摘要：通過(guò)對(duì)無(wú)線電高度表進(jìn)行分析與研究，并對(duì)被測(cè)對(duì)象測(cè)試需求特征進(jìn)行綜合分析，優(yōu)化測(cè)試項(xiàng)目，優(yōu)化測(cè)試資源配置，設(shè)計(jì)出適用的無(wú)線電高度表測(cè)試設(shè)備。測(cè)試儀硬件采用基于PCI總線結(jié)構(gòu)的工控機(jī)，軟件采用LabWindows／CVI開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線電高度表；檢測(cè)設(shè)備；PCI；LabWindows／CVI

O 引言
    為了適應(yīng)高科技條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)，不僅要不斷地提高戰(zhàn)斗機(jī)的性能，而且對(duì)相應(yīng)檢測(cè)設(shè)備也提出了更高要求。先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用是戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)修理的發(fā)展方向，是減少維修時(shí)間、提高裝備完好率的重要手段。本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)設(shè)備的技術(shù)高低對(duì)高度表的日常維護(hù)、檢測(cè)起了決定性的作用。
    本文對(duì)高度表的組成和工作原理進(jìn)行分析，確定被測(cè)試項(xiàng)目。重點(diǎn)對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行分析，采用并行的開(kāi)發(fā)模式。選擇適合的工控機(jī)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)理電路。軟件用LabWindows／CVI語(yǔ)言，完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等開(kāi)發(fā)。

1 高度表概述
    本文所研究的無(wú)線電高度表(以下簡(jiǎn)稱高度表)作為某型導(dǎo)彈縱向彈道控制的關(guān)鍵部件，其性能的好壞將直接影響著導(dǎo)彈飛行高度的準(zhǔn)確性和戰(zhàn)術(shù)發(fā)揮。在導(dǎo)彈飛行過(guò)程中，它實(shí)時(shí)測(cè)量導(dǎo)彈相對(duì)陸地(或海面)的真實(shí)高度，并給出與高度成正比的高度脈沖信號(hào)送給綜合控制計(jì)算機(jī)，以協(xié)助控制導(dǎo)彈在預(yù)定的高度上穩(wěn)定飛行。
    對(duì)于LFMCW高度表，其測(cè)高原理主要有差頻法和調(diào)制信號(hào)周期法。由于該高度表采用恒定差拍閉環(huán)體制，則其測(cè)高原理為調(diào)制信號(hào)周期法，可用式(1)來(lái)表征：
   
式中：fb——差拍頻率(Hz)；
     △F——調(diào)頻帶寬(MHz)；
       C——電磁波傳播速度(3×1O8 m／s)；
      Tm——鋸齒波調(diào)制周期(μs)；
       H——被測(cè)高度(m)。
    對(duì)于確定的高度表，Tm與H成正比。當(dāng)保持高度脈沖信號(hào)與調(diào)制周期Tm同步時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)高度測(cè)量。

2 測(cè)試需求
    高度表本質(zhì)上屬于近程無(wú)線電探測(cè)系統(tǒng)，為判斷這類系統(tǒng)工作狀態(tài)與性能，通常對(duì)其高頻輻射信號(hào)和信號(hào)處理電路輸出的控制信號(hào)或狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢查其是否滿足輻射設(shè)計(jì)指標(biāo)要求、工作時(shí)序與工作狀態(tài)要求。對(duì)該型高度表，需要檢查輻射信號(hào)頻率、帶寬、功率和整機(jī)靈敏度；檢查搜索／跟蹤狀態(tài)；檢查工作狀態(tài)是否滿足要求；檢查給定高度時(shí)，高度表輸出控制信號(hào)的正確性；還要監(jiān)測(cè)整機(jī)工作電流。高度表工作是否正常、性能是否滿足探測(cè)、跟蹤與測(cè)距精度要求。

