机载SAR天线稳定平台测试系统专用测试模块设计

摘要：简述了机载SAR天线稳定平台的结构以及国内第一个针对机载SAR稳定平台的自动化测试系统的结构，设计并实现了专用于该系统的基于PXI总线的测试模块的电路以及计算机端驱动、数据处理等软件，它模拟惯导姿态信号给平台伺服系统，采集平台跟踪误差信号并通过PXI总线传到主机中进行分析、处理和显示。

关键词：机载SAR天线稳定平台；PXI总线；惯导数据模拟；跟踪误差

引言

机载SAR(Synthesis Aperture Radar，合成孔径雷达)因其受限制条件少，容易实现，灵活性强，而且容易实验新技术，并得到及时维护的特点成为SAR的首要发展目标。机载SAR系统提供的实时成像功能，无论是在灾害预防以及军事侦察应用方面有着不可估量的作用。

为了使天线发射的微波波束方向总是垂直于飞行的地速方向，天线安装在天线平台上。天线平台是受平台控制电路控制的，平台控制从惯性导航设备取出飞机的即时偏流角、俯仰角、滚动角数据，利用这些数据控制平台，使平台在方位向保持与飞行地速方向一致，在俯仰和滚动方向保持水平。所以，天线平台是一个三轴伺服稳定平台。同时，在飞机很慢地转弯时，平台也要跟着转弯，因此，在方位向它又具有跟踪特性。平台还能控制天线波束对地面的俯角，以适应远近不同的测绘带位置需要。

在中科院创新基金的支持下，我们以电子所研制的某型机载SAR稳定平台为基本测试对象，研制了基于PXI总线虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)的自动化SAR稳定平台测试系统。本文介绍的专用测试模块是该测试系统的主要子仪器，它主要完成平台伺服系统激励信号输出、响应信号采集以及信号分析处理等功能。

测试系统方案及模块参数设计

中科院电子所研制的某型机载SAR的稳定平台是陀螺稳定的自稳式平台，主要完成控制功能的平台控制机箱与平台台体分离，通过电缆连接。该平台的伺服系统具有方位、横滚、俯仰以及天线倾角四个调整回路，采用三轴位置随动环分别独立跟踪飞机惯导提供的偏流角、横滚角和俯仰角，克服常值风的影响。同时，在方位环和横滚环中引入挠性陀螺稳定以克服脉动风引起的随机扰动。天线倾角为开环手动控制，电锁显示实际位置。

我们主要关心其在方位和横滚两个方向的稳定性能(俯仰向对成像的影响相对比较次要)。而实际工作中承载雷达的某型飞机在受到常值风干扰时的偏流角信号和横滚角信号的频率也小于0.1Hz。根据雷达系统对平台伺服系统提出的要求，我们提出以PXI虚拟仪器设备为核心，采用高位置测量精度、高轴系垂直度和回转精度的二维电控转台模拟载机的角运动，利用高精度的PSD(Position Sensitive Device，光敏位置器件)构成激光测量装置采集平台在工作状态下的动态跟踪误差数据(平台在正常工作时隔离载机角运动，其相对地面的角运动即为平台伺服误差和测试系统误差的合成)的机载SAR平台自动化测试系统，该系统结构如图1所示。

将平台安装在模拟载机方位向和横滚向角运动的电控转台上，将转台的实际姿态信号转换成惯导输出的自整角机信号输出给平台伺服系统，由激光测量装置采集其动态响应的误差，并通过实时监测平台的辅助数据检测故障。其中PXI虚拟仪器设备包括0槽控制器、自研专用PXI仪器测试模块、控制电控转台的运动控制卡、平台辅助数据采集的数据采集PXI卡以及PXI机箱等设备。

图1　自动化测试系统结构框图

本文介绍的基于PXI(PCI extension in instrument)仪器总线的专用仪器模块是该测试系统的核心模块之一。它接收电控转台的增量式编码器的脉冲信号，通过解码转换成姿态信号，并将其转换成惯导输出的自整角机信号输出给平台伺服系统，同时接收PSD(PositionSensitiveDevice)激光测量装置测得的平台姿态响应的误差；并定时将伺服系统的激励和平台误差信号送到上位机显示、处理。

