基于VXI接口的通用遥测前端虚拟仪器设计

基于VXI接口的通用遥测前端虚拟仪器设计艾晓然(航天科技集团五院,北京)摘要:本文在对卫星遥测前端设备组成和需求分析的基础上，描述了使用LabWindows/CVI工具开发的基于VXI接口的通用遥测前端虚拟仪器软件部分的结构设计、模块功能及工作过程。关键词:遥测前端设备，VXI，虚拟仪器1前言在航天器综合测试的电气地面支持设备（EGSE）中，遥测前端机（TMFEE）是获得航天器工程参数的重要设备，它完成来自地面接收机的遥测副载频信号的接收和解调，捡出数据并按照规定的协议通过局域网送给EGSE的主测试处理器（MTP），同时完成数据的本地处理、显示和归档等。除了解调部分依赖VXI模件支持外，其余的功能需要靠软件实现。由于硬件设计具有通用化的功能，因此设备的软件也必须与其适应。我们采用LabWindows/CVI语言开发了遥测前端虚拟仪器系统，并在多个航天器型号测试中得到了应用。2系统配置图1是遥测前端机（TMFEE）的组成框图，这是一个单机箱的VXI系统。采用标准C尺寸13槽机箱、HPE8491A（IEEE-1394接口）零槽控制器和外接处理计算机。模拟信号源PCM解调器信号匹配器PSK解调器MTP主测试计算机0#槽控制器遥测处理计算机图1系统硬件连接框图1394总线来自外部的DPSK信号VXI总线VXI机箱局域网RS232噪声发生器加法器图中的噪声发生器和加法器是测试遥测误码率的辅助设备。TMFEE包含如下几种模件：·遥测PSK解调VXI模块：这是一个可以适应在研型号的通用PSK解调模件，它可以接收和解调DPSK副载频信号，从中提取码同步信号，完成DPCM/PCM的码型转换。输出PCM和码同步信号至PCM数据解调模件。·遥测PCM解调VXI模块：接收PCM和码同步信号，检出字同步及格式同步时间基准，完成数据解调，并将检出的数据按帧打包后通过VXI接口与遥测计算机交换数据，方便地修改“搜索容错”、“校验容错”、“锁定容错”、“校验帧数”、“保护帧数”等帧同步工作过程参数以及帧同步字的值。·模拟遥测信号源VXI模块：这同样是一个可以适应在研型号的通用模件，根据要求产生PSK视频遥测信号及全格式的遥测数据流，用于测试设备的检查和软硬件调试。·噪声发生器和加法器噪声发生器采用Agilent33120A函数发生器的噪声输出信号。加法器是自行研制的使用运算放大器的信号/噪声加法电路。2需求分析和软件构成根据任务要求，遥测前端软件需要从PCM模块的VXI接口采集遥测帧原码，按预定的格式向MTP传送，并在本地以灵活的方式为用户显示全格式、全帧、选路的参数原始值，同时还应有存档和回放的功能。另外，遥测前端软件需要通过遥测模拟源模块的VXI接口设置遥测数据流的格式、特征字和数据域的值，使之能够模拟目前各类遥测视频信号。根据以上任务要求，该软件主要包含两个组成部分，即数据接收、回放部分和信号源设置部分。为了提供友好和直观的人机界面，要求采用虚拟仪器开发工具，设计两个软仪器面板。两个组成部分之间可以通过共享区交换数据，它们各自由若干模块组成，图2是软件的基本构成。a.数据接收和回放部分：该部分应包含实时显示、归档、打印和网络发送等模块。在有噪声信号源和信号合成器硬件支持下，通过误码率测试模块可以测试预定信噪比下的误码率。此外，为了离线分析，还应有数据回放模块。同该模块相应的虚拟仪器面板应可以做到：数据源选择（VXI或RS232），按帧显示16进制值，按路显示16进制值，归档开关及状态指示，接收/回放选择和状态指示、回放速度选择，联网状态指示，发送的帧计数，回放文件名选择等。b.信号源设置部分：该部分应包含命令字组帧、命令写入、状态回读和显示模图2卫星遥测前端软件基本构成图块。同该模块相应的虚拟仪器面板应可以做到：设置副载频频率、同步字及位置、帧长度、格式长度、数据域值、单字加载等。3软件设计3.1软件组成及相互关系遥测软件可化分为下面几个模块：遥测数据采集模块、数据归档模块、遥测数据处理模块、数据显示模块、网络通信调度模块、用户接口管理和消息处理模块、信号源控制模块。各个模块的相互关系如图3所示。图3遥测前端机数据处理软件模块组成及相互关系命令接收分析子模块人机接口（b）信号源设置部分命令字设置和发送模块状态回读和显示模块VXI接口（模拟源模件或RS232接口）遥测数据采集遥测数据处理网络通信调度用户接口管理消息处理遥测数据显示误码率测试遥测数据回放数据归档初始化数据打印采集子模块数据发送模块回放模块VXI接口或RS232接口（a）数据接收和回放部分误码率测试模块实时显示模块（PCM模件）存档模块数据处理模块存档文件3.2各模块功能定义3.2.1遥测数据采集模块遥测数据采集模块包括以下功能：与PCM解调卡通信，获取遥测数据；检查帧同步字及解调状态信息；分检遥测数据，形成完整遥测格式；检查是否有归档要求，如果有归档要求创建归档文件，调用数据归档模块进行遥测数据归档。采集模块的流程和原理概述如下：a.打开仪器，模件寻址并初始化在与一个仪器模块通讯之前，必须将测试程序与仪器模块相连接，这需要调用VISA库的两个函数viOpenDefaultRM和viOpen。