大型導彈測試系統(tǒng)通用信號調(diào)理平臺的設(shè)計

信號調(diào)理平臺設(shè)計是構(gòu)建基于VXI總線的大型導彈測試系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，也是其硬件實現(xiàn)的首要任務。當前，大型導彈裝備型號的增加、規(guī)模的增大和復雜程度的增強，給測試設(shè)備信號調(diào)理平臺的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。若針對不同型號的大型導彈裝備設(shè)計專用的信號調(diào)理平臺，工作量巨大，重復開發(fā)嚴重，經(jīng)濟價格低，不利于裝備通用化、標準化、系列化的形成。在系統(tǒng)可編程(ISP即in-System Programmability)技術(shù)的出現(xiàn)代表著新一代PLD的發(fā)展方向，它提供了現(xiàn)場系統(tǒng)重構(gòu)和現(xiàn)場系統(tǒng)用戶化的可能性，使遙控現(xiàn)場升級和維護成為可能，用它來實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)接模塊的程控單元非常合適。為此，本文基于ISP設(shè)計了大型導彈測試系統(tǒng)的通用信號調(diào)理平臺，滿足了不同型號導彈的測試需求。

1 ISP技術(shù)

可編程邏輯器件(Programmable Logic Device)誕生于20世紀70年代，是一種由用戶編程來實現(xiàn)某種特定功能的新型邏輯器件，自問世以來，經(jīng)歷了從PROM、PLA、PAL、GAL等低密度PLD到CPLD、FPLD等高密度PLD的發(fā)展過程。目前器件的集成度越來越高，功能不斷增強，邏輯門數(shù)已從5000門

增加到200萬門，有些甚至達到上千萬門。1991年出現(xiàn)的ISP技術(shù)給PLD提供了新的發(fā)展空間，代表著新一代PLD技術(shù)發(fā)展的方向。它主要有以下特點：

(1)縮短了系統(tǒng)設(shè)計試制的周期，降低了試制成本;

(2)縮小了芯片的體積并簡化了生產(chǎn)流程;

(3)方便了系統(tǒng)的維護和升級;

(4)提高了系統(tǒng)的可測試性，增加了系統(tǒng)的可靠性。

ISP器件的開發(fā)不需要編程器，可直接通過電纜將邏輯功能代碼下載到器件中。VHDL語言作為主流的開發(fā)平臺已被IEEE制訂為IEEE1076.3標準，它用特定的語法對器件的邏輯功能進行描述，給現(xiàn)場系統(tǒng)重構(gòu)和功能用戶化提供了便捷的開發(fā)工具，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

2 信號調(diào)理平臺

信號調(diào)理平臺是連接后端大型導彈裝備被測對象和前端VXI模塊資源的中間環(huán)節(jié)，如圖1所示。它的功能主要包括以下兩點：第一，在被測對象方面，它實現(xiàn)被測信號在調(diào)理總線上的分配、轉(zhuǎn)接以及在調(diào)理模塊內(nèi)的放大、隔離、濾波等變換，給VXI測試資源提供干凈、穩(wěn)定的被測信號。第二，在VXI模塊資源方面，它負責將電源信號、激勵信號傳輸?shù)奖粶y對象，將測試信號與被測對象進行連接、切換，并保持與VXI電氣規(guī)范最大限度的兼容。

3 信號調(diào)理平臺的實現(xiàn)

3.1 硬件框架

信號調(diào)理平臺采用“適配器+信號調(diào)理總線+信號調(diào)理模塊”的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。適配器匯總被測信號、測試信號和激勵信號，并把它們傳送到信號調(diào)理總線，通過在規(guī)范的與電氣無關(guān)的信號調(diào)理總線上插接即插即用的信號調(diào)理模塊，實現(xiàn)平臺的集成。