3 整體設(shè)計(jì)思路
    本檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則，以使系統(tǒng)功能完善、技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良、使用安全、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，并具有一定動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。從功能上講，要它能夠順利完成高度表的自動(dòng)測(cè)試任務(wù)，具有連續(xù)自動(dòng)測(cè)試、單步測(cè)試、自檢、測(cè)試結(jié)果儲(chǔ)存打印顯示等功能。
    根據(jù)該系統(tǒng)的使命任務(wù)要求，“無(wú)線電高度表測(cè)試系統(tǒng)”由工控機(jī)、功能模板、適配器、程控高度模擬器和測(cè)試與管理軟件5個(gè)子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子系統(tǒng)間控制與信息相互關(guān)系如圖l所示。


3．1 系統(tǒng)所涉及的各個(gè)子硬件功能介紹
3．1．1 工控機(jī)
    工控機(jī)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)操作、測(cè)控程序、管理程序的基本平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)運(yùn)行與管理。它提供測(cè)試功能模板所需的PCI總線，該總線也作為測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)控總線。鑒于測(cè)試系統(tǒng)使用中溫度、力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求較高，擬選用西門子公司的工控機(jī)產(chǎn)品作為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)控中心。
3．1．2 功能模板
    功能模板是根據(jù)被測(cè)試信號(hào)種類和測(cè)試精度選購(gòu)的。在高度表測(cè)試中，需要的功能模板主要有數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字I／O卡、計(jì)數(shù)卡和繼電器矩陣卡。這些功能模板均選用PCI總線結(jié)構(gòu)，以便裝載在工控機(jī)內(nèi)。
3．1．3 適配器
    適配器的作用是對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、分類，使得測(cè)試資源與被測(cè)信號(hào)適配，在模擬被測(cè)對(duì)象和數(shù)字測(cè)試資源之間建立一個(gè)測(cè)試接口。主要由分壓轉(zhuǎn)換、光隔離、開(kāi)關(guān)控制組合、衰減控制組合、電源模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。


    分壓與轉(zhuǎn)換模塊主要完成模擬電壓信號(hào)調(diào)理和分類，使得較大幅值電壓信號(hào)按比例調(diào)整到數(shù)據(jù)采集卡測(cè)試范圍內(nèi)，并將同類模擬信號(hào)集中送至繼電器矩陣，以便測(cè)試選擇。
    光隔離模塊主要對(duì)Pc、Pn信號(hào)進(jìn)行隔離與電平轉(zhuǎn)換處理，以適應(yīng)計(jì)數(shù)卡輸入計(jì)數(shù)信號(hào)電平需要。同時(shí)，對(duì)微波開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離，以減小微波信號(hào)干擾。
    因?yàn)槲⒉ㄩ_(kāi)關(guān)數(shù)量較多，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)邏輯組合，用四位信號(hào)控制16路開(kāi)關(guān)。
    衰減控制信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制D／A器件產(chǎn)生，視具體電控衰減其型號(hào)確定。
    電源模塊為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)和高度表提供測(cè)試電源，輸出電壓分別為+28．5VDC、±15VDC、+5VDC、+3．3VDC等。
3．1．4 程控高度模擬器
    程控高度模擬器為模擬發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)與接收天線之間往返路徑產(chǎn)生的參數(shù)變化而設(shè)計(jì)，完成射頻信號(hào)經(jīng)由的自由空間狀態(tài)模擬，即模擬導(dǎo)彈的飛行高度。程控高度模擬器為高度表測(cè)試提供測(cè)試高度要求的電磁波衰減與延遲特性，從而提供閉環(huán)測(cè)試條件。程控高度模擬器主要由微波開(kāi)關(guān)、電控衰減器、延遲組件和控制部分組成，如圖3所示。


    延遲組件采用聲體波延遲技術(shù)制作，由電(聲)轉(zhuǎn)換薄膜換能器、傳播聲波晶體、匹配網(wǎng)絡(luò)(或?yàn)V波器)三部分組成。根據(jù)測(cè)試要求，需要模擬7個(gè)不同的導(dǎo)彈飛行高度，因此需要7個(gè)延遲組件。每個(gè)延遲組件延遲時(shí)間是固定的，根據(jù)模擬的高度不同，確定每個(gè)延遲組件的延遲時(shí)間。在每個(gè)模擬高度上，程控高度模擬器總的延遲時(shí)間τ應(yīng)該滿足式(2)：
  
