大型導彈測試系統通用信號調理平臺的設計

信號調理平臺設計是構建基于VXI總線(xiàn)的大型導彈測試系統的重要環(huán)節，也是其硬件實(shí)現的首要任務(wù)。當前，大型導彈裝備型號的增加、規模的增大和復雜程度的增強，給測試設備信號調理平臺的設計提出了新的挑戰。若針對不同型號的大型導彈裝備設計專(zhuān)用的信號調理平臺，工作量巨大，重復開(kāi)發(fā)嚴重，經(jīng)濟價(jià)格低，不利于裝備通用化、標準化、系列化的形成。在系統可編程(ISP即in-System Programmability)技術(shù)的出現代表著(zhù)新一代PLD的發(fā)展方向，它提供了現場(chǎng)系統重構和現場(chǎng)系統用戶(hù)化的可能性，使遙控現場(chǎng)升級和維護成為可能，用它來(lái)實(shí)現信號轉接模塊的程控單元非常合適。為此，本文基于ISP設計了大型導彈測試系統的通用信號調理平臺，滿(mǎn)足了不同型號導彈的測試需求。

1 ISP技術(shù)

可編程邏輯器件(Programmable Logic Device)誕生于20世紀70年代，是一種由用戶(hù)編程來(lái)實(shí)現某種特定功能的新型邏輯器件，自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了從PROM、PLA、PAL、GAL等低密度PLD到CPLD、FPLD等高密度PLD的發(fā)展過(guò)程。目前器件的集成度越來(lái)越高，功能不斷增強，邏輯門(mén)數已從5000門(mén)

增加到200萬(wàn)門(mén)，有些甚至達到上千萬(wàn)門(mén)。1991年出現的ISP技術(shù)給PLD提供了新的發(fā)展空間，代表著(zhù)新一代PLD技術(shù)發(fā)展的方向。它主要有以下特點(diǎn)：

(1)縮短了系統設計試制的周期，降低了試制成本;

(2)縮小了芯片的體積并簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程;

(3)方便了系統的維護和升級;

(4)提高了系統的可測試性，增加了系統的可靠性。

ISP器件的開(kāi)發(fā)不需要編程器，可直接通過(guò)電纜將邏輯功能代碼下載到器件中。VHDL語(yǔ)言作為主流的開(kāi)發(fā)平臺已被IEEE制訂為IEEE1076.3標準，它用特定的語(yǔ)法對器件的邏輯功能進(jìn)行描述，給現場(chǎng)系統重構和功能用戶(hù)化提供了便捷的開(kāi)發(fā)工具，簡(jiǎn)化了系統設計。

2 信號調理平臺

信號調理平臺是連接后端大型導彈裝備被測對象和前端VXI模塊資源的中間環(huán)節，如圖1所示。它的功能主要包括以下兩點(diǎn)：第一，在被測對象方面，它實(shí)現被測信號在調理總線(xiàn)上的分配、轉接以及在調理模塊內的放大、隔離、濾波等變換，給VXI測試資源提供干凈、穩定的被測信號。第二，在VXI模塊資源方面，它負責將電源信號、激勵信號傳輸到被測對象，將測試信號與被測對象進(jìn)行連接、切換，并保持與VXI電氣規范最大限度的兼容。

3 信號調理平臺的實(shí)現

3.1 硬件框架

信號調理平臺采用“適配器+信號調理總線(xiàn)+信號調理模塊”的結構形式，如圖2所示。適配器匯總被測信號、測試信號和激勵信號，并把它們傳送到信號調理總線(xiàn)，通過(guò)在規范的與電氣無(wú)關(guān)的信號調理總線(xiàn)上插接即插即用的信號調理模塊，實(shí)現平臺的集成。