為提高信號調(diào)理平臺的通用化、標準化程度，調(diào)理電路分為控制模塊、通用模塊、專用模塊和擴展模塊，采用標準卡式結(jié)構(gòu)，通過96芯DIN連接器與信號調(diào)理總線構(gòu)成插拔結(jié)構(gòu)，并固定在嵌入式機箱中。各模塊之間的連接關(guān)系如圖3所示。控制模塊接收來自工控機數(shù)字I/O卡的指令，對整個調(diào)理平臺實施程控管理;通用模塊主要對測試信號完成動態(tài)分配和預處理，內(nèi)部電路包括模塊控制電路、信號分配電路、模擬信號處理電路、I/O信號處理電路等，結(jié)構(gòu)如圖4所示;專用模塊實現(xiàn)某些特殊功能，如通道自檢、測試某些被測對象時的特殊信號調(diào)理等;擴展模塊用于系統(tǒng)的功能擴展。

3.2 信號調(diào)理模塊設(shè)計

3.2.1 ISP器件的選擇

通用信號調(diào)理平臺對ISP器件的規(guī)模沒有很高的要求，但要求其性能可靠、開發(fā)靈活、重構(gòu)能力強、通用性好。Lattice公司的ispLSI系列、Altera公司的7000S和9000系列、Xilinx公司的XC9500系列是較為常用的ISP器件，其中，Lattice公司是ISP的率先提出者，在這方面的技術(shù)比較成熟。它的ISP芯片屬于中小規(guī)模CLPD，包括6個系列，產(chǎn)品種類豐富、價格便宜、開發(fā)靈活，能直接應用于系統(tǒng)上;開發(fā)平臺ispDesign EXPERT和PACDesigner功能強大，使用簡潔。該公司還在1999年率先推出了在系統(tǒng)可編程模擬器件(ispPAC)，給模擬電路的接口設(shè)計帶來了革命性突破。為此，文中信號調(diào)理平臺的控制電路和數(shù)字信號調(diào)理電路采用Lattice公司的ispLSI032實現(xiàn)，模擬信號調(diào)理電路采用ispPAC20實現(xiàn)。

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3.2.2 設(shè)計流程

本系統(tǒng)中信號調(diào)理模塊的設(shè)計包括兩部分：ISP器件的功能設(shè)計和ISP器件外圍電路的設(shè)計。其中ISP器件的功能設(shè)計是主要的，它決定著其外圍電路的設(shè)計。

ISP器件的功能設(shè)計也分為兩部分：基于ispDesign EXPERT平臺的數(shù)字部分—ispLSI1032的功能設(shè)計和基于PAC-Designer平臺的模擬部分—ispPAC20的功能設(shè)計。ISP器件的設(shè)計流程如圖5所示。其中“行為分析”確定器件所要完成的功能和指標要求，對輸入和輸出信號進行定義;“結(jié)構(gòu)設(shè)計”確定系統(tǒng)功能的實現(xiàn)細節(jié)，給出系統(tǒng)設(shè)計的流程圖和用VHDL語言進行功能描述，必要時還給出系統(tǒng)的時序圖;“邏輯描述”是用ispDesign EXPERT和PAC-Designer軟件對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行實現(xiàn)，并進行編譯仿真，驗證設(shè)計結(jié)果，生成下載文件—JEDEC;“硬件實現(xiàn)”是在前面工作的基礎(chǔ)上設(shè)計并完成具體電路，包括電路板的設(shè)計、器件的焊接、JEDEC文件到ISP器件下載、系統(tǒng)功能聯(lián)調(diào)等。

4 信號調(diào)理平臺應用的工作過程

在平臺與某型導彈測試系統(tǒng)集成時，只需根據(jù)該型導彈的測試需求設(shè)計專用信號調(diào)理模塊，并把被測信號、測試信號和激勵信號經(jīng)其適配器分配到信號調(diào)理總線上，然后通過編程控制信號的轉(zhuǎn)接來實現(xiàn)與該型導彈測試系統(tǒng)的方便集成。

測試時，來自主控計算機數(shù)字I/O卡的控制指令經(jīng)調(diào)理總線送到控制模塊上，經(jīng)控制模塊譯碼后控制相應的調(diào)理模塊動作，使其路目標信號被轉(zhuǎn)接，主控計算機通過VXI總線的多路開關(guān)模塊選通該路

