凌华科技PCI-9846高速数字化仪在电子时间引信通用测试系统中的应用

        应用领域：电子时间引信及装定器产品测试应用
        挑战：传统的电子时间引信测试系统功能简单，集成化程度低，需借助各种通用测试设备辅助完成，操作复杂，测试效率低下，测试精度受人为因素影响较大。随着引信性能和功能的逐渐提高，现有的测试手段已无法满足使用要求。因此提出了建立高性能电子时间引信通用测试系统的设想，该测试系统采取通用化、模块化、集成化的设计思路，具有操作简便、测量精度高、采购成本低、升级简单、携带方便的优点，实现了全自动引信测试、数据统计、性能分析等功能，使电子时间引信性能测试系统的技术水平有了质的提高。
        解决方案：电子时间引信通用测试系统使用工业控制计算机为系统开发平台，使用凌华科技的PCI-9846高速数字化仪作为信号采集模块，使用NI公司的图形化编程软件LabVIEW进行测试过程的控制、数据的分析判断和用户界面的开发，配合PCI-7230隔离数字输入输出卡、PCI-7250继电器输出卡等信号控制模块、专用信号调理电路、数字程控电源，实现了通用化、模块化的电子时间引信自动化测试系统，可完成电子时间引信产品的装定波形、工作电压、电流、功耗、输入输出信号等电性能的实时测量与评估。

        电子时间引信是一种使用比较广泛的引信产品，用来为子母式弹药的母弹开舱提供控制信号，是远程压制武器系统的主要装备。电子时间引信作为一种高度集成的电子引信，其工作性能必须经过严格的测试，才能提供用户使用。所以各种电子时间引信产品均配备有专用的测试仪器完成性能测试，但过去采用的传统仪器测试模式随着电子时间引信技术的发展，暴露出了效率低、精度差和检出率低等问题，而且各种型号电子时间引信的测试设备之间不具备通用性和互换性，因此急需设计一种新的通用测试系统来解决这些问题。
1 电子时间引信的工作原理及测试系统要求
        电子时间引信是用来为子母式弹药提供起爆发火信号的部件，其工作原理为：弹药发射前首先由参数装定器为其装定火控系统解算出的开舱作用时间，弹药发射后，电子时间引信以发射时刻为起点开始计时，当计时到预先装定的作用时间后，输出开舱点火信号给战斗部，完成弹药起爆。
根据电子时间引信的工作原理，对通用测试系统的基本要求如下：
        1）提供多路可调直流稳压电源，为电子时间引信和装定器提供工作电源。
        2）提供控制装定器工作的模拟火控信号。
        3）可按照实际工作时序控制电子时间引信和装定器工作。
        4）可提供模拟时间修改信号。
        5）可为被测产品提供模拟负载。
        6）可以采集多路模拟信号和数字信号。
        7）可对测试数据分析处理、显示、存储并自动生成测试报表，包括作用时间、工作电压、工作电流、点火信号幅度、故障状态等。
2 方案设计
        根据原有电子时间引信测试系统的不足，希望新的测试方案能达到如下效果：
        1）高集成度，尽量减少占用空间，便于移动。
        2）自动化，尽量减少人为因素对产品测试结果带来的影响。
        3）通用性，可适应不同型号的电子时间引信及装定器产品的测试，减少重复开发工作。
        4）高效率，单发产品的测试时间尽可能的短，以适应大批量生产的使用要求。
        5）高检出率，对被测产品的中间参数也可以进行测试，提高覆盖率。
        根据电子时间引信的工作特点和自动化、通用化的使用要求，虚拟仪器技术十分符合方案要求，并且能够较好地达到方案预期的效果。凌华科技公司有着丰富的虚拟仪器测试测量产品线，可以给我们提供较大的选择空间，LabVIEW是一种易学易用的开发软件，可以利用它快速、简便地开发出复杂、并行、有效并且易于操作的测试系统。为了降低系统的成本，我们决定选择选用工控机加PCI板卡的方式，并通过扩展USB端口、串口、及其它模块单元进行数据交互和测试，在LabVIEW软件平台下开发新的测试系统。总体方案设计如图1所示，其中：

