慣性儀器通用測試技術應用研究

慣性儀器是陀螺儀、加速度表等慣性儀表和陀螺穩定平臺以及捷聯慣性測量組合等慣性測量裝置的總稱，是導彈、運載火箭等航天飛行器制導與控制系統中的核心部件。其作用是為飛行器建立方位和姿態基準，同時測量飛行器相對慣性空間運動的角度、角速度、速度和加速度。慣性儀器的性能和精度直接影響飛行器飛行彈道，通過測試，可以判定慣性儀器是否符合技術條件所要求的性能和質量指標，發現其故障與誤差來源及其規律，為改進總裝技術和進行系統補償提供依據。因此，對慣性儀器的性能測試無論部隊還是總裝廠都十分重視。在以往的測試中，由于慣性儀器的種類較多，各自的用途和工作原理也不盡相同，因此一直沒有制訂統一的測試規范。這里從慣性儀器在飛行器上的應用方式分類 ，以捷聯方式和陀螺穩定平臺方式為主要研究對象，針對慣性平臺、速率陀螺、橫法向儀、捷聯慣測組合等單元儀器的共性與特性進行研究，對這四種被測對象的測試需求和測試方法進行總結和歸納，找到一種滿足大多數慣性儀器測試需求的測試方法，設計一套通用化的慣性儀器測試系統。

2、設計思想

慣性儀器本身就是高精度、高靈敏度的測量裝置，選擇和采用的測試方法必須和慣性儀器的工作原理緊密相聯，因此，我們對常用的、典型的慣性儀器測試設備進行了深入分析、歸納，總結出典型的測試方法和手段。同時，由于慣性儀器結構復雜，品種和接口數量繁多，對測試信號的數量、復雜性以及精度要求等因素變化較大，這就要求測試系統的硬件和軟結構均具有較強的適應性，達到“以不變應萬變” 的設計要求。

通常情況下，測試系統應具有三大基本功能，即：信號的測量與控制、數據的分析與處理，測試結果的計算與輸出。其中：信號的測量與控制是測試系統硬件要解決的主要問題，為解決接口繁多、標準不一的問題，考慮到測試的靈活性和適應性，在系統硬件設計中，我們采用了“ VXI總線標準儀器模塊+通用信號轉接+適配器”的分層轉接模式；對系統硬件的調度指揮、數據的分析與處理以及測試結果的計算與輸出則是系統軟件解決的主要問題。在系統軟件設計中，我們在虛擬儀器軟件結構的基礎上，采用通用化的框架式軟件設計，構建通用的可剪裁的軟件公共平臺，軟件開發人員可根據通用ATE/ATS系統對軟件功能的要求，在軟件框架的基礎上進行功能增減及參數的選配，實行動態配置，達到測試軟件通用化的目的。

VXI總線是一種開放式的系統結構，總線接口不僅結構緊湊、標準開放、數據吞吐能力強、模塊可重復使用，而且建立在虛擬儀器軟件結構（VISA）基礎上的通用軟件框架解決了系統中所使用的各種VXI總線儀器與測試應用軟件開發的通用化問題，因此，VXI總線儀器所具有的系列化、組合化特點、為組建通用測試系統提供了良好的技術支撐。

信號調理與轉接是組建通用測試系統不可缺少的環節，也是通用測試系統設計工作中相對較為復雜的部分。信號調理與轉接的主要作用是連接被測對象與VXI測試儀器，測試過程中的所有被測信號和控制信號均在這里進行集中。被測信號的指標超出VXI模塊輸入指標的，需經過調理變換，如阻抗變換、放大、衰減，隔離等措施；被測信號的指標在VXI模塊測量范圍的，在這里經過轉接，送入各個VXI測試采集通道的信號輸入端；指令或控制信號由計算機通過這里分配、調理、轉接發往被測對象。為此我們設計了插卡式的通用信號轉接箱，為不同被測提供了靈活多變的信號轉接模式。被測信號由調理模塊的前面板輸入，通過調理板的調理變換電路后，經通用信號轉接箱的背板及機箱后面板轉接，通過外部電纜送給VXI測控組合中的測試儀器，完成測量。測試信號也可以采用由機箱后面板輸入、前面板輸出的“逆向”轉接調理模式，以縮短轉接電纜的長度。 這里的調理板對用戶而言可以選用標準配置的，也可以根據需要由用戶自行設計調理電路。

