惯性仪器通用测试技术应用研究
1、引言
惯性仪器是陀螺仪、加速度表等惯性仪表和陀螺稳定平台以及捷联惯性测量组合等惯性测量装置的总称，是导弹、运载火箭等航天飞行器制导与控制系统中的核心部件。其作用是为飞行器建立方位和姿态基准，同时测量飞行器相对惯性空间运动的角度、角速度、速度和加速度。惯性仪器的性能和精度直接影响飞行器飞行弹道，通过测试，可以判定惯性仪器是否符合技术条件所要求的性能和质量指标，发现其故障与误差来源及其规律，为改进总装技术和进行系统补偿提供依据。因此，对惯性仪器的性能测试无论部队还是总装厂都十分重视。在以往的测试中，由于惯性仪器的种类较多，各自的用途和工作原理也不尽相同，因此一直没有制订统一的测试规范。这里从惯性仪器在飞行器上的应用方式分类
，以捷联方式和陀螺稳定平台方式为主要研究对象，针对惯性平台、速率陀螺、横法向仪、捷联惯测组合等单元仪器的共性与特性进行研究，对这四种被测对象的测试需求和测试方法进行总结和归纳，找到一种满足大多数惯性仪器测试需求的测试方法，设计一套通用化的惯性仪器测试系统。
2、设计思想
惯性仪器本身就是高精度、高灵敏度的测量装置，选择和采用的测试方法必须和惯性仪器的工作原理紧密相联，因此，我们对常用的、典型的惯性仪器测试设备进行了深入分析、归纳，总结出典型的测试方法和手段。同时，由于惯性仪器结构复杂，品种和接口数量繁多，对测试信号的数量、复杂性以及精度要求等因素变化较大，这就要求测试系统的硬件和软结构均具有较强的适应性，达到“以不变应万变”
的设计要求。
通常情况下，测试系统应具有三大基本功能，即：信号的测量与控制、数据的分析与处理，测试结果的计算与输出。其中：信号的测量与控制是测试系统硬件要解决的主要问题，为解决接口繁多、标准不一的问题，考虑到测试的灵活性和适应性，在系统硬件设计中，我们采用了“
VXI总线标准仪器模块+通用信号转接+适配器”的分层转接模式；对系统硬件的调度指挥、数据的分析与处理以及测试结果的计算与输出则是系统软件解决的主要问题。在系统软件设计中，我们在虚拟仪器软件结构的基础上，采用通用化的框架式软件设计，构建通用的可剪裁的软件公共平台，软件开发人员可根据通用ATE/ATS系统对软件功能的要求，在软件框架的基础上进行功能增减及参数的选配，实行动态配置，达到测试软件通用化的目的。
VXI总线是一种开放式的系统结构，总线接口不仅结构紧凑、标准开放、数据吞吐能力强、模块可重复使用，而且建立在虚拟仪器软件结构（VISA）基础上的通用软件框架解决了系统中所使用的各种VXI总线仪器与测试应用软件开发的通用化问题，因此，VXI总线仪器所具有的系列化、组合化特点、为组建通用测试系统提供了良好的技术支撑。
信号调理与转接是组建通用测试系统不可缺少的环节，也是通用测试系统设计工作中相对较为复杂的部分。信号调理与转接的主要作用是连接被测对象与VXI测试仪器，测试过程中的所有被测信号和控制信号均在这里进行集中。被测信号的指标超出VXI模块输入指标的，需经过调理变换，如阻抗变换、放大、衰减，隔离等措施；被测信号的指标在VXI模块测量范围的，在这里经过转接，送入各个VXI测试采集通道的信号输入端；指令或控制信号由计算机通过这里分配、调理、转接发往被测对象。为此我们设计了插卡式的通用信号转接箱，为不同被测提供了灵活多变的信号转接模式。被测信号由调理模块的前面板输入，通过调理板的调理变换电路后，经通用信号转接箱的背板及机箱后面板转接，通过外部电缆送给VXI测控组合中的测试仪器，完成测量。测试信号也可以采用由机箱后面板输入、前面板输出的“逆向”转接调理模式，以缩短转接电缆的长度。
