凌華科技PCI-9846高速數字化儀在電子時(shí)間引信通用

應用領(lǐng)域

電子時(shí)間引信及裝定器產(chǎn)品測試應用

挑戰

傳統的電子時(shí)間引信測試系統功能簡(jiǎn)單，集成化程度低，需借助各種通用測試設備輔助完成，操作復雜，測試效率低下，測試精度受人為因素影響較大。隨著(zhù)引信性能和功能的逐漸提高，現有的測試手段已無(wú)法滿(mǎn)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的設想，該測試系統采取通用化、模塊化、集成化的設計思路，具有操作簡(jiǎn)便、測量精度高、采購成本低、升級簡(jiǎn)單、攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現了全自動(dòng)引信測試、數據統計、性能分析等功能，使電子時(shí)間引信性能測試系統的技術(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使用工業(yè)控制計算機為系統開(kāi)發(fā)平臺，使用凌華科技的PCI-9846高速數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(guò)程的控制、數據的分析判斷和用戶(hù)界面的開(kāi)發(fā)，配合PCI-7230隔離數字輸入輸出卡、PCI-7250繼電器輸出卡等信號控制模塊、專(zhuān)用信號調理電路、數字程控電源，實(shí)現了通用化、模塊化的電子時(shí)間引信自動(dòng)化測試系統，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(lái)為子母式彈藥的母彈開(kāi)艙提供控制信號，是遠程壓制武器系統的主要裝備。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(guò)嚴格的測試，才能提供用戶(hù)使用。所以各種電子時(shí)間引信產(chǎn)品均配備有專(zhuān)用的測試儀器完成性能測試，但過(guò)去采用的傳統儀器測試模式隨著(zhù)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(wèn)題，而且各種型號電子時(shí)間引信的測試設備之間不具備通用性和互換性，因此急需設計一種新的通用測試系統來(lái)解決這些問(wèn)題。

1 電子時(shí)間引信的工作原理及測試系統要求

電子時(shí)間引信是用來(lái)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)射前首先由參數裝定器為其裝定火控系統解算出的開(kāi)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(kāi)始計時(shí)，當計時(shí)到預先裝定的作用時(shí)間后，輸出開(kāi)艙點(diǎn)火信號給戰斗部，完成彈藥起爆。

根據電子時(shí)間引信的工作原理，對通用測試系統的基本要求如下：

提供多路可調直流穩壓電源，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)品提供模擬負載。

可以采集多路模擬信號和數字信號。

可對測試數據分析處理、顯示、存儲并自動(dòng)生成測試報表，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 方案設計

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

高集成度，盡量減少占用空間，便于移動(dòng)。

自動(dòng)化，盡量減少人為因素對產(chǎn)品測試結果帶來(lái)的影響。

通用性，可適應不同型號的電子時(shí)間引信及裝定器產(chǎn)品的測試，減少重復開(kāi)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)品的中間參數也可以進(jìn)行測試，提高覆蓋率。

根據電子時(shí)間引信的工作特點(diǎn)和自動(dòng)化、通用化的使用要求，虛擬儀器技術(shù)十分符合方案要求，并且能夠較好地達到方案預期的效果。凌華科技公司有著(zhù)豐富的虛擬儀器測試測量產(chǎn)品線(xiàn)，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(kāi)發(fā)軟件，可以利用它快速、簡(jiǎn)便地開(kāi)發(fā)出復雜、并行、有效并且易于操作的測試系統。為了降低系統的成本，我們決定選擇選用工控機加PCI板卡的方式，并通過(guò)擴展USB端口、串口、及其它模塊單元進(jìn)行數據交互和測試，在LabVIEW軟件平臺下開(kāi)發(fā)新的測試系統?？傮w方案設計如圖1所示，其中：

圖1總體方案框圖

數字程控電源用來(lái)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，工控機算機通過(guò)串行接口，可對其進(jìn)行編程，使其輸出電壓滿(mǎn)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(dòng)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控，都由PCI-9846高速數字化儀來(lái)進(jìn)行采集。

電子時(shí)間引信和裝定器的啟動(dòng)控制、模式控制等數字控制信號，以及對引信和裝定器工作過(guò)程中的各類(lèi)中間信號的監測，由PCI-7230隔離數字輸入輸出卡來(lái)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(guò)繼電器進(jìn)行控制輸出。

