基于PCI-9846武器數據鏈測試技術(shù)的研究及實(shí)現

1. 概述

傳統的武器數據鏈測試方法多以傳輸系統的靜態(tài)性能參數檢測為主，難以對數據鏈出現的瞬態(tài)異常情況做出正確地判定，更不可能對正常使用情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真測試，最終也就不能有效地保證數據鏈無(wú)故障可靠應用。武器數據鏈動(dòng)態(tài)仿真測試作為新一代武器系統采用SDP(Structured Distributed Programming) 技術(shù)開(kāi)發(fā)的分布式并行測試中的一個(gè)重要組成部分，在完成數據鏈自身測試的同時(shí)，也為武器系統其他單元的仿真測試提供配套的功能。ADLINK公司PCI-9846高分辨率高速數據采集卡在武器數據鏈測試系統中，以其寬動(dòng)態(tài)范圍、板載512 MB內存及不受PCI總線(xiàn)速率限制的突出特點(diǎn)，助力武器數據鏈測試，滿(mǎn)足了并行、動(dòng)態(tài)及仿真測試等復雜應用需求，成為測試系統中的技術(shù)亮點(diǎn)，提升了測試技術(shù)水平。

該測試系統具有體積小、定量測試精度高，自動(dòng)化水平高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，達到了模塊化、通用化、系列化要求，在軍事和經(jīng)濟效益方面有顯著(zhù)特點(diǎn)。

2. 數據鏈仿真測試技術(shù)

武器數據鏈測試系統以計算機和武器數據鏈模擬模塊為核心，其性能先進(jìn)、結構緊湊、操控性強，在仿真應用測試、協(xié)議測試方面具有獨特的一面，達到了動(dòng)態(tài)測試、智能測試的要求。

被測武器數據鏈系統的性能指標覆蓋射頻性能、時(shí)間同步、信號格式、圖像處理、電磁兼容、天線(xiàn)跟蹤等方面，測試系統實(shí)現了對數據鏈系統聯(lián)調、技術(shù)陣地檢測、生產(chǎn)調校、故障發(fā)現等功能，達到了全系統一體化動(dòng)態(tài)測試的目標。

在測試技術(shù)方面，基于電磁波傳播理論，提出微暗室、近場(chǎng)模擬開(kāi)放空間實(shí)際環(huán)境的測試方法，采用微波網(wǎng)絡(luò )系統辨識技術(shù)確定近場(chǎng)收發(fā)天線(xiàn)之間的傳遞函數，實(shí)現了實(shí)時(shí)在線(xiàn)射頻信道定量測量，降低無(wú)源互調，解決了高功率防護和電磁兼容問(wèn)題;提出了武器專(zhuān)用數據鏈測試系統的協(xié)議測試技術(shù)，進(jìn)行協(xié)議統計分析、數據處理，并通過(guò)這種協(xié)議測試技術(shù)手段實(shí)現了對武器數據鏈協(xié)議一致性、互操作性、魯棒性的測試。

3. 數據鏈測試系統組成

3.1硬件組成

數據鏈測試系統主要由工業(yè)控制計算機和武器數據鏈模擬模塊組成，如圖1所示。

工業(yè)控制計算機內部擴展多個(gè)RS-422串行接口和USB2.0接口。其中對外的RS-422接口用于與武器測試系統傳輸雙向串行控制數據，接收指令信息，并通過(guò)對內的RS422接口將數據鏈傳輸的狀態(tài)信息傳送到武器測試系統，同時(shí)也能夠對武器數據鏈模擬設備進(jìn)行指令控制。USB2.0接口用于轉存或接收外部規定格式的圖像與信息文件，用于圖像和信息數據還原處理。工業(yè)控制計算機還用于測試控制，接收武器測試系統的命令或由本地產(chǎn)生命令通過(guò)I/O數字接口控制程控衰減器，用于測試數據鏈接收機靈敏度。工控機內部插接PCI-9846高速數據采集卡，完成圖像數據的采集及圖像分析處理，并實(shí)現圖像存儲和回放。