该模块的数据采样率和自整角发送器输出信号误差是影响测试系统性能优劣的主要参数。由于常值风引起的载机方位向和横滚向扰动信号的频率远小于1Hz，而且挠性陀螺所能隔离的脉动风引起的扰动信号低于50Hz，考虑到自整角发送器的响应速度，我们选择PSD处理电路的数据采样率200个/s(5ms一个)作为测试系统给平台的激励和平台响应信号(实际测得误差信号)的采样率能够满足要求。平台伺服系统的自整角接收机精度为0.1°，我们选用了目前国内精度最高的十六位两块式自整角发送器用来模拟惯导输出，它具有0.02°的误差，能够满足测试要求。

自研PXI测试模块结构

PXI仪器总线在电器规范上比较PCI和CPCI主要是增加了多卡同步触发以及卡与卡间的直接数据交换功能，由于本模块独立完成测试系统的一部分功能，各路信号不需要与其他PXI模块的信号同步，不需要这些额外的功能，所以我们只使用了其中的PCI标准信号，而卡的机械结构则符合CPCI(CompactPCI)规范。

作为基于WINDOWS平台的PXI总线测试卡，该仪器模块包括下位测试插卡和上位计算机软件两部分。其中测试卡定时向上位机发送请求，软件部分接到请求后从测试卡中读出测试数据、显示并处理。

PXI插卡的结构
PXI插卡从功能上分为增量式编码器解码模块、RS-232接口模块、惯导数据模拟模块、主处理器以及CPCI接口五部分，该测试卡的结构如图2所示。为了适应数字惯导，我们将惯导数据模拟模块独立于PXI插卡；RS-232接口模块的作用是将PSD处理电路的串行输出信号转换成DSP的McBSP(Multichannel Buffered Series Port，多缓冲串口)兼容的85探测与控制学报3.3V电平；增量式编码器解码模块与422差分接收器配合用于两轴位置的解码；CPCI接口模块主要完成PCI总线信号到本地总线的转换接口。

图2　PXI插卡的结构

PSD输出平台响应误差数据的读取
该测试系统使用的PSD的处理电路通过标准异步串口每5ms发送一帧数据，我们使用的TI的TMS320VC5510作为主处理器，满足了数据存储空间的要求(内部有多达176千字RAM)，但它只有用于同步通信的McBSP，不能直接实现异步串行通信，需要在如图3所示的连接下配合DSP的DMA通道通过软件实现。

将PSD发送的一帧数据的每一个字节作为一帧数据，以起始位的下降沿作为帧同步信号，采用过采样的方法，将每一位(包括起始位)作为一个16位WORD，停止位仅采8位WORD(见图4)。将一个字节通过DMA通道缓冲到固定缓冲区，当一帧数据(10个WORD)全部采完之后，发送DMA中断通知DSP进行处理。对于串行通信普遍存在的开机错位乱码现象，通过对特殊位的判断进行丢弃处理。

图3　McBSP实现RS232通信的电路连接

图4　McBSP的过采样处理

主处理器的工作流程
DSP是该测试卡的关键部件，担负着数据处理、存储、模拟惯导数据产生以及与上位机通信等任务。它以PSD发送数据为时间基准，接收到PSD每隔5ms发来的数据并存储后，DSP首先通过EMIF(Extern Memory Interface，外部存储器接口)从增量式编码器解码模块中读取计数器的计数值，经比例运算转换成两个16位角度量后，存储并通过EMIF接口发送给外部的惯导数据模拟模块，转换成惯导输出的自整角机信号发送给稳定平台。

为了保证连续记录数据，数据存储在DSP的DARAM(Dual-AccessRAM，双口RAM)中，并采用乒乓式的存储，即有两个存储区，当其中一个存储区满之后，开始向另一个存储区写入数据并通过PCI总线向上位机发送中断请求。我们设定每存储1024组数据(每组包括电控转台方位、横滚姿态以及平台在这两个方向上的跟踪误差四个数据)，包括转台过两个方向的零位时PSD输出的X、Y两个方向上的位置(用于解算误差角度在PSD上产生的相对位移)，故每个存储区包括4098Words。DSP的主程序的主功能流程如图5所示。该测试卡还可以根据上位计算机对特定内存单元的修改对雷达稳定平台进行不依赖于电控转台的指定频率的正弦激励输出以及静态位置量输出。

