控制舱测试系统及其BIT设计

摘 要： 为改善当前导弹控制舱的测试状况，设计了一种以PXI总线工控机为核心的控制舱测试系统，选用高精度的传感器和调理电路对数据进行采集，利用CPLD对增量编码器进行角度值的解算以及激励信号的时序控制，配合Visual Studio平台的监控软件对数据进行分析处理输出。并在测试系统架构的基础上，充分利用CPLD的灵活性进行了环绕BIT设计，大大节省了硬件资源，完成了系统的机内检测，保证了测试系统的可靠性，实现了一个高精度、高效率、低误差的控制舱测试系统。

关键词： 工控机； 测试系统； CPLD； 机内检测

中图分类号： TN06⁃34； TP206 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）05⁃0043⁃03

Design of control cabin testing system and its built⁃in test

CHENG Jin1， ZHENG Bu⁃sheng1， A Chao2

（1. College of Electronic Information Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China；

2. Nanjing LES Information Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210007， China）

Abstract： In order to improve the current testing status of the missile control cabin， a kind of control cabin testing system taking PXI bus industrial computer as its core was designed. In this system， high precision sensor and signal conditioning circuit is used for data acquisition， and CPLD is used to execute the angle value resolving of incremental encoder and the time⁃sequence control of the exciting signal， which cooperate with the monitoring software on Visual Studio platform to carry out data analysis and processing. On the basis of the testing system architecture， the circle built⁃in test design makes full use of the flexibility of CPLD， which greatly saves the resources of hardware. The circle built⁃in test of the system was achieved， which improved the reliability of testing system. The control cabin testing system with high precision， high efficiency and low error was realized.

Keywords： industrial computer； testing system； complex programmable logic device； built⁃in test

0 引 言

控制舱是导弹制导装置的重要组成部分，高性能的控制舱可以大大提升命中率，提高使用效率，亦可降低打击成本[1]。导弹控制舱测试系统旨在测试验证控制舱设计状态的正确性，实现高精度、高效率、低误差的性能评估。而对于复杂的自动测试系统，为确保其可靠性和可测性，通常使用嵌入式的内置测试的方法（Built⁃in Test，BIT），完成整机内部状态的自检和监控[2]。

BIT技术是指一个系统或设备依靠自己专用的一些自我测试电路和自检测软件，完成系统或设备内部装置或电路的工作参数检测和故障诊断模块[3⁃4]，现今已在军民领域测试性设计中大量开展应用。

1 控制舱测试系统设计

在控制舱测试系统中，采用了以PXI工业控制计算机为核心的解决方案[5]。选用高精度的各类传感器与相应的调理电路进行前端处理，选用基于PXI总线的高性能数据采集卡实现数据采集，配合基于Windows平台的Visual Studio环境下开发的监控软件对数据进行分析、处理和输出。在测试全过程中，加以性能稳定可靠的I/O模块进行各项测试任务的启动控制以及相关激励信号的输出。真正实现测试的高精度、高效率、低误差，大大改善目前的测试状况。

1.1 测试系统总体构成

控制舱测试系统组成主要包括PXI工业控制计算机、基于PXI总线的各类板卡和电控外置电路。系统的各种测试功能通过工业控制计算机系统上的相关软件实现，测试系统框图如图1所示。

工业控制计算机与电控系统之间的接口采用PXI总线实现，这种紧凑型的总线结构可将在工控机机箱内的各种电路板卡紧密地连接在一起，使计算机系统、电控系统的电磁兼容性得到改善[6⁃7]。A/D采集卡、D/A转换卡、I/O接口卡、CAN通信卡以及主板卡通过PXI总线实现互连，各板卡与电控外置电路配合，共同完成整个控制舱的测试内容。为了能够真实地反映控制舱的工作性能，在电控外置电路中选用了高精度的气压传感器、气体流量传感器和高性能的增量编码器，配合信号调理电路、地面功放电路、电激活电路、CPLD电路，统一由工业控制计算机端上位机软件控制、计算，完成控制舱和带翼舵机的性能测试。

1.2 电控部分电路设计

电控部分主要完成控制舱所需激励信号的产生，各路采集信号的调理工作以及增量编码器的解码，由信号调理电路、地面功放及激励电路、电激活电路和CPLD电路组成。

1.2.1 信号调理电路

信号调理电路的作用主要如下：

（1） 将传感器的输出信号调理（放大或缩小）到-10～10 V的幅度范围内；

（2） 降低传感器的噪声输出，实现微弱信号的检测与测量；

（3） 提高A/D板卡对模拟信号的测量精度。每个通道的调理电路都采用差分放大电路，具有很强的抑制零点漂移的能力，有效地抑制了噪声和干扰。

依据测试项目的要求，输入的模拟信号为12路，另外的四路A/D通道用于系统的BIT自检。模拟信号大致分为三类，4～20 mA的传感器信号；0～5 V的电压信号；±20 V的电压信号。对于传感器信号首先要经过100 Ω的高精度电阻采集电压，然后通过差分放大实现调理。对于±20 V的信号要采用分压的方式采集，再进行差分放大。

