（检测技术与自动化装置专业论文）捷联惯性gnss组合导航系统通用测试平台的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 组合导航系统为飞机提供位置、姿态等导航信息，是飞机安全飞行的重要 航空机载设备，因此设计一套能够对组合导航设备进行全面测试并诊断故障的 系统具有极其重要的意义。本文在对某型捷联惯性g n s s 组合导航系统的功能、 对外交联关系及输出信号进行分析的基础上，提出了构建该系统测试平台的方 法，并研究了软硬件设计中关键技术的实现方法，具有很强的工程实践参考价 值，为其它机载设备测试平台的建立提供了一个成功的参考案例。 本文研究的测试平台采用虚拟仪器技术，基于工控机的硬件平台，所有的 测试板卡都安装在工控机插槽上，利用工控机的强大功能，完成信号采集、任 务管理等功能。测试平台的软件采用l a b v i e w 图形化编程语言，实现系统测试、 故障检测、用户管理、测试系统维护以及测试报告管理等功能。所设计的测试 平台具有操作简便、功能齐全等特点，能够很好的满足用户的要求。 在硬件设计中，对模拟量和离散量的采集进行了分析，给出了应用实例， 对状态选择器的设计进行了研究，重点研究了基于计算机i s a 总线的a r i n c 4 2 9 总线传输的硬件设计，最后对抗干扰和防差错设计进行了分析。 软件是虚拟仪器的灵魂，虚拟仪器测试系统能否正常运行，在很大程度上 取决于软件。本文对虚拟仪器的软件结构进行了分析，在此基础上对各层软件 的实现进行了阐述，并结合本测试系统的软件设计进行了论证，研究了v i s a 体 系的应用，重点研究了仪器驱动库的建立和d l l 文件的应用；同时对测试系统 软件设计中经常出现的多任务编程进行了重点分析，因为这对于测试软件的执 行效率和正确性起着重要作用。 故障检测和放障诊断在测试系统中的地位越来越重要。本文中提出了系统 的地检信息在故障检测中的应用，在此基础上，对基于专家系统的故障诊断理 论进行了研究。 本文对测试平台的建立进行了理论分析和实践研究，所研究的测试平台具 有很好的通用性，稍加改动，就可以应用到别的测试系统中。 关键字：测试平台，虚拟仪器，a r i n c 4 2 9 ，d l l ，故障检测 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e mp r o v i d e st h en a v i g a t ei n f o r m a t i o no fp o s i t i o nt o t h ea i l p l a n e ，i ti st h ei m p o r t a n te q u i p m e n tf o ra i r p l a n es a f e t yf l i g h t t h i sa r t i c a l a n a l y s e st h ef u n c t i o n ，e x t e r n a lc o n n e c t i o na n do u t p u ts i g n a lo ft h es i n s g n s s i n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m ，p u t sf o r w a r d t h em e t h o do fs e t t i n gu pat e s tp l a t f o r m ， a n dt h e ns t u d i e st h em e t h o d so ft h ek e yt e c h n i q u ef o rs o f ta n dh a r d w a r e t h i sa r t i c a l p r o v i d e sa s u c c e s se x a m p l ef o rt h ee s t a b l i s h m e n to fo t h e rt e s tp l a t f o r m s t h et e s tp l a t f o r mb a s e do nt h ec o m p u t e rh a r d w a r ep l a t f o r ma d o p t st h ev i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n i q u e ，t h es i g n a lc o n n e c t i o na n dt a s km a n a g e m e n ti sc o m p l e t e db yt h e c o m p u t e r t h es o f t w a r ew h i c ha d o p st h el a b v i e wp r o g r a ml a n g u a g ea c h i e v e st h e f u c t i o no fs y s t e mt e s t ，f a u l te x a m i n a t i o n ，u s e rm a n a g e m e n t ，s y s t e mm a i n t e n a n c ea n d r e p o r tm a n a g m e n t t h et e s tp l