李 雷, 嚴(yán)玉國, 曹海霞, 王曉鋒

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 西安 710077)

MLS信號(hào)源狀態(tài)參數(shù)的自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李 雷, 嚴(yán)玉國, 曹海霞, 王曉鋒

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 西安 710077)

微波著陸系統(tǒng)(MLS)信號(hào)源需要定量測量大量的參數(shù),傳統(tǒng)的測試方式需要大量儀器而且連接復(fù)雜,測量效率和精度受到了很大限制。智能儀器的發(fā)展為自動(dòng)測試提供了基礎(chǔ),通過對(duì)微波著陸系統(tǒng)信號(hào)源狀態(tài)參數(shù)的測試特點(diǎn)進(jìn)行分析,在MATLAB平臺(tái)上完成了自動(dòng)測試系統(tǒng)的開發(fā)。實(shí)際測試結(jié)果表明,該自動(dòng)測試系統(tǒng)在測量MLS信號(hào)源狀態(tài)參數(shù)的過程中具有精度高、效率高的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)測試的自動(dòng)化。

微波著陸系統(tǒng);自動(dòng)測試;狀態(tài)參數(shù);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

微波著陸系統(tǒng)(microwave landing system,MLS)是一種精密近著陸系統(tǒng),可以給飛機(jī)提供航向信息、下滑信息和距離信息,還可以提供與著陸有關(guān)的提示和數(shù)據(jù)信息。具有工作頻段高、波道多、測角范圍大、精度高等優(yōu)點(diǎn),在精密著陸引導(dǎo)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

為了保障MLS設(shè)備的可靠工作,需要對(duì)MLS進(jìn)行多種模式的測試,檢測設(shè)備性能。目前對(duì)MLS的檢測主要靠多臺(tái)通用儀器來完成,測試任務(wù)復(fù)雜,重復(fù)性高,工作量大,耗費(fèi)大量的人力物力,因此迫切需要設(shè)計(jì)一款能夠模擬產(chǎn)生MLS地面設(shè)備各種信號(hào)的信號(hào)源,以對(duì)機(jī)載MLS設(shè)備進(jìn)行檢測。而信號(hào)源能否處于正常工作狀態(tài),對(duì)于機(jī)載MLS設(shè)備的檢測具有十分重要的影響。文中針對(duì)MLS信號(hào)源的檢測設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)測試系統(tǒng)。MLS信號(hào)源的狀態(tài)參數(shù)隨著測試環(huán)境的變化會(huì)發(fā)生改變,如果測試時(shí)間過長,測試就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,影響測試結(jié)果。隨著智能儀器的發(fā)展,針對(duì)測試需求編寫相應(yīng)的程序,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試功能,縮短測試周期,節(jié)約人力資源,提高測試精度和效率。

傳統(tǒng)的自動(dòng)測試系統(tǒng)采用Labview、LabWindows、VC等作為開發(fā)平臺(tái)[1-4]。在分析不同開發(fā)平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)后[5-8],根據(jù)微波著陸系統(tǒng)信號(hào)源測試數(shù)據(jù)量大,后期需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的特點(diǎn)。利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理功能,提出了一種新的基于MATLAB的微波著陸自動(dòng)測試系統(tǒng)。后期的測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)滿足測試需求,工作穩(wěn)定,自動(dòng)化程度高，可自動(dòng)完成對(duì)MLS信號(hào)源各項(xiàng)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的檢測。

1 系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)實(shí)際測試需求,設(shè)計(jì)一個(gè)由計(jì)算機(jī)、待測設(shè)備、頻譜分析儀和示波器構(gòu)成的自動(dòng)測試系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)通過串口給待測設(shè)備發(fā)送指令,改變其工作狀態(tài)。通過射頻線纜連接待測設(shè)備和頻譜分析儀,從而實(shí)現(xiàn)測試狀態(tài)參數(shù)的傳輸。再通過USB或LAN接口將頻譜分析儀和示波器測得的數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)硬件連接框圖如圖1所示。

1.1 串口控制

為了將整個(gè)系統(tǒng)的功能都集成到MATLAB環(huán)境中來,用MATLAB代替?zhèn)鹘y(tǒng)測試方式中的串口調(diào)試助手,給MLS信號(hào)源發(fā)送指令,改變其工作狀態(tài)[9]。具體操作步驟如下:第一步,選擇需要使用的串口。第二步,對(duì)串口進(jìn)行配置,設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位和響應(yīng)時(shí)間并打開串口。第三步,發(fā)送數(shù)據(jù),將設(shè)備的響應(yīng)與通過串口調(diào)試器發(fā)送的響應(yīng)進(jìn)行比較,確定是否工作正常。第四步,關(guān)閉串口,釋放資源。