    即由微波開(kāi)關(guān)、延遲組件、程控衰減器和傳輸通道產(chǎn)生的延遲時(shí)間均應(yīng)考慮在內(nèi)。
    微波開(kāi)關(guān)用來(lái)作為天線信號(hào)通道控制器件，選擇射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)的延遲組件，每一時(shí)刻只打開(kāi)一個(gè)通道。通道選擇由微波開(kāi)關(guān)控制電路實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行通道轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)當(dāng)先斷開(kāi)當(dāng)前通道，然后接通新的通道。
    電控衰減器與延遲組件、微波開(kāi)關(guān)串聯(lián)在射頻信號(hào)回路中，用于模擬射頻信號(hào)傳播不同路徑時(shí)產(chǎn)生的能量衰減。衰減值大小由施加的控制信號(hào)控制，當(dāng)控制電壓為O 時(shí)衰減最小。在不同模擬高度上的衰減值大小同樣要綜合考慮衰減器衰減值、其它器件和傳輸通道產(chǎn)生的衰減。衰減值與控制電壓關(guān)系視具體衰減器型號(hào)而定。
    無(wú)延遲組件射頻信號(hào)通道是專為高度表射頻頻率、發(fā)射功率和頻偏測(cè)試而設(shè)計(jì)。發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)固定衰減器與本振信號(hào)(頻率固定)混頻(下變頻)，經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波器濾波后進(jìn)行正交變換，將該信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采樣，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算射頻信號(hào)發(fā)射功率、中心頻率和調(diào)頻帶寬。盡管該部分不屬于高度模擬器，但因其高頻屬性而放在一起。該部分的另外一種選擇方案就是利用頻譜儀、微波功率計(jì)等市售儀器組成射頻參數(shù)測(cè)試子系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是便于維修調(diào)試，缺點(diǎn)是費(fèi)用高。
3．2 測(cè)試與管理軟件
    “無(wú)線電高度表測(cè)試系統(tǒng)”軟件主要由操作系統(tǒng)(Windows XP)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows／CVI和測(cè)試軟件集組成，相互關(guān)系見(jiàn)圖4。


    LabWindows／CVI是一種高效率的開(kāi)發(fā)軟件，可以編譯生成獨(dú)立運(yùn)行的測(cè)試程序。LabWindows／CVI采用C語(yǔ)言編程，與儀器驅(qū)動(dòng)程序的語(yǔ)言形式相同，便于測(cè)試編程工作。LabWindows／CVI還提供了安裝打包手段，可將所有測(cè)試程序及驅(qū)動(dòng)軟件打包成可安裝型文件形式，便于用戶安裝使用。
    測(cè)試程序在軟件平臺(tái)之上完成，利用軟件平臺(tái)提供的用戶開(kāi)發(fā)接口開(kāi)發(fā)測(cè)試程序，而不通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等低層軟件對(duì)具體的儀器設(shè)備編程。軟件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)包括硬件接口、儀器驅(qū)動(dòng)程序等與測(cè)試資源相關(guān)的所有軟件驅(qū)動(dòng)，完成軟件平臺(tái)與硬件之間接口驅(qū)動(dòng)。測(cè)試層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。