a t f o r md e s i g n d e dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p e r a t i o n s i m p l ea n df u n c t i o nw e l l f o u n d ，a n di tc a nb eg o o d t os a t i s f yt h er e q u e s to ft h eu s e l i nt h eh a r d w a r ed e s i g n , t h ec o l l e c t i o no fs i m u l a t i o nq u a n t i t ya n dd i s p e r s eq u a n t i t y i sa n a l y s e d ，a n dt h e nt h e e x a m p l e sa r eg i v e d i nt h i sp a r t ，t h ed i s i g no fs t a t e s e l e c t o ri ss t u d i e d ，a n dt h ed e s i g no fa r i n c 4 2 9b u sb a s e do ni s ab u si se s p i c a l l y r e s e a r c h e d a tl a s t ，a n t i i n t e r f e r e n c ea n dt h ed e s i g no fd e f e n g i n gm i s t a k ei sa n a l y s e d w h e t h e rv i r t u a li n s t r u m e n tt e s ts y s t e mc a nm nw e l li sd e c i d e db yt h es o f t w a r ei n al a r g ee x t e n t t h es o f t w a r es t r u c t u r eo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sa n a l y s e da n dt h e n t h er e a l i z a t i o no fe a c hs o f t w a r el a y e ri se x p l a i n e d ；a f t e rt h a t ，t h ea p p l i c a t i o no ft h e v i s as y s t e mi ss u d i e d ，a n de s p i a l l yt h ee s t a b l i s h m e n to fi n s t r u m e n td r i v ea n dt h e a p p l i c a t i o no fd l l i ss t u d i e d a l s om u l t i t a s ks y s t e m sw h i c hi si m p o r t a n tt ot h e e f f i c i e n c ya n dv a l i d i t yo fs o f t w a r ei sa n l y s e d t h ef a u l te x a m i n a t i o na n df a u l td i a g n o s a t i o n j sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h e t e s ts y s t e m t h i sa r t i c a lp u t sf o r w a r dt h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e mb i t ，a n dt h e n s t u d i e st h ef a u l te x a m i n a t i o nt h e o r i e sb a s e do ne x p e r ts y s t e m t h et e s tp l a t f o r ms t u d i e di nt h i sa r i t i c a li sf l e x i b i l i t ya n dc a na p p l yt oo t h e rt e s t s y a t e mw i t hal i t t l em o d i f y k e yw o r d s ：t e s tp l a t f o r m ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，a r i n c 4 2 9 ，d l l ，f a u l te x a m i n a t i o n i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名趔 知矽年；月2 瑁 指导教师签名 卿夥叨 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研 究成果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 砷年；月1 日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 自动测试系统 第一章绪论 随着现代科学技术和现代工业的发展，对于电子测量和仪器技术的要求越 来越高，测试内容和测试对象日益复杂，测试工作量与日俱增，对测试速度和 测试精度的要求不断提高，这使得传统的人工测试已经不适应甚至不满足实际 测试的需求，因此采用自动测试系统就成为必然的选择。 