信號調理電路主要是將被測電子時(shí)間引信和裝定器的各類(lèi)信號調理到測試板卡所能接受的范圍。如信號上拉、下拉匹配;各類(lèi)開(kāi)關(guān)常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)匹配;模擬、數字、脈沖電平電壓調制;信號濾波、放大等調制。

被測產(chǎn)品和通用測試系統之間通過(guò)專(zhuān)用測試電纜連接，當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用相應的測試軟件及參數設置就可以了。

關(guān)鍵模塊軟硬件的實(shí)現

1)參數裝定功能的測試

電子時(shí)間引信在進(jìn)行參數裝定時(shí)，為了滿(mǎn)足快速反應的要求，需要在盡量少的時(shí)間內傳輸盡量多的數據信息，因此其裝定編碼的長(cháng)度都不能太長(cháng)，最短的碼形長(cháng)度為微秒級的信號，而且在一些特定的使用環(huán)境下，參數裝定工作是隨著(zhù)武器系統的工作一直持續進(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(cháng)時(shí)間的連續裝定測試。由以上所列舉的有關(guān)進(jìn)行參數裝定功能測試的特點(diǎn)，可知完成該項測試的關(guān)鍵是測試系統要同時(shí)具有較高的采樣率和較長(cháng)的數據存儲時(shí)間兩項特性。

凌華科技的PCI-9846高速數字化儀是一種4通道的高速數據采集設備，其具有每通道40MS/s的采樣率，16位的采樣分辨率，可以滿(mǎn)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512MB的板載內存，擺脫了PCI總線(xiàn)的帶寬限制，使之能儲存更長(cháng)時(shí)間的波形，滿(mǎn)足了進(jìn)行連續裝定可靠性測試時(shí)大容量數據存儲的使用要求。

PCI-9846數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)參數均可以通過(guò)軟件進(jìn)行調整，因此對數字信號裝定的產(chǎn)品可直接進(jìn)行采集處理，對模擬信號裝定的產(chǎn)品，因為其裝定信號幅度可能會(huì )超過(guò)數字化儀的輸入范圍，因此通過(guò)信號調理電路，對模擬信號進(jìn)行分壓，將其轉換到±5V的范圍內進(jìn)行采集。

進(jìn)行裝定性能測試時(shí)，主控程序首先根據被測產(chǎn)品的型號，確定輸出的工作電壓，通過(guò)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(guò)串口發(fā)送裝定參數給裝定器，然后運行數據采集子程序(見(jiàn)圖2)，數據采集子程序控制數字化儀開(kāi)始采集信號調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(guò)PCI-7230上的數字輸出口給裝定器發(fā)出啟動(dòng)信號，在監測到裝定信號發(fā)送完畢后，系統停止信號采集，開(kāi)始對采集到的信號數據進(jìn)行分析處理，通過(guò)對裝定信號的幅度、碼寬、占空比，以及工作電壓、工作電流等參數進(jìn)行測量，根據產(chǎn)品的性能指標給出判定結果。

圖2 數據采集子程序

進(jìn)行連續裝定功能測試時(shí)，主控控制程序在啟動(dòng)信號采集子程序以后，通過(guò)PCI-7230連續發(fā)送啟動(dòng)控制信號給裝定器，控制裝定器工作，整個(gè)測試過(guò)程共循環(huán)10000次。在裝定器連續發(fā)送裝定信號的同時(shí)，測試系統連續采集被測引信裝定線(xiàn)上的信號波形及工作電壓、工作電流等參數，主控程序實(shí)時(shí)將采集到的波形數據從數字化儀的板載內存中讀取并存儲，整個(gè)測試流程結束以后，主控軟件停止數據采集，并將存儲的數據回讀，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，判斷參數裝定的可靠性，并給出統計結果。數據分析處理界面見(jiàn)圖3。