        数字程控电源用来为被测电子时间引信和装定器提供工作电源，具有4路可编程和4路固定电压输出，输出电压范围为-12V～+36V，工控机算机通过串行接口，可对其进行编程，使其输出电压满足不同型号电子时间引信和装定器的工作电源要求。
        对于装定信号、启动信号、点火信号、工作电压、工作电流等引信输入输出信号的波形监控，都由PCI-9846高速数字化仪来进行采集。
        电子时间引信和装定器的启动控制、模式控制等数字控制信号，以及对引信和装定器工作过程中的各类中间信号的监测，由PCI-7230隔离数字输入输出卡来完成。
        提供给被测产品的工作电源由PCI-7250继电器输出卡通过继电器进行控制输出。
        信号调理电路主要是将被测电子时间引信和装定器的各类信号调理到测试板卡所能接受的范围。如信号上拉、下拉匹配；各类开关常开、常闭触点匹配；模拟、数字、脉冲电平电压调制；信号滤波、放大等调制。
        被测产品和通用测试系统之间通过专用测试电缆连接，当测试不同型号的电子时间引信和装定器产品时，只需更换测试电缆和调用相应的测试软件及参数设置就可以了。

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3 关键模块软硬件的实现
        1）参数装定功能的测试
        电子时间引信在进行参数装定时，为了满足快速反应的要求，需要在尽量少的时间内传输尽量多的数据信息，因此其装定编码的长度都不能太长，最短的码形长度为微秒级的信号，而且在一些特定的使用环境下，参数装定工作是随着武器系统的工作一直持续进行的，直到弹药发射出去为止，所以进行产品的装定可靠性测试时，需要进行长时间的连续装定测试。由以上所列举的有关进行参数装定功能测试的特点，可知完成该项测试的关键是测试系统要同时具有较高的采样率和较长的数据存储时间两项特性。
        凌华科技的PCI-9846高速数字化仪是一种4通道的高速数据采集设备，其具有每通道40MS/s的采样率，16位的采样分辨率，可以满足对装定信号波形的实时高精度采集，而且其配备了高达512MB的板载内存，摆脱了PCI总线的带宽限制，使之能储存更长时间的波形，满足了进行连续装定可靠性测试时大容量数据存储的使用要求。
        PCI-9846数字化仪的输入阻抗为50Ω或1MΩ，输入范围为±1V或±5V，以上两个参数均可以通过软件进行调整，因此对数字信号装定的产品可直接进行采集处理，对模拟信号装定的产品，因为其装定信号幅度可能会超过数字化仪的输入范围，因此通过信号调理电路，对模拟信号进行分压，将其转换到±5V的范围内进行采集。
        进行装定性能测试时，主控程序首先根据被测产品的型号，确定输出的工作电压，通过PCI-7250继电器输出卡上的继电器控制输出工作电源给被测产品，然后通过串口发送装定参数给装定器，然后运行数据采集子程序（见图2），数据采集子程序控制数字化仪开始采集信号调理电路输出的特征信号，一个通道记录装定信号波形，一个通道检测供给产品的工作电源信号，一个通道检测产品的工作电流信号，同时通过PCI-7230上的数字输出口给装定器发出启动信号，在监测到装定信号发送完毕后，系统停止信号采集，开始对采集到的信号数据进行分析处理，通过对装定信号的幅度、码宽、占空比，以及工作电压、工作电流等参数进行测量，根据产品的性能指标给出判定结果。