通常把以计算机为核心，能够在程序控制下，自动完成特定测试任务的仪 器系统称为自动测试系统( a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ，简称a t s ) ，能够完成自动 测试任务的装备称为自动测试装备( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ，简称a t e ) 。 自动测试系统的研制工作最早可以追溯到2 0 世纪5 0 年代美国为解决军方 在军用电子设备维护当中遇到的问题而开展的s e t e 计划。到了2 0 世纪6 0 年 代，电予计算机开始用于测试领域，自动测试技术也得以迅速的发展和普遍的 应用，其发展大致可以分为三个阶段，从这三个发展过程也可以看出，每一次 技术更新和新标准的推出其实质一直都在提高性能的同时尽可能追求仪器和系 统的通用性，硬件仪器、总线标准、测试软件开发的标准和模型都是如此【1 2 l 。 1 、第一代自动测试系统 常见的第一代自动测试系统主要有专用数据采集系统、自动分析系统等。 系统的控制采用计算机或者其他一些简单的逻辑和定时电路。设计人员需要自 行设计仪器与仪器、仪器与计算机之间的接口电路和相关的控制电路。这种自 动测试系统不管是在接口上、还是软件上都没有任何标准可言，因此也谈不上 通用性。 2 、第二代自动测试系统 2 0 世纪7 0 年代，第二代自动测试系统出现了，其中最有代表性的是 c a m a c 总线和g p i b 总线系统。两者的共同特点是采用标准的总线接口，系 统中使用的计算机、程控仪器、开关等均配有标准化的接口电路。硬件接口实 现了标准化，但是软件仍然没有统一的标准可以遵循，软件开发是针对测试命 令集，这对每台仪器而言都是非常专用的，远远达不到现在对通用性要求，也 无法实现通用性。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 3 、第三代自动测试系统 计算机软件不但承担系统当中控制和通信功能，也开始代替传统仪器中某 些硬件的功能，出现了“虚拟仪器”的概念。虚拟仪器是指以通用计算机作为 系统控制器、由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。 在第三代自动测试系统当中最突出的特点就是软件的比重大大增加，同时在总 线结构、软件上都有广为认可的标准可以遵循，这为实现通用性提供了前提。 尤其值得一提的是测试软件的组成不仅仅是一些程控命令和测试代码，而且可 以借助成熟的通用软件技术，如面向对象等来提高复用性、可移植性。 1 2 虚拟仪器 进入9 0 年代以来，随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞 速发展，测试仪器技术领域发生了巨大的变化，美国国家仪器公司于1 9 8 6 年首 先提出基于计算机技术的虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，把 虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟 仪器。虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和硬件，使得使用者在操作这台 计算机时，就好像在操作一台由他本人设计的专用的传统电子仪器。它可代替 传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集 成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。它由计算机、应 用软件和仪器硬件组成。 在虚拟仪器出现之前，电子测量仪器发展也经历过几个重要阶段，至今大 体可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器【1 3 j 。 第一代模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等。其基本结构是电磁 机械式的，借助指针显示最终结果。 第二代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字式电压表、数字频率 计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最 终结果。 第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动检测，又具有一 定的数据处理能力，其功能块以硬件或固化的软件形式存在。 第四代虚拟仪器，是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、 过程通信及图形用户界面的软件组成的检测系统，它是一种完全由计算机来操 纵控制的模块化仪器系统。 