works++，使兩者可以方便地結(jié)合使用。它以ANSI C語言為內(nèi)核，集成了許多高級的功能函數(shù)庫，如串行通信庫、VXI庫、VISA庫、DDE庫等，支持動態(tài)鏈接庫（DDL）。另外該平臺在儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)顯示等方面給用戶提供了強(qiáng)大的功能。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可使數(shù)據(jù)和應(yīng)用提供了強(qiáng)大的功能。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可使數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序盡可能地相互獨(dú)立，這樣的應(yīng)用程序便于修改，通用性強(qiáng)。

在虛擬儀器面板方面，該平臺提供了大量的儀器面板控件，如數(shù)據(jù)顯示框、滑桿、旋鈕、表頭、開關(guān)、LED、按鈕等。通過編程可以對這些控件進(jìn)行靈活的控制，為開發(fā)虛擬儀器軟件提供了極大的方便。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組織及工作原理

無人機(jī)電氣性能綜合測試系統(tǒng)的功能框圖如圖2所示。

系統(tǒng)對待測對象旋加輸入激勵信號，檢測其輸出特性，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，對待測對象的工作狀態(tài)進(jìn)行判定。下面介紹測試系統(tǒng)各主要單元的功能和相互間的關(guān)系。

2.1.1 控制計(jì)算機(jī)

PXI系統(tǒng)的內(nèi)嵌式計(jì)算機(jī)作為測試系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)，其主要功能是對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制并完成數(shù)據(jù)處理。

2.1.2 機(jī)載計(jì)算機(jī)

機(jī)載計(jì)算機(jī)在測試系統(tǒng)中有兩種工作模式：待測模式和測試模式。

待測模式即機(jī)載計(jì)算機(jī)作為被測試對象。測試系統(tǒng)通過設(shè)備模擬（數(shù)字）輸出單元向機(jī)載計(jì)算機(jī)施加模擬（數(shù)字）激勵信號，同時(shí)測試系統(tǒng)通過模擬量（數(shù)字量）檢測單元檢測機(jī)載計(jì)算機(jī)的模擬（數(shù)字）輸出信號。檢測結(jié)果送往控制計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，對機(jī)載計(jì)算機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行判定。

測試模式即機(jī)載計(jì)算機(jī)作為測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變換單元。機(jī)載計(jì)算機(jī)接收來自電氣設(shè)備的輸出信號，通過數(shù)據(jù)變換，輸出相應(yīng)的信號。測試系統(tǒng)對該信號進(jìn)行檢測，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，對各電敢設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行判定。

2.1.3 模擬量檢測單元

將數(shù)據(jù)采集單元作為測試系統(tǒng)的模擬量檢測單元，主要用來檢測機(jī)載計(jì)算機(jī)的模擬輸出、待測電氣設(shè)備的模擬輸出以及模擬量設(shè)備仿真單元的輸出。測試結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線送給控制計(jì)算機(jī)的進(jìn)行處理。此外，控制計(jì)算機(jī)可通過數(shù)據(jù)總線對模擬量檢測單元的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，并對其采集過程進(jìn)行控制。

2.1.4 模擬量設(shè)備仿真單元

PXI系統(tǒng)的模擬輸出單元作為測試系統(tǒng)的模擬量設(shè)備仿真單元，主要用來仿真電氣設(shè)備的模擬量輸出以及作為機(jī)載計(jì)算機(jī)的模擬激勵信號。

2.1.5 串行數(shù)字信號檢測單元和數(shù)字設(shè)備仿真單元

PXI系統(tǒng)的RS-232、RS-422串行接口單元作為測試系統(tǒng)的串行數(shù)字信號檢測單元和串行數(shù)字設(shè)備仿真單元。串行數(shù)字信號檢測單元檢測機(jī)載計(jì)算機(jī)及有關(guān)串行數(shù)字電氣設(shè)備的輸出信號。串行數(shù)字設(shè)備仿真單元主要用來仿真串行數(shù)字設(shè)備的輸出，并將此輸出作為機(jī)載計(jì)算機(jī)的串行數(shù)字激勵信號。

2.2 自動測試與手動測試

電氣性能綜合測試系統(tǒng)可對機(jī)載計(jì)算機(jī)的其它電氣設(shè)備進(jìn)行自動或手動測試，現(xiàn)分別介紹。

2.2.1 自動測試

自動測試過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示、打印報(bào)告等過程。自動測試分為三種模式：缺省模式、基本模式和高級模式。其中缺省模式和基本模式無需用戶進(jìn)行初始設(shè)備；高級模式允許用戶進(jìn)行初始設(shè)置。

選擇缺省模式，用戶直接啟動即可進(jìn)行自動測試。在缺省模式測試中，各模擬通道只在三點(diǎn)設(shè)輸入值，即0值、中間值和滿度值。各串行數(shù)字通道設(shè)置復(fù)雜序列作為串行數(shù)字激勵信號。所謂復(fù)雜序列是指編碼值較復(fù)雜，但各幀編碼值相同。

選擇基本模式，用戶可利用三種方式進(jìn)行自動測試。按照各模擬通道設(shè)置的測試點(diǎn)多少，將基本模式分為單點(diǎn)方式、多點(diǎn)方式和動態(tài)方式。在單點(diǎn)方式中，各模擬通道只設(shè)中間值。各串行數(shù)字通道設(shè)置簡單序更作為串行數(shù)字激勵信號。在多點(diǎn)方式中，各模型通道分別在多處設(shè)置測試點(diǎn)，各串行數(shù)字通道設(shè)置復(fù)雜序列作為串行數(shù)字激勵信號。在動態(tài)方式中，各模擬通道以合理的步長高密度設(shè)置。各串行數(shù)字通道設(shè)置隨機(jī)序列作為串行數(shù)字激勵信號。

