一種基于PXI技術的無人機綜合測試系統(tǒng)

摘要：采用虛擬儀器技術，在PXI體系結構基礎上設計了某型無人機電氣性能綜合測試系統(tǒng)，可對無人機全機或各部件的性能進行全面檢測。系統(tǒng)具有硬件可靠性高、軟件可移植性和可擴充性強等特點，并具有優(yōu)良的性價比。

關鍵詞：虛擬儀器 機載設備 參數測試 模塊化結構

隨著虛擬儀器在測控技術上的廣泛應用，設備檢測已進入到開放性和具有模塊化儀器總線的新階段。無人機電氣性能綜合測試系統(tǒng)是基于PXI體系結構而設計的檢測設備，可對無人機全機功能、各分系統(tǒng)技術參數、工作程序、協(xié)同動作和各種激勵響應等進行綜合性檢測。測試系統(tǒng)不僅能對被測對象的各種物理參數實施非電量到電量的轉換、信號調理、數據采集、記錄和顯示，還能對采集的數據進行各種分析計算，自動生成測試結果報告。系統(tǒng)用靈活的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，并用計算機直接參與測試信號的產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 硬件結構

系統(tǒng)硬件結構以PXI體系結構作為測試平臺，配以相應的功能模板。為統(tǒng)一檢測設備外部接口特性，設計了各被測設備的適配器，對被測信號做一定調理。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

內嵌入控制計算機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驗測試規(guī)程運作，并以良好的人-機界面顯示被測設備的工作狀態(tài)及測試結果。

數據采集模塊PXI-6031E具有64路模擬輸入通道、兩路16位模擬輸出通道、8條數字I/O線、兩個24位的可逆定時/計數器，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據傳遞功能，每通道數據更新率最高為1MS/s。PXI-8420、8421是兩個8路RS-232和RS-422串行通訊模塊，數據傳輸速率為460Kb/s，分別接收或模擬發(fā)送各種串行數據。矩陣開關模塊NI-2501在系統(tǒng)中以多路復用器的模式使用，用以提高系統(tǒng)應用靈活性。

1.2 軟件結構

軟件包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。應用軟件由系統(tǒng)管理軟件、系統(tǒng)自檢軟件、功能模塊軟件、數據庫軟件、系統(tǒng)幫助軟件等組成。

測試系統(tǒng)選用了NI公司的Measurement Studio和數據庫管理系統(tǒng)作為系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)平臺。Measurement Studio主要應用于虛擬儀器的開發(fā)測試和自動化應用軟件，它捆綁了LabWindows/CVI和Component Works++，使兩者可以方便地結合使用。它以ANSI C語言為內核，集成了許多高級的功能函數庫，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、數據采集、數據分析處理、數據顯示等方面給用戶提供了強大的功能。數據庫管理系統(tǒng)可使數據和應用提供了強大的功能。數據庫管理系統(tǒng)可使數據和應用程序盡可能地相互獨立，這樣的應用程序便于修改，通用性強。

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

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組織及工作原理

無人機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，經數據處理后，對待測對象的工作狀態(tài)進行判定。下面介紹測試系統(tǒng)各主要單元的功能和相互間的關系。

2.1.1 控制計算機

PXI系統(tǒng)的內嵌式計算機作為測試系統(tǒng)的控制計算機，其主要功能是對系統(tǒng)進行監(jiān)視、控制并完成數據處理。

2.1.2 機載計算機

機載計算機在測試系統(tǒng)中有兩種工作模式：待測模式和測試模式。

待測模式即機載計算機作為被測試對象。測試系統(tǒng)通過設備模擬（數字）輸出單元向機載計算機施加模擬（數字）激勵信號，同時測試系統(tǒng)通過模擬量（數字量）檢測單元檢測機載計算機的模擬（數字）輸出信號。檢測結果送往控制計算機，經數據處理后，對機載計算機的工作狀態(tài)進行判定。

測試模式即機載計算機作為測試系統(tǒng)的數據變換單元。機載計算機接收來自電氣設備的輸出信號，通過數據變換，輸出相應的信號。測試系統(tǒng)對該信號進行檢測，經數據處理后，對各電敢設備的工作狀態(tài)進行判定。

2.1.3 模擬量檢測單元

將數據采集單元作為測試系統(tǒng)的模擬量檢測單元，主要用來檢測機載計算機的模擬輸出、待測電氣設備的模擬輸出以及模擬量設備仿真單元的輸出。測試結果通過數據總線送給控制計算機的進行處理。此外，控制計算機可通過數據總線對模擬量檢測單元的初始狀態(tài)進行設置，并對其采集過程進行控制。

2.1.4 模擬量設備仿真單元

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

2.1.5 串行數字信號檢測單元和數字設備仿真單元

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

2.2 自動測試與手動測試

電氣性能綜合測試系統(tǒng)可對機載計算機的其它電氣設備進行自動或手動測試，現分別介紹。

2.2.1 自動測試

自動測試過程包括數據采集、數據處理、結果顯示、打印報告等過程。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行初始設備；高級模式允許用戶進行初始設置。

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

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

選擇高級模式，允許用戶進行初始設置，用戶可采用更復雜的數字模型以產生更適合用戶需要的激勵信號。

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

2.2.2 手動測試

手動測試主要用于各個電氣設備的單獨測試。測試前均允許用戶進行各項初始設置。

2.3 實時處理與事后處理

實時處理時采集的數據只在內存緩存，并且數據不斷更新。事后處理是指測試過程結束后，在需要的時候回放數據，進行各種更復雜的處理，以便進行更詳細的觀察和分析。要進行事后處理，初始設置時需設置數據存儲功能。

無論實時處理還是事后處理，可對數據進行綜合顯示和分頁顯示。分頁顯示是指對各電氣設備的測試結果分別單獨顯示。

2.4 自檢

2.4.1 模擬通道

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

2.4.2 串行數字通道

開機自檢時各通道的發(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 應用軟件及說明

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

系統(tǒng)管理軟件協(xié)調各功能模塊的時序關系，監(jiān)視各功能模塊和數據庫的運行狀態(tài)，控制各功能模塊及數據庫之間的調用。在頁面上的提供了用戶對硬件和軟件系統(tǒng)的管理設定功能。系統(tǒng)管理軟件采用多線程編程技術，以提高系統(tǒng)響應能力并進行平滑的后臺設備。

數據庫軟件主要用來將輸入輸出數據與測試過程盡可能地分離。其中輸入數據包括用于初始設置之類的數據；輸出數據包括測試結果之類的數據。數據庫軟件包括測試械、采集格式、參數標定、電氣設備數字模型、導出參數公式、顯示設置、結果報告和信息處理與評估判據。

電氣設備仿真軟件根據來自數據庫的電氣設置數學模型模擬設備的工作特性。模擬數字加載到D/A插件，仿真如垂直陀螺等模擬輸出設備的工作；加載到串行接口部件，仿真如磁航向傳感器等數字輸出設備的工作。

串口通信軟件接收來自飛控計算機及有關電氣設備的數據，向飛控計算機及有關電氣設備發(fā)送來自數據庫的模擬數字或根據虛擬鍵盤命令產生的數據。

數據采集軟件向A/D插件加載來自數據庫的采集格式等有關初始設備數據，完成通道選擇、數據采集、數據存儲等任務。

數據處理軟件接收采集的原始數據及串口發(fā)送來的數據，并進行參數選擇、工程單位變換等處理。

信息處理與評估軟件根據數據庫的處理與評估判斷，分析收集到的有關數據，對被測對象的工作狀態(tài)進行評估。

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