摘要：為了研制針對某型高度表的高精度測試系統(tǒng)，采用數(shù)字采集技術(shù)、綜合虛擬儀器技術(shù)和自動化測試技術(shù)對測試系統(tǒng)進行設(shè)計。在基于數(shù)字采集卡和數(shù)字化儀的硬件電路的基礎(chǔ)上。通過LabWindows／CVI程序控制數(shù)據(jù)采集和自動化測試流程的方法，研制一套基于虛擬儀器技術(shù)的無線電高度表測試系統(tǒng)軟件。結(jié)果表明。采用數(shù)字采集技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的方法，提高了測試設(shè)備的測量精度。相比傳統(tǒng)的測試設(shè)備，該測試系統(tǒng)具有較高的精確性、可靠性和可維護性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字采集；虛擬儀器技術(shù)；自動化測試；可靠性

0 引言
    基于多種總線系統(tǒng)和開發(fā)平臺的虛擬儀器在測控和儀器科學領(lǐng)域逐步發(fā)揮越來越大的作用。目前國內(nèi)在機載、彈載或者雷達無線電高度表應(yīng)用非常廣泛，而高度表的測高精度是保證飛機、彈載或者雷達正常工作至關(guān)重要的條件。為了保證高度表正常工作，需要在高度表使用前進行模擬測試。鑒于傳統(tǒng)的高度表測量設(shè)備精度不高的缺點，需要設(shè)計一個精度較高的高度表測試系統(tǒng)。利用數(shù)字采集技術(shù)和計算機技術(shù)進行信號處理具有較高的測量精度，同時LabWindows／CVI軟件平臺結(jié)合了C語言和用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具，簡化了用戶接口的設(shè)計，使生成的應(yīng)用程序可以在多種平臺上移植。采用LabWindows／CVI虛擬儀器技術(shù)對高度表進行測試，具有較高的使用性和可維護性。

1 測試需求分析
    高度表測試系統(tǒng)測試對象是一部由鋸齒波信號調(diào)制的調(diào)頻連續(xù)波、恒定差拍自動跟蹤式c波段的某型無線電高度表。該高度表由發(fā)射組合、接收組合、伺服輸出組合和收發(fā)鑒頻組合組成，其工作原理如圖1所示。

    t1時刻高度表的發(fā)射組合通過天線向海面發(fā)射的線性調(diào)頻波的頻率為f1，在t2時刻收到回波信號。采用鋸齒波線性調(diào)頻體制，在t2時刻發(fā)射頻率已變?yōu)閒2，此時取出發(fā)射能量的小部分作為本振信號與回波信號在混頻器中混頻，檢波后得到差拍信號fb，根據(jù)差拍信號得到高度信號的計算公式如下式所示。
   
    式中：Tm為鋸齒波調(diào)制周期；△f為調(diào)頻帶寬；H為所需測量的高度；c為電磁波傳播速度。
    當測試時處于動態(tài)平衡狀態(tài)，△f和c是常數(shù)，fb在瞬態(tài)平衡下也是常數(shù)，此時所測的高度與調(diào)制周期成正比關(guān)系，可以用測量調(diào)制周期的方式測量高度表工作高度，如下：
   
    高度表測試系統(tǒng)的作用是檢測高度表是否工作正常。主要通過對高度表工作時產(chǎn)生的高度信號Pn和高度控制信號Pc進行測試，來判斷高度表是否符合測試精度要求。采用直接測量的方法，難以保證高度表測量的精度。為此，本文采用將高度脈沖信號轉(zhuǎn)化為脈沖個數(shù)的方式，來確保測量的精度。
    根據(jù)式(2)的測高原理將高度轉(zhuǎn)化為測量調(diào)制周期的周期長度。為了精確地測試高度信號，調(diào)制信號采用固定周期T1的鋸齒波脈沖信號，將周期的測量轉(zhuǎn)化為在一個調(diào)制周期內(nèi)對鋸齒波個數(shù)的計數(shù)N，計算公式如下：
   
