一种基于PXI技术的无人机综合测试系统

摘要：采用虚拟仪器技术，在PXI体系结构基础上设计了某型无人机电气性能综合测试系统，可对无人机全机或各部件的性能进行全面检测。系统具有硬件可靠性高、软件可移植性和可扩充性强等特点，并具有优良的性价比。

关键词：虚拟仪器 机载设备 参数测试 模块化结构

随着虚拟仪器在测控技术上的广泛应用，设备检测已进入到开放性和具有模块化仪器总线的新阶段。无人机电气性能综合测试系统是基于PXI体系结构而设计的检测设备，可对无人机全机功能、各分系统技术参数、工作程序、协同动作和各种激励响应等进行综合性检测。测试系统不仅能对被测对象的各种物理参数实施非电量到电量的转换、信号调理、数据采集、记录和显示，还能对采集的数据进行各种分析计算，自动生成测试结果报告。系统用灵活的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，并用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，使硬件开发的工作量大大减小。

1 系统组成

1.1 硬件结构

系统硬件结构以PXI体系结构作为测试平台，配以相应的功能模板。为统一检测设备外部接口特性，设计了各被测设备的适配器，对被测信号做一定调理。系统硬件组成如图1所示。

内嵌入控制计算机PXI-8156/333是测试系统的核心部件，它控制测控仪器按逻辑次序和实验测试规程运作，并以良好的人-机界面显示被测设备的工作状态及测试结果。

数据采集模块PXI-6031E具有64路模拟输入通道、两路16位模拟输出通道、8条数字I/O线、两个24位的可逆定时/计数器，16位垂直分辨率，100kS/s采样率。D/A输出模块PXI-67138路12位模拟输出通道和高速数据传递功能，每通道数据更新率最高为1MS/s。PXI-8420、8421是两个8路RS-232和RS-422串行通讯模块，数据传输速率为460Kb/s，分别接收或模拟发送各种串行数据。矩阵开关模块NI-2501在系统中以多路复用器的模式使用，用以提高系统应用灵活性。

1.2 软件结构

软件包括系统软件和应用软件。应用软件由系统管理软件、系统自检软件、功能模块软件、数据库软件、系统帮助软件等组成。

测试系统选用了NI公司的Measurement Studio和数据库管理系统作为系统应用软件的开发平台。Measurement Studio主要应用于虚拟仪器的开发测试和自动化应用软件，它捆绑了LabWindows/CVI和Component Works++，使两者可以方便地结合使用。它以ANSI C语言为内核，集成了许多高级的功能函数库，如串行通信库、VXI库、VISA库、DDE库等，支持动态链接库（DDL）。另外该平台在仪器控制、数据采集、数据分析处理、数据显示等方面给用户提供了强大的功能。数据库管理系统可使数据和应用提供了强大的功能。数据库管理系统可使数据和应用程序尽可能地相互独立，这样的应用程序便于修改，通用性强。

在虚拟仪器面板方面，该平台提供了大量的仪器面板控件，如数据显示框、滑杆、旋钮、表头、开关、LED、按钮等。通过编程可以对这些控件进行灵活的控制，为开发虚拟仪器软件提供了极大的方便。

2 系统设计

2.1 系统组织及工作原理

无人机电气性能综合测试系统的功能框图如图2所示。

系统对待测对象旋加输入激励信号，检测其输出特性，经数据处理后，对待测对象的工作状态进行判定。下面介绍测试系统各主要单元的功能和相互间的关系。

2.1.1 控制计算机

PXI系统的内嵌式计算机作为测试系统的控制计算机，其主要功能是对系统进行监视、控制并完成数据处理。

2.1.2 机载计算机

机载计算机在测试系统中有两种工作模式：待测模式和测试模式。

待测模式即机载计算机作为被测试对象。测试系统通过设备模拟（数字）输出单元向机载计算机施加模拟（数字）激励信号，同时测试系统通过模拟量（数字量）检测单元检测机载计算机的模拟（数字）输出信号。检测结果送往控制计算机，经数据处理后，对机载计算机的工作状态进行判定。

测试模式即机载计算机作为测试系统的数据变换单元。机载计算机接收来自电气设备的输出信号，通过数据变换，输出相应的信号。测试系统对该信号进行检测，经数据处理后，对各电敢设备的工作状态进行判定。

2.1.3 模拟量检测单元

将数据采集单元作为测试系统的模拟量检测单元，主要用来检测机载计算机的模拟输出、待测电气设备的模拟输出以及模拟量设备仿真单元的输出。测试结果通过数据总线送给控制计算机的进行处理。此外，控制计算机可通过数据总线对模拟量检测单元的初始状态进行设置，并对其采集过程进行控制。