图2 数据采集子程序

        进行连续装定功能测试时，主控控制程序在启动信号采集子程序以后，通过PCI-7230连续发送启动控制信号给装定器，控制装定器工作，整个测试过程共循环10000次。在装定器连续发送装定信号的同时，测试系统连续采集被测引信装定线上的信号波形及工作电压、工作电流等参数，主控程序实时将采集到的波形数据从数字化仪的板载内存中读取并存储，整个测试流程结束以后，主控软件停止数据采集，并将存储的数据回读，进行分析处理，将还原的波形信号进行显示，并对每一组装定信号进行性能分析，判断参数装定的可靠性，并给出统计结果。数据分析处理界面见图3。

图3 连续装定测试数据分析界面

        2）电子时间引信计时精度的测试
        电子时间引信的计时时间是指其从接收到计时启动信号开始计时时刻，到输出点火信号时刻的时间之差，根据不同型号引信应用背景的不同，其计时精度和计时时间范围各不相同，相差很大，对于超近程拦截型弹药的电子时间引信其计时精度要达到微妙级，计时时间长度到100毫秒以上，对其进行计时精度测试时最重要的是采样率要足够高，而对远程压制武器系统所使用的电子时间引信其计时精度为毫秒级，但计时时间长度要达到400秒以上，对其进行测试时采样率可以适当的降低，以满足长时间数据采集的要求。
        根据以上特性，对不同型号的电子时间引信进行计时精度测试时，数字化仪的采样率可通过软件进行控制，从1MS/s到40MS/s不同，在保证了时间测试精度的前提下，也节省了系统资源。
        进行计时精度测试时，主控程序首先根据被测产品的型号，确定需提供给被测产品的工作电源电压，然后通过继电器输出卡控制输出给被测产品，然后运行数据采集子程序，同时发送启动控制信号给被测引信，使被测引信开始计时，测试系统同步监测被测引信的启动控制信号、点火输出信号、工作电压及工作电流等，当监测到点火信号后，停止信号采集，并对采集到的数据进行分析处理，从启动信号开始时刻到点火信号输出时刻即为引信的计时时间，同时还要对引信的点火信号波形进行分析，对点火信号的最大电压进行测量，对点火信号波形进行积分，判断引信输出的点火信号幅度及能量、工作电源、工作电流等参数是否满足性能指标要求。图4为测试系统采集到的某型号电子时间引信启动信号和点火信号波形。

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图4 某型号引信启动信号和点火信号波形

        3）产品控制信号的产生
        电子时间引信和装定器工作时的控制信号大部分为数字I/O信号，因此选用PCI-7230隔离数字输入输出卡来产生，该卡具有16通道的隔离数字输入和16通道的隔离数字输出功能，其输出通道拥有5～35V的宽信号输出范围，可以满足为不同型号电子时间引信和装定器提供各类控制信号的使用要求，数字输入通道具有0～24V的输入范围，可用来监测引信及装定器工作过程中各类中间信号的变化。
        系统测试时，首先根据被测产品型号确定所需要的数字电源电压，然后通过串口完成对装定器的数据传输，然后由数字输出通道1发出装定启动信号，控制装定器开始工作，装定完毕后，由数字输出通道2发出引信计时启动信号，被测引信开始计时，根据不同引信的测试要求，通过数字输入通道实时监测被测引信的各种中间特征信号，如果测试具有时间修改功能的电子时间引信时，在引信开始计时以后，还要通过另外3个数字输出通道，发送修改信号脉冲给被测引信。图5为输出的启动控制信号波形。

图5 测试系统输出的启动控制信号

4 测试系统软件设计
        电子时间引信通用测试系统控制软件在Windows操作系统平台下，基于LabVIEW8.5开发完成，采用模块化编程思想，自顶向下设计，为了满足高速率采集的要求，采用多线程编程，应用程序被分为3个线程：一个用户界面线程，一个数据获取线程和一个仪器控制线程。具有良好的人机交互界面，可进行数据采集、数据分析、存储及自动报表生成等功能。系统测试软件主要流程如图6所示。

