引言

在航天器研制和定型生產(chǎn)的過程中,，需要進(jìn)行大量的動(dòng)力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)。在對(duì)試驗(yàn)有效性評(píng)估、航天器產(chǎn)品的質(zhì)量保證中,，試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集合數(shù)據(jù)處理占很重要的地位,。目前，航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的測試系統(tǒng)領(lǐng)域中,，動(dòng)力學(xué)綜合測試系統(tǒng)的研制水平表征著一個(gè)國家在這一領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先程度,，因此，有必要研制用于航天器動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的綜合測試系統(tǒng),。

1,、 動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)的原理、構(gòu)成以及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 綜合測試系統(tǒng)的原理

在航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中,，結(jié)構(gòu)的各種動(dòng)態(tài)響應(yīng)諸如加速度,、速度、位移,、力,、聲等物理量通過相關(guān)的傳感器轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)電信號(hào)，這些弱小電信號(hào)通過調(diào)理,、整形,、放大等措施以后，輸入到測試系統(tǒng),，由具有邏輯處理功能的測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集動(dòng)態(tài)信號(hào)以后進(jìn)行處理,。動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中綜合測試系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有采集數(shù)據(jù)頻率高，數(shù)據(jù)流量大,，因此對(duì)滿足使用的系統(tǒng)要求比較苛刻,。

1.2 綜合測試系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度為 16 位。

1.3 綜合測試系統(tǒng)的構(gòu)成

按照功能劃分,，航天器動(dòng)力學(xué)綜合測試系統(tǒng)可以由數(shù)據(jù)的采集,、數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)等構(gòu)成,。按照結(jié)構(gòu)組成來劃分，航天器動(dòng)力學(xué)綜合測試系統(tǒng)可以分為以下的三大部分：

(1) 具有各種動(dòng)態(tài)信號(hào)測試與分析功能的計(jì)算機(jī)軟件：隨機(jī)信號(hào)分析,、正旋信號(hào)分 析,、沖擊信號(hào)分析等;

(2) 計(jì)算機(jī)主機(jī)平臺(tái)以及附件：包括各種高性能的具有強(qiáng)大處理功能的處理器以及內(nèi)存、高吞吐量的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器,、高分辨率的顯示器及其附件;

(3) 試驗(yàn)信號(hào)的測試與采集裝置：包括傳感器,、前置放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.4 綜合測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)的研制,，以下的幾項(xiàng)技術(shù)中需要得到滿足：

(1) 動(dòng)力學(xué)綜合測試系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),、結(jié)構(gòu)組成、靈活配置技術(shù)：

(2) 綜合測試系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)同步采集技術(shù);

(3) 大容量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù);

(4) 高速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù);

(5) 滿足使用要求的各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)：

2、 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)研制的宗旨是在較低成本上的工程化設(shè)計(jì),、縮短綜合測試系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間,，把風(fēng)險(xiǎn)降低到最低限度，因此在硬件體系的設(shè)計(jì)中必須采用國際上最先進(jìn)的,、成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),，以保持功能模塊的兼容性，直接吸收現(xiàn)代科技的發(fā)展帶來的成果;軟件設(shè)計(jì)應(yīng)大量采用應(yīng)用軟件框架,，最大限度地適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模,、參數(shù)等的變化。

航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)由硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)這兩大部分構(gòu)成,。硬件平臺(tái)的選擇,，是由所采用的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來決定的。具體的說,，動(dòng)力學(xué)綜合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括控制方式,、總線系統(tǒng)配置、分布式機(jī)箱結(jié)構(gòu),、多總線復(fù)合體系結(jié)構(gòu)等,。軟件系統(tǒng)是測試系統(tǒng)的核心，包括軟件(即驅(qū)動(dòng)程序,、軟面板)運(yùn)行環(huán)境和面向測試的應(yīng)用軟件,。

集成化測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是組建測試系統(tǒng)的核心技術(shù)，包括測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、硬件平臺(tái),、軟件系統(tǒng)框架選擇等。選擇通用硬件平臺(tái)和通用軟件框架,，是建立通用動(dòng)力學(xué)測試系統(tǒng)的一個(gè)良好途徑,，本文的論述主要集中在硬件層面。

3 ,、 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

目前在技術(shù)上比較成熟,、市場上得到廣泛應(yīng)用的儀器總線平臺(tái)分為 VXI 總線和 PXI 總線。

VXI 技術(shù)作為開放式的總線技術(shù),，體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化,、模塊化、系列化,、通用化的系統(tǒng)要求,。開放式結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源、軟件資源,、硬件資源共享,。系統(tǒng)通道易于升級(jí),、擴(kuò)充，適應(yīng)各種場合的需要,，方便地重組系統(tǒng),，并且能夠適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)技術(shù),、集成技術(shù)的最新成果,，保持系統(tǒng)的先進(jìn)性和兼容性，提高系統(tǒng)測試的準(zhǔn)確度和可靠性,。

PXI 總線技術(shù)除了具有類似于 VXI 總線技術(shù)的許多特點(diǎn)以外,，同時(shí)具有數(shù)據(jù)傳輸率更高、小型化,、價(jià)格更便宜