1.2 儀器控制

為實(shí)現(xiàn)智能儀器與計(jì)算機(jī)的連接,在連接計(jì)算機(jī)和智能儀器之前首先需要安裝相應(yīng)的儀器驅(qū)動(dòng),為下一步計(jì)算機(jī)與儀器的通訊打下基礎(chǔ)[10]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境特點(diǎn),傳輸距離較短,而且經(jīng)常需要移動(dòng)儀器,所以使用USB或LAN接口連接智能儀器與計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)儀器的控制。

1.3 電路連接

MLS信號(hào)源與頻譜分析儀之間的信號(hào)傳輸是通過射頻電纜連接的,由于射頻電纜對(duì)信號(hào)具有一定的衰減作用,在測試程序中需要對(duì)衰減進(jìn)行補(bǔ)償,從而得到信號(hào)的實(shí)際功率。而頻譜分析儀與計(jì)算機(jī)的連接是通過USB或LAN接口完成的。可根據(jù)不同的測試需求,靈活選擇連接方式。如果頻譜分析儀與計(jì)算機(jī)距離較近,可以采用USB接口完成計(jì)算機(jī)與頻譜分析儀的連接。如果距離較遠(yuǎn),可以采用LAN接口完成頻譜分析儀與計(jì)算機(jī)的連接。

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件程序的編寫,是自動(dòng)測試系統(tǒng)的核心。根據(jù)實(shí)際測試需求,設(shè)計(jì)相關(guān)測試流程,用SCPI指令實(shí)現(xiàn)對(duì)智能儀器的控制,從而通過計(jì)算機(jī)控制儀器完成相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)測試。

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

為確保MLS信號(hào)源工作在正常狀態(tài),需要對(duì)MLS信號(hào)源的頻率、功率、功耗、溫度等參數(shù)進(jìn)行測試。因此,設(shè)計(jì)的自動(dòng)測試系統(tǒng)不僅可以完成MLS信號(hào)源各項(xiàng)指標(biāo)的測試,而且還可以對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析處理和保存[11]。在實(shí)際的測試過程中,為了便于操作使用,該自動(dòng)測試系統(tǒng)還需要具有良好的人機(jī)交互界面,在界面上完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和測試系統(tǒng)的控制,并將測試結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)界面上。圖2為系統(tǒng)的功能模塊。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),MLS信號(hào)源狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)測試系統(tǒng)需要具有以下功能:

1)操作控制功能

通過程序來完成自動(dòng)測試,首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)待測設(shè)備和智能儀器的控制。針對(duì)測試的不同模塊編寫相應(yīng)的測試程序。

在每次測試開始之前,需要對(duì)測試儀器進(jìn)行校準(zhǔn),并將儀器的自動(dòng)校準(zhǔn)功能關(guān)閉,防止在測試的過程中影響測試結(jié)果。為了在儀器需要校準(zhǔn)的時(shí)候及時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn),滿足測試精度,在程序運(yùn)行的過程中,需要通過檢測儀器的工作狀態(tài)來決定是否需要進(jìn)行校準(zhǔn),如果需要校準(zhǔn),將暫停測試并完成校準(zhǔn),校準(zhǔn)完成之后返回測試程序,繼續(xù)進(jìn)行測試。

針對(duì)多個(gè)波道的測試,在一個(gè)工作狀態(tài)測試完成之后,通過串口發(fā)送控制指令,改變?cè)O(shè)備工作狀態(tài),進(jìn)入下一工作狀態(tài)的測試,實(shí)現(xiàn)循環(huán)測試。

2)數(shù)據(jù)分析處理功能

為了解整個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài),有時(shí)需要得到測試結(jié)果的不同統(tǒng)計(jì)特性,可以根據(jù)實(shí)際需求,直接在MATLAB中調(diào)用相關(guān)函數(shù),對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析處理。根據(jù)分析結(jié)果,可以更準(zhǔn)確的判斷設(shè)備的工作狀態(tài)。