    (1)物理接口層
    物理接口層是軟件和硬件結(jié)合層，硬件是功能模板卡及標(biāo)準(zhǔn)儀器，由測(cè)控計(jì)算機(jī)提供PCI總線控制和GPIB總線控制轉(zhuǎn)接接口，軟件是計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，提供對(duì)控制卡的I／O操作。該層提供測(cè)控計(jì)算機(jī)與儀器間物理連接。
    (2)測(cè)試資源層
    測(cè)試資源層主要由測(cè)控卡及測(cè)試儀器驅(qū)動(dòng)程序組成，系統(tǒng)所選用的測(cè)控卡及測(cè)試儀器無(wú)論是PCI總線還是GPIB總線儀器，儀器供應(yīng)商均提供了驅(qū)動(dòng)程序，該驅(qū)動(dòng)程序按儀器驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)編寫，儀器驅(qū)動(dòng)程序的功能函數(shù)則完成對(duì)儀器測(cè)試功能的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的讀取。該層根據(jù)測(cè)試策略生成測(cè)試代碼，為不同的測(cè)試功能提供測(cè)試程序。
    (3)用戶管理層
    用戶管理層主要包括測(cè)試功能組件、自行開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件工具、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和CVI本身的功能函數(shù)庫(kù)，是軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是軟件對(duì)資源高度集中管理的體現(xiàn)。通過(guò)測(cè)試功能組件對(duì)資源進(jìn)行控制，而不必理解熟悉該層以下的低層軟件。
    (4)用戶應(yīng)用層
    用戶應(yīng)用層是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能的一層，該層為測(cè)試要求提供正式標(biāo)準(zhǔn)的定義，將維修測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，從而決定測(cè)試策略，最終生成測(cè)試代碼。
    用戶應(yīng)用層是軟件平臺(tái)的重要組成部分，包括高度表的測(cè)試程序、檢測(cè)系統(tǒng)管理程序(程序管理器、數(shù)據(jù)管理器)。測(cè)試程序完成待測(cè)裝備的功能測(cè)試；程序管理器提供測(cè)試程序的啟動(dòng)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)各種測(cè)試程序統(tǒng)一管理；數(shù)據(jù)管理程序用于管理、查詢或打印測(cè)試結(jié)果。
    根據(jù)高度表測(cè)試系統(tǒng)使命任務(wù)與功能要求，測(cè)試軟件集應(yīng)包含以下測(cè)試程序模塊：a)自動(dòng)測(cè)試程序模塊；b)單步測(cè)試程序模塊；d)自檢程序模塊；e)校準(zhǔn)程序模塊；f)用戶界面；g)管理及維護(hù)模塊；h)參數(shù)與故障數(shù)據(jù)庫(kù)。其相互關(guān)系如圖6所示。


3．2．1 測(cè)試主程序
    高度表測(cè)試軟件主程序的功能是提供用戶界面，通過(guò)用戶操作來(lái)控制測(cè)試內(nèi)容的執(zhí)行。主程序面板采用菜單的形式，所有選擇通過(guò)鼠標(biāo)操作完成。菜單欄顯示了系統(tǒng)所具有的所有可執(zhí)行功能項(xiàng)。圖6內(nèi)所有選項(xiàng)均可以在主程序界面進(jìn)行選擇。
3．2．2 管理及維護(hù)程序
    管理及維護(hù)程序進(jìn)行操作員資格確認(rèn)(密碼)、生成測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)和報(bào)表、建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)、日志管理和內(nèi)部文件管理。
3．2．3 測(cè)試項(xiàng)目
    測(cè)試項(xiàng)目主要包含高度表測(cè)試系統(tǒng)自檢、自動(dòng)測(cè)試、單步測(cè)試和計(jì)量校驗(yàn)。系統(tǒng)自檢主要指工控機(jī)部分，再開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)完成。

4 結(jié)束語(yǔ)
    測(cè)試系統(tǒng)采用自下而上的設(shè)計(jì)思想，設(shè)備硬件系統(tǒng)采用了基于PCI的西門子公司的工控機(jī)作為核心，采集、檢測(cè)、控制、調(diào)理和輔助電路配置在一臺(tái)機(jī)箱中，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、抗干擾性能良好的優(yōu)點(diǎn)。軟件系統(tǒng)采用開(kāi)發(fā)效率高、應(yīng)用功能強(qiáng)大的LabWindows／CVI作為測(cè)試軟件的開(kāi)發(fā)工具，以目前流行的Windows XP作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強(qiáng)，易于功能擴(kuò)展。程序的界面圖形化，直觀，友好。使用簡(jiǎn)單明了，易于操作，自動(dòng)化程度較高。完全能夠滿足相關(guān)國(guó)軍標(biāo)和修理廠、部隊(duì)測(cè)試要求。