選擇高級模式，允許用戶進(jìn)行初始設(shè)置，用戶可采用更復(fù)雜的數(shù)字模型以產(chǎn)生更適合用戶需要的激勵信號。

在系統(tǒng)進(jìn)行自動測試時(shí)，允許用戶選擇暫停、繼續(xù)以及取消功能，以便用戶在需要時(shí)人工干預(yù)測試過程。

2.2.2 手動測試

手動測試主要用于各個(gè)電氣設(shè)備的單獨(dú)測試。測試前均允許用戶進(jìn)行各項(xiàng)初始設(shè)置。

2.3 實(shí)時(shí)處理與事后處理

實(shí)時(shí)處理時(shí)采集的數(shù)據(jù)只在內(nèi)存緩存，并且數(shù)據(jù)不斷更新。事后處理是指測試過程結(jié)束后，在需要的時(shí)候回放數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種更復(fù)雜的處理，以便進(jìn)行更詳細(xì)的觀察和分析。要進(jìn)行事后處理，初始設(shè)置時(shí)需設(shè)置數(shù)據(jù)存儲功能。

無論實(shí)時(shí)處理還是事后處理，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合顯示和分頁顯示。分頁顯示是指對各電氣設(shè)備的測試結(jié)果分別單獨(dú)顯示。

2.4 自檢

2.4.1 模擬通道

自檢采用兩種方式。一是設(shè)置校驗(yàn)通道，在測試過程中始終對其進(jìn)行監(jiān)視，以便對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行全程檢查；二是在所有通道輸入標(biāo)準(zhǔn)信號，在測試前對各通道進(jìn)行掃描式檢查，以完成開機(jī)自檢。

2.4.2 串行數(shù)字通道

開機(jī)自檢時(shí)各通道的發(fā)送端與接收端相連，在發(fā)送端加載確定的測試序列信號，與接收端進(jìn)行比較，以確定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。全程檢查則采用比較發(fā)送端與接收端的信號，判定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2.5 應(yīng)用軟件及說明

本測試系統(tǒng)的應(yīng)用軟件如圖3所示。應(yīng)用軟件由系統(tǒng)管理軟件、數(shù)據(jù)庫軟件以及功能模塊軟件組成。其中功能模塊軟件包括數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、信息處理與評估軟件、電氣設(shè)備仿真軟件以及串口通信軟件。

系統(tǒng)管理軟件協(xié)調(diào)各功能模塊的時(shí)序關(guān)系，監(jiān)視各功能模塊和數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行狀態(tài)，控制各功能模塊及數(shù)據(jù)庫之間的調(diào)用。在頁面上的提供了用戶對硬件和軟件系統(tǒng)的管理設(shè)定功能。系統(tǒng)管理軟件采用多線程編程技術(shù)，以提高系統(tǒng)響應(yīng)能力并進(jìn)行平滑的后臺設(shè)備。

數(shù)據(jù)庫軟件主要用來將輸入輸出數(shù)據(jù)與測試過程盡可能地分離。其中輸入數(shù)據(jù)包括用于初始設(shè)置之類的數(shù)據(jù)；輸出數(shù)據(jù)包括測試結(jié)果之類的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫軟件包括測試械、采集格式、參數(shù)標(biāo)定、電氣設(shè)備數(shù)字模型、導(dǎo)出參數(shù)公式、顯示設(shè)置、結(jié)果報(bào)告和信息處理與評估判據(jù)。

電氣設(shè)備仿真軟件根據(jù)來自數(shù)據(jù)庫的電氣設(shè)置數(shù)學(xué)模型模擬設(shè)備的工作特性。模擬數(shù)字加載到D/A插件，仿真如垂直陀螺等模擬輸出設(shè)備的工作；加載到串行接口部件，仿真如磁航向傳感器等數(shù)字輸出設(shè)備的工作。

串口通信軟件接收來自飛控計(jì)算機(jī)及有關(guān)電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)，向飛控計(jì)算機(jī)及有關(guān)電氣設(shè)備發(fā)送來自數(shù)據(jù)庫的模擬數(shù)字或根據(jù)虛擬鍵盤命令產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集軟件向A/D插件加載來自數(shù)據(jù)庫的采集格式等有關(guān)初始設(shè)備數(shù)據(jù)，完成通道選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲等任務(wù)。

數(shù)據(jù)處理軟件接收采集的原始數(shù)據(jù)及串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行參數(shù)選擇、工程單位變換等處理。

信息處理與評估軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫的處理與評估判斷，分析收集到的有關(guān)數(shù)據(jù)，對被測對象的工作狀態(tài)進(jìn)行評估。

無人機(jī)綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分利用了虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想。將綜合測試設(shè)備系統(tǒng)或部件測試中，對系統(tǒng)或部件的性能進(jìn)行全面檢測，可提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)的質(zhì)量水平，減少系統(tǒng)聯(lián)試和外場飛行的風(fēng)險(xiǎn)，從而在提高產(chǎn)品可靠性和壽命、降低產(chǎn)品成本、縮短研制周期等方面均具有積極的作用。