引言

基于多種總線(xiàn)系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)的虛擬儀器在測(cè)控和儀器科學(xué)領(lǐng)域逐步發(fā)揮越來(lái)越大的作用。目前國(guó)內(nèi)在機(jī)載、彈載或者雷達(dá)無(wú)線(xiàn)電高度表應(yīng)用非常廣泛，而高度表的測(cè)高精度是保證飛機(jī)、彈載或者雷達(dá)正常工作至關(guān)重要的條件。為了保證高度表正常工作，需要在高度表使用前進(jìn)行模擬測(cè)試。鑒于傳統(tǒng)的高度表測(cè)量設(shè)備精度不高的缺點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)精度較高的高度表測(cè)試系統(tǒng)。利用數(shù)字采集技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理具有較高的測(cè)量精度，同時(shí)LabWindows／CVI軟件平臺(tái)結(jié)合了C語(yǔ)言和用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測(cè)控專(zhuān)業(yè)工具，簡(jiǎn)化了用戶(hù)接口的設(shè)計(jì)，使生成的應(yīng)用程序可以在多種平臺(tái)上移植。采用LabWindows／CVI虛擬儀器技術(shù)對(duì)高度表進(jìn)行測(cè)試，具有較高的使用性和可維護(hù)性。

1 測(cè)試需求分析

高度表測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象是一部由鋸齒波信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻連續(xù)波、恒定差拍自動(dòng)跟蹤式c波段的某型無(wú)線(xiàn)電高度表。該高度表由發(fā)射組合、接收組合、伺服輸出組合和收發(fā)鑒頻組合組成，其工作原理如圖1所示。

t1時(shí)刻高度表的發(fā)射組合通過(guò)天線(xiàn)向海面發(fā)射的線(xiàn)性調(diào)頻波的頻率為f1，在t2時(shí)刻收到回波信號(hào)。采用鋸齒波線(xiàn)性調(diào)頻體制，在t2時(shí)刻發(fā)射頻率已變?yōu)閒2，此時(shí)取出發(fā)射能量的小部分作為本振信號(hào)與回波信號(hào)在混頻器中混頻，檢波后得到差拍信號(hào)fb，根據(jù)差拍信號(hào)得到高度信號(hào)的計(jì)算公式如下式所示。

式中：Tm為鋸齒波調(diào)制周期；△f為調(diào)頻帶寬；H為所需測(cè)量的高度；c為電磁波傳播速度。

當(dāng)測(cè)試時(shí)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，△f和c是常數(shù)，fb在瞬態(tài)平衡下也是常數(shù)，此時(shí)所測(cè)的高度與調(diào)制周期成正比關(guān)系，可以用測(cè)量調(diào)制周期的方式測(cè)量高度表工作高度，如下：

高度表測(cè)試系統(tǒng)的作用是檢測(cè)高度表是否工作正常。主要通過(guò)對(duì)高度表工作時(shí)產(chǎn)生的高度信號(hào)Pn和高度控制信號(hào)Pc進(jìn)行測(cè)試，來(lái)判斷高度表是否符合測(cè)試精度要求。采用直接測(cè)量的方法，難以保證高度表測(cè)量的精度。為此，本文采用將高度脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖個(gè)數(shù)的方式，來(lái)確保測(cè)量的精度。

根據(jù)式（2）的測(cè)高原理將高度轉(zhuǎn)化為測(cè)量調(diào)制周期的周期長(zhǎng)度。為了精確地測(cè)試高度信號(hào)，調(diào)制信號(hào)采用固定周期T1的鋸齒波脈沖信號(hào)，將周期的測(cè)量轉(zhuǎn)化為在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)對(duì)鋸齒波個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)N，計(jì)算公式如下：

式中：T是鋸齒波周期；K1是高度與鋸齒波的比例系數(shù)。據(jù)此波的長(zhǎng)度則體現(xiàn)了測(cè)試的精度，在本測(cè)試系統(tǒng)中K1取0．1 m／個(gè)，即一個(gè)鋸齒波脈沖的精度為0．1 m。

2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

高度信號(hào)測(cè)試的資源主要有測(cè)試電源、高度模擬器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字化儀、工控機(jī)、顯示器和適配器等。高度表測(cè)試系統(tǒng)以工控機(jī)為主控設(shè)備，基于LabWindows／CVI軟件通過(guò)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)電高度表高度的測(cè)試，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