圖1 數據鏈測試系統組成

武器數據鏈模擬設備完成指令信息的發(fā)射、圖像及狀態(tài)信息的接收。指令由武器測試系統或本地工控機產(chǎn)生，產(chǎn)生的指令通過(guò)模塊的指令基帶處理、調制并發(fā)射。同時(shí)模塊的圖像接收機接收信號并解調和進(jìn)行基帶處理，輸入至PCI-9846高速數據采集卡，由工控機對接收的圖像進(jìn)行分析處理。

數據鏈測試系統的應用測試框圖如圖2所示。

圖2 數據鏈測試應用框圖

3.2測試軟件架構

測試軟件架構主要包括下列幾部分，如圖3所示：

1.應用程序

提供友好的人機控制界面，實(shí)現指令發(fā)送、狀態(tài)信息數據顯示、圖像數據的存儲、回放、狀態(tài)、記錄顯示、圖像監視等功能，能夠接收武器測試系統的控制，實(shí)現遠控條件下的功能操作。

2.數據庫

存儲圖像數據記錄，并能夠查詢(xún)。

3.應用程序接口服務(wù)層

應用程序通過(guò)調用應用程序接口服務(wù)層向的API接口函數，實(shí)現從API接口函數到用戶(hù)應用程序的解釋。

4.軟件服務(wù)層

動(dòng)態(tài)鏈接庫和系統配置文件是軟件服務(wù)層的主要內容，在軟件服務(wù)層實(shí)現對硬件板卡的管理和調度驅動(dòng)程序，并完成接口服務(wù)層到硬件接口之間的轉換。使得應用程序與板卡硬件類(lèi)型無(wú)關(guān)。

5.板卡硬件驅動(dòng)程序層

板卡硬件驅動(dòng)程序層實(shí)現具體的功能調用。

圖3 數據鏈測試系統的軟件架構

3.2測試軟件設計

采用了Delphi編程語(yǔ)言, 中文化的圖形操作界面，實(shí)現了測試系統所要求的操作功能。建立本機Access數據庫，并通過(guò)對象模型ADO(Active Data Objects)進(jìn)行數據庫的訪(fǎng)問(wèn)，ADO最主要的優(yōu)點(diǎn)是易于使用，速度快，內存支出少和磁盤(pán)遺跡小。使用Delphi開(kāi)發(fā)數據庫應用程序時(shí)，還可以將數據庫組件(ADOQuery或Query)與SQL語(yǔ)句結合起來(lái)，以實(shí)現數據瀏覽、刪除等功能

1.應用程序的API接口

根據提供的各種功能接口卡的底層驅動(dòng)程序和數據讀取/寫(xiě)入的例程，編寫(xiě)dll文件，并進(jìn)一步封裝成適合Delphi程序語(yǔ)言調用的API函數。實(shí)現圖像數據的存儲和輸出回放、衰減控制和圖像窗口的控制。

2.數據庫操作

Delphi提供了數據訪(fǎng)問(wèn)(DataAccess)和數據控制(DataControls)的可視化控件，能夠方便快捷地產(chǎn)生具有良好界面且功能強大的數據庫應用程序，還應用了非可視化控件，例如TTable、TQuery、TDatabase等實(shí)現數據庫的數據管理功能。

3.人機界面

充分利用Delphi提供的界面功能控件、按鈕控件，菜單及數據顯示控件開(kāi)發(fā)友好的人機界面，達到簡(jiǎn)單操控，功能強大的要求，提供界面的動(dòng)態(tài)提示以方便各種功能的操作，運用鮮明的狀態(tài)指示控件實(shí)現各種狀態(tài)、進(jìn)程的指示。

4. 測試關(guān)鍵技術(shù)

4.1微暗室近場(chǎng)模擬開(kāi)放空間測試技術(shù)