虚拟仪器与传统仪器一样，也是由信号的采集与控制、信号的分析与处理、 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 结果的表达与输出三大功能部分组成，虚拟仪器结构组成如图卜1 所示。 数据采集卡 g p i b 接口仪器 v x i 仪器 p x i 仪器 r s 2 3 2 c 仪器 u s b 仪器 现场总线设备 其它计算机硬件 数据采集与控制 打印 文件 图形显示 网络输出 计算机 数字滤波 f f t 变换 统计 其它 图1 - 1 虚拟仪器结构组成图 结 果 表 达 与 输 出 数 据 分 析 与 处 理 与传统仪器相比较，虚拟仪器有其自身的优点，虚拟仪器和传统仪器的比 较如表1 - 1 所示。 表卜l 虚似仪器和传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低开发和维护费用高 技术更新周期短( 0 5 1 年)技术更新周期长( 5 l o 年) 软件是关键硬件是关键 价格低价格昂贵 开放灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定 可用网络联络周边备仪器只可连有限的设备 自动化、智能化、远距离传输功能单一，操作不便 在虚拟仪器中，软件占着很重要的作用，它与硬件系统配合完成系统的所 有功能，虚拟仪器的体系结构如图卜2 所示。 3 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 自动测试系统应用软件 l 勰il 卤商i 点l i v i s a , t 荤 i 仪器l 闻闻南南南d a o 图1 - 2 虚拟仪器体系结构图 1 3 课题的意义及本论文研究的主要内容 1 3 1 课题的意义 某型捷联惯f 生g n s s 组合导航系统是某型直升机的主要导航设备，组合导 航系统的好坏对于飞机能否正确飞行起着重要作用。导航系统发生故障或失效， 有可能造成灾难性后果，因此设计一套能够对组合导航设备进行全面测试并诊 断故障的系统具有极其重要的意义。 组合导航系统是复杂的精密机电设备，目前国内航空组合导航系统的二线 检测设备多是由分立的测量仪器组成，如示波器、万用表等，测试过程大部分 以手工进行操作记录，然后靠人工分析来判断故障，这要求检测人员具有较高 的专业水平和实际检修经验；因而，检测效率较低，同时误判率也比较高。为 了满足现场快速测试和故障诊断的要求，应用计算机技术、虚拟仪器技术、故 障诊断技术与仿真技术设计出一套测试系统显得尤为必要。本课题就是针对某 型号捷联惯性g n s s 组合导航系统设计了一套自动测试与故障诊断系统。该自动 测试系统利用虚拟仪器与自动化测试技术，对组合导航系统输出信号进行监视、 转换、调理、分析与处理，实现对组合导航系统的主要硬件组件及系统工作情 况的检测，并对其故障进行分析与诊断。本文对基于虚拟仪器的测试系统进行 了研究，结合捷联惯性g n s s 组合导航系统通用平台的设计实例，对软硬件设计 中的关键技术进行了研究，并对故障检测理论进行了深入的研究，对于测试平 4 自动测试系统 自动测试系统 软件结构 硬件结构 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 台设计的工程实践有着很大的指导价值，本文中给出的设计方法，稍加改动， 就可以应用到别的测试平台中去。 1 3 2 本论文研究的主要内容 本论文将对某型捷联惯性g n s s 组合导航系统通用测试平台的设计进行研 究，所设计的测试平台具有界面友好、操作简单、功能齐全、易于扩展等特点， 能够很好的满足用户的要求。 本文共分为八章： 第一章为绪论，介绍自动测试系统、虚拟仪器技术，并阐述本课题研究的意 义及论文的主要内容。 第二章为被测对象及系统结构分析，分析某型捷联惯性g n s s 组合导航系统 的功能、对外交联关系和对外交联信号的特性，在此基础上，阐述基于计算机 的测试系统结构，最后将分析本课题中测试平台的系统结构。 第三章为硬件设计中的关键技术，在介绍硬件设计总体结构的基础上，研究 a r i n c 4 2 9 总线接口技术、模拟量采集技术、离散量采集及输出技术，并对硬件 设计中的抗干扰和防差错进行分析。 第四章为软件设计中的关键技术，在介绍虚拟仪器软件结构的基础上，分析 课题中测试平台的软件模块及界面设计，结合本课题中的软件设计，对于仪器 驱动库和d l l ( 动态链接库) 的应用进行深入的研究，同时对v i s a 体系的应用也 要进行分析研究，然后对本课题中软件主要功能的实现进行分析，给出相应的 解决方案。最后，针对软件编写，对多任务编程的实现进行研究。 第五章为故障检测的实现，对本课题所研究的测试平台中故障检测的实现进 行研究，将提出地检信息在故障检测中的应用。 第六章为基于专家系统的故障诊断理论的研究，故障诊断将成为测试系统的 重要组成部分，本章将对基于专家系统的故障诊断理论进行研究。 第七章为应用结果，对该测试平台的现场验收及用户的应用情况进行介绍。 第八章为总结，对本课题进行总结，讨论有待进一步完善的问题，同时将对 本课题在测试领域的发展前景进行展望。 