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在航天器研制和定型生產的過程中，需要進行大量的動力學環(huán)境模擬試驗。在對試驗有效性*估、航天器產品的質量保證中，試驗的數據采集合數據處理占很重要的地位。目前，航天器動力學環(huán)境試驗的測試系統(tǒng)領域中，動力學綜合測試系統(tǒng)的研制水平表征著一個國家在這一領域的技術領先程度，因此，有必要研制用于航天器動力學試驗的綜合測試系統(tǒng)。 1 動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的原理、構成以及關鍵技術 1.1 綜合測試系統(tǒng)的原理 在航天器動力學環(huán)境試驗中，結構的各種動態(tài)響應諸如加速度、速度、位移、力、聲等物理量通過相關的傳感器轉換成動態(tài)電信號，這些弱小電信號通過調理、整形、放大等措施以后，輸入到測試系統(tǒng)，由具有邏輯處理功能的測試系統(tǒng)動態(tài)實時采集動態(tài)信號以后進行處理。動力學環(huán)境試驗中綜合測試系統(tǒng)應當具有采集數據頻率高，數據流量大，因此對滿足使用的系統(tǒng)要求比較苛刻。 1.2 綜合測試系統(tǒng)的主要性能指標 128路A/D同步采樣；4路D/A輸出；通道采樣率最大為51.2KSa/s；通道采樣數據轉換精度為16位。 1.3 綜合測試系統(tǒng)的構成 按照功能劃分，航天器動力學綜合測試系統(tǒng)可以由數據的采集、數據的傳輸和數據的處理、存儲等構成。按照結構組成來劃分，航天器動力學綜合測試系統(tǒng)可以分為以下的三大部分： （1） 具有各種動態(tài)信號測試與分析功能的計算機軟件：隨機信號分析、正旋信號分 析、沖擊信號分析等； （2） 計算機主機平臺以及附件：包括各種高性能的具有強大處理功能的處理器以及內存、高吞吐量的計算 機存儲器、高分辨率的顯示器及其附件； （3） 試驗信號的測試與采集裝置：包括傳感器、前置放大器和數據采集系統(tǒng)。 1.4 綜合測試系統(tǒng)設計的關鍵技術 航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的研制，以下的幾項技術中需要得到滿足： （1） 動力學綜合測試系統(tǒng)的優(yōu)化設計、結構組成、靈活配置技術： （2） 綜合測試系統(tǒng)高速數據同步采集技術； （3） 大容量的數據實時傳輸技術； （4） 高速的數據存儲技術； （5） 滿足使用要求的各種數據處理技術： 2 航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的體系結構 航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)研制的宗旨是在較低成本上的工程化設計、縮短綜合測試系統(tǒng)的開發(fā)時間，把風險降低到最低限度，因此在硬件體系的設計中必須采用國際上最先進的、成熟的工業(yè)標準，以保持功能模塊的兼容性，直接吸收現(xiàn)代科技的發(fā)展帶來的成果；軟件設計應大量采用應用軟件框架，最大限度地適應系統(tǒng)規(guī)模、參數等的變化。 航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)由硬件平臺和軟件系統(tǒng)這兩大部分構成。硬件平臺的選擇，是由所采用的測試系統(tǒng)結構來決定的。具體的說，動力學綜合測試系統(tǒng)結構包括控制方式、總線系統(tǒng)配置、分布式機箱結構、多總線復合體系結構等。軟件系統(tǒng)是測試系統(tǒng)的核心，包括軟件（即驅動程序、軟面板）運行環(huán)境和面向測試的應用軟件。 集成化測試系統(tǒng)體系結構是組建測試系統(tǒng)的核心技術，包括測試系統(tǒng)結構、硬件平臺、軟件系統(tǒng)框架選擇等。選擇通用硬件平臺和通用軟件框架，是建立通用動力學測試系統(tǒng)的一個良好途徑，本文的論述主要集中在硬件層面。 3 航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結構選擇 目前在技術上比較成熟、市場上得到廣泛應用的儀器總線平臺分為VXI總線和PXI總線。 VXI技術作為開放式的總線技術，體現(xiàn)了標準化、模塊化、系列化、通用化的系統(tǒng)要求。開放式結構能實現(xiàn)系統(tǒng)資源、軟件資源、硬件資源共享。系統(tǒng)通道易于升級、擴充，適應各種場合的需要，方便地重組系統(tǒng)，并且能夠適應計算機技術和集成技術的發(fā)展，采用計算機技術、集成技術的最新成果，保持系統(tǒng)的先進性和兼容性，提高系統(tǒng)測試的準確度和可靠性。 