大型導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)通用信號(hào)調(diào)理平臺(tái)的設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理平臺(tái)設(shè)計(jì)是構(gòu)建基于VXI總線(xiàn)的大型導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，也是其硬件實(shí)現(xiàn)的首要任務(wù)。當(dāng)前，大型導(dǎo)彈裝備型號(hào)的增加、規(guī)模的增大和復(fù)雜程度的增強(qiáng)，給測(cè)試設(shè)備信號(hào)調(diào)理平臺(tái)的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。若針對(duì)不同型號(hào)的大型導(dǎo)彈裝備設(shè)計(jì)專(zhuān)用的信號(hào)調(diào)理平臺(tái)，工作量巨大，重復(fù)開(kāi)發(fā)嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)價(jià)格低，不利于裝備通用化、標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)系統(tǒng)重構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)用戶(hù)化的可能性，使遙控現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)和維護(hù)成為可能，用它來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)接模塊的程控單元非常合適。為此，本文基于ISP設(shè)計(jì)了大型導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)的通用信號(hào)調(diào)理平臺(tái)，滿(mǎn)足了不同型號(hào)導(dǎo)彈的測(cè)試需求。

1 ISP技術(shù)

可編程邏輯器件(Programmable Logic Device)誕生于20世紀(jì)70年代，是一種由用戶(hù)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)某種特定功能的新型邏輯器件，自問(wèn)世以來(lái)，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(guò)程。目前器件的集成度越來(lái)越高，功能不斷增強(qiáng)，邏輯門(mén)數(shù)已從5000門(mén)

增加到200萬(wàn)門(mén)，有些甚至達(dá)到上千萬(wàn)門(mén)。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(diǎn)：

(1)縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)試制的周期，降低了試制成本;

(2)縮小了芯片的體積并簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程;

(3)方便了系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí);

(4)提高了系統(tǒng)的可測(cè)試性，增加了系統(tǒng)的可靠性。

ISP器件的開(kāi)發(fā)不需要編程器，可直接通過(guò)電纜將邏輯功能代碼下載到器件中。VHDL語(yǔ)言作為主流的開(kāi)發(fā)平臺(tái)已被IEEE制訂為IEEE1076.3標(biāo)準(zhǔn)，它用特定的語(yǔ)法對(duì)器件的邏輯功能進(jìn)行描述，給現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)重構(gòu)和功能用戶(hù)化提供了便捷的開(kāi)發(fā)工具，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 信號(hào)調(diào)理平臺(tái)

信號(hào)調(diào)理平臺(tái)是連接后端大型導(dǎo)彈裝備被測(cè)對(duì)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(diǎn)：第一，在被測(cè)對(duì)象方面，它實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)在調(diào)理總線(xiàn)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(cè)試資源提供干凈、穩(wěn)定的被測(cè)信號(hào)。第二，在VXI模塊資源方面，它負(fù)責(zé)將電源信號(hào)、激勵(lì)信號(hào)傳輸?shù)奖粶y(cè)對(duì)象，將測(cè)試信號(hào)與被測(cè)對(duì)象進(jìn)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(hào)調(diào)理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件框架

信號(hào)調(diào)理平臺(tái)采用“適配器+信號(hào)調(diào)理總線(xiàn)+信號(hào)調(diào)理模塊”的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。適配器匯總被測(cè)信號(hào)、測(cè)試信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)，并把它們傳送到信號(hào)調(diào)理總線(xiàn)，通過(guò)在規(guī)范的與電氣無(wú)關(guān)的信號(hào)調(diào)理總線(xiàn)上插接即插即用的信號(hào)調(diào)理模塊，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的集成。