1 4 本章小结 本章首先介绍了自动测试系统及其发展过程，接着介绍了虚拟仪器技术及 5 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 其体系结构，最后阐述了本课题研究的意义及论文的主要内容。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章被测对象及系统结构分析 第二章被测对象及系统结构分析 2 1 被测对象的对外交联关系及信号分析 本课题所测试的捷联惯性g n s s 组合导航系统是某型直升机的主导航设备， 它是一种由6 n s s 接收机和惯性导航系统组合而成的一种导航系统，组合导航系 统内部及对外交联关系如图2 1 所示。它可以与多普勒雷达无条件组合，同时 也可以与大气机在某种特定条件下进行组合；可向综合显示系统、火控武器系 统提供载体的位置、速度、线加速度、角速率、姿态、航向、北京时间及有关 航路等导航信息；可向控制增稳系统提供载机的航向、姿态及操纵信号；可以 接收大气机和多普勒雷达的总线信号；可以对磁航向和g n s s 导航定位数据进行 图2 - 1 组合导航系统内部及与对外交联关系图 7 西北工业大学硕士学位论文第二章被测对象及系统结构分析 采集。该组合导航系统主要由以下几部分组成： 1 、磁传感器； 2 、安装托架； 3 、多普勒雷达； 4 、外接电缆； 5 、惯性测量部件，主要包括以下部件： a 、 陀螺和加速度计； b 、 主机板，主要完成对陀螺量化器和加速度计量化器的脉冲采样，并 完成数据处理、参数保存及i o 控制，对外留有r s 2 3 2 监控接口； c 、 接口板，对内完成惯性器件温度的采样、磁航向传感器数据及g n s s 导航定位数据的采集，与主机的数据交换；对外完成有关交联设备( 多普勒、 大气机、综显、火控等) 总线信号的接收与发送； d 、 g s 、g n s s 板，主要实现g p s 数据接收；。 e 、陀螺、加速度计量化器板，接收陀螺、加速度及反馈放大器输出的 直流电压，并将此电压量化； f 、 力反馈板； g 、 马达电源板； h 、 二次电源板； i 、d e d c 模块。 组合导航系统与其它机载设备之间的交联的信号形式如下： 1 、模拟量输出信号 真航向：三相同步器信号 相间最大电压：1 1 8 v 参数范围：0 3 6 0 度 基准：2 6 v 4 0 0 h z 横滚角：二线制 电压范围：1 1 8 v 参数范围：6 0 度 俯仰角：二线制 电压范围：1 1 8 v 参数范围：6 0 度 操纵信号：二线制 激磁信号：2 6 v 4 0 0 h z r 西北工业大学硕士学位论文 第二章被测对象及系统结构分析 梯度：3 9 3 m v 1 。 范围( 限幅值) ：1 1 8 v ( 有效值) 2 、离散量信号 开关量输入( 相对于组合导航系统) ： 系统启动 地开接地有效 快对 地开接地有效 对准 地开接地有效 导航 地开接地有效 标定 地开接地有效 测试 地开接地有效 多普勒雷达有效2 7 v 地 2 7 v 有效 开关量输出： 惯导状态信号( 到增稳系统) 故障灯( 到控制显示器) 多普勒启动断开 3 、a r i n c 4 2 9 总线信号 组合导航系统与综合显示器 组合导航系统与火控武器系统 组合导航系统与大气机 组合导航系统与多普勒雷达 4 、r s 4 2 2 串行接口 2 7 v 地 2 7 v 地 地开 2 7 v 有效o r 无效 2 7 v 故障o v 正常 接地有效 收发各一路传输速率l o o k b p s 收发各一路传输速率l o o k b p s 收一路传输速率l o o k b p s 收一路 传输速率1 2 5 k b p s 惯性测量单元与磁传感器之间采用r s 4 2 2 双向通信 通信协议：9 6 0 0 b p s ，无校验，8 位数据位，1 位停止位。 5 、地检信号 地检信号不与其它外围设备进行交联，它将组合导航系统中的一些重要信 号输出，可以通过这些信号初步确定组合导航系统各个部件的状态。地检信号 主要包括： a 、r s 2 3 2 信号：根据命令字，按照相应格式输出系统的当前状态及参数 通信协议：9 6 0 0 b p s ，无校验，8 位数据位，1 位停止位 b 、故障离散量：t t l 电平，主要有： 马达故障 力反馈l 故障 力反馈2 故障 0 西北工业大学硕士学位论文 第二章被测对象及系统结构分析 加计量化故障 陀螺量化故障 调理板故障 c 、二次电源信号：+ 5 v 、+ 1 5 v 、- 1 5 v 直流电压 d 、陀螺马达电源三相交流信号、陀螺信号器激磁信号 2 2 测试平台所实现的主要功能 本论文所研究的捷联惯性g n s s 组合导航系统通用测试平台是对捷联惯性 g n s s 组合导航系统进行测试和维护的专用测试设备，用于捷联惯性g n s s 组 合导航系统在地面装机前的测试和故障检测，确定新装机或修复后捷联惯性 g n s s 组合导航系统的技术状态。 