PCI-9846武器數據鏈測試技術研究及實現

　　工控摘要：基于PCI-9846武器數據鏈測試系統以計算機和武器數據鏈模擬功能模塊為核心，實現了對武器數據鏈的仿真場景測試。文章介紹了測試系統的技術特點、系統解決方案和相關核心關鍵技術，系統達到了動態測試、智能測試的要求。
　　
　　1.概述
　　
　　傳統的武器數據鏈測試方法多以傳輸系統的靜態性能參數檢測為主，難以對數據鏈出現的瞬態異常情況做出正確地判定，更不可能對正常使用情況進行動態仿真測試，zui終也就不能有效地保證數據鏈*可靠應用。武器數據鏈動態仿真測試作為新一代武器系統采用SDP(StructuredDistributedProgramming)技術開發的分布式并行測試中的一個重要組成部分，在完成數據鏈自身測試的同時，也為武器系統其他單元的仿真測試提供配套的功能。ADLINK公司PCI-9846高分辨率高速數據采集卡在武器數據鏈測試系統中，以其寬動態范圍、板載512MB內存及不受PCI總線速率限制的突出特點，助力武器數據鏈測試，滿足了并行、動態及仿真測試等復雜應用需求，成為測試系統中的技術亮點，提升了測試技術水平。
　　
　　該測試系統具有體積小、定量測試精度高，自動化水平高、工作可靠等優點，達到了模塊化、通用化、系列化要求，在軍事和經濟效益方面有顯著特點。
　　
　　2.數據鏈仿真測試技術
　　
　　武器數據鏈測試系統以計算機和武器數據鏈模擬模塊為核心，其性能*、結構緊湊、操控性強，在仿真應用測試、協議測試方面具有*的一面，達到了動態測試、智能測試的要求。
　　
　　被測武器數據鏈系統的性能指標覆蓋射頻性能、時間同步、信號格式、圖像處理、電磁兼容、天線跟蹤等方面，測試系統實現了對數據鏈系統聯調、技術陣地檢測、生產調校、故障發現等功能，達到了全系統一體化動態測試的目標。
　　
　　在測試技術方面，基于電磁波傳播理論，提出微暗室、近場模擬開放空間實際環境的測試方法，采用微波網絡系統辨識技術確定近場收發天線之間的傳遞函數，實現了實時在線射頻信道定量測量，降低無源互調，解決了高功率防護和電磁兼容問題;提出了武器數據鏈測試系統的協議測試技術，進行協議統計分析、數據處理，并通過這種協議測試技術手段實現了對武器數據鏈協議一致性、互操作性、魯棒性的測試。
　　
　　3.數據鏈測試系統組成
　　
　　3.1硬件組成
　　
　　數據鏈測試系統主要由工業控制計算機和武器數據鏈模擬模塊組成。
　　
　　工業控制計算機內部擴展多個RS-422串行接口和USB2.0接口。其中對外的RS-422接口用于與武器測試系統傳輸雙向串行控制數據，接收指令信息，并通過對內的RS422接口將數據鏈傳輸的狀態信息傳送到武器測試系統，同時也能夠對武器數據鏈模擬設備進行指令控制。USB2.0接口用于轉存或接收外部規定格式的圖像與信息文件，用于圖像和信息數據還原處理。工業控制計算機還用于測試控制，接收武器測試系統的命令或由本地產生命令通過I/O數字接口控制程控衰減器，用于測試數據鏈接收機靈敏度。工控機內部插接PCI-9846高速數據采集卡，完成圖像數據的采集及圖像分析處理，并實現圖像存儲和回放。
　　
　　武器數據鏈模擬設備完成指令信息的發射、圖像及狀態信息的接收。指令由武器測試系統或本地工控機產生，產生的指令通過模塊的指令基帶處理、調制并發射。同時模塊的圖像接收機接收信號并解調和進行基帶處理，輸入至PCI-9846高速數據采集卡，由工控機對接收的圖像進行分析處理。
　　
　　3.2測試軟件架構
　　
　　測試軟件架構主要包括下列幾部分，
　　
　　1.應用程序
　　
　　提供友好的人機控制界面，實現指令發送、狀態信息數據顯示、圖像數據的存儲、回放、狀態、記錄顯示、圖像監視等功能，能夠接收武器測試系統的控制，實現遠控條件下的功能操作。
　　
　　2.數據庫
　　
　　存儲圖像數據記錄，并能夠查詢。
　　
　　3.應用程序接口服務層
　　
　　應用程序通過調用應用程序接口服務層向的API接口函數，實現從API接口函數到用戶應用程序的解釋。
　　
　　4.軟件服務層
　　
　　動態鏈接庫和系統配置文件是軟件服務層的主要內容，在軟件服務層實現對硬件板卡的管理和調度驅動程序，并完成接口服務層到硬件接口之間的轉換。使得應用程序與板卡硬件類型無關。
　　
　　5.板卡硬件驅動程序層
　　
　　板卡硬件驅動程序層實現具體的功能調用。
　　
　　3.2測試軟件設計
　　