信號，這樣就完成了該項測試。激勵過程與之相反。

5 平臺通用性設(shè)計過程中的幾具關(guān)鍵問題

為了使平臺有良好的通用性，必須滿足以下指標要求：信號調(diào)理總線實現(xiàn)規(guī)范化、電氣特性無關(guān)化;即插即用的信號調(diào)理電路實現(xiàn)程控化、模塊化、通道管理自動化;整個平臺有可擴展能力。

5.1 調(diào)理總線的規(guī)范化和電氣無關(guān)化設(shè)計

信號調(diào)理總線是被測對象、VXI資源和信號調(diào)理模塊連接的通道，它的規(guī)范化、電氣無關(guān)化設(shè)計是通用化、標準化信號調(diào)理平臺的基本指標要求。信號調(diào)理總線是在對多種型號大型導彈被測對象進行需求分析和對VXI測試資源進行功能界定的基礎(chǔ)上嚴格定義的，主要由調(diào)理控制總線和數(shù)據(jù)傳輸總線組成。調(diào)理控制總線將來自工控機數(shù)字I/O卡的控制指令傳給控制模塊，經(jīng)譯碼后控制整個平臺的工作;數(shù)據(jù)傳輸總線構(gòu)成被測信號、調(diào)理模塊和VXI資源之間的連接通道(見圖3).在對總線進行嚴格定義的前提下，連接插座的選擇、布局，信號的連接方式，連接狀態(tài)的定義都要充分考慮電磁兼容性，為此本平臺在嵌入式機箱中采用了“底板+背板”(底板適配，背板調(diào)理)的結(jié)構(gòu)，讓適配器和調(diào)理總線隔離，使信號的轉(zhuǎn)接空間盡可能大;并且在底板和背后板的電路板設(shè)計上專門加入了地線層，使模擬地、數(shù)字地、電源地和測試信號分離，讓激勵信號、測試信號運行在干凈、通暢的傳輸通道中，使干擾達到最小。

5.2 調(diào)理電路的程控化和模塊化設(shè)計

模塊化、程控化是測試系統(tǒng)的發(fā)展方向，設(shè)計程控化、模擬化的信號調(diào)理平臺是實現(xiàn)平臺通用性的客觀要求。在調(diào)理電路設(shè)計過程中采用了“控制模塊+能愛畜模塊+專用模塊+擴充模塊”的模塊化設(shè)計思想，這些模塊與調(diào)理總線構(gòu)成插拔結(jié)構(gòu)(見圖2)。各模塊的控制單元和數(shù)字轉(zhuǎn)接電路由ispSL1032實現(xiàn)，模擬轉(zhuǎn)接電路由ispPAC20實現(xiàn)，對外接口連接到調(diào)理控制總線上，可以編程控制。通用模塊實現(xiàn)測試系統(tǒng)的大部分調(diào)理功能，專用模塊則與不同的測試對象、測試任務相對應。在組建不同型號的大型導彈測試系統(tǒng)時，只要通過增減通用模塊的數(shù)量和設(shè)計不同的專用模塊就可實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

5.3 即插即用調(diào)理模塊的通道管理自動化設(shè)計

信號調(diào)理通道的管理是提高通用信號調(diào)理平臺智能化程度的關(guān)鍵步驟，包括通道的建立(端口的電氣互連)與撤消、通道狀態(tài)的控制與監(jiān)測，一般是通過直接控制通道管理單元—ISP器件的狀態(tài)實現(xiàn)的，因此測控軟件與調(diào)理電路控制單元密不可分的。要對信號調(diào)理電路實現(xiàn)自動管理，測控調(diào)理電路控制要以調(diào)理電路中各通道的信號傳輸特征為基本出發(fā)點。

這里將調(diào)理電路通道的管理分為接口配置、控制函數(shù)和控制模型三個相互獨立的文件。接口配置文件存儲被測對象與測試資源的接口映射信息及通道調(diào)理參數(shù)，可通過軟件開發(fā)平臺(如Labwindows/CVI

通用信號調(diào)理平臺已經(jīng)在陸軍導彈裝備通用維修檢測系統(tǒng)中的得到了應用。實驗證明它可以滿足不同測試對象、不同測試任務的指標要求，通用性、標準化程度很高，擴充能力很強。