系统所实现的主要功能有： 1 、 具备系统自检功能及自保护功能； 2 、测试结果能以测试报表方式显示，测试数据可存储在数据库中并可以 打印； 3 、 具有对组合导航系统的综合检测能力和分部件的单测能力，并能验证 成品技术条件中的功能和技术参数； 对组合导航系统的工作流程及工作状态进行在线检测和故障诊断，故 障隔离到线路板级： 具有多普勒的模拟功能，以检测惯性测量部件相应接1 3 和组合功能； 能模拟综合显示器实现对组合导航系统的控制和状态的改变，并实时 监测组合导航系统的工作参数和工作状态： 具有大气数据计算机输出信号的仿真功能，以检测组合导航系统与之 交联接口的完好性及信号处理的正确性； 能检测组合导航系统g n s s 接收机的完好性； 具有交、直流模拟量、离散量信号检测功能，以对组合导航系统对外 输出的交、直流模拟信号进行检测，并显示信号的幅值和极性； 具有a r i n c 4 2 9 、r s 4 2 2 、r s 2 3 2 数据通信总线检测能力； 能对组合导航系统的各种工作状态进行性能评估，并给出维护建议； 具有自维护功能，可定期对测试设备进行维护，以保证测试路径的 连通性及测试精度； 具有可扩展功能； 1 0 钛 又文 九 文a ；： m n 心 ” 西北工业大学硕士学位论文 第二章被测对象及系统结构分析 1 4 、能根据用户的权限进行数据库维护、修改，以确保数据和程序的安全。 2 3 基于计算机的虚拟仪器测试系统 基于计算机的虚拟仪器测试系统通常由计算机、仪器模块硬件( 或称i 0 接口设备) 和应用软件三个部分组成。 计算机和i 0 接口设备构成了虚拟仪器的硬件平台，以实现信号的输入输 出功能。计算机，一般为p c 机或工作站，是硬件平台的核心。各种仪器所必需 的共有功能部件，如键盘、显示器、电源、机箱以及处理器、存储器、打印机 等都是利用p c 机原有的硬件资源的。而i o 接口设备主要完成被测输入信号的 数据采集、通信和相应的处理，如信号调理器、模拟数字转换器、数字模拟转 换器、数据采集器等。根据i 0 接口设备总线标准类型的不同，其构成方式主 要有五种：p c d a q p c i 插卡式虚拟仪器系统、g p i b 虚拟仪器测试系统、v x i 总 线虚拟仪器测试系统、p x i 总线虚拟仪器测试系统、串口总线虚拟仪器测试系统， 或者是它们的混合系统。其中，p c d a q p c i 插卡式虚拟仪器系统是虚拟仪器最 基本最廉价的构成形式，是完全基于p c 机的单机系统，它充分利用了p c 机本 身的资源，利用计算机软件对数据采集、存储、分析、处理、传输及控制的强 大功能，可在同一台p c 机上虚拟出数十台仪器，如数字电压表、数字存储示波 器等；这些虚拟仪器的工作方式多是直接插入计算机主机箱内或插入各种总线 式仪器机箱内；作为多台仪器集成的测试系统，以虚拟仪器形式提供给用户， 不仅功能强大、用途多样，而且具有极其友好的用户界面和简化的图形化编程。 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，从而把 计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，并通过 软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。在硬件平台确定之后，只要按照 测量原理，采用适当的信号分析技术与处理技术，编制某种测量功能的软件就 可构成该功能的测试系统。 2 4 测试平台的结构及分析 捷联惯性g n s s 组合导航系统通用测试平台采用基于工控机的虚拟仪器测 试系统结构，板卡的接口为计算机的p c i 或i s a 总线，该测试平台的结构如图 2 2 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第二章被测对象及系统结构分析 图2 - 2 测试平台的结构图 在图2 2 的设计思想的基础上，我们将所有的硬件模块都集中到一个机柜 中，该机柜采用一个标准1 9 ”机柜，前后开门方式，机柜底部安装有轮子，便 于移动，且轮子具有锁定功能。机柜的有效高度为3 0 u ，正面设计依次为设备标 牌、电源控制器面板、测试孔、二次电源控制器、状态选择器、显示器、键盘 鼠标、工业控制计算机、附件箱，位置符合人机工程设计；背面为适配器，通 过电缆与组合导航系统、测试平台供电电源连接。将电缆插好之后，测试系统 的控制和操作均通过前面板组件和计算机键盘或鼠标实现。机柜设计布局如图 2 3 所示，其中适配器位于机柜背面。 捷联惯性g n s s 组合导航系统通用测试平台按功能划分其由电源控制器、 二次电源控制器、自动检测仪、仿真模拟器组件、综合显示器模拟器、适配器 及相应的测试电缆组成。 1 、电源控制器 电源控制器完成对组合导航系统及测试平台的供电，并对其供电时序进行 控制、监测和保护，即采用开关控制、指示灯指示、数字表显示、保险丝保护 四位一体的控制检测方法，分别对交流2 2 0 v 5 0 h z 和直流2 7 v 的电压、电流进 行显示、控制和保护。其中2 2 0 v 交流电源主要对测试平台中的工控机及二次电 源供电：2 7 v 电源对组合导航系统供电，通过电流表可以对组合导航系统的工作 电流进行监控，确定组合导航系统的工作电流是否正常。 西北工业大学硕士学位论文第二章被测对象及系统结构分析 设备标牌 电源控制器 测试孔二次电源控制器状态选择器 液晶显示罂 适 配 器 键盘，鼠标 工业控制计算机 附件箱 图2 - 3 机柜设计布局图 2 、二次电源控制器 二次电源控制器主要控制机柜中的二次电源组件2 6 v ，4 0 0 h z 交流激磁电源 和1 5 v 直流电源的工作状态，通过开关控制可以启动或断开二次电源。其中2 6 v 激磁电源为组合导航系统的航向三相同步器信号提供激磁电压，1 5 v 直流电源为 磁传感器提供工作电压。 