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在航天器研制和定型生產(chǎn)的過(guò)程中，需要進(jìn)行大量的動(dòng)力學(xué)環(huán)境模擬試驗。在對試驗有效性*估、航天器產(chǎn)品的質(zhì)量保證中，試驗的數據采集合數據處理占很重要的地位。目前，航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗的測試系統領(lǐng)域中，動(dòng)力學(xué)綜合測試系統的研制水平表征著(zhù)一個(gè)國家在這一領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先程度，因此，有必要研制用于航天器動(dòng)力學(xué)試驗的綜合測試系統。 1 動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統的原理、構成以及關(guān)鍵技術(shù) 1.1 綜合測試系統的原理 在航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗中，結構的各種動(dòng)態(tài)響應諸如加速度、速度、位移、力、聲等物理量通過(guò)相關(guān)的傳感器轉換成動(dòng)態(tài)電信號，這些弱小電信號通過(guò)調理、整形、放大等措施以后，輸入到測試系統，由具有邏輯處理功能的測試系統動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集動(dòng)態(tài)信號以后進(jìn)行處理。動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗中綜合測試系統應當具有采集數據頻率高，數據流量大，因此對滿(mǎn)足使用的系統要求比較苛刻。 1.2 綜合測試系統的主要性能指標 128路A/D同步采樣；4路D/A輸出；通道采樣率最大為51.2KSa/s；通道采樣數據轉換精度為16位。 1.3 綜合測試系統的構成 按照功能劃分，航天器動(dòng)力學(xué)綜合測試系統可以由數據的采集、數據的傳輸和數據的處理、存儲等構成。按照結構組成來(lái)劃分，航天器動(dòng)力學(xué)綜合測試系統可以分為以下的三大部分： （1） 具有各種動(dòng)態(tài)信號測試與分析功能的計算機軟件：隨機信號分析、正旋信號分 析、沖擊信號分析等； （2） 計算機主機平臺以及附件：包括各種高性能的具有強大處理功能的處理器以及內存、高吞吐量的計算 機存儲器、高分辨率的顯示器及其附件； （3） 試驗信號的測試與采集裝置：包括傳感器、前置放大器和數據采集系統。 1.4 綜合測試系統設計的關(guān)鍵技術(shù) 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統的研制，以下的幾項技術(shù)中需要得到滿(mǎn)足： （1） 動(dòng)力學(xué)綜合測試系統的優(yōu)化設計、結構組成、靈活配置技術(shù)： （2） 綜合測試系統高速數據同步采集技術(shù)； （3） 大容量的數據實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)； （4） 高速的數據存儲技術(shù)； （5） 滿(mǎn)足使用要求的各種數據處理技術(shù)： 2 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統的體系結構 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統研制的宗旨是在較低成本上的工程化設計、縮短綜合測試系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間，把風(fēng)險降低到最低限度，因此在硬件體系的設計中必須采用國際上最先進(jìn)的、成熟的工業(yè)標準，以保持功能模塊的兼容性，直接吸收現代科技的發(fā)展帶來(lái)的成果；軟件設計應大量采用應用軟件框架，最大限度地適應系統規模、參數等的變化。 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統由硬件平臺和軟件系統這兩大部分構成。硬件平臺的選擇，是由所采用的測試系統結構來(lái)決定的。具體的說(shuō)，動(dòng)力學(xué)綜合測試系統結構包括控制方式、總線(xiàn)系統配置、分布式機箱結構、多總線(xiàn)復合體系結構等。軟件系統是測試系統的核心，包括軟件（即驅動(dòng)程序、軟面板）運行環(huán)境和面向測試的應用軟件。 集成化測試系統體系結構是組建測試系統的核心技術(shù)，包括測試系統結構、硬件平臺、軟件系統框架選擇等。選擇通用硬件平臺和通用軟件框架，是建立通用動(dòng)力學(xué)測試系統的一個(gè)良好途徑，本文的論述主要集中在硬件層面。 3 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統硬件系統結構選擇 目前在技術(shù)上比較成熟、市場(chǎng)上得到廣泛應用的儀器總線(xiàn)平臺分為VXI總線(xiàn)和PXI總線(xiàn)。 VXI技術(shù)作為開(kāi)放式的總線(xiàn)技術(shù)，體現了標準化、模塊化、系列化、通用化的系統要求。開(kāi)放式結構能實(shí)現系統資源、軟件資源、硬件資源共享。系統通道易于升級、擴充，適應各種場(chǎng)合的需要，方便地重組系統，并且能夠適應計算機技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展，采用計算機技術(shù)、集成技術(shù)的最新成果，保持系統的先進(jìn)性和兼容性，提高系統測試的準確度和可靠性。 