基于虚拟仪器的电子时间引信自动化测试系统

李子恺 张博威 许舒怡 何 跃 叶 鑫

（1.西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710021；
2.索邦大学，巴黎 75005）

随着虚拟仪器技术的发展，自动测试设备逐渐由台式仪器过渡为模块化仪器，自动测试系统由专用型系统逐渐转变为通用型系统[1-2]。虚拟仪器（Virtual Instrumentation，VI）的概念最早由美国国家仪器（National Instruments，NI）公司提出，主要通过硬件与软件结合完成各种自动化测试，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术[3-4]。LabVIEW开发平台正是NI公司基于此概念开发的图形化程序编译平台，具有界面与功能设计相互独立及开发周期短的优点，广泛应用于电子测量、信号分析、控制理论仿真及跨平台设计等领域[5-8]。

电子时间引信是在炮弹发射过程中通过预定时间定时控制点火电路引爆传爆序列的装置。它的特征参数是性能评估的主要依据，也是影响其工作性能的重要参考指标。目前，我国引信测试技术仍处于手工测试阶段，存在效率低和精度差的问题。在引信的研制与生产过程中，传统的测试设备测试覆盖面较小，往往一台设备只能用于某一种型号的单发电子时间引信的测试，且测试人员需要手动记录测试数据，导致测试效率较低，测试灵活性较差。针对此问题，本文提出了一种基于虚拟仪器的电子时间引信自动化测试系统，以完成对电子时间引信产品点火脉冲幅值和点火时间两类特征参数的测试。

该测试系统在全流程测试中主要完成3个关键技术的研究与开发。

1.1 电源选择控制

根据待测对象的工作特性，供电电源选择程控电源4NIC-XTC109，通过RS-232协议实现与上位机的通信。为满足多类型待测产品多路并行测试的要求，该测试系统根据当前测试产品及操作步骤选择相应的供电电压。利用case结构实现对电源选择的控制，通过VISA工具包进行串口命令的发送与接收。

1.2 操作台控制

操作台外部一端与待测产品相连，另一端与上位机的RS-232通信板卡和PCI235X系列光隔离输入/输出（Input/Output，I/O）卡相连。操作台内部由STM32F103VE及其扩展板组成。扩展板包括按键控制电路和发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）显示电路等。通过启停按键控制4NIC-XTC109程控电源，实现对待测产品供电，将按键状态信号量传输至I/O板卡以控制数采进程。另外，根据上位机测试系统对测试结果的判定，利用虚拟仪器软件结构（Virtual Instrument Software Architectuere，VISA）工具包向单片机发送对应指令，以控制LED灯的状态。

1.2 数据采集系统

数据采集系统的硬件架构由ART PCI565X系列数字采集板卡和PCI235X系列光隔离I/O卡组成，安装在工控机主板。板卡通过信号转接电路与待测产品相连，以实现对待测产品的信号采集。光隔离I/O卡与操作台的继电器信号相连，以实现信号采集的启停控制。软件利用数据采集（Data Acquisition，DAQ）工具包实现对采集通道、采样频率以及采样模式等参数的设定，程序如图1所示。

图1 数据采集程序

为了满足多路异步并行测试的实时性要求，根据排队论中M/M/1模型，需对单个对象平均到达时间与单个对象平均服务时间2个参数进行设定。其中，单个对象平均服务时间为1～3 ms，包括波形数据存储、参数计算、结果判定与显示等操作。经多次试验，当每次循环采样点数为2 000点即每通道单个对象平均到达时间约为13.3 ms时，不会出现数据超时溢出的现象。在多通道异步并行采集场景下，波形数据具有实时处理、存储及检索的功能。数据采集系统采用技术数据管理流（Technical Document Management System，TDMS），实现相应的测试需求。TDMS是美国国家仪器有限公司（NationalInstruments，NI）主推的一种二进制记录技术，通过文件、组及通道3个层级结构实现文件的存储与读取，具有处理速度快和文件结构清晰的优势，也为其他函数的调用提供了较多应用程序接口（Application Program Interface，API）。基于TDMS与LabVIEW的适配性，利用LabVIEW平台开发的数据采集系统能较大程度提高测试数据存储与读取的效率与安全性。

2.1 数据分析模块

为提高测试精度，选用多项式拟合算法进行数据处理。

多项式拟合数学模型可用公式表示为

式中：x为采集电压，即待标定电压；
y为标定后电压；
ai为多项式系数。该模型可用于对采集电压的标定，各项参数通过离线训练方式获得。先使用QR分解算法求解多项式模型参数，再结合十折交叉验证算法缓解过拟合现象。经仿真分析，n取值为3时，计算量与精度达到平衡。阶数n确定后，使用各通道数据分别对模型进行训练，得到各通道的线性灵敏度和非线性项系数。在测试系统实时运行过程中，采集得到的数据通过该模型的标定后传送至下一模块。

2.2 特征参量计算模块

对于数据处理模块标定后的数据，特征参量计算模块通过恒比甄别算法对该波形数据中的脉冲进行定位，并在此基础上完成采集电压和采集时间2类特征参数的提取。参数提取是根据引信信号的特性，提取定位到脉冲上升沿的采样点，截取上升沿起点与峰值之间的采样点，并对其进行特征分析以计算采样电压。根据采样频率，通过采样电压对应的采样点计算引信触发时间间隔，从而计算出采样时间。

2.3 数据管理模块

测量出特征参数后，需要整理参数，并将结果显示在测试界面，同时附加对应的编号、时间以及结果判定等信息，按照预先设定的格式模板生成Excel报表。在该模块中，报表创建采用Report Generation Toolkit工具包，报表格式调整使用Oきce VBA（Visual Basic for Applications）函数接口，并调用Worksheet对象的方法和属性节点，依次对插入的内容和数据进行格式整理。

选取流程中某一步骤进行测试，从TDMS文件中查看测试采集的波形并读取相关数据，波形采集结果如图2所示。

图2 波形采集结果

根据通道命名和对应波形可知，预定的配置指令在系统中得到了正确执行，数据传输快速准确，数字采集系统与测试软件匹配效果无误。由于引信产品信号的不可重复性，可通过测量多组数据进行均值统计来确定误差范围。这里选取100组测量数据的均值作为实测值，统计结果如表1所示。经验证，该测试系统参数设定合理，特征参量计算结果准确，满足系统指标要求。

表1 待验证参数实测值统计结果

基于LabVIEW开发平台的电子时间引信自动化测试系统，与传统方案相比，可以实现大批量电子时间引信产品的多路异步自动化测试。测试结果显示，系统测试效率较高，测试结果真实可靠。模块化的编程思维使系统功能具有较强的可移植性，为系统的二次开发提供了较大便利。此外，该测试系统降低了测试设备及人力成本，提高了开发效率，具有较高的实际应用价值。