適配器作為通用信號轉接箱在處理大功率信號能力的補充，主要用于布放2A 以上的大功率器件的供電與控制電路，在被測對象供電功率和被測信號小于2A的測試系統中，適配器機箱可以省去，被測信號直接分配至通用信號轉接箱的輸入端。

3、通用測試硬件研究

3.1 測試需求分析

針對慣性儀器的測試特點，其測試內容主要包括擴功能測試、調整測試、工藝測試、精度測試四個部分。其中，調整測試和工藝測試是生產過程和總裝測試的主要內容；功能測試和精度測試是儀器出廠和部隊測試的主要內容，也是通用測試的研究重點，其測試項目主要包括以下內容：

1）電源電壓測試、電流測試、頻率測試；
2）陀螺及回路參數檢查；
3）回路前放測試；
4）力矩馬達電流測試；
5）陀螺慣性時間測試；
6）加速度表啟動電流測試；
7）加速度表工作電流測試；
8）加速度表回路前放測試；
9）程序功能檢查；
10）程序機構精度檢查；
11）平臺姿態角比例系數和姿態安全角的測試；
12）動態漂移精度測試；
13）調平精度測試；
14）直流電阻檢查；
15）馬達交流電壓和電流、傳感器激磁電源交流電壓和電流的測試；
16）正、負指令信號輸出檢查；
17）零位輸出電壓測試；
18）靈敏度檢查；
19）輸出特性檢查；
20）極限輸出檢查。
21）捷聯慣性測量組合位置標定；
22）捷聯慣性組合速率標定；
23）溫控系統和溫度狀態監測。

我們對以上測試項目進行了歸類和總結：對測試系統而言，慣性儀器的電特性參數主要分為三種類型：被測信號，激勵信號和控制信號。被測信號中，如電壓、電流、電阻、溫度、轉速、加速度、等物理參數在輸出時，大多以模擬量或數字量的形式輸出 ，即：電壓、電流、電阻、脈沖以及波形等信號；激勵信號包括波形信號、電源和指令控制信號，在測試過程中，一般由測試系統為被測對象提供；控制信號包括數字量控制和開關量控制等，一般用于激勵信號的控制和被測設備供電的控制以及測量回路的通道控制等。

3.2 測試系統組成

基于上述分析，我們構建了如圖1所示的系統。其中：

1）主控計算機和VXI測控組合主要是在測試軟件的控制下，完成測試所需的指令輸出和測試數據的獲取。其中：

系統控制計算機是整個測量系統的操作指揮中心，它按照測試流程通過1394總線和VXI總線零槽控制器模塊將測試命令下達至各VXI功能模塊，由各VXI總線功能模塊執行測試命令，并將測試數據通過總線傳送給主控計算機。計算機通過軟件對測試數據進行監測、記錄和必要的數據處理，并對測試過程中出現的異常現象進行實時記錄、判斷和保護。

VXI測控組合組中，數字多用表模塊配合64路繼電器采樣開關模塊完成慣性儀器測試中電壓、電流、電阻等模擬量測量。32路數字量輸入/輸出模塊完成開關量、狀態量讀取、監測或發出控制指令。32路繼電器控制開關模塊完成系統加電控制或保護控制等。4通道A/D模塊用于測量波形信號，任意波形發生器可以產生測試過程中所需的激勵信號。脈沖數和時間的測量是慣性儀器測試中的重要參數，對測試精度和穩定度要求較高，我們采用高精度和高穩定度的多路可逆計數器完成脈沖數和時間測試。