圖3 連續裝定測試數據分析界面

2)電子時(shí)間引信計時(shí)精度的測試

電子時(shí)間引信的計時(shí)時(shí)間是指其從接收到計時(shí)啟動(dòng)信號開(kāi)始計時(shí)時(shí)刻，到輸出點(diǎn)火信號時(shí)刻的時(shí)間之差，根據不同型號引信應用背景的不同，其計時(shí)精度和計時(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)間引信其計時(shí)精度要達到微妙級，計時(shí)時(shí)間長(cháng)度到100毫秒以上，對其進(jìn)行計時(shí)精度測試時(shí)最重要的是采樣率要足夠高，而對遠程壓制武器系統所使用的電子時(shí)間引信其計時(shí)精度為毫秒級，但計時(shí)時(shí)間長(cháng)度要達到400秒以上，對其進(jìn)行測試時(shí)采樣率可以適當的降低，以滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間數據采集的要求。

根據以上特性，對不同型號的電子時(shí)間引信進(jìn)行計時(shí)精度測試時(shí)，數字化儀的采樣率可通過(guò)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，也節省了系統資源。

進(jìn)行計時(shí)精度測試時(shí)，主控程序首先根據被測產(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(guò)繼電器輸出卡控制輸出給被測產(chǎn)品，然后運行數據采集子程序，同時(shí)發(fā)送啟動(dòng)控制信號給被測引信，使被測引信開(kāi)始計時(shí)，測試系統同步監測被測引信的啟動(dòng)控制信號、點(diǎn)火輸出信號、工作電壓及工作電流等，當監測到點(diǎn)火信號后，停止信號采集，并對采集到的數據進(jìn)行分析處理，從啟動(dòng)信號開(kāi)始時(shí)刻到點(diǎn)火信號輸出時(shí)刻即為引信的計時(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、工作電流等參數是否滿(mǎn)足性能指標要求。圖4為測試系統采集到的某型號電子時(shí)間引信啟動(dòng)信號和點(diǎn)火信號波形。

圖4 某型號引信啟動(dòng)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字I/O信號，因此選用PCI-7230隔離數字輸入輸出卡來(lái)產(chǎn)生，該卡具有16通道的隔離數字輸入和16通道的隔離數字輸出功能，其輸出通道擁有5～35V的寬信號輸出范圍，可以滿(mǎn)足為不同型號電子時(shí)間引信和裝定器提供各類(lèi)控制信號的使用要求，數字輸入通道具有0～24V的輸入范圍，可用來(lái)監測引信及裝定器工作過(guò)程中各類(lèi)中間信號的變化。

系統測試時(shí)，首先根據被測產(chǎn)品型號確定所需要的數字電源電壓，然后通過(guò)串口完成對裝定器的數據傳輸，然后由數字輸出通道1發(fā)出裝定啟動(dòng)信號，控制裝定器開(kāi)始工作，裝定完畢后，由數字輸出通道2發(fā)出引信計時(shí)啟動(dòng)信號，被測引信開(kāi)始計時(shí)，根據不同引信的測試要求，通過(guò)數字輸入通道實(shí)時(shí)監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(kāi)始計時(shí)以后，還要通過(guò)另外3個(gè)數字輸出通道，發(fā)送修改信號脈沖給被測引信。圖5為輸出的啟動(dòng)控制信號波形。

圖5 測試系統輸出的啟動(dòng)控制信號

4)測試系統軟件設計

電子時(shí)間引信通用測試系統控制軟件在Windows操作系統平臺下，基于LabVIEW8.5開(kāi)發(fā)完成，采用模塊化編程思想，自頂向下設計，為了滿(mǎn)足高速率采集的要求，采用多線(xiàn)程編程，應用程序被分為3個(gè)線(xiàn)程：一個(gè)用戶(hù)界面線(xiàn)程，一個(gè)數據獲取線(xiàn)程和一個(gè)儀器控制線(xiàn)程。具有良好的人機交互界面，可進(jìn)行數據采集、數據分析、存儲及自動(dòng)報表生成等功能。系統測試軟件主要流程如圖6所示。

圖6 通用測試系統軟件設計流程

1)產(chǎn)品型號選擇

根據被測產(chǎn)品的型號，在操作界面上選擇相應的產(chǎn)品型號，系統控制軟件根據被測產(chǎn)品型號自動(dòng)加載相應的系統設置參數。

2)電源設置

系統控制軟件根據加載的被測產(chǎn)品工作電源參數，將所需的電源參數編碼后通過(guò)串口發(fā)送給數字程控電源，數字程控電源根據收到的電源參數進(jìn)行系統工作電源的自動(dòng)調整，并將調整結果反饋給系統控制軟件。