　　采用了Delphi編程語言,中文化的圖形操作界面，實現了測試系統所要求的操作功能。建立本機Access數據庫，并通過對象模型ADO(ActiveDataObjects)進行數據庫的訪問，ADOzui主要的優點是易于使用，速度快，內存支出少和磁盤遺跡小。使用Delphi開發數據庫應用程序時，還可以將數據庫組件(ADOQuery或Query)與SQL語句結合起來，以實現數據瀏覽、刪除等功能
　　
　　1.應用程序的API接口
　　
　　根據提供的各種功能接口卡的底層驅動程序和數據讀取/寫入的例程，編寫dll文件，并進一步封裝成適合Delphi程序語言調用的API函數。實現圖像數據的存儲和輸出回放、衰減控制和圖像窗口的控制。
　　
　　2.數據庫操作
　　
　　Delphi提供了數據訪問(DataAccess)和數據控制(DataControls)的可視化控件，能夠方便快捷地產生具有良好界面且功能強大的數據庫應用程序，還應用了非可視化控件，例如TTable、TQuery、TDatabase等實現數據庫的數據管理功能。
　　
　　3.人機界面
　　
　　充分利用Delphi提供的界面功能控件、按鈕控件，菜單及數據顯示控件開發友好的人機界面，達到簡單操控，功能強大的要求，提供界面的動態提示以方便各種功能的操作，運用鮮明的狀態指示控件實現各種狀態、進程的指示。
　　
　　4.2仿真場景及計算機集成測試技術
　　
　　數據鏈測試系統是在地面環境條件下，仿真建立武器系統數據鏈實際應用場景，按照其工作流程，采用計算機技術，模擬仿真配套設備的功能，對目標模塊進行功能與性能的測試，仿真場景需要接近實際使用條件，才能保證測試結果的具有全面、安全、可靠、可信等特征。
　　
　　數據鏈測試系統采用計算機控制技術，擴展多通道同步和異步通信接口、圖像采集、程控衰減器、模擬外接設備條件和數據信息，構建仿真測試平臺，測試軟件也具有智能化、模塊化的特點，針對武器系統不同狀態下的工作流程，進行模塊化組合，充分地實現了計算機條件下武器系統的集成測試。
　　
　　數據鏈測試系統采用模塊結構組成的集中式測控方式,運用工業控制機技術,整個系統結構緊湊,運行可靠,非常適合在技術陣地條件下裝備的測試與保障。同時測試軟件采用了層次化和模塊化的結構,使得測試效率得到極大地提高,并且易于軟件的維護和擴展。
　　
　　數據鏈測試系統采用標準化設計,統一測試接口標準、統一的測試標準和測試項目，這樣做的目的不僅可以規范測試系統,增強其通用性,而且還可以增強測試系統的可擴展性,為了今后使測試系統具有兼容不同型號武器裝備的適應性,并使之形成系列化,進一步拓寬使用范圍，減少對測試系統的重復投資,使測試系統的發展與武器裝備的發展同步。
　　
　　4.3數據鏈的協議測試技術
　　
　　本測試系統應用了協議測試技術，并通過這種協議測試技術手段實現了對武器裝備數據鏈功能的測試。數據鏈測試系統對武器全系統功能測試來說是一個重要的單元。協議測試是運用數據鏈功能實現全武器功能測試的重要環節，其目的是為了保證協議實現并按照協議描述穩定可靠地運行，對于數據鏈的質量保證有著重要的意義。在協議測試技術中主要進行了一致性測試、性能測試和魯棒性測試，例如在數據鏈自檢和指令操控等功能上主要用了協議一致性測試技術，在指令操控和狀態信息等傳輸延時性能測試上主要用了協議性能測試技術，在接收機靈敏度性能測試上用了協議魯棒性測試技術。
　　
　　在對武器數據鏈的一系列操控流程測試上，利用事先編制的測試用例，在特定的測試環境下，進行軟件的黑盒測試，通過比較被測武器裝備的實際輸出與預期輸出的異同，判定被測裝備的功能或流程實現是否與協議描述相一致，從而實現協議一致性測試。
　　
　　4.4面向對象測試技術和測試驅動開發
　　
　　在數據鏈測試系統的軟件規模和軟件復雜性要求下,按照傳統的現有被測系統，然后開發測試軟件的開發方法已逐漸不能適應系統開發的需要,數據鏈測試系統采用了測試驅動開發TDD(TestDrivenDevelopment)的開發方法。數據鏈測試系統是與數據鏈設備同步啟動進行的，在實現數據鏈設備的每個功能期間，都要考慮如何對這個功能進行測試，并完成測試代碼的編寫，這樣可以不斷地通過測試效果推動被測設備代碼的開發,既復用了代碼開發工作量,又保證了軟件質量。不斷地優化相關的測試用例代碼，然后循環進行添加其他功能,直到完成全部功能的開發。代碼效率是測試驅動開發所追求的目標。這種方法在實際中能夠起到非常好的效果,使得數據鏈測試開發成為項目設計的一部分,很好地把開發和測試融合為一個整體。