这里的调理板对用户而言可以选用标准配置的，也可以根据需要由用户自行设计调理电路。
适配器作为通用信号转接箱在处理大功率信号能力的补充，主要用于布放2A
以上的大功率器件的供电与控制电路，在被测对象供电功率和被测信号小于2A的测试系统中，适配器机箱可以省去，被测信号直接分配至通用信号转接箱的输入端。
3、通用测试硬件研究
3.1 测试需求分析
针对惯性仪器的测试特点，其测试内容主要包括扩功能测试、调整测试、工艺测试、精度测试四个部分。其中，调整测试和工艺测试是生产过程和总装测试的主要内容；功能测试和精度测试是仪器出厂和部队测试的主要内容，也是通用测试的研究重点，其测试项目主要包括以下内容：
1）电源电压测试、电流测试、频率测试；
2）陀螺及回路参数检查；
3）回路前放测试；
4）力矩马达电流测试；
5）陀螺惯性时间测试；
6）加速度表启动电流测试；
7）加速度表工作电流测试；
8）加速度表回路前放测试；
9）程序功能检查；
10）程序机构精度检查；
11）平台姿态角比例系数和姿态安全角的测试；
12）动态漂移精度测试；
13）调平精度测试；
14）直流电阻检查；
15）马达交流电压和电流、传感器激磁电源交流电压和电流的测试；
16）正、负指令信号输出检查；
17）零位输出电压测试；
18）灵敏度检查；
19）输出特性检查；
20）极限输出检查。
21）捷联惯性测量组合位置标定；
22）捷联惯性组合速率标定；
23）温控系统和温度状态监测。
我们对以上测试项目进行了归类和总结：对测试系统而言，惯性仪器的电特性参数主要分为三种类型：被测信号，激励信号和控制信号。被测信号中，如电压、电流、电阻、温度、转速、加速度、等物理参数在输出时，大多以模拟量或数字量的形式输出
，即：电压、电流、电阻、脉冲以及波形等信号；激励信号包括波形信号、电源和指令控制信号，在测试过程中，一般由测试系统为被测对象提供；控制信号包括数字量控制和开关量控制等，一般用于激励信号的控制和被测设备供电的控制以及测量回路的通道控制等。
3.2 测试系统组成
图1 惯性仪器通用测试系统组成原理图
基于上述分析，我们构建了如图1所示的系统。其中：
1）主控计算机和VXI测控组合主要是在测试软件的控制下，完成测试所需的指令输出和测试数据的获取。其中：
系统控制计算机是整个测量系统的操作指挥中心，它按照测试流程通过1394总线和VXI总线零槽控制器模块将测试命令下达至各VXI功能模块，由各VXI总线功能模块执行测试命令，并将测试数据通过总线传送给主控计算机。计算机通过软件对测试数据进行监测、记录和必要的数据处理，并对测试过程中出现的异常现象进行实时记录、判断和保护。
VXI测控组合组中，数字多用表模块配合64路继电器采样开关模块完成惯性仪器测试中电压、电流、电阻等模拟量测量。32路数字量输入/输出模块完成开关量、状态量读取、监测或发出控制指令。32路继电器控制开关模块完成系统加电控制或保护控制等。4通道A/D模块用于测量波形信号，任意波形发生器可以产生测试过程中所需的激励信号。脉冲数和时间的测量是惯性仪器测试中的重要参数，对测试精度和稳定度要求较高，我们采用高精度和高稳定度的多路可逆计数器完成脉冲数和时间测试。
2）通用信号转接箱与信号调理模块是连接被测与VXI测试系统的桥梁；测试信号在这里进行分类与转接调理后，输入到各VXI测量模块。根据需要，在信号调理模块中主要设计和布置以下电路：