3)測試項目選擇

根據不同引信的測試要求，對裝定性能測試、連續裝定可靠性測試、計時(shí)精度功能測試等不同測試內容進(jìn)行選擇，同時(shí)針對不同的試驗項目進(jìn)行試驗條件選擇，如高溫、低溫、振動(dòng)等，并根據不同的測試內容和試驗項目自動(dòng)加載相應的測試數據。

4)功能測試

功能測試在前三項選擇完畢后點(diǎn)擊運行即可自動(dòng)進(jìn)行測試，系統通過(guò)控制信號控制被測產(chǎn)品工作，并對被測產(chǎn)品工作過(guò)程中的相關(guān)特征信號進(jìn)行采集。每個(gè)測試項目都封裝成一個(gè)子VI，方便主VI和TestStand調用，測試數據可自動(dòng)加載，也可在測試開(kāi)始前進(jìn)行設置修改，如裝定時(shí)間、修改時(shí)間等。

5)數據處理及存儲

測試完成后，需將各種測試信息和數據進(jìn)行記錄、分析處理和存儲，包括當前測試日期、時(shí)間、測試數據和各測試項目的狀態(tài)(未測試、通過(guò)、故障信息)等。數據處理存儲界面見(jiàn)圖7所示。

圖7 數據處理存儲界面

6)自動(dòng)報表生成

當需要打印或提交測試報告時(shí)，可通過(guò)LabVIEW報表生成工具包調用相應的報表模版文件，或通過(guò)TestStand，將存儲的數據內容以模版格式自動(dòng)生成所需要的各種報表和文件。

5 測試及性能驗證

測量數據的圖形化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示是測試儀器必備的功能，像常見(jiàn)的數字示波器、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(guò)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據連續添加到已有的數據的后面，波形是連續向前推進(jìn)顯示的，這樣就可以很清楚地觀(guān)察到引信工作過(guò)程中的信號變化過(guò)程，能實(shí)時(shí)監控被測信號的變化。

本測試系統數據的實(shí)時(shí)顯示是將引信的多路信號，在“通道回放”一欄中通過(guò)選擇，可以顯示某通道的波形，當數據回放時(shí)，顯示的波形還可以進(jìn)行放大和縮小變換。圖8所示為本測試系統顯示的某通道波形圖。

圖8 本測試系統某通道波形圖

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，所以數據采集只是測試工作的第一步。數據的分析和處理構成測試系統的重要組成部分之一，傳統的引信測試數據處理通過(guò)DSP或MATLAB等其它工具完成，而本測試系統利用LabVIEW軟件內容豐富、功能強大的分析工具包，完全可以勝任復雜的數據分析和處理工作，其數據處理都在后臺調用工具包，其測試結果在運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果。

測試系統設計完成后，我們設置了一些條件對系統的實(shí)際性能進(jìn)行了測試。通過(guò)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(guò)重復測試，對系統可靠性進(jìn)行了驗證;通過(guò)設置故障，對系統的檢出率水平進(jìn)行了測試;通過(guò)信號對比標定，對系統的測試精度進(jìn)行了測試。經(jīng)過(guò)測試表明，測試系統的單發(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(dòng)化、通用性方面都達到了系統設計的要求。

6 結論

針對電子時(shí)間引信的工作特點(diǎn)和自動(dòng)化、通用化的使用要求，本測試系統采用虛擬儀器技術(shù)，通過(guò)工控機加裝凌華科技的高速數字化儀、數字I/O、繼電器輸出等板卡的硬件設計，結合LabVIEW的圖形化軟件編程，開(kāi)發(fā)出了功能強大、性能優(yōu)越且易于擴展的電子時(shí)間引信通用測試系統，實(shí)現了對測試過(guò)程和步驟進(jìn)行自動(dòng)化控制、對測量數據進(jìn)行分析處理，對故障模式進(jìn)行自動(dòng)判斷等功能，顯著(zhù)提高了測試效率、測試精度和檢出率。與傳統測試手段相比，虛擬儀器測試有著(zhù)巨大優(yōu)越性，必將得到更廣泛、深入的應用。