在實(shí)際的工程測試中,有時(shí)需要根據(jù)原始數(shù)據(jù)來調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài),因此在測試完成之后,根據(jù)實(shí)際需求,可以將測試結(jié)果調(diào)整為工程實(shí)際需求的數(shù)據(jù)格式,通過調(diào)用這些數(shù)據(jù)文件來調(diào)整待測設(shè)備?？梢源蟠鬁p輕操作人員的工作量。

3)人機(jī)交互界面

為了方便測試人員測試,需要良好的人機(jī)交換界面。在MATLAB環(huán)境下開發(fā)了測試程序的GUI界面。在該界面下,可以完成整個(gè)測試過程的控制,方便不熟悉程序的測試人員進(jìn)行操作。

圖3是自動(dòng)測試系統(tǒng)的軟件界面。整個(gè)系統(tǒng)由5個(gè)模塊構(gòu)成,分別是參數(shù)設(shè)置區(qū)、功能按鈕區(qū)、波形顯示區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)和實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)。參數(shù)設(shè)置區(qū)用于完成測試參數(shù)的設(shè)置以及測試模式的選擇;功能按鈕區(qū)可以完成整個(gè)測試系統(tǒng)的控制;波形顯示區(qū)用于實(shí)時(shí)顯示測試數(shù)據(jù)的波形;數(shù)據(jù)顯示區(qū)用于記錄測試結(jié)果,方便用戶在界面上查看所有測試數(shù)據(jù);實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)主要顯示當(dāng)前測試結(jié)果以及測試結(jié)果的相關(guān)數(shù)字特性。

2.2 程序設(shè)計(jì)

圖4是軟件的測試流程圖。整個(gè)測試程序主要包括頻譜分析儀、示波器和待測設(shè)備的控制。頻譜分析儀和示波器的主要作用是完成相關(guān)參數(shù)的測試;待測設(shè)備的控制是通過串口完成,由串口發(fā)送相關(guān)指令,改變待測設(shè)備的工作狀態(tài),在測試儀器的配合下,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試。

1)頻譜分析儀的控制

頻譜分析儀的主要作用是測試信號(hào)的頻率和功率。以下為其具體的控制過程:

第一步:連接頻譜分析儀,實(shí)現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程控制。

第二步:根據(jù)測試需求,使用SCPI指令,完成頻譜分析儀Span、Sweep Time、Rbw、Vbw、Frquency等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

第三步:讀取頻譜分析儀測試結(jié)果并保存。

第四步:測試結(jié)束之后,斷開計(jì)算機(jī)與頻譜分析儀的連接。

2)示波器控制

示波器的控制過程與頻譜分析儀基本一致。下面以測試距離為例,給出詳細(xì)過程。在測試距離時(shí),需要確定詢問信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔。傳統(tǒng)測量距離的方法是通過移動(dòng)示波器光標(biāo)來確定時(shí)間間隔,測試完成之后還需要計(jì)算才能得到對(duì)應(yīng)距離。在數(shù)字示波器中,波形數(shù)據(jù)以點(diǎn)的形式存儲(chǔ),通過對(duì)采集到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活的分析運(yùn)算處理,不僅可以將采集到的波形顯示在計(jì)算機(jī)上,還可以通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理得到距離信息。下面是距離的計(jì)算過程。

詢問信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)之間的時(shí)間間隔為t1,其計(jì)算公式為:

t1=N*x_increment

(1)

其中:N為測試點(diǎn)之間數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);x_increment為相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。

系統(tǒng)電路的延時(shí)為t0,則實(shí)際傳輸時(shí)間為Δt,Δt的計(jì)算公式為:

Δt=t1-t0

(2)

傳輸距離為s,其計(jì)算公式為:

(3)

3 系統(tǒng)測試與分析

圖5是測試不同波道對(duì)應(yīng)功率和頻率時(shí)的系統(tǒng)界面。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)中當(dāng)前值是代表當(dāng)前測量波道對(duì)應(yīng)的波道號(hào)以及相應(yīng)的功率和中心頻率。最大功率和最小功率分別對(duì)應(yīng)功率最大時(shí)和功率最小時(shí)對(duì)應(yīng)的波道號(hào)、功率和中心頻率。功率的變化范圍為(5.5±2)dBm,如果超過這個(gè)范圍,那么就認(rèn)為工作異常,設(shè)備存在問題。從實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)可以看到,測試的第126波道功率只有-41.55 dBm,存在錯(cuò)誤,在波形顯示區(qū)中,可以觀察到明顯的下跳,很直觀地反映了設(shè)備在該波道下存在故障。