        1）产品型号选择
        根据被测产品的型号，在操作界面上选择相应的产品型号，系统控制软件根据被测产品型号自动加载相应的系统设置参数。
        2）电源设置
        系统控制软件根据加载的被测产品工作电源参数，将所需的电源参数编码后通过串口发送给数字程控电源，数字程控电源根据收到的电源参数进行系统工作电源的自动调整，并将调整结果反馈给系统控制软件。
        3）测试项目选择
        根据不同引信的测试要求，对装定性能测试、连续装定可靠性测试、计时精度功能测试等不同测试内容进行选择，同时针对不同的试验项目进行试验条件选择，如高温、低温、振动等，并根据不同的测试内容和试验项目自动加载相应的测试数据。
        4）功能测试
        功能测试在前三项选择完毕后点击运行即可自动进行测试，系统通过控制信号控制被测产品工作，并对被测产品工作过程中的相关特征信号进行采集。每个测试项目都封装成一个子VI，方便主VI和TestStand调用，测试数据可自动加载，也可在测试开始前进行设置修改，如装定时间、修改时间等。
        5）数据处理及存储
        测试完成后，需将各种测试信息和数据进行记录、分析处理和存储，包括当前测试日期、时间、测试数据和各测试项目的状态（未测试、通过、故障信息）等。数据处理存储界面见图7所示。

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5 测试及性能验证
        测量数据的图形化实时动态显示是测试仪器必备的功能，像常见的数字示波器、频谱分析仪等仪器都具有能够显示测量信号波形和仪器的工作状态的CRT荧光屏。LabVIEW是通过波形显示控件即实时趋势图控件。实时趋势图控件把新的数据连续添加到已有的数据的后面，波形是连续向前推进显示的，这样就可以很清楚地观察到引信工作过程中的信号变化过程，能实时监控被测信号的变化。
        本测试系统数据的实时显示是将引信的多路信号，在“通道回放”一栏中通过选择，可以显示某通道的波形，当数据回放时，显示的波形还可以进行放大和缩小变换。图8所示为本测试系统显示的某通道波形图。

图8 本测试系统某通道波形图

        引信测试的目的在于获取引信的工作性能、状态或特征信号，所以数据采集只是测试工作的第一步。数据的分析和处理构成测试系统的重要组成部分之一，传统的引信测试数据处理通过DSP或MATLAB等其它工具完成，而本测试系统利用LabVIEW软件内容丰富、功能强大的分析工具包，完全可以胜任复杂的数据分析和处理工作，其数据处理都在后台调用工具包，其测试结果在运行完后即显示合格与否的判定，使测试人员一目了然的明白测试结果。
        测试系统设计完成后，我们设置了一些条件对系统的实际性能进行了测试。通过测试人员操作，对平均单发产品测试时间进行了测量；通过重复测试，对系统可靠性进行了验证；通过设置故障，对系统的检出率水平进行了测试；通过信号对比标定，对系统的测试精度进行了测试。经过测试表明，测试系统的单发测试时间缩短了一半以上，测试精度、可靠性和检出水平都有较好的提升，在自动化、通用性方面都达到了系统设计的要求。
6 结论
        针对电子时间引信的工作特点和自动化、通用化的使用要求，本测试系统采用虚拟仪器技术，通过工控机加装凌华科技的高速数字化仪、数字I/O、继电器输出等板卡的硬件设计，结合LabVIEW的图形化软件编程，开发出了功能强大、性能优越且易于扩展的电子时间引信通用测试系统，实现了对测试过程和步骤进行自动化控制、对测量数据进行分析处理，对故障模式进行自动判断等功能，显著提高了测试效率、测试精度和检出率。与传统测试手段相比，虚拟仪器测试有着巨大优越性，必将得到更广泛、深入的应用。

作者：

        徐昕，男，1975年12月29日，中国兵器工业集团第二一二研究所，高级工程师，空军工程学院，工业电气自动化，电子时间引信及其测试系统

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