測試天線(xiàn)微暗室屏蔽罩置于已經(jīng)安裝了天線(xiàn)被測武器體上，接收被測武器發(fā)射的大功率信號，并且對被測武器的發(fā)射信號有一定程度的屏蔽作用。

測試天線(xiàn)微暗室屏蔽罩設計為正方形截面，頂面平行于地面，考慮到結構尺寸與強度，采用鋁制材料制造，可以保證工作頻段的屏蔽性能;為使得測試天線(xiàn)微暗室屏蔽罩不對武器天線(xiàn)的正常工作產(chǎn)生影響，內部需仿造電波暗室加入劈狀吸波材料，由于所要吸收功率為大功率，吸波材料所處空間較小，為避免產(chǎn)生熱量過(guò)多造成危險，吸波材料選為橡膠材料，且表面具有尖劈狀突起;測試天線(xiàn)微暗室屏蔽罩底部需要與武器本體邊界曲線(xiàn)進(jìn)行共形設計，并底部覆蓋較厚的吸波橡膠材料，既可以吸收電磁波，又能夠進(jìn)一步地實(shí)現共形設計;內部天線(xiàn)的設計采用寬帶圓形單極子天線(xiàn)，可以滿(mǎn)足尺寸、重量以及帶寬的要求，測試天線(xiàn)微暗室屏蔽罩如圖4所示。

1測試天線(xiàn)接口 2吸波橡膠 3鋁板屏蔽 4寬帶單極子天線(xiàn) 5共形吸波橡膠 6被測武器天線(xiàn)接口

圖4 測試天線(xiàn)微暗室屏蔽罩

4.2仿真場(chǎng)景及計算機集成測試技術(shù)

數據鏈測試系統是在地面環(huán)境條件下，仿真建立武器系統數據鏈實(shí)際應用場(chǎng)景，按照其工作流程，采用計算機技術(shù)，模擬仿真配套設備的功能，對目標模塊進(jìn)行功能與性能的測試，仿真場(chǎng)景需要接近實(shí)際使用條件，才能保證測試結果的具有全面、安全、可靠、可信等特征。

數據鏈測試系統采用計算機控制技術(shù)，擴展多通道同步和異步通信接口、圖像采集、程控衰減器、模擬外接設備條件和數據信息，構建仿真測試平臺，測試軟件也具有智能化、模塊化的特點(diǎn)，針對武器系統不同狀態(tài)下的工作流程，進(jìn)行模塊化組合，充分地實(shí)現了計算機條件下武器系統的集成測試。

數據鏈測試系統采用模塊結構組成的集中式測控方式, 運用工業(yè)控制機技術(shù), 整個(gè)系統結構緊湊, 運行可靠, 非常適合在技術(shù)陣地條件下裝備的測試與保障。同時(shí)測試軟件采用了層次化和模塊化的結構, 使得測試效率得到極大地提高, 并且易于軟件的維護和擴展。

數據鏈測試系統采用標準化設計,統一測試接口標準、統一的測試標準和測試項目，這樣做的目的不僅可以規范測試系統, 增強其通用性,而且還可以增強測試系統的可擴展性, 為了今后使測試系統具有兼容不同型號武器裝備的適應性, 并使之形成系列化, 進(jìn)一步拓寬使用范圍，減少對測試系統的重復投資, 使測試系統的發(fā)展與武器裝備的發(fā)展同步。

4.3數據鏈的協(xié)議測試技術(shù)

本測試系統應用了協(xié)議測試技術(shù)，并通過(guò)這種協(xié)議測試技術(shù)手段實(shí)現了對武器裝備數據鏈功能的測試。數據鏈測試系統對武器全系統功能測試來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的單元。協(xié)議測試是運用數據鏈功能實(shí)現全武器功能測試的重要環(huán)節，其目的是為了保證協(xié)議實(shí)現并按照協(xié)議描述穩定可靠地運行，對于數據鏈的質(zhì)量保證有著(zhù)重要的意義。在協(xié)議測試技術(shù)中主要進(jìn)行了一致性測試、性能測試和魯棒性測試，例如在數據鏈自檢和指令操控等功能上主要用了協(xié)議一致性測試技術(shù)，在指令操控和狀態(tài)信息等傳輸延時(shí)性能測試上主要用了協(xié)議性能測試技術(shù)，在接收機靈敏度性能測試上用了協(xié)議魯棒性測試技術(shù)。