    式中：T是鋸齒波周期；K1是高度與鋸齒波的比例系數(shù)。據(jù)此波的長度則體現(xiàn)了測試的精度，在本測試系統(tǒng)中K1取0．1 m／個，即一個鋸齒波脈沖的精度為0．1 m。

2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
    高度信號測試的資源主要有測試電源、高度模擬器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字化儀、工控機、顯示器和適配器等。高度表測試系統(tǒng)以工控機為主控設(shè)備，基于LabWindows／CVI軟件通過數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)對無線電高度表高度的測試，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

    首先工控機發(fā)射控制指令給高度模擬器，高度模擬器產(chǎn)生相應(yīng)的高度信號給無線電高度表；同時工控機發(fā)射控制信號，通過數(shù)字采集卡的數(shù)字I／O口和適配器，輸出射檢指令，使高度表處于工作狀態(tài)。然后工控機發(fā)出控制指令通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I／O口控制數(shù)據(jù)采集卡，開始采集高度控制信號Pc，工控機進行處理、存儲并根據(jù)Pc信號的上升和下降產(chǎn)生控制信號，作為調(diào)制周期信號Pn的開始和結(jié)束信號。工控機對數(shù)字化儀采集過來的信號進行數(shù)據(jù)處理，在顯示器上顯示測試的鋸齒波脈沖個數(shù)。整個測試過程由電源模塊提供不同伏值的電壓，保證各個模塊的正常工作。

3 測試軟件設(shè)計
    使用LabWindows／CVI軟件設(shè)計軟件測試系統(tǒng)包括以下幾個步驟：功能模塊劃分、測試流程、虛擬面板設(shè)計、數(shù)據(jù)處理和測量結(jié)果分析等。
3．1 功能劃分和測試漉程
    設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，即將測試軟件劃分為相互獨立的模塊，各模塊在編寫程序和運行程序時是相互獨立的。模塊化的程序設(shè)計有利于測試軟件開發(fā)、維護、調(diào)試和運行。該測試軟件模塊劃分如圖3所示。

    初始化模塊包括用戶登錄界面和系統(tǒng)自檢。用戶登錄界面是為保證使用者單獨使用而設(shè)計的保密措施，包括用戶名和密碼驗證，當用戶名和密碼均正確時才能使用該測試軟件。系統(tǒng)自檢是對高度表測試時硬件電路的檢測，保證高度表測試系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。
    數(shù)據(jù)采集模塊負責將被測信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。將高度控制信號Pc轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，來控制高度信號Pn的采集。數(shù)據(jù)處理計算將采集到的數(shù)字信號，根據(jù)相應(yīng)的比例關(guān)系轉(zhuǎn)化為所需要的數(shù)字信號。誤差處理包括系統(tǒng)誤差、測量誤差和粗大誤差處理。粗大誤差可通過數(shù)學方法進行處理；在高度信號的情況下通電獲得系統(tǒng)誤差，在測試的時候直接排除；測量誤差可以通過多次測量求均值的方式使測量誤差降低到允許的范圍內(nèi)。
    測試界面是軟件人性化設(shè)計的一個標志，可根據(jù)客戶的需要進行更改和維護。在虛擬面板上直接顯示所測量信號的波形，通過數(shù)字控件顯示脈沖個數(shù)和高度信息，最后在通過Excel輸出并打印結(jié)果。根據(jù)圖3所示的軟件功能，設(shè)計相應(yīng)的軟件流程如圖4所示。

3．2 虛擬面板設(shè)計
    根據(jù)上述軟件流程圖和軟件功能模塊的劃分并結(jié)合用戶需求，進行高度表測試控制面板的設(shè)計，控制程序流程并顯示測試和分析結(jié)果。在設(shè)計面板時應(yīng)遵循以下幾點要求：
    (1)使用中文圖形界面；
    (2)系統(tǒng)測試不滿足要求時提示出錯；
    (3)所有測試運行中的信息顯示在同時面板上；
    (4)界面外形美觀大方，色彩和諧，畫面布局合理，界面友好。根據(jù)上述要求設(shè)計面板如圖5所示。
    面板的左上方用于顯示Pn信號的波形。左下方的數(shù)字控件顯示工作的狀態(tài)、測試的項目和方式與所測數(shù)據(jù)的測量結(jié)果。可以與標準值對比，查看誤差是否在允許的范圍內(nèi)。右上方是測試的控制按鈕，用于控制測試的開始、暫停、結(jié)束和打印結(jié)果。右下方是操作說明，對測試的過程進行文字提示和說明。