2）通用信號轉接箱與信號調理模塊是連接被測與VXI測試系統的橋梁；測試信號在這里進行分類與轉接調理后，輸入到各VXI測量模塊。根據需要，在信號調理模塊中主要設計和布置以下電路：

a. 電壓測量保護電路；
b. 電流測量調理電路；
c. 控制指令驅動與保護電路；
d. 加電控制、激勵控制電路；
e. 程序機構驅動電路；
f. 歸零鎖定電路；
g. 電壓-電流轉換電路；
h. 溫度測量轉換及指示電路；
i. 平臺倒臺保護、加度速表飛轉保護電路等；
j. 調理模塊識別代碼產生電路；
k.專用電源電路等。

3）專用適配器: 用于對較大功率（2A以上）信號進行調理和變換,再送入通用信號轉接箱或被測對象。

4）配套專用設備：是被測對象測試時必須的配套輔助設備，為被測提供供電、位置翻轉與調整等。一般由工業部門與慣性儀器配套生產和使用，這里不作深入研究。

4、通用測試軟件研究

測試軟件是測試系統的靈魂，通用化的測試系統需要通用軟件的支持。在通用測試系統中追求軟件的易用性、通用性、可維護性、可擴充性和可移植性，也是通用測試軟件設計的最重要內容。這里在“虛擬儀器”的基礎上，進一步提出了“虛擬系統”的概念。所謂“虛擬系統”，就是由軟件平臺隔離系統硬件、底層驅動軟件與系統用戶之間的直接聯系，建立起一個“抽象層”，由通用平臺提供一個通用的測試構成和定義，按照這個定義，解決不同被測信號之間、不同被測設備之間、不同被測系統之間的公用和通用問題。

北京航天測控公司的“測試程序自動生成器”軟件就是在通用化的背景需求下，為組建通用測試系統而設計的軟件開發工具。測試人員根據被測對象的測試需求，采用自動測試程序生成器中的流程配置工具，對測試過程中調用的VXI模塊進行通道配置、功能調用、數據運算、延時設置等，無需了解編程語言，就可以完成某個測試軟件的開發。 “測試程序自動生成器”將自動產生測試程序，組織測試數據、測試流程，訪問測試儀器，顯示儀器測量結果，調用相應的分析庫，最終結果存到結果數據庫，并輸出HTML文檔、Word文檔等。

自動測試生成軟件流程如圖2所示。利用該軟件開發的測試程序具有以下主要功能：

1） 具有系統自檢功能和一定的故障定位及故障導向功能；
2） 測試程序可自動按照流程執行，也可由人工干預單步執行；
3） 測試數據的實時顯示（圖表、曲線等），和測試數據的事后處理、分析功能；
4） 具有系統保護功能，可對關鍵點的測量值進行判斷，超出正常范圍的應具有明顯提示；必要時，由軟件執行系統保護，如停止測試、系統斷電等。
5） 具有軟件仿真功能：仿真測試所需的各種激勵、開關動作和儀器的采集數據。
6） 具有直觀、方便的操作界面，對測試流程中的關鍵步驟具有明顯的提示和軟面板按鍵。
7） 具有測試數據報表生成和打印輸出功能；

5、結論

本文采用VXI總線測試技術，在充分研究慣性儀器測試原理和測試方法的基礎上，對測試項目和測試參數進行了提煉和總結， 組建了用于慣性儀器測試的VXI總線通用測試系統。由于通用化的設計思想和技術途徑，使系統的硬件結構和軟件結構均具有較強的可移植性和可擴充性，使得該系統不僅僅適用于慣性儀器的測試，只要對系統中的硬件配置稍加調整，利用測試程序自動器重新編制測試流程，就可在較短的時間內開發出用于電子儀器測試、伺服機構測試乃至飛行器綜合測試的測試系統，可大大減少設計人員在分析、設計、編碼等方面的重復性勞動，縮短測試系統研制周期、降低研制費用。其成果已經成功地應用于我國部分導彈的單元或綜合測試中，也可廣泛推廣應用于航空、航天和武器系統等領域的自動化測試。