2.1.4 模拟量设备仿真单元

PXI系统的模拟输出单元作为测试系统的模拟量设备仿真单元，主要用来仿真电气设备的模拟量输出以及作为机载计算机的模拟激励信号。

2.1.5 串行数字信号检测单元和数字设备仿真单元

PXI系统的RS-232、RS-422串行接口单元作为测试系统的串行数字信号检测单元和串行数字设备仿真单元。串行数字信号检测单元检测机载计算机及有关串行数字电气设备的输出信号。串行数字设备仿真单元主要用来仿真串行数字设备的输出，并将此输出作为机载计算机的串行数字激励信号。

2.2 自动测试与手动测试

电气性能综合测试系统可对机载计算机的其它电气设备进行自动或手动测试，现分别介绍。

2.2.1 自动测试

自动测试过程包括数据采集、数据处理、结果显示、打印报告等过程。自动测试分为三种模式：缺省模式、基本模式和高级模式。其中缺省模式和基本模式无需用户进行初始设备；高级模式允许用户进行初始设置。

选择缺省模式，用户直接启动即可进行自动测试。在缺省模式测试中，各模拟通道只在三点设输入值，即0值、中间值和满度值。各串行数字通道设置复杂序列作为串行数字激励信号。所谓复杂序列是指编码值较复杂，但各帧编码值相同。

选择基本模式，用户可利用三种方式进行自动测试。按照各模拟通道设置的测试点多少，将基本模式分为单点方式、多点方式和动态方式。在单点方式中，各模拟通道只设中间值。各串行数字通道设置简单序更作为串行数字激励信号。在多点方式中，各模型通道分别在多处设置测试点，各串行数字通道设置复杂序列作为串行数字激励信号。在动态方式中，各模拟通道以合理的步长高密度设置。各串行数字通道设置随机序列作为串行数字激励信号。

选择高级模式，允许用户进行初始设置，用户可采用更复杂的数字模型以产生更适合用户需要的激励信号。

在系统进行自动测试时，允许用户选择暂停、继续以及取消功能，以便用户在需要时人工干预测试过程。

2.2.2 手动测试

手动测试主要用于各个电气设备的单独测试。测试前均允许用户进行各项初始设置。

2.3 实时处理与事后处理

实时处理时采集的数据只在内存缓存，并且数据不断更新。事后处理是指测试过程结束后，在需要的时候回放数据，进行各种更复杂的处理，以便进行更详细的观察和分析。要进行事后处理，初始设置时需设置数据存储功能。

无论实时处理还是事后处理，可对数据进行综合显示和分页显示。分页显示是指对各电气设备的测试结果分别单独显示。

2.4 自检

2.4.1 模拟通道

自检采用两种方式。一是设置校验通道，在测试过程中始终对其进行监视，以便对系统的工作状态进行全程检查；二是在所有通道输入标准信号，在测试前对各通道进行扫描式检查，以完成开机自检。

2.4.2 串行数字通道

开机自检时各通道的发送端与接收端相连，在发送端加载确定的测试序列信号，与接收端进行比较，以确定系统的工作状态。全程检查则采用比较发送端与接收端的信号，判定系统的工作状态。

2.5 应用软件及说明

本测试系统的应用软件如图3所示。应用软件由系统管理软件、数据库软件以及功能模块软件组成。其中功能模块软件包括数据采集软件、数据处理软件、信息处理与评估软件、电气设备仿真软件以及串口通信软件。

系统管理软件协调各功能模块的时序关系，监视各功能模块和数据库的运行状态，控制各功能模块及数据库之间的调用。在页面上的提供了用户对硬件和软件系统的管理设定功能。系统管理软件采用多线程编程技术，以提高系统响应能力并进行平滑的后台设备。

数据库软件主要用来将输入输出数据与测试过程尽可能地分离。其中输入数据包括用于初始设置之类的数据；输出数据包括测试结果之类的数据。数据库软件包括测试械、采集格式、参数标定、电气设备数字模型、导出参数公式、显示设置、结果报告和信息处理与评估判据。

电气设备仿真软件根据来自数据库的电气设置数学模型模拟设备的工作特性。模拟数字加载到D/A插件，仿真如垂直陀螺等模拟输出设备的工作；加载到串行接口部件，仿真如磁航向传感器等数字输出设备的工作。

串口通信软件接收来自飞控计算机及有关电气设备的数据，向飞控计算机及有关电气设备发送来自数据库的模拟数字或根据虚拟键盘命令产生的数据。

数据采集软件向A/D插件加载来自数据库的采集格式等有关初始设备数据，完成通道选择、数据采集、数据存储等任务。

数据处理软件接收采集的原始数据及串口发送来的数据，并进行参数选择、工程单位变换等处理。

信息处理与评估软件根据数据库的处理与评估判断，分析收集到的有关数据，对被测对象的工作状态进行评估。

无人机综合测试系统的设计，充分利用了虚拟仪器的设计思想。将综合测试设备系统或部件测试中，对系统或部件的性能进行全面检测，可提高系统设计、生产和试验的质量水平，减少系统联试和外场飞行的风险，从而在提高产品可靠性和寿命、降低产品成本、缩短研制周期等方面均具有积极的作用。