為提高信號(hào)調(diào)理平臺(tái)的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度，調(diào)理電路分為控制模塊、通用模塊、專(zhuān)用模塊和擴(kuò)展模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)卡式結(jié)構(gòu)，通過(guò)96芯DIN連接器與信號(hào)調(diào)理總線(xiàn)構(gòu)成插拔結(jié)構(gòu)，并固定在嵌入式機(jī)箱中。各模塊之間的連接關(guān)系如圖3所示?？刂颇K接收來(lái)自工控機(jī)數(shù)字I/O卡的指令，對(duì)整個(gè)調(diào)理平臺(tái)實(shí)施程控管理;通用模塊主要對(duì)測(cè)試信號(hào)完成動(dòng)態(tài)分配和預(yù)處理，內(nèi)部電路包括模塊控制電路、信號(hào)分配電路、模擬信號(hào)處理電路、I/O信號(hào)處理電路等，結(jié)構(gòu)如圖4所示;專(zhuān)用模塊實(shí)現(xiàn)某些特殊功能，如通道自檢、測(cè)試某些被測(cè)對(duì)象時(shí)的特殊信號(hào)調(diào)理等;擴(kuò)展模塊用于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。

3.2 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 ISP器件的選擇

通用信號(hào)調(diào)理平臺(tái)對(duì)ISP器件的規(guī)模沒(méi)有很高的要求，但要求其性能可靠、開(kāi)發(fā)靈活、重構(gòu)能力強(qiáng)、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(gè)系列，產(chǎn)品種類(lèi)豐富、價(jià)格便宜、開(kāi)發(fā)靈活，能直接應(yīng)用于系統(tǒng)上;開(kāi)發(fā)平臺(tái)ispDesign EXPERT和PACDesigner功能強(qiáng)大，使用簡(jiǎn)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(jì)帶來(lái)了革命性突破。為此，文中信號(hào)調(diào)理平臺(tái)的控制電路和數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路采用Lattice公司的ispLSI032實(shí)現(xiàn)，模擬信號(hào)調(diào)理電路采用ispPAC20實(shí)現(xiàn)。

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3.2.2 設(shè)計(jì)流程

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

ISP器件的功能設(shè)計(jì)也分為兩部分：基于ispDesign EXPERT平臺(tái)的數(shù)字部分—ispLSI1032的功能設(shè)計(jì)和基于PAC-Designer平臺(tái)的模擬部分—ispPAC20的功能設(shè)計(jì)。ISP器件的設(shè)計(jì)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(biāo)要求，對(duì)輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行定義;“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”確定系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖和用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行功能描述，必要時(shí)還給出系統(tǒng)的時(shí)序圖;“邏輯描述”是用ispDesign EXPERT和PAC-Designer軟件對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行編譯仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，生成下載文件—JEDEC;“硬件實(shí)現(xiàn)”是在前面工作的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并完成具體電路，包括電路板的設(shè)計(jì)、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(hào)調(diào)理平臺(tái)應(yīng)用的工作過(guò)程

在平臺(tái)與某型導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)集成時(shí)，只需根據(jù)該型導(dǎo)彈的測(cè)試需求設(shè)計(jì)專(zhuān)用信號(hào)調(diào)理模塊，并把被測(cè)信號(hào)、測(cè)試信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)經(jīng)其適配器分配到信號(hào)調(diào)理總線(xiàn)上，然后通過(guò)編程控制信號(hào)的轉(zhuǎn)接來(lái)實(shí)現(xiàn)與該型導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)的方便集成。

測(cè)試時(shí)，來(lái)自主控計(jì)算機(jī)數(shù)字I/O卡的控制指令經(jīng)調(diào)理總線(xiàn)送到控制模塊上，經(jīng)控制模塊譯碼后控制相應(yīng)的調(diào)理模塊動(dòng)作，使其路目標(biāo)信號(hào)被轉(zhuǎn)接，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)VXI總線(xiàn)的多路開(kāi)關(guān)模塊選通該路

信號(hào)，這樣就完成了該項(xiàng)測(cè)試。激勵(lì)過(guò)程與之相反。

5 平臺(tái)通用性設(shè)計(jì)過(guò)程中的幾具關(guān)鍵問(wèn)題

為了使平臺(tái)有良好的通用性，必須滿(mǎn)足以下指標(biāo)要求：信號(hào)調(diào)理總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、電氣特性無(wú)關(guān)化;即插即用的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)程控化、模塊化、通道管理自動(dòng)化;整個(gè)平臺(tái)有可擴(kuò)展能力。