a. 电压测量保护电路；
b. 电流测量调理电路；
c. 控制指令驱动与保护电路；
d. 加电控制、激励控制电路；
e. 程序机构驱动电路；
f. 归零锁定电路；
g. 电压-电流转换电路；
h. 温度测量转换及指示电路；
i. 平台倒台保护、加度速表飞转保护电路等；
j. 调理模块识别代码产生电路；
k.专用电源电路等。
3）专用适配器: 用于对较大功率（2A以上）信号进行调理和变换,再送入通用信号转接箱或被测对象。
4）配套专用设备：是被测对象测试时必须的配套辅助设备，为被测提供供电、位置翻转与调整等。一般由工业部门与惯性仪器配套生产和使用，这里不作深入研究。
4、通用测试软件研究
测试软件是测试系统的灵魂，通用化的测试系统需要通用软件的支持。在通用测试系统中追求软件的易用性、通用性、可维护性、可扩充性和可移植性，也是通用测试软件设计的最重要内容。这里在“虚拟仪器”的基础上，进一步提出了“虚拟系统”的概念。所谓“虚拟系统”，就是由软件平台隔离系统硬件、底层驱动软件与系统用户之间的直接联系，建立起一个“抽象层”，由通用平台提供一个通用的测试构成和定义，按照这个定义，解决不同被测信号之间、不同被测设备之间、不同被测系统之间的公用和通用问题。
北京航天测控公司的“测试程序自动生成器”软件就是在通用化的背景需求下，为组建通用测试系统而设计的软件开发工具。测试人员根据被测对象的测试需求，采用自动测试程序生成器中的流程配置工具，对测试过程中调用的VXI模块进行通道配置、功能调用、数据运算、延时设置等，无需了解编程语言，就可以完成某个测试软件的开发。
“测试程序自动生成器”将自动产生测试程序，组织测试数据、测试流程，访问测试仪器，显示仪器测量结果，调用相应的分析库，最终结果存到结果数据库，并输出HTML文档、Word文档等。
图2 自动测试生成软件流程
自动测试生成软件流程如图2所示。利用该软件开发的测试程序具有以下主要功能：
1) 具有系统自检功能和一定的故障定位及故障导向功能；
2) 测试程序可自动按照流程执行，也可由人工干预单步执行；
3) 测试数据的实时显示（图表、曲线等），和测试数据的事后处理、分析功能；
4)
具有系统保护功能，可对关键点的测量值进行判断，超出正常范围的应具有明显提示；必要时，由软件执行系统保护，如停止测试、系统断电等。
5) 具有软件仿真功能：仿真测试所需的各种激励、开关动作和仪器的采集数据。
6) 具有直观、方便的操作界面，对测试流程中的关键步骤具有明显的提示和软面板按键。
7) 具有测试数据报表生成和打印输出功能；
5、结论
本文采用VXI总线测试技术，在充分研究惯性仪器测试原理和测试方法的基础上，对测试项目和测试参数进行了提炼和总结，
组建了用于惯性仪器测试的VXI总线通用测试系统。由于通用化的设计思想和技术途径，使系统的硬件结构和软件结构均具有较强的可移植性和可扩充性，使得该系统不仅仅适用于惯性仪器的测试，只要对系统中的硬件配置稍加调整，利用测试程序自动器重新编制测试流程，就可在较短的时间内开发出用于电子仪器测试、伺服机构测试乃至飞行器综合测试的测试系统，可大大减少设计人员在分析、设计、编码等方面的重复性劳动，缩短测试系统研制周期、降低研制费用。其成果已经成功地应用于我国部分导弹的单元或综合测试中，也可广泛推广应用于航空、航天和武器系统等领域的自动化测试。
作者：余红
上海昱新仪器有限公司
2008.3.3