3 、仿真模拟器组件 仿真模拟器组件由工控机中的板卡和相应的软件组成，用来仿真模拟其它机 载设备的工作状态。通过仿真模拟器模拟大气机、多普勒等机载设备的输出信 号，对组合导航系统工作状态及相应的接口进行测试。 4 、自动检测仪 自动检测仪由工控机、示波器卡、万用表卡、4 2 9 总线卡、4 2 2 总线卡、i o 板、s d 板、矩阵扫描卡及相应的测试分析软件组成，通过不同的测试电缆及人 机操作面板对被测系统进行综合测试和分部件测试，对模拟量信号、离散量信 号、数字总线信号及其接口进行检测，并对系统故障进行实时监控，最终给出 测试分析及故障分析报告。 5 、综合显示器仿真器 综合显示器仿真器包括面板上的状态选择器以及嵌入在自动检测仪内的仿 真软件，用于对组合显示器的功能进行仿真，完成对组合导航系统的控制和工 1 3 西北工业大学硕士学位论文第二章被测对象及系统结构分析 作状态的改变，并实时监测组合导航系统的工作状态和对外输出总线参数，同 时也实现对其交联接口的检测。 6 、适配器 接口适配器是被测组合导航系统和测试平台之间的电气、机械连接装置。它 按照组合导航系统及部件的输入输出特性设计，并结合测试平台的输入输出要 求，对信号进行调理，完成信号的传输和测试。组合导航系统测试资源通过电 缆与接口适配器在机柜外部相连，而适配器在测试平台内部与矩阵扫描卡开关 阵列相连，通过矩阵扫描卡将被测信号送给采集卡。这样，将各种信号按类别 不同分开转接，有效地解决了信号转换控制、电磁兼容性和安全性的问题。 该适配器插头位于机柜的背面，均采用航空插头，其结构布局如图2 - 4 所示， 其中捷联惯导适配器通过电缆与组合导航系统和磁传感器相连，设备供电通过 电缆与电源输入相连。 2 5 本章小结 图2 - 4 适配器结构布局图 本章首先分析了某型捷联惯性g n s s 组合导航系统的功能、对外交联关系及 其对外交联信号的特点，然后分析和介绍了本课题中所研究的测试平台的主要 功能，接着介绍了基于计算机的虚拟仪器的结构及特点，在此基础上，给出了 本课题中测试平台的结构，该结构符合入机工程学，易操作，容易搬动；并对 该测试平台的各个组成部分进行了分析，测试平台的软硬件设计将在此结构的 基础上进行。 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第三章硬件设计中的关键技术 第三章硬件设计中的关键技术 3 1 测试平台的硬件结构 本课题中的测试平台采用以工控机为核心的虚拟仪器测试系统，所有的外 部测试板卡及模块都挂在工控机总线上，计算机通过总线发出各种控制信息给 测试板卡或模块，用协议中规定好的命令来启动测量、改变工作方式等。该测 试平台硬件连接如图3 - 1 所示； i ：对 i 客 i i 图3 - 1 测试平台硬件连接图 在测试系统中，将计算机选为工控机，主要是工控机具有以下特点，适于 在现场应用【卅。 1 、i 控机结构坚固，抗震、防潮、耐温，主机板及相关的电子设备选用工 业级，加上特殊的装置之后还能防辐射，抗电磁干扰。 2 、运行能力强，故障率低。 3 、装有工业级开关电源，抗电压波动，抗电流冲击，容量大于个人计算机。 4 、操作设备密封。在软驱、光驱口、复位键、键盘锁的门口装有密封门， 在不进行操作的时候可以锁上，既防止灰尘侵入，又可以防止人为误操作。 5 、工控机一般可装多块输入输出接口板。机内插槽6 1 4 个不等，配置灵 西北工业大学硕士学位论文 第三章硬件设计中的关键技术 活多样，可增可减，能构成大大小小功能各异的系统。 6 、软件开发容易，完全适用各种操作系统和支撑软件。 本系统中的工控机采用研华公司的i p c 6 1 0 ，该工控机高为4 u ，满足机柜结 构设计要求：内部配置有6 个p c i 和8 个i s a 扩展槽，还有两个工业级的r s 2 3 2c o m 口，可以满足测试平台板卡扩展的要求。工控机完成的主要功能包括测试控制、 故障诊断控制、用户界面和数据显示及系统管理。 1 、测试控制：包括系统的自检、检测过程、测试资源配置与管理； 2 、故障诊断控制：包括控制系统诊断模式和诊断过程； 3 、用户界面和数据显示：完成系统主界面、虚拟仪器面板和测试数据的显 示，并把测试和诊断结果存储、打印： 4 、系统管理：完成系统数据库、知识库的管理。 工控机中的板卡采用p c i 总线和i s a 总线的板卡，p c i 板卡主要有三用表卡 n 1 0 5 1 0 2 、示波器卡n i 4 0 6 0 和r s 4 2 2 总线卡a 1 3 2 i s a 总线卡有i o 卡p c i 7 3 0 卡 和p c i 7 2 5 卡、以及自主开发的a r i n c 4 2 9 总线接口卡和s d 卡。其中用于测量的 板卡为三用表卡n i 5 0 2 0 和示波器卡n i - 4 0 6 0 ，功能和精度可以满足测试系统的要 求。 n i 5 1 0 2 示波器卡的主要特点有；2 条8 位的模拟输入通道；最高2 0 m s s 的时 域单次采样速率；1 5 m h z 的模拟输入带宽；水平、斜面和滞后可软件控制的模 拟触发通道；6 6 3 0 0 0 的采样即时存储。 n i 4 0 6 0 是一个5 位半数字万用表，它的基本功能有：直流电压测量、直流 电流测量、交流电压测量、交流电流测量、2 线电阻测量、4 线电阻测量。在本 系统中，主要用n i - 4 0 6 0 完成电压测量和2 线电阻测量。