(低檔系統(tǒng)通常比 VXI 系統(tǒng)便宜一萬美元以上,，中高檔系統(tǒng)價(jià)格相差小一些)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí) PXI 總線較 VXI 總線更具有可以和計(jì)算機(jī)直接相連的優(yōu)勢,。但是 PXI 總線技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間比較短,，在技術(shù)層面上還有待完善，同時(shí)缺乏儀器領(lǐng)域內(nèi)部最有影響廠家的充分支持,，產(chǎn)品的品種還不夠豐富,，缺乏強(qiáng)有力的技術(shù)支持，因此,，目前使用 PXI 總線技術(shù)組建滿足航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)要求的高精度大中規(guī)模的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在技術(shù)上還存在一定的困難和風(fēng)險(xiǎn),。

綜合 VXI 總線技術(shù)和 PXI 總線技術(shù)的上述特點(diǎn)，通過對(duì)目前國內(nèi)外組建航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)測試系統(tǒng)所采用的總線技術(shù)進(jìn)行的分析與研究,，在本系統(tǒng)中使用 VXI 總線技術(shù)作為組建動(dòng)力學(xué)集成化綜合測試系統(tǒng)硬件平臺(tái)的基礎(chǔ),，以減少組建系統(tǒng)的困難與風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在應(yīng)用軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間盡量采用軟件獨(dú)立于硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則,，保持對(duì) PXI 總線技術(shù)發(fā)展的跟蹤,，待 PXI 技術(shù)發(fā)展更加成熟并且具備條件以后，動(dòng)力學(xué)綜合測試系統(tǒng)能夠方便地進(jìn)行硬件平臺(tái)移植,。

4,、 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)是測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最基本的組成部分，組建測試系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,、模塊化,、系列化設(shè)計(jì)體制，使硬件平臺(tái)建立在高度標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的結(jié)構(gòu)上才能降低開發(fā)成本,，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，確保系統(tǒng)的長期可用性,。航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用具有雙處理器的主控計(jì)算機(jī)和 VXI 機(jī)箱組成測試單元的結(jié)構(gòu),。其中 VXI 測試總線機(jī)箱中內(nèi)置一個(gè)零槽控制器用于管理 VXI 測試模塊之間的協(xié)調(diào)以及同步;主控計(jì)算機(jī)通過內(nèi)置于計(jì)算機(jī)中的 PCI-1394 轉(zhuǎn)換卡,、IEEE1394 通訊電纜、零槽控制器與 VXI 測試機(jī)箱各種模塊相連,，實(shí)現(xiàn)與 VXI 測試機(jī)箱的快速數(shù)據(jù)傳輸以及通訊管理工作,。在測試過程中，VXI 總線機(jī)箱通過 A/D 轉(zhuǎn)換器完成動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集,，所有的采集數(shù)據(jù)通過 VXI 總線以及 IEEE1394 聯(lián)接線實(shí)時(shí)傳送到主控計(jì)算機(jī),，由主控計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示等任務(wù),。

為了完成動(dòng)力學(xué)綜合測試需求,，系統(tǒng)中研制了 32 通道高速同步數(shù)據(jù)采集模塊 AMC2322，可以實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)模塊共 128 通道同步數(shù)據(jù)采集,，同步采集速度達(dá) 51.2KSa/s,，并且在同步采集速度下降不多的情況下，通道數(shù)可以擴(kuò)展到 300 多個(gè),。設(shè)計(jì)的另一個(gè)模塊是 4 路任意波 D/A 模塊,，它實(shí)現(xiàn)任意波激勵(lì)輸出，可與 A/D 采集同步進(jìn)行,，并且可以擴(kuò)展,，這兩種模塊滿足航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)的性能要求，并且還為系統(tǒng)的擴(kuò)充留有余地,。

系統(tǒng)研制過程中主要解決了以下的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題：一是如何保存連續(xù)高速采樣的數(shù)據(jù),。方法是在數(shù)據(jù)采集板卡上集成 64KWORD 空間 FIFO 存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ) 32 通道并行采集數(shù)據(jù),，模塊有設(shè)置上位機(jī)讀數(shù)觸發(fā)條件功能,，即預(yù)先指定 AD 采集存儲(chǔ)空間大小，一旦滿足條件立即產(chǎn)生中斷,，上位機(jī)迅速完成批數(shù)據(jù)讀取,。由于采用 FIFO 技術(shù)，上位機(jī)讀數(shù)不影響數(shù)據(jù)采集,。

解決的另外一個(gè)問題是數(shù)據(jù)傳遞的問題,，需要保證采集數(shù)據(jù)以要求的速度傳遞到計(jì)算機(jī)中。因?yàn)?1394 實(shí)測的數(shù)據(jù)傳輸率為 7-8MB/s,，速度不高,，我們采用 1394 火線技術(shù)橋接測試系統(tǒng)總線和計(jì)算機(jī)，解決了數(shù)據(jù)傳遞的瓶頸,，以后可以采用光纖技術(shù)橋接系統(tǒng)總線和計(jì)算機(jī),，從而獲得更大的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力。

解決的第三個(gè)問題是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題,。大量的采集數(shù)據(jù)涌入到計(jì)算機(jī)中,，需要快速的存儲(chǔ),，否則同樣會(huì)造成系統(tǒng)反映速度不夠，目前一般的計(jì)算機(jī)硬盤不能滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求,，因此使用了 SCSI 技術(shù)的磁盤,，將大量的采集數(shù)據(jù)快速地存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，并且我們優(yōu)化軟件設(shè)計(jì),，對(duì)不必處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析和回放,，提高了系統(tǒng)整體采集速度。

5,、 結(jié)論

航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在各個(gè)方面完全滿足航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集,、分析需要的技術(shù)指標(biāo)，這為我們進(jìn)行大中型綜合測試系統(tǒng)研制打下很好的基礎(chǔ),。