圖6是控制示波器進(jìn)行距離測試的系統(tǒng)工作狀態(tài)界面,圖7是示波器實(shí)時(shí)波形顯示圖。圖6中,波形顯示區(qū)顯示了當(dāng)前測試的波形,通過與圖7示波器界面顯示相比較,可以確定數(shù)據(jù)提取正確。圖6中波形顯示區(qū)中,上面通道對(duì)應(yīng)的是詢問信號(hào),下面通道對(duì)應(yīng)的是應(yīng)答信號(hào),通過波形數(shù)據(jù)的處理,可以確定詢問信號(hào)與應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔是0.000 059 s。傳統(tǒng)的測試方法很難達(dá)到這一精度。在圖6中,也完成了設(shè)備工作狀態(tài)的自檢,設(shè)備在自檢時(shí),根據(jù)通信協(xié)議,如果自檢通過將會(huì)發(fā)送AA C,并將串口接收到的數(shù)據(jù)顯示在實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū),進(jìn)而彈出自檢正常對(duì)話框。

表1是在55 ℃環(huán)境下每隔20個(gè)波道對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)測試的結(jié)果。功率的變化范圍為(5.5±2)dBm,測試功率均在這一變化范圍內(nèi),說明設(shè)備功率正常;每個(gè)通道有各自對(duì)應(yīng)的中心頻率,頻率的變化范圍為±0.1 MHz,測試結(jié)果均在這一變化范圍內(nèi),驗(yàn)證了設(shè)備頻率正常;串口接收到的數(shù)據(jù)與設(shè)備有關(guān),設(shè)備在工作的時(shí)候,能夠根據(jù)自身狀態(tài),發(fā)送不同的數(shù)據(jù),不同數(shù)據(jù)代表了設(shè)備工作的不同信息,串口接收到的數(shù)據(jù)前兩位代表設(shè)備工作狀態(tài),后兩位代表設(shè)備工作溫度對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù),當(dāng)數(shù)據(jù)前兩位為AA時(shí),代表設(shè)備工作正常,表1中數(shù)據(jù)后兩位為41,將其換算成十進(jìn)制就對(duì)應(yīng)了當(dāng)前設(shè)備的工作溫度為65 ℃。

表1 部分測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

文中基于MATLAB平臺(tái)開發(fā)了MLS信號(hào)源狀態(tài)參數(shù)的自動(dòng)測試系統(tǒng),完成了預(yù)期的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了對(duì)MLS信號(hào)源的快速準(zhǔn)確測試,在工程實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用。實(shí)際測試結(jié)果表明,該測試系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)可以快速準(zhǔn)確的測試MLS信號(hào)源,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試,縮短測試周期,提高測試精度。

2)可以對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行后期的分析處理,為調(diào)整設(shè)備狀態(tài)提供了便利。

3)可以方便的拓展系統(tǒng)的功能,為其它導(dǎo)航設(shè)備的自動(dòng)測試積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

4)利用計(jì)算機(jī)將各種測量儀器連接起來,設(shè)計(jì)專門的軟件,在實(shí)現(xiàn)測試儀器的現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上,還可以通過數(shù)據(jù)處理,拓展儀器功能,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器無法完成的測試,具有功能豐富,測量精確,界面友好以及測試效率高的優(yōu)點(diǎn)。

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DesignofAutomaticTestSystemforMLSSignalSourceStateParameters

LI Lei, YAN Yuguo, CAO Haixia, WANG Xiaofeng

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

The microwave landing system (MLS) signal source needed to measure a large amount of parameters quantitatively, and the conventional measurement methods needed a large number of instruments and the connection was complex which led to the great limitation of measurement efficiency and accuracy. The development of intelligent instruments provided the foundation of automatic measurement. Based on the analysis of the test characteristics of the signal source state parameters of MLS, the development of automatic test system was completed on the MATLAB platform Practical testing results indicated that the automatic test system had the characteristics of high precision and high efficiency in the process of measuring the state parameters of the MLS signal source, and this system could realize the atomization of the measurement.

microwave landing system; automatic testing; state parameters; system design

TP274

A

2016-08-30

李雷(1994-),男,陜西西安人,碩士研究生,研究方向:儀器科學(xué)與技術(shù)。