在對武器數據鏈的一系列操控流程測試上，利用事先編制的測試用例，在特定的測試環(huán)境下，進(jìn)行軟件的黑盒測試，通過(guò)比較被測武器裝備的實(shí)際輸出與預期輸出的異同，判定被測裝備的功能或流程實(shí)現是否與協(xié)議描述相一致，從而實(shí)現協(xié)議一致性測試。

4.4面向對象測試技術(shù)和測試驅動(dòng)開(kāi)發(fā)

在數據鏈測試系統的軟件規模和軟件復雜性要求下, 按照傳統的現有被測系統，然后開(kāi)發(fā)測試軟件的開(kāi)發(fā)方法已逐漸不能適應系統開(kāi)發(fā)的需要,數據鏈測試系統采用了測試驅動(dòng)開(kāi)發(fā)TDD ( Test Driven Development) 的開(kāi)發(fā)方法。數據鏈測試系統是與數據鏈設備同步啟動(dòng)進(jìn)行的，在實(shí)現數據鏈設備的每個(gè)功能期間，都要考慮如何對這個(gè)功能進(jìn)行測試，并完成測試代碼的編寫(xiě)，這樣可以不斷地通過(guò)測試效果推動(dòng)被測設備代碼的開(kāi)發(fā), 既復用了代碼開(kāi)發(fā)工作量, 又保證了軟件質(zhì)量。不斷地優(yōu)化相關(guān)的測試用例代碼，然后循環(huán)進(jìn)行添加其他功能, 直到完成全部功能的開(kāi)發(fā)。代碼效率是測試驅動(dòng)開(kāi)發(fā)所追求的目標。這種方法在實(shí)際中能夠起到非常好的效果,使得數據鏈測試開(kāi)發(fā)成為項目設計的一部分, 很好地把開(kāi)發(fā)和測試融合為一個(gè)整體。

數據鏈測試系統先行開(kāi)發(fā)是項目開(kāi)發(fā)管理中一種細粒度的目標管理方法, 通過(guò)明確的目標, 推動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)的進(jìn)行。TDD 方式的開(kāi)發(fā)使得數據鏈測試系統是從下而上, 依次實(shí)施一系列的解決方案, 最后演進(jìn)為整體設計。

4.5基于PCI-9846圖像ROI處理技術(shù)

凌華科技PCI-9846是4通道16位40MS/s采樣數字化儀，專(zhuān)為輸入信號頻率高達20MHz的高頻和高動(dòng)態(tài)范圍的信號而設計，模擬輸入范圍可以通過(guò)編程設置為±1V/±0.2V或±5V/±0.4V，配備了容量高達512MB的板載內存，擺脫了PCI總線(xiàn)的約束，使之能儲存更長(cháng)時(shí)間的數據。PCI-9846配備了四個(gè)高線(xiàn)性度的16位A/D轉換器。

PCI-9846相對于其他的采樣數字化儀，其特點(diǎn)可以概括為以下幾點(diǎn)：

標準高度，半長(cháng)PCI規格;

支持5V和3.3V PCI信號;

支持32位/66MHz PCI接口;

16位高分辨率A/D轉換器;

每通道采樣率最高40MS/s;

板載四通道共享的512M內存，用于存儲數據;

可編程輸入電壓范圍±0.2V/±1V或±1V/±5V;

模擬輸入帶寬可達20MHz;

支持scatter-gather DMA傳輸。

4.5.1基于PCI-9846的圖像存儲

基于PCI-9846的圖像存儲系統流程可由以下幾部分構成：

圖像模擬信號經(jīng)由PCI-9846轉化成數字信號并進(jìn)入接收設備(如計算機);