首先工控機(jī)發(fā)射控制指令給高度模擬器，高度模擬器產(chǎn)生相應(yīng)的高度信號(hào)給無(wú)線(xiàn)電高度表；同時(shí)工控機(jī)發(fā)射控制信號(hào)，通過(guò)數(shù)字采集卡的數(shù)字I／O口和適配器，輸出射檢指令，使高度表處于工作狀態(tài)。然后工控機(jī)發(fā)出控制指令通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I／O口控制數(shù)據(jù)采集卡，開(kāi)始采集高度控制信號(hào)Pc，工控機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)并根據(jù)Pc信號(hào)的上升和下降產(chǎn)生控制信號(hào)，作為調(diào)制周期信號(hào)Pn的開(kāi)始和結(jié)束信號(hào)。工控機(jī)對(duì)數(shù)字化儀采集過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在顯示器上顯示測(cè)試的鋸齒波脈沖個(gè)數(shù)。整個(gè)測(cè)試過(guò)程由電源模塊提供不同伏值的電壓，保證各個(gè)模塊的正常工作。

3 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

使用LabWindows／CVI軟件設(shè)計(jì)軟件測(cè)試系統(tǒng)包括以下幾個(gè)步驟：功能模塊劃分、測(cè)試流程、虛擬面板設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理和測(cè)量結(jié)果分析等。

3．1 功能劃分和測(cè)試漉程

設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，即將測(cè)試軟件劃分為相互獨(dú)立的模塊，各模塊在編寫(xiě)程序和運(yùn)行程序時(shí)是相互獨(dú)立的。模塊化的程序設(shè)計(jì)有利于測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)、維護(hù)、調(diào)試和運(yùn)行。該測(cè)試軟件模塊劃分如圖3所示。

初始化模塊包括用戶(hù)登錄界面和系統(tǒng)自檢。用戶(hù)登錄界面是為保證使用者單獨(dú)使用而設(shè)計(jì)的保密措施，包括用戶(hù)名和密碼驗(yàn)證，當(dāng)用戶(hù)名和密碼均正確時(shí)才能使用該測(cè)試軟件。系統(tǒng)自檢是對(duì)高度表測(cè)試時(shí)硬件電路的檢測(cè)，保證高度表測(cè)試系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。將高度控制信號(hào)Pc轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，來(lái)控制高度信號(hào)Pn的采集。數(shù)據(jù)處理計(jì)算將采集到的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)相應(yīng)的比例關(guān)系轉(zhuǎn)化為所需要的數(shù)字信號(hào)。誤差處理包括系統(tǒng)誤差、測(cè)量誤差和粗大誤差處理。粗大誤差可通過(guò)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理；在高度信號(hào)的情況下通電獲得系統(tǒng)誤差，在測(cè)試的時(shí)候直接排除；測(cè)量誤差可以通過(guò)多次測(cè)量求均值的方式使測(cè)量誤差降低到允許的范圍內(nèi)。

測(cè)試界面是軟件人性化設(shè)計(jì)的一個(gè)標(biāo)志，可根據(jù)客戶(hù)的需要進(jìn)行更改和維護(hù)。在虛擬面板上直接顯示所測(cè)量信號(hào)的波形，通過(guò)數(shù)字控件顯示脈沖個(gè)數(shù)和高度信息，最后在通過(guò)Excel輸出并打印結(jié)果。根據(jù)圖3所示的軟件功能，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件流程如圖4所示。

3．2 虛擬面板設(shè)計(jì)

根據(jù)上述軟件流程圖和軟件功能模塊的劃分并結(jié)合用戶(hù)需求，進(jìn)行高度表測(cè)試控制面板的設(shè)計(jì)，控制程序流程并顯示測(cè)試和分析結(jié)果。在設(shè)計(jì)面板時(shí)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)要求：

（1）使用中文圖形界面；

（2）系統(tǒng)測(cè)試不滿(mǎn)足要求時(shí)提示出錯(cuò)；

（3）所有測(cè)試運(yùn)行中的信息顯示在同時(shí)面板上；

（4）界面外形美觀大方，色彩和諧，畫(huà)面布局合理，界面友好。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)面板如圖5所示。