对于电压测量，n i - 4 0 6 0 有5 个量程：+ 2 0 m v 、2 0 0 m v 、2 0 v 、2 5 v 、2 5 0 v ，分辨率可达0 0 1 ( 直流) 和0 8 ( 交流) ：对于电阻测量，n i 4 0 6 0 有5 个量程：2 0 0 q 、2 k q 、2 0 k q 、2 0 0 k q 和2 m q ，分辨率可达0 0 1 【8 】o 该硬件结构使得工控机与测试板卡及模块一体化，工控机是测试平台的控 制核心，它通过标准总线接口实现对测试资源的控制；工控机插槽上扩展的模 块提供测试平台所需的测试、激励能力，完成信号处理、数据采集，并把数据 传给工控机。这种结构具有可靠性高、设计相对容易、维护相对简单、功能扩 展容易的优点，可以充分发挥计算机的功能使得测试设备具有强大的数据处理、 逻辑判断的功能，同时也可以利用计算机的软、硬件资源来代替测量仪器中的 大量的硬件。 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第三章硬件设计中的关键技术 3 2a r i n c 4 2 9 总线传输的设计 3 2 1a rin 0 4 2 9 总线的定义 a r i n c 4 2 9 数字传输规范是为航空电子设备之问传输数字数据信息制定的 航空运输工业标准。a r i n c 4 2 9 总线是通过双绞屏蔽电缆来连接的，总线上的信 息采用单向传输，即一个发送口可以把数据传送到和它相连的接收1 2 1 ，但不能 由任何设备的发送口接收；两个设备之间如果需要双向传输，则双方都需要有 一个发送口和一个接收1 3 。信息传输是以1 2 5 k b p s ( 每秒千位比特) 或者1 0 0 k b p s 来传输的，数据格式也有2 5 b i t 和3 2 b i t 两种。a r i n c a t 2 9 信息通常以脉冲形式发 送，并采用双极归零方式调制，正常传输电压为+ 5 v o 5 v ，有正负电压之分， a r i n c 4 2 9 的电平定义如图3 2 所示。 “1 ”“n ”“0 ” 前级v + 厂 前级v 厂 输出v + j 厂一 输出u 厂j _ l 一 差分运算 ，、厂 图3 - 2a r i n c a 2 9 电平定义 在a r i n c 4 2 9 的两种数据格式中，通常使用3 2 b i t 的数据格式，a r i n c 4 2 9 数 据字格式如表3 1 所示： 表3 1a r i n c 4 2 9 数据字格式 位3 23 l3 02 9 1 11 098 7654321 l 定义 ps s md a t as d i l a b l e 1 7 西北工业大学硕士学位论文 第三章硬件设计中的关键技术 表3 1 中各符号定义如下： p ( 奇偶校验位) ；由硬件自动设置，实现简单的数据校验功能。 s s m ( 符号，状态位) ：用于表示数据的特性，如方向、符号等；也可用于表 示发送设备的工作状态。 d a t a ( 数据区) ：用于存储编码后的数据信息，其最高位是符号位，代表 数据的正负，规定1 负、m 正。 s d i ( 源目标标识位) ：用于对a r i n c 4 2 9 总线上的设备进行识别。 l a b l e ( 标志位) ：用于区分a r i n c 4 2 9 字所包含的信息，a r i n c 4 2 9 通信 协议给传输的每个参数都规定了特定的数据标号，通过这些数据标号，接收设 备可以很容易地判断出所接收到的a r i n c 4 2 9 字的用途。 它们的发送顺序为：标志位、源目标标识位、数据区、符号状态位和奇偶 校验位。其中标志位与正常顺序刚好相反，先发送高位再发送低位，即发送位8 、 7 、6 、5 、4 、3 、2 、1 1 1 7 1 。 3 2 2a rin 0 4 2 9 总线传输的硬件实现 3 2 2 1 总体结构 在组合导航系统中，与外部设备交联的信息主要为a r i n c a 2 9 总线信息，但 是计算机上没有a r i n c 4 2 9 总线，只有p c i 总线和i s a 总线，因此在计算机上实现 a r i n c 4 2 9 信号的传输是十分必要的。在本系统中，将采用c p u 、可编程逻辑器 件和h s - 3 2 8 2 及h s 一3 1 8 2 通信接口芯片一起组成a r i n c a 2 9 的数据接收、发送硬件 板，该硬件板与计算机之间通过i s a 总线进行通信。a r i n c 4 2 9 总线接口板设计 原理图如图3 3 所示。 一呻- i 数据总线p 4 2 9 1 1 a 4 2 9 1 1 b 1 0 w i s a 1 0 r1 时序控制 c b4 2 9 1 2 a h s 4 2 9 1 2 b 总线3 2 8 2 f a b j 地址9 a 电路i 9 0 b 辑器件 基于i s a 总线的a r i n c 4 2 9 总线接口板设计原理图 西北工业大学硕士学位论文第三章硬件设计中的关键技术 3 2 - 2 2 数据接收和发送单元设计 该硬件系统中的a r i n c a 2 9 总线信息接收和发送是采用i n t e r s i l 公司的 总线接口芯片h s 3 2 8 2 和h s 3 1 8 2 配合完成的。a r i n c 4 2 9 总线协议芯片 h s - 3 2 8 2 ，用来完成发送数据