　　
　　數據鏈測試系統先行開發是項目開發管理中一種細粒度的目標管理方法,通過明確的目標,推動軟件開發的進行。TDD方式的開發使得數據鏈測試系統是從下而上,依次實施一系列的解決方案,zui后演進為整體設計。
　　
　　4.5基于PCI-9846圖像ROI處理技術
　　
　　凌華科技PCI-9846是4通道16位40MS/s采樣數字化儀，專為輸入信號頻率高達20MHz的高頻和高動態范圍的信號而設計，模擬輸入范圍可以通過編程設置為±1V/±0.2V或±5V/±0.4V，配備了容量高達512MB的板載內存，擺脫了PCI總線的約束，使之能儲存更長時間的數據。PCI-9846配備了四個高線性度的16位A/D轉換器。
　　
　　PCI-9846相對于其他的采樣數字化儀，其特點可以概括為以下幾點：
　　
　　l標準高度，半長PCI規格;
　　
　　l支持5V和3.3VPCI信號;
　　
　　l支持32位/66MHzPCI接口;
　　
　　l16位高分辨率A/D轉換器;
　　
　　l每通道采樣率zui高40MS/s;
　　
　　l板載四通道共享的512M內存，用于存儲數據;
　　
　　l可編程輸入電壓范圍±0.2V/±1V或±1V/±5V;
　　
　　l模擬輸入帶寬可達20MHz;
　　
　　l支持scatter-gatherDMA傳輸。
　　
　　4.5.1基于PCI-9846的圖像存儲
　　
　　基于PCI-9846的圖像存儲系統流程可由以下幾部分構成：
　　
　　l圖像模擬信號經由PCI-9846轉化成數字信號并進入接收設備(如計算機);
　　
　　l數字信號在接收設備中進行ROI區域的劃分，切割;
　　
　　l將ROI信號進行消除噪聲，增加分辨率，除鋸齒操作等，增加清晰度;
　　
　　l將非ROI信號進行壓縮，減少存儲容量;
　　
　　l將信號進行整合，并進行壓縮處理;
　　
　　l建立數據庫并存儲zui后的數據。
　　
　　4.5.2感興趣區域圖像編碼技術
　　
　　感興趣區(Regionofinterest,ROI)圖像編碼技術是近年來數字圖像壓縮編碼領域的一個研究重點.其在圖像高壓縮比下,能夠更好地保證重建圖像ROI質量,是有效解決圖像質量和壓縮比之間矛盾的一種重要手段。ROI編碼算法的基本原理是:對輸入的圖像進行小波變換,根據圖像感興趣區產生ROI掩膜,移動ROI掩膜內的小波系數使其位于較高的位平面,在隨后進行的嵌入式編碼中實現優先編碼、優先傳輸,使得解碼重建后的ROI比背景區擁有更好的質量.但此類算法需要增加一定的位平面數量,解碼時也必須對移動了的位平面進行逆平移,增加了一定的復雜度.另一類ROI編碼方法是基于優化截斷嵌入式編碼(Embeddedblockcodingwithoptimizedtruncation,EBCOT)算法中碼塊失真計算的.其中具有代表性的是由Taubman提出的隱式ROI算法,其通過增加ROI碼塊失真度量的權重,使得編碼碼流中包含更多的ROI信息,從而提高重建圖像ROI質量.其優點在于不改變位平面的數量,不需要附加ROI形狀信息,解碼也不必進行額外操作,復雜度低.但是,由于編碼是以碼塊為單位,某些ROI碼塊中可能包含大量背景區域的小波系數,而只有少數ROI信息,因此該算法在一定程度上影響了編碼效率,在低碼率(不大于0.5bit/pixel)下,重建圖像ROI質量相對于背景區域提高不明顯.相應出現了一種處理方法，通過降低ROI碼塊中背景區域的小波系數權重,以減小這些系數對編碼的影響,使重建圖像ROI質量明顯提高.但是,其采用的方式是一種有損操作,在較高碼率下影響了重建圖像的背景區域質量，用ROI碼塊中感興趣區小波系數的個數在碼塊中所占的比例調節權重,取得了很好的效果。
　　
　　5.結束語
　　
　　目前,外軍數據鏈自動測試系統(ATS)正朝著通用化、標準化、網絡化和智能化的方向邁進。本數據鏈測試系統也在朝著構建通用化自動測試系統方面上邁進,通過共享測試軟硬件資源，采用開放的技術標準和測試標準,以期減少測試系統軟、硬件的開發和升級費用，規范軟硬件開發過程,提高測試設備中各功能模塊的互換性和通用性,實現測試用例程序集TPS的可移植性和可重用性，zui終達到整個測試系統的可重構性，一個高性能測試系統,能夠通過優化豐富測試用例,實現測試系統的不斷升級;還可在構建網絡化測試系統上,應用的IP承載網，實現測試過程的遠程控制與遠程故障診斷。