面板的左上方用于顯示Pn信號(hào)的波形。左下方的數(shù)字控件顯示工作的狀態(tài)、測(cè)試的項(xiàng)目和方式與所測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果。可以與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，查看誤差是否在允許的范圍內(nèi)。右上方是測(cè)試的控制按鈕，用于控制測(cè)試的開(kāi)始、暫停、結(jié)束和打印結(jié)果。右下方是操作說(shuō)明，對(duì)測(cè)試的過(guò)程進(jìn)行文字提示和說(shuō)明。

4 誤差處理和結(jié)果分析

首先將數(shù)字化儀采樣后的Pn信號(hào)轉(zhuǎn)化為工控機(jī)緩存內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)。為了保證測(cè)量結(jié)果的精確性，需要對(duì)測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行誤差處理。測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的誤差主要包括系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。

測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差主要是由于數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)、繼電器動(dòng)作延時(shí)和采集卡采集延時(shí)等產(chǎn)生的，這些誤差是固定的，可視為系統(tǒng)誤差。此外使用的電子器件在不同溫度條件下也存在一定的誤差，這些誤差是隨機(jī)變化的，一般情況下視為測(cè)量誤差。測(cè)試過(guò)程中可能出現(xiàn)的干擾信號(hào)使得測(cè)試結(jié)果中出現(xiàn)“毛刺”，被視為粗大誤差。測(cè)試的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)粗大誤差處理，在進(jìn)行系統(tǒng)誤差處理，最后處理隨機(jī)誤差。

粗大誤差是超出規(guī)定條件下預(yù)期的壞值，可通過(guò)區(qū)間估計(jì)法進(jìn)行排除。設(shè)測(cè)量的估計(jì)區(qū)間為，其中：c1為置信度，標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算方法如式（4）所示：

任何一次測(cè)量誤差都是由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差共同組成的。在確定條件下，對(duì)被測(cè)量x的第i次測(cè)量誤差為：

式中：系統(tǒng)誤差ε在測(cè)量條件相同時(shí)是不變的。測(cè)量次數(shù)n→∞時(shí)，測(cè)量誤差δi的總和趨向于0。可通過(guò)多次測(cè)量求平均值的方法求得系統(tǒng)誤差。

粗大誤差的處理流程如圖6所示。首先計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值，采用標(biāo)準(zhǔn)差的c1倍作為判別標(biāo)準(zhǔn)，判斷殘差是否滿(mǎn)足測(cè)試要求。

不滿(mǎn)足時(shí)剔除殘差最大的壞值，重新判斷直到滿(mǎn)足要求為止。系統(tǒng)誤差處理流程如圖7所示。分別求n次和n-1次測(cè)量的均值，在求得兩者的差值。根據(jù)n-1次測(cè)量結(jié)果的設(shè)置判別標(biāo)準(zhǔn)，判斷差值是否滿(mǎn)足要求。不滿(mǎn)足時(shí)增加測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，重新判斷直到滿(mǎn)足要求為止。

該高度表測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)高度表測(cè)試設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于可進(jìn)行數(shù)字化處理，即對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行誤差處理。將經(jīng)過(guò)流程圖6和流程圖7處理過(guò)程視為對(duì)測(cè)試的優(yōu)化過(guò)程。對(duì)10 m，30 m，80 m，200 m，500 m和1 000 m的模擬高度進(jìn)行測(cè)量，優(yōu)化前的測(cè)量結(jié)果和優(yōu)化后的測(cè)量結(jié)果如表1所示。通過(guò)對(duì)比可知，優(yōu)化后的測(cè)量結(jié)果測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于優(yōu)化前，即經(jīng)過(guò)誤差處理后的效果具有較高的精度。

5 結(jié)語(yǔ)

該高度表測(cè)試系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集技術(shù)，具有較高的精度。LabWindows／CVI虛擬儀器技術(shù)使得測(cè)試面板更加人性化，適合無(wú)線(xiàn)電高度表領(lǐng)域非專(zhuān)業(yè)人士對(duì)裝備的測(cè)試，提高了測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)用性和可維護(hù)性。采用脈沖計(jì)數(shù)的方式對(duì)高度表的工作高度進(jìn)行測(cè)量，顯示出了數(shù)字測(cè)量方式相對(duì)模擬數(shù)據(jù)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。此外，采用的數(shù)字采集卡和數(shù)字化儀還可以測(cè)試高度表的其他測(cè)試技術(shù)指標(biāo)，提高該高度表測(cè)試系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

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