PXI總線技術除了具有類似于VXI總線技術的許多特點以外，同時具有數據傳輸率更高、小型化、價格更便宜 （低檔系統(tǒng)通常比VXI系統(tǒng)便宜一萬美元以上，中高檔系統(tǒng)價格相差小一些）的優(yōu)點，同時PXI總線較VXI總線更具有可以和計算機直接相連的優(yōu)勢。但是PXI總線技術出現(xiàn)的時間比較短，在技術層面上還有待完善，同時缺乏儀器領域內部最有影響廠家的充分支持，產品的品種還不夠豐富，缺乏強有力的技術支持，因此，目前使用PXI總線技術組建滿足航天器動力學環(huán)境試驗要求的高精度大中規(guī)模的數據采集系統(tǒng)在技術上還存在一定的困難和風險。 綜合VXI總線技術和PXI總線技術的上述特點，通過對目前國內外組建航天器動力學環(huán)境試驗測試系統(tǒng)所采用的總線技術進行的分析與研究，在本系統(tǒng)中使用VXI總線技術作為組建動力學集成化綜合測試系統(tǒng)硬件平臺的基礎，以減少組建系統(tǒng)的困難與風險，同時在應用軟件系統(tǒng)設計時間盡量采用軟件獨立于硬件平臺的設計原則，保持對PXI總線技術發(fā)展的跟蹤，待PXI技術發(fā)展更加成熟并且具備條件以后，動力學綜合測試系統(tǒng)能夠方便地進行硬件平臺移植。 4 航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)硬件平臺設計 硬件平臺是測試系統(tǒng)結構最基本的組成部分，組建測試系統(tǒng)必須實現(xiàn)標準化、模塊化、系列化設計體制，使硬件平臺建立在高度標準化和模塊化的結構上才能降低開發(fā)成本，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，確保系統(tǒng)的長期可用性。航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)硬件平臺采用具有雙處理器的主控計算機和VXI機箱組成測試單元的結構。其中VXI測試總線機箱中內置一個零槽控制器用于管理VXI測試模塊之間的協(xié)調以及同步；主控計算機通過內置于計算機中的PCI-1394轉換卡、IEEE1394通訊電纜、零槽控制器與VXI測試機箱各種模塊相連，實現(xiàn)與VXI測試機箱的快速數據傳輸以及通訊管理工作。在測試過程中，VXI總線機箱通過A/D轉換器完成動力學響應數據的采集，所有的采集數據通過VXI總線以及IEEE1394聯(lián)接線實時傳送到主控計算機，由主控計算機完成數據處理分析、數據存儲和實時顯示等任務。 為了完成動力學綜合測試需求，系統(tǒng)中研制了32通道高速同步數據采集模塊AMC2322，可以實現(xiàn)4個模塊共128通道同步數據采集，同步采集速度達51.2KSa/s，并且在同步采集速度下降不多的情況下，通道數可以擴展到300多個。設計的另一個模塊是4路任意波D/A模塊，它實現(xiàn)任意波激勵輸出，可與A/D采集同步進行，并且可以擴展，這兩種模塊滿足航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的性能要求，并且還為系統(tǒng)的擴充留有余地。 系統(tǒng)研制過程中主要解決了以下的幾個關鍵技術問題：一是如何保存連續(xù)高速采樣的數據。方法是在數據采集板卡上集成64KWORD空間FIFO存儲器，用于存儲32通道并行采集數據，模塊有設置上位機讀數觸發(fā)條件功能，即預先指定AD采集存儲空間大小，一旦滿足條件立即產生中斷，上位機迅速完成批數據讀取。由于采用FIFO技術，上位機讀數不影響數據采集。 解決的另外一個問題是數據傳遞的問題，需要保證采集數據以要求的速度傳遞到計算機中。因為1394實測的數據傳輸率為7－8MB/s，速度不高，我們采用1394火線技術橋接測試系統(tǒng)總線和計算機，解決了數據傳遞的瓶頸，以后可以采用光纖技術橋接系統(tǒng)總線和計算機，從而獲得更大的系統(tǒng)數據傳輸能力。 圖1 動力學綜合測試系統(tǒng)硬件平臺示意圖 解決的第三個問題是數據的存儲問題。大量的采集數據涌入到計算機中，需要快速的存儲，否則同樣會造成系統(tǒng)反映速度不夠，目前一般的計算機硬盤不能滿足數據存儲的要求，因此使用了SCSI技術的磁盤，將大量的采集數據快速地存儲到計算機中，并且我們優(yōu)化軟件設計，對不必處理的數據進行事后分析和回放，提高了系統(tǒng)整體采集速度。 5 結論 航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的設計在各個方面完全滿足航天器動力學環(huán)境試驗中數據采集、分析需要的技術指標，這為我們進行大中型綜合測試系統(tǒng)研制打下很好的基礎。 |