1.2.2 地面功放与激励电路

地面功放与激励电路产生的是频率为35 Hz的方波信号，该驱动信号幅值为±20 V，占空比为50%，负责驱动带翼舵机的偏转。电路中由单片机的I/O口产生35 Hz的TTL电平方波，后级接达林顿管放大至20 V以驱动负载。

1.2.3 增量编码器解码

增量编码器用于采集带翼舵机在功放信号驱动下，实际的偏转情况。增量编码器的输出是AB相的编码方式，由CPLD负责解码[8⁃9]，并通过I/O口实时传给上位机。增量编码器的解码电路如图2所示，通过A相B相与其延时信号的逻辑组合，使得当编码器顺时针转动时，A_OUT输出方波；逆时针转动时，B_OUT输出方波，通过对A_OUT和B_OUT计数后相减，便可得到当前的偏转角度。CPLD用于增量编码器的解码，电路简单可靠，且具有较高的精度。

1.2.4 电激活时序信号产生

电激活电路用于产生热电池、弹上气源装置、电作动器的激活控制，在接收到激活准备指令后进入激活准备状态，在预定的时间内接收到激活指令后输出激活功率信号，激活相应的对象。激活的时序由CPLD产生，CPLD可精确控制延时以及各信号之间的输出时序关系，且具有较高的可靠性。

1.2.5 电激活执行电路

电激活执行电路用于将电激活的时序信号转换成相应的功率信号。READY信号与ACT信号由CPLD时序电路产生，作为HCPL3120的输入。HCPL3120用于驱动继电器和MOS管。如图3所示，当READY信号为低时有效，使HCPL3120输出控制继电器吸合，激活电源加载到MOS管IRFP250N的漏极。当ACT信号为低有效时，HCPL3120驱动MOS管，使得漏极源极导通，MOS管的源极接到控制舱的激活信号输入端，控制舱激活端内部负载为20 Ω，电路将产生20 V/1 A的功率信号激活弹上热电池、气源装置以及电作动器。

2 测试系统BIT设计

BIT（机内测试）主要是为系统提供在线检测和状态监控的能力[10]，以及方便支持基层级电路维修，其被定义为系统和设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试能力。在测试系统中采用了环绕BIT技术，利用控制舱测试系统自身的硬件资源和附加少量电路构成信号回路，实现对系统关键部分的自检。将系统中的CPLD用于系统的BIT设计，将使BIT系统集成度更高，灵活性更强，开发时间也会大大缩短。

2.1 A/D环绕BIT设计

对控制舱测试系统中的A/D板卡PXI9606进行环绕自检，PXI9606为16通道500 KS/s采样速率的16位高精度的A/D板卡。将A/D的输入信号采取分压、直连的方式与D/A信号输出端相对应，并通过CPLD模块构成BIT回路。在A/D的输入端引入一个参考电压，由CPLD的I/O口加以HCPL3120驱动继电器开关组，控制A/D的采集端输入。在上位机通过对A/D的转换值与参考电压比较，确定各通道的工作情况，实现环路BIT自检。

2.2 D/A环绕BIT设计

将D/A的信号输出端连接到对应的继电器开关上，以直连电路的方式将输出信号转接到对应的A/D信号输入端，构成BIT环绕回路[11]。在上位机软件中，先控制D/A输出直流电压信号，CPLD控制继电器开关组选通连接至A/D输入，通过A/D的采集回传值与D/A输入值的对比，判断D/A的工作情况。图4为AD板卡与D/A板卡BIT环绕回路图。

2.3 I/O环绕BIT设计

控制舱测试系统中采用的I/O是双向可复用的I/O，图5所示为I/O板卡的BIT环绕回路。所有I/O口通过光电耦合器与CPLD相连，在CPLD内部实现各个I/O信号的互连，使其构成闭环系统。在正常运行时，输入输出互不干扰；进行BIT自检时，CPLD将I/O口构成闭合回路。在工控机上位机软件端分时控制I/O作为输入或者输出，通过输出回路采集与预设输入值比对，判断I/O模块的自检情况。

2.4 环绕BIT程序设计

控制舱测试系统中采用环绕BIT的方式对系统的关键部分进行自检和监控，主要反映A/D、D/A和I/O的工作状况。BIT程序设计是在对测试需求进行分析的基础上，结合测试系统的硬件功能特性[12]，按照设定的自检流程，实现激励信号的加载、数据的采集、测试结果与标准要求的对比分析。整个BIT的自检流程如图6所示。

3 结 语

控制舱测试系统旨在测试验证导弹控制舱设计状态的正确性，实现高精度、高效率、低误差的性能评估。以PXI总线实现的这种紧凑型的结构将在工控机机箱内的各种电路板卡紧密地连接在一起，使计算机系统、电控系统的电磁兼容性得到改善。充分利用CPLD灵活配置的特点，在系统架构基础上实现了环绕BIT测试，降低了硬件成本，提高了系统的可靠性与可测性，改善了目前的测试状况。

参考文献

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