數字信號在接收設備中進(jìn)行ROI區域的劃分，切割;

將ROI信號進(jìn)行消除噪聲，增加分辨率，除鋸齒操作等，增加清晰度;

將非ROI信號進(jìn)行壓縮，減少存儲容量;

將信號進(jìn)行整合，并進(jìn)行壓縮處理;

建立數據庫并存儲最后的數據。

4.5.2 感興趣區域圖像編碼技術(shù)

感興趣區(Region of interest, ROI) 圖像編碼技術(shù)是近年來(lái)數字圖像壓縮編碼領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn). 其在圖像高壓縮比下, 能夠更好地保證重建圖像ROI質(zhì)量, 是有效解決圖像質(zhì)量和壓縮比之間矛盾的一種重要手段。ROI 編碼算法的基本原理是:對輸入的圖像進(jìn)行小波變換, 根據圖像感興趣區產(chǎn)生ROI 掩膜, 移動(dòng)ROI 掩膜內的小波系數使其位于較高的位平面, 在隨后進(jìn)行的嵌入式編碼中實(shí)現優(yōu)先編碼、優(yōu)先傳輸, 使得解碼重建后的ROI 比背景區擁有更好的質(zhì)量. 但此類(lèi)算法需要增加一定的位平面數量, 解碼時(shí)也必須對移動(dòng)了的位平面進(jìn)行逆平移, 增加了一定的復雜度. 另一類(lèi)ROI 編碼方法是基于優(yōu)化截斷嵌入式編碼(Embedded block coding with optimized truncation, EBCOT) 算法中碼塊失真計算的. 其中具有代表性的是由Taubman 提出的隱式ROI 算法, 其通過(guò)增加ROI 碼塊失真度量的權重, 使得編碼碼流中包含更多的ROI 信息,從而提高重建圖像ROI 質(zhì)量. 其優(yōu)點(diǎn)在于不改變位平面的數量, 不需要附加ROI 形狀信息, 解碼也不必進(jìn)行額外操作, 復雜度低. 但是, 由于編碼是以碼塊為單位, 某些ROI 碼塊中可能包含大量背景區域的小波系數, 而只有少數ROI 信息, 因此該算法在一定程度上影響了編碼效率, 在低碼率(不大于0.5 bit/pixel) 下, 重建圖像ROI質(zhì)量相對于背景區域提高不明顯.相應出現了一種處理方法，通過(guò)降低ROI碼塊中背景區域的小波系數權重, 以減小這些系數對編碼的影響, 使重建圖像ROI質(zhì)量明顯提高. 但是, 其采用的方式是一種有損操作, 在較高碼率下影響了重建圖像的背景區域質(zhì)量，用ROI碼塊中感興趣區小波系數的個(gè)數在碼塊中所占的比例調節權重, 取得了很好的效果。

5. 結束語(yǔ)

目前,外軍數據鏈自動(dòng)測試系統(ATS)正朝著(zhù)通用化、標準化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化的方向邁進(jìn)。本數據鏈測試系統也在朝著(zhù)構建通用化自動(dòng)測試系統方面上邁進(jìn),通過(guò)共享測試軟硬件資源，采用開(kāi)放的技術(shù)標準和測試標準,以期減少測試系統軟、硬件的開(kāi)發(fā)和升級費用，規范軟硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程,提高測試設備中各功能模塊的互換性和通用性,實(shí)現測試用例程序集TPS的可移植性和可重用性，最終達到整個(gè)測試系統的可重構性，一個(gè)高性能測試系統,能夠通過(guò)優(yōu)化豐富測試用例,實(shí)現測試系統的不斷升級;還可在構建網(wǎng)絡(luò )化測試系統上,應用專(zhuān)用的IP承載網(wǎng)，實(shí)現測試過(guò)程的遠程控制與遠程故障診斷。