4 誤差處理和結(jié)果分析
    首先將數(shù)字化儀采樣后的Pn信號轉(zhuǎn)化為工控機緩存內(nèi)存儲的數(shù)字信號。為了保證測量結(jié)果的精確性，需要對測量的信號進行誤差處理。測試過程中產(chǎn)生的誤差主要包括系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。
    測量時產(chǎn)生的誤差主要是由于數(shù)據(jù)傳輸延時、繼電器動作延時和采集卡采集延時等產(chǎn)生的，這些誤差是固定的，可視為系統(tǒng)誤差。此外使用的電子器件在不同溫度條件下也存在一定的誤差，這些誤差是隨機變化的，一般情況下視為測量誤差。測試過程中可能出現(xiàn)的干擾信號使得測試結(jié)果中出現(xiàn)“毛刺”，被視為粗大誤差。測試的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過粗大誤差處理，在進行系統(tǒng)誤差處理，最后處理隨機誤差。
    粗大誤差是超出規(guī)定條件下預期的壞值，可通過區(qū)間估計法進行排除。設(shè)測量的估計區(qū)間為，其中：c1為置信度，標準差的計算方法如式(4)所示：
   
    任何一次測量誤差都是由系統(tǒng)誤差和隨機誤差共同組成的。在確定條件下，對被測量x的第i次測量誤差為：
   
    式中：系統(tǒng)誤差ε在測量條件相同時是不變的。測量次數(shù)n→∞時，測量誤差δi的總和趨向于0?？赏ㄟ^多次測量求平均值的方法求得系統(tǒng)誤差。
   
    粗大誤差的處理流程如圖6所示。首先計算和標準差估計值，采用標準差的c1倍作為判別標準，判斷殘差是否滿足測試要求。
    不滿足時剔除殘差最大的壞值，重新判斷直到滿足要求為止。系統(tǒng)誤差處理流程如圖7所示。分別求n次和n-1次測量的均值，在求得兩者的差值。根據(jù)n-1次測量結(jié)果的設(shè)置判別標準，判斷差值是否滿足要求。不滿足時增加測量數(shù)據(jù)個數(shù)，重新判斷直到滿足要求為止。

    該高度表測試系統(tǒng)相對傳統(tǒng)高度表測試設(shè)備的優(yōu)勢在于可進行數(shù)字化處理，即對數(shù)字信號進行誤差處理。將經(jīng)過流程圖6和流程圖7處理過程視為對測試的優(yōu)化過程。對10 m，30 m，80 m，200 m，500 m和1 000 m的模擬高度進行測量，優(yōu)化前的測量結(jié)果和優(yōu)化后的測量結(jié)果如表1所示。通過對比可知，優(yōu)化后的測量結(jié)果測量精度遠遠高于優(yōu)化前，即經(jīng)過誤差處理后的效果具有較高的精度。

5 結(jié)語
    該高度表測試系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集技術(shù)，具有較高的精度。LabWindows／CVI虛擬儀器技術(shù)使得測試面板更加人性化，適合無線電高度表領(lǐng)域非專業(yè)人士對裝備的測試，提高了測試系統(tǒng)的實用性和可維護性。采用脈沖計數(shù)的方式對高度表的工作高度進行測量，顯示出了數(shù)字測量方式相對模擬數(shù)據(jù)測量的優(yōu)勢。此外，采用的數(shù)字采集卡和數(shù)字化儀還可以測試高度表的其他測試技術(shù)指標，提高該高度表測試系統(tǒng)的經(jīng)濟性。