PXI總線(xiàn)技術(shù)除了具有類(lèi)似于VXI總線(xiàn)技術(shù)的許多特點(diǎn)以外，同時(shí)具有數據傳輸率更高、小型化、價(jià)格更便宜 （低檔系統通常比VXI系統便宜一萬(wàn)美元以上，中高檔系統價(jià)格相差小一些）的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)PXI總線(xiàn)較VXI總線(xiàn)更具有可以和計算機直接相連的優(yōu)勢。但是PXI總線(xiàn)技術(shù)出現的時(shí)間比較短，在技術(shù)層面上還有待完善，同時(shí)缺乏儀器領(lǐng)域內部最有影響廠(chǎng)家的充分支持，產(chǎn)品的品種還不夠豐富，缺乏強有力的技術(shù)支持，因此，目前使用PXI總線(xiàn)技術(shù)組建滿(mǎn)足航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗要求的高精度大中規模的數據采集系統在技術(shù)上還存在一定的困難和風(fēng)險。 綜合VXI總線(xiàn)技術(shù)和PXI總線(xiàn)技術(shù)的上述特點(diǎn)，通過(guò)對目前國內外組建航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗測試系統所采用的總線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行的分析與研究，在本系統中使用VXI總線(xiàn)技術(shù)作為組建動(dòng)力學(xué)集成化綜合測試系統硬件平臺的基礎，以減少組建系統的困難與風(fēng)險，同時(shí)在應用軟件系統設計時(shí)間盡量采用軟件獨立于硬件平臺的設計原則，保持對PXI總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展的跟蹤，待PXI技術(shù)發(fā)展更加成熟并且具備條件以后，動(dòng)力學(xué)綜合測試系統能夠方便地進(jìn)行硬件平臺移植。 4 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統硬件平臺設計 硬件平臺是測試系統結構最基本的組成部分，組建測試系統必須實(shí)現標準化、模塊化、系列化設計體制，使硬件平臺建立在高度標準化和模塊化的結構上才能降低開(kāi)發(fā)成本，縮短系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，確保系統的長(cháng)期可用性。航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統硬件平臺采用具有雙處理器的主控計算機和VXI機箱組成測試單元的結構。其中VXI測試總線(xiàn)機箱中內置一個(gè)零槽控制器用于管理VXI測試模塊之間的協(xié)調以及同步；主控計算機通過(guò)內置于計算機中的PCI-1394轉換卡、IEEE1394通訊電纜、零槽控制器與VXI測試機箱各種模塊相連，實(shí)現與VXI測試機箱的快速數據傳輸以及通訊管理工作。在測試過(guò)程中，VXI總線(xiàn)機箱通過(guò)A/D轉換器完成動(dòng)力學(xué)響應數據的采集，所有的采集數據通過(guò)VXI總線(xiàn)以及IEEE1394聯(lián)接線(xiàn)實(shí)時(shí)傳送到主控計算機，由主控計算機完成數據處理分析、數據存儲和實(shí)時(shí)顯示等任務(wù)。 為了完成動(dòng)力學(xué)綜合測試需求，系統中研制了32通道高速同步數據采集模塊AMC2322，可以實(shí)現4個(gè)模塊共128通道同步數據采集，同步采集速度達51.2KSa/s，并且在同步采集速度下降不多的情況下，通道數可以擴展到300多個(gè)。設計的另一個(gè)模塊是4路任意波D/A模塊，它實(shí)現任意波激勵輸出，可與A/D采集同步進(jìn)行，并且可以擴展，這兩種模塊滿(mǎn)足航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統的性能要求，并且還為系統的擴充留有余地。 系統研制過(guò)程中主要解決了以下的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：一是如何保存連續高速采樣的數據。方法是在數據采集板卡上集成64KWORD空間FIFO存儲器，用于存儲32通道并行采集數據，模塊有設置上位機讀數觸發(fā)條件功能，即預先指定AD采集存儲空間大小，一旦滿(mǎn)足條件立即產(chǎn)生中斷，上位機迅速完成批數據讀取。由于采用FIFO技術(shù)，上位機讀數不影響數據采集。 解決的另外一個(gè)問(wèn)題是數據傳遞的問(wèn)題，需要保證采集數據以要求的速度傳遞到計算機中。因為1394實(shí)測的數據傳輸率為7－8MB/s，速度不高，我們采用1394火線(xiàn)技術(shù)橋接測試系統總線(xiàn)和計算機，解決了數據傳遞的瓶頸，以后可以采用光纖技術(shù)橋接系統總線(xiàn)和計算機，從而獲得更大的系統數據傳輸能力。 圖1 動(dòng)力學(xué)綜合測試系統硬件平臺示意圖 解決的第三個(gè)問(wèn)題是數據的存儲問(wèn)題。大量的采集數據涌入到計算機中，需要快速的存儲，否則同樣會(huì )造成系統反映速度不夠，目前一般的計算機硬盤(pán)不能滿(mǎn)足數據存儲的要求，因此使用了SCSI技術(shù)的磁盤(pán)，將大量的采集數據快速地存儲到計算機中，并且我們優(yōu)化軟件設計，對不必處理的數據進(jìn)行事后分析和回放，提高了系統整體采集速度。 5 結論 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗綜合測試系統的設計在各個(gè)方面完全滿(mǎn)足航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗中數據采集、分析需要的技術(shù)指標，這為我們進(jìn)行大中型綜合測試系統研制打下很好的基礎。 |