為提高信號調理平臺的通用化、標準化程度，調理電路分為控制模塊、通用模塊、專(zhuān)用模塊和擴展模塊，采用標準卡式結構，通過(guò)96芯DIN連接器與信號調理總線(xiàn)構成插拔結構，并固定在嵌入式機箱中。各模塊之間的連接關(guān)系如圖3所示?？刂颇K接收來(lái)自工控機數字I/O卡的指令，對整個(gè)調理平臺實(shí)施程控管理;通用模塊主要對測試信號完成動(dòng)態(tài)分配和預處理，內部電路包括模塊控制電路、信號分配電路、模擬信號處理電路、I/O信號處理電路等，結構如圖4所示;專(zhuān)用模塊實(shí)現某些特殊功能，如通道自檢、測試某些被測對象時(shí)的特殊信號調理等;擴展模塊用于系統的功能擴展。

3.2 信號調理模塊設計

3.2.1 ISP器件的選擇

通用信號調理平臺對ISP器件的規模沒(méi)有很高的要求，但要求其性能可靠、開(kāi)發(fā)靈活、重構能力強、通用性好。Lattice公司的ispLSI系列、Altera公司的7000S和9000系列、Xilinx公司的XC9500系列是較為常用的ISP器件，其中，Lattice公司是ISP的率先提出者，在這方面的技術(shù)比較成熟。它的ISP芯片屬于中小規模CLPD，包括6個(gè)系列，產(chǎn)品種類(lèi)豐富、價(jià)格便宜、開(kāi)發(fā)靈活，能直接應用于系統上;開(kāi)發(fā)平臺ispDesign EXPERT和PACDesigner功能強大，使用簡(jiǎn)潔。該公司還在1999年率先推出了在系統可編程模擬器件(ispPAC)，給模擬電路的接口設計帶來(lái)了革命性突破。為此，文中信號調理平臺的控制電路和數字信號調理電路采用Lattice公司的ispLSI032實(shí)現，模擬信號調理電路采用ispPAC20實(shí)現。

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3.2.2 設計流程

本系統中信號調理模塊的設計包括兩部分：ISP器件的功能設計和ISP器件外圍電路的設計。其中ISP器件的功能設計是主要的，它決定著(zhù)其外圍電路的設計。

ISP器件的功能設計也分為兩部分：基于ispDesign EXPERT平臺的數字部分—ispLSI1032的功能設計和基于PAC-Designer平臺的模擬部分—ispPAC20的功能設計。ISP器件的設計流程如圖5所示。其中“行為分析”確定器件所要完成的功能和指標要求，對輸入和輸出信號進(jìn)行定義;“結構設計”確定系統功能的實(shí)現細節，給出系統設計的流程圖和用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行功能描述，必要時(shí)還給出系統的時(shí)序圖;“邏輯描述”是用ispDesign EXPERT和PAC-Designer軟件對結構設計進(jìn)行實(shí)現，并進(jìn)行編譯仿真，驗證設計結果，生成下載文件—JEDEC;“硬件實(shí)現”是在前面工作的基礎上設計并完成具體電路，包括電路板的設計、器件的焊接、JEDEC文件到ISP器件下載、系統功能聯(lián)調等。

4 信號調理平臺應用的工作過(guò)程

在平臺與某型導彈測試系統集成時(shí)，只需根據該型導彈的測試需求設計專(zhuān)用信號調理模塊，并把被測信號、測試信號和激勵信號經(jīng)其適配器分配到信號調理總線(xiàn)上，然后通過(guò)編程控制信號的轉接來(lái)實(shí)現與該型導彈測試系統的方便集成。

測試時(shí)，來(lái)自主控計算機數字I/O卡的控制指令經(jīng)調理總線(xiàn)送到控制模塊上，經(jīng)控制模塊譯碼后控制相應的調理模塊動(dòng)作，使其路目標信號被轉接，主控計算機通過(guò)VXI總線(xiàn)的多路開(kāi)關(guān)模塊選通該路