图5　DSP主程序流程

同时，处理器还要对DMA中断之外的两个中断———方位向和俯仰向的增量式编码器的过零脉冲产生中断进行处理，记录零点对应的PSD的光点位置，并将其存储于PCI数据缓冲区。

DSP与CPCI总线的通信接口
本测试卡使用DSP的16位EHPI(EnhancedHost—Port Interface，增强主机接口)与CPCI接口芯片的Local总线相连，EHPI可以通过DMA控制器在不干扰DSP系统正常工作的情况下读取DSP内部DARAM，内部SARAM(Single-AccessRAM，单口RAM)以及部分CE0片选的外部存储空间，多达1M字。我们在设置时将PCI的本地中的128K字节地址映射到DSP的内部存储空间的低64K字地址中，这样保证了上位计算机可以通过它将执行代码下载到DSP的内存中。为了防止存取冲突，将供CPCI总线存取的存储空间分配在DSP内部的DARAM空间。

同时由于使用EHPI口可以随时给DSP下载执行代码，实现了实时快速更新，便于对测试卡的功能在硬件电路允许的范围内进行升级。

上位机软件结构
上位机软件通过响应测试卡的中断请求读写95刘万富等：机载SAR天线稳定平台测试系统专用测试模块设计

DSP的内存空间或是对DSP的约定内存地址写入控制命令与DSP进行通讯。它主要包括PCI设备驱动程序、WIN32子系统和用户监控程序三部分，其结构见图6。PCI设备驱动程序作为OS(即WINDOWS2000)内核的一部分和系统提供的PNP、HAL部件进行交互来完成对设备的读写操作，WIN32子系统部分是一个动态连接库，为上层软件提供一个简单高效的API函数接口。上层监控软件主要是进行DSP执行代码下载、测试卡的工作方式控制以及测试数据处理、显示、存储等。

图6　上位机软件结构

由于本专用测试卡应用于以嵌入式的WIN2000为操作系统的PXI便携式计算机上，我们使用WINDOWS2000DDK(Driver Development kit，驱动开发软件包)编写了符合WDM(Windows Driver Model)标准的驱动程序，它需要响应标准WIN2DOWS事件，如PNP(Plug and Play，即插即用)事件；根据测试数据流速较低的特点，我们采用中断方式进行数据传输，在响应测试卡的中断请求时，通过延迟过程调用(DPC，Deferred procedure call)例程读取DSP中约定的状态寄存器，然后将DSP中的已满存储区的测试数据拷贝到上层软件指定的用户内存空间；同时驱动程序还要响应WIN32子系统的IO请求，配置设备或读写数据。

动态连接库和用户监控软件用美国NI(NationalInstrument)公司的Lab Windows/CVI虚拟仪器开发工具编写。Lab Windows/CVI将功能强大、使用灵活的C语言与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来。使用它方便地实现了专用测试模块DSP的代码下载，测试方式控制，测试数据频域、时域分析和测试结果的显示。

专用测试模块的关键技术

作为基于虚拟仪器的机载SAR天线稳定平台自动化测试系统的核心，该模块以主流的仪器总线PXI总线为载体，完成对天线稳定平台伺服系统性能的自动化测试。该模块通过实时采集电控转台的位置姿态，在外部子模块中实现对惯导的自整角机信号的模拟；通过标准串行接口读取平台伺服系统的响应(误差)，实现了对平台静态跟踪误差的测试和动态响应的实时数据采集；采用虚拟仪器技术，实现了易于操控的友好的仪器界面。这些关键技术是该自动化测试系统实现设计功能的基础，同时也使该模块不仅具有独立于测试系统的通用性，而且具有通过更换惯导模拟字模块而实现对使用不同类型惯导的机载SAR稳定平台的通用性。

结束语

机载SAR稳定平台的自动化测试系统研制成功对于利用经典的稳定平台作为载机角运动补偿的加载SAR的技术改进具有重要的意义，它填补了国内空白。自研PXI仪器模块在该系统中起着分析评价平台伺服性能的重要作用。实际测试证明，该模块实现了预定的功能，能够可靠的工作。