5.1 調(diào)理總線(xiàn)的規(guī)范化和電氣無(wú)關(guān)化設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理總線(xiàn)是被測(cè)對(duì)象、VXI資源和信號(hào)調(diào)理模塊連接的通道，它的規(guī)范化、電氣無(wú)關(guān)化設(shè)計(jì)是通用化、標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理平臺(tái)的基本指標(biāo)要求。信號(hào)調(diào)理總線(xiàn)是在對(duì)多種型號(hào)大型導(dǎo)彈被測(cè)對(duì)象進(jìn)行需求分析和對(duì)VXI測(cè)試資源進(jìn)行功能界定的基礎(chǔ)上嚴(yán)格定義的，主要由調(diào)理控制總線(xiàn)和數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)組成。調(diào)理控制總線(xiàn)將來(lái)自工控機(jī)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(gè)平臺(tái)的工作;數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)構(gòu)成被測(cè)信號(hào)、調(diào)理模塊和VXI資源之間的連接通道(見(jiàn)圖3).在對(duì)總線(xiàn)進(jìn)行嚴(yán)格定義的前提下，連接插座的選擇、布局，信號(hào)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(tái)在嵌入式機(jī)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(xiàn)隔離，使信號(hào)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(jì)上專(zhuān)門(mén)加入了地線(xiàn)層，使模擬地、數(shù)字地、電源地和測(cè)試信號(hào)分離，讓激勵(lì)信號(hào)、測(cè)試信號(hào)運(yùn)行在干凈、通暢的傳輸通道中，使干擾達(dá)到最小。

5.2 調(diào)理電路的程控化和模塊化設(shè)計(jì)

模塊化、程控化是測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向，設(shè)計(jì)程控化、模擬化的信號(hào)調(diào)理平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)通用性的客觀要求。在調(diào)理電路設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了“控制模塊+能愛(ài)畜模塊+專(zhuān)用模塊+擴(kuò)充模塊”的模塊化設(shè)計(jì)思想，這些模塊與調(diào)理總線(xiàn)構(gòu)成插拔結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。各模塊的控制單元和數(shù)字轉(zhuǎn)接電路由ispSL1032實(shí)現(xiàn)，模擬轉(zhuǎn)接電路由ispPAC20實(shí)現(xiàn)，對(duì)外接口連接到調(diào)理控制總線(xiàn)上，可以編程控制。通用模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的大部分調(diào)理功能，專(zhuān)用模塊則與不同的測(cè)試對(duì)象、測(cè)試任務(wù)相對(duì)應(yīng)。在組建不同型號(hào)的大型導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，只要通過(guò)增減通用模塊的數(shù)量和設(shè)計(jì)不同的專(zhuān)用模塊就可實(shí)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(dòng)化設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理通道的管理是提高通用信號(hào)調(diào)理平臺(tái)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(cè)，一般是通過(guò)直接控制通道管理單元—ISP器件的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的，因此測(cè)控軟件與調(diào)理電路控制單元密不可分的。要對(duì)信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理，測(cè)控調(diào)理電路控制要以調(diào)理電路中各通道的信號(hào)傳輸特征為基本出發(fā)點(diǎn)。

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(gè)相互獨(dú)立的文件。接口配置文件存儲(chǔ)被測(cè)對(duì)象與測(cè)試資源的接口映射信息及通道調(diào)理參數(shù)，可通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)(如Labwindows/CVI

通用信號(hào)調(diào)理平臺(tái)已經(jīng)在陸軍導(dǎo)彈裝備通用維修檢測(cè)系統(tǒng)中的得到了應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)證明它可以滿(mǎn)足不同測(cè)試對(duì)象、不同測(cè)試任務(wù)的指標(biāo)要求，通用性、標(biāo)準(zhǔn)化程度很高，擴(kuò)充能力很強(qiáng)。