信號，這樣就完成了該項測試。激勵過(guò)程與之相反。

5 平臺通用性設計過(guò)程中的幾具關(guān)鍵問(wèn)題

為了使平臺有良好的通用性，必須滿(mǎn)足以下指標要求：信號調理總線(xiàn)實(shí)現規范化、電氣特性無(wú)關(guān)化;即插即用的信號調理電路實(shí)現程控化、模塊化、通道管理自動(dòng)化;整個(gè)平臺有可擴展能力。

5.1 調理總線(xiàn)的規范化和電氣無(wú)關(guān)化設計

信號調理總線(xiàn)是被測對象、VXI資源和信號調理模塊連接的通道，它的規范化、電氣無(wú)關(guān)化設計是通用化、標準化信號調理平臺的基本指標要求。信號調理總線(xiàn)是在對多種型號大型導彈被測對象進(jìn)行需求分析和對VXI測試資源進(jìn)行功能界定的基礎上嚴格定義的，主要由調理控制總線(xiàn)和數據傳輸總線(xiàn)組成。調理控制總線(xiàn)將來(lái)自工控機數字I/O卡的控制指令傳給控制模塊，經(jīng)譯碼后控制整個(gè)平臺的工作;數據傳輸總線(xiàn)構成被測信號、調理模塊和VXI資源之間的連接通道(見(jiàn)圖3).在對總線(xiàn)進(jìn)行嚴格定義的前提下，連接插座的選擇、布局，信號的連接方式，連接狀態(tài)的定義都要充分考慮電磁兼容性，為此本平臺在嵌入式機箱中采用了“底板+背板”(底板適配，背板調理)的結構，讓適配器和調理總線(xiàn)隔離，使信號的轉接空間盡可能大;并且在底板和背后板的電路板設計上專(zhuān)門(mén)加入了地線(xiàn)層，使模擬地、數字地、電源地和測試信號分離，讓激勵信號、測試信號運行在干凈、通暢的傳輸通道中，使干擾達到最小。

5.2 調理電路的程控化和模塊化設計

模塊化、程控化是測試系統的發(fā)展方向，設計程控化、模擬化的信號調理平臺是實(shí)現平臺通用性的客觀(guān)要求。在調理電路設計過(guò)程中采用了“控制模塊+能愛(ài)畜模塊+專(zhuān)用模塊+擴充模塊”的模塊化設計思想，這些模塊與調理總線(xiàn)構成插拔結構(見(jiàn)圖2)。各模塊的控制單元和數字轉接電路由ispSL1032實(shí)現，模擬轉接電路由ispPAC20實(shí)現，對外接口連接到調理控制總線(xiàn)上，可以編程控制。通用模塊實(shí)現測試系統的大部分調理功能，專(zhuān)用模塊則與不同的測試對象、測試任務(wù)相對應。在組建不同型號的大型導彈測試系統時(shí)，只要通過(guò)增減通用模塊的數量和設計不同的專(zhuān)用模塊就可實(shí)現系統集成。

5.3 即插即用調理模塊的通道管理自動(dòng)化設計

信號調理通道的管理是提高通用信號調理平臺智能化程度的關(guān)鍵步驟，包括通道的建立(端口的電氣互連)與撤消、通道狀態(tài)的控制與監測，一般是通過(guò)直接控制通道管理單元—ISP器件的狀態(tài)實(shí)現的，因此測控軟件與調理電路控制單元密不可分的。要對信號調理電路實(shí)現自動(dòng)管理，測控調理電路控制要以調理電路中各通道的信號傳輸特征為基本出發(fā)點(diǎn)。

這里將調理電路通道的管理分為接口配置、控制函數和控制模型三個(gè)相互獨立的文件。接口配置文件存儲被測對象與測試資源的接口映射信息及通道調理參數，可通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)平臺(如Labwindows/CVI

通用信號調理平臺已經(jīng)在陸軍導彈裝備通用維修檢測系統中的得到了應用。實(shí)驗證明它可以滿(mǎn)足不同測試對象、不同測試任務(wù)的指標要求，通用性、標準化程度很高，擴充能力很強。