航天器動力學環境試驗綜合測試系統的設計

摘要：航天器動力學環境試驗對其順利完成任務具有非常重要的意義。本文介紹了航天器動力學環境試驗綜合測試系統研制的目的、系統工作的原理、構成、硬件結構的研制以及解決的關鍵問題。最后的結果表明，這套系統完全可以滿足任務要求。

關鍵詞：航天器；動力學環境模擬試驗；高速數據采集

0 引言

??? 在航天器研制和定型生產的過程中，需要進行大量的動力學環境模擬試驗。在對試驗有效性評估、航天器產品的質量保證中，試驗的數據采集合數據處理占很重要的地位。目前，航天器動力學環境試驗的測試系統領域中，動力學綜合測試系統的研制水平表征著一個國家在這一領域的技術領先程度，因此，有必要研制用于航天器動力學試驗的綜合測試系統。

1? 動力學環境試驗綜合測試系統的原理、構成以及關鍵技術

1.1? 綜合測試系統的原理

??? 在航天器動力學環境試驗中，結構的各種動態響應諸如加速度、速度、位移、力、聲等物理量通過相關的傳感器轉換成動態電信號，這些弱小電信號通過調理、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態實時采集動態信號以后進行處理。動力學環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，航天器動力學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。按照結構組成來劃分，航天器動力學綜合測試系統可以分為以下的三大部分：

（1） 具有各種動態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鍵技術

航天器動力學環境試驗綜合測試系統的研制，以下的幾項技術中需要得到滿足：

（1） 動力學綜合測試系統的優化設計、結構組成、靈活配置技術：

（2） 綜合測試系統高速數據同步采集技術；

（3） 大容量的數據實時傳輸技術；

（4） 高速的數據存儲技術；

（5） 滿足使用要求的各種數據處理技術：

2? 航天器動力學環境試驗綜合測試系統的體系結構

??? 航天器動力學環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發時間，把風險降低到最低限度，因此在硬件體系的設計中必須采用國際上最先進的、成熟的工業標準，以保持功能模塊的兼容性，直接吸收現代科技的發展帶來的成果；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。

?? 航天器動力學環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決定的。具體的說，動力學綜合測試系統結構包括控制方式、總線系統配置、分布式機箱結構、多總線復合體系結構等。軟件系統是測試系統的核心，包括軟件（即驅動程序、軟面板）運行環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，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，是建立通用動力學測試系統的一個良好途徑，本文的論述主要集中在硬件層面。

3? 航天器動力學環境試驗綜合測試系統硬件系統結構選擇

??? 目前在技術上比較成熟、市場上得到廣泛應用的儀器總線平臺分為VXI總線和PXI總線[4]。

??? VXI技術作為開放式的總線技術，體現了標準化、模塊化、系列化、通用化的系統要求。開放式結構能實現系統資源、軟件資源、硬件資源共享。系統通道易于升級、擴充，適應各種場合的需要，方便地重組系統，并且能夠適應計算機技術和集成技術的發展，采用計算機技術、集成技術的最新成果，保持系統的先進性和兼容性，提高系統測試的準確度和可靠性。
PXI總線技術除了具有類似于VXI總線技術的許多特點以外，同時具有數據傳輸率更高、小型化、價格更便宜

?? （低檔系統通常比VXI系統便宜一萬美元以上，中高檔系統價格相差小一些）的優點，同時PXI總線較VXI總線更具有可以和計算機直接相連的優勢。但是PXI總線技術出現的時間比較短，在技術層面上還有待完善，同時缺乏儀器領域內部最有影響廠家的充分支持，產品的品種還不夠豐富，缺乏強有力的技術支持，因此，目前使用PXI總線技術組建滿足航天器動力學環境試驗要求的高精度大中規模的數據采集系統在技術上還存在一定的困難和風險。

???? 綜合VXI總線技術和PXI總線技術的上述特點，通過對目前國內外組建航天器動力學環境試驗測試系統所采用的總線技術進行的分析與研究，在本系統中使用VXI總線技術作為組建動力學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險，同時在應用軟件系統設計時間盡量采用軟件獨立于硬件平臺的設計原則，保持對PXI總線技術發展的跟蹤，待PXI技術發展更加成熟并且具備條件以后，動力學綜合測試系統能夠方便地進行硬件平臺移植。

4 航天器動力學環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發成本，縮短系統開發時間，確保系統的長期可用性。航天器動力學環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測試總線機箱中內置一個零槽控制器用于管理VXI測試模塊之間的協調以及同步；主控計算機通過內置于計算機中的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。在測試過程中，VXI總線機箱通過A/D轉換器完成動力學響應數據的采集，所有的采集數據通過VXI總線以及IEEE1394聯接線實時傳送到主控計算機，由主控計算機完成數據處理分析、數據存儲和實時顯示等任務。

??? 為了完成動力學綜合測試需求，系統中研制了32通道高速同步數據采集模塊AMC2322，可以實現4個模塊共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。設計的另一個模塊是4路任意波D/A模塊，它實現任意波激勵輸出，可與A/D采集同步進行，并且可以擴展，這兩種模塊滿足航天器動力學環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。

?? 系統研制過程中主要解決了以下的幾個關鍵技術問題：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條件功能，即預先指定AD采集存儲空間大小，一旦滿足條件立即產生中斷，上位機迅速完成批數據讀取。由于采用FIFO技術，上位機讀數不影響數據采集[5]。

?? 解決的另外一個問題是數據傳遞的問題，需要保證采集數據以要求的速度傳遞到計算機中。因為1394實測的數據傳輸率為7－8MB/s，速度不高，我們采用1394火線技術橋接測試系統總線和計算機，解決了數據傳遞的瓶頸，以后可以采用光纖技術橋接系統總線和計算機，從而獲得更大的系統數據傳輸能力。

?????? 圖1 動力學綜合測試系統硬件平臺示意圖

?? 解決的第三個問題是數據的存儲問題。大量的采集數據涌入到計算機中，需要快速的存儲，否則同樣會造成系統反映速度不夠，目前一般的計算機硬盤不能滿足數據存儲的要求，因此使用了SCSI技術的磁盤，將大量的采集數據快速地存儲到計算機中，并且我們優化軟件設計，對不必處理的數據進行事后分析和回放，提高了系統整體采集速度。

5 結論

??? 航天器動力學環境試驗綜合測試系統的設計在各個方面完全滿足航天器動力學環境試驗中數據采集、分析需要的技術指標，這為我們進行大中型綜合測試系統研制打下很好的基礎。
?