ViOpenDefaultRM的作用是初始化VISA库与资源管理器，建立起与资源管理器之间的通讯。每一个模件都对应一个逻辑地址，程序通过调用仪器初始化函数来打开仪器与程序之间的通道，建立联系。例如：对PCM模块的初始化为：AMC2701_status=viOpen(rmSession,rsrcName,VI_NULL,VI_NULL,instrSession)b.安装中断服务程序模件通过接口利用提供中断的方式与计算机进行数据交换，所以要安装中断服务程序。status=viInstallHandler(instrG,VI_EVENT_VXI_SIGP,GetVXITMData,0)c.对仪器进行操作当获取到中断向量后，调用viOut16(instrG,VI_A16_SPACE,0xa,0)函数对数据存储地址进行数据读取。d.关闭仪器对仪器进行完操作后，应该关闭应用程序与仪器之间的通讯路径，调用函数viClose(instrSession)来完成关闭仪器的操作。3.2.2遥测数据处理模块遥测数据处理模块完成数据的本地处理，将二进制的原始参数换算成工程值。它的主要包含几种功能是：检查帧同步字是否正确；检查帧计数是否在规定的范围；可以按路分检出32帧的遥测数据；可以把原始值按照相应的方法处理成工程值。该模块是由遥测的帧事件启动的，也就是说每采集到一帧数据就启动一次处理程序，处理的过程是：a.取某一路参数；b.根据该参数在遥测帧的位置，查找事先定义的参数处理表；c.根据处理表定义的该参数性质（状态量或模拟量）和处理方法（曲线处理法或公式法），进行计算，计算结果放到缓存区；d.当本帧数据处理完毕后，程序返回，等待下一个帧事件的启动。3.2.3数据归档模块应用程序把解调数据按帧存成二进制文件，平均每十分钟存成一个文件，以年月日时分为文件名，例如，2001年3月8日10点30分采集的数据存档成的文件名为03081030.Y01，存放到指定目录下，以方便数据回放、查询和检索。3.2.4数据回放模块当有回放要求时，弹出选择回放文件的对话框，文件选择好以后，对已选择的文件进行读操作。读取的数据就像实时测试采集的遥测数据一样，驱动处理模块和显示模块。用户可以在显示页面上选定需要查询的数据，对历史数据进行评估。此模块还有改变回放数据速度的功能。3.2.5网络通信调度模块遥测前端计算机作为服务器通过TCP/IP协议建立与主测试计算机（MTP）的网络通信链路，发送实时帧遥测数据到MTP。当MTP、TMFEE启动后，TMFEE向MTP发签到信息，MTP收到后向TMFEE发对时信息，建立与TMFEE的连接。这时TMFEE从MTP得到地面系统时间，TMFEE校时。MTP向TMFEE发命令后，TMFEE将连续不断地按帧结构向MTP发送遥测数据原码或状态信息，MTP可以要求或停止TMFEE的数据发送。3.2.6数据显示模块遥测数据显示模块包含以下几个功能：显示实时遥测帧全帧帧的数据；显示计算机系统时间；显示向总控发送帧计数；显示设置好的VXI模块地址；显示设置好的回放速度；显示所选定某一路在各个实时帧中的数据，并用箭头指向当前数据的位置；显示网络连接状态；显示数据来源。3.2.7用户接口管理和消息处理模块用户接口管理模块主要功能是根据用户使用鼠标或键盘的操作，执行相应的命令，完成用户接口的管理以及参数设置。3.2.8信号源控制模块对模拟信号源的控制可分以下部分进行：a.对信号源模件初始化软件初始化设置开始结束消息事件接收及处理b.对模件进行参数设置：设置的参数包括：“容错”、“码型”、“遥测初始值”、“帧计数位置”、“帧长”、“帧格式长”、“同步字”、“卫星字”等。c.进行误码率测试：在一定的信号噪声比的情况下测试误码率才具有意义。因此，在硬件设施上要配备噪声发生器和加法器。使用有效值电压表，调节和测量信号和噪声的RMS值，计算信噪比。先设好最大统计帧数和传输的固定码（如55H），在设定的期间采集比特流，通过比对统计出错误比特位的数量，与接收到的比特位数相比，计算出误码率。，同时显示统计帧数、错位计数和误码率。3.3程序处理和数据流程遥测前端机数据处理软件采用模块化结构，消息驱动机制，由主程序根据接收到的消息类型和当前各设备的运行状态进行不同的处理。程序处理和数据流程如图4。4结束语卫星遥测前端处理软件可用于Win95、NT、Win98、Win2000、XP等众多版本的Windows操作系统，安装操作简便。软件设计是以任务的可靠实现为核心，作到实时性强，通用性好，便于使用和维护为宗旨。以虚拟仪器软件开发平台LabWindows/CVI为开发工具，本着“软件就是仪器”的思想，大大提高了系统的方便性和灵活性。软件抗干扰性强，数据稳定可靠，报警准确及时，图形界面美观、实用、友好，生动直观地反映出系统的运行情况。通过在若干卫星工厂和靶场综合测试的实际应用，说明卫星遥测软件功能齐全，性能优良，工作可靠，使用简单，维护方便，提高了卫星的测试效率，是卫星测试必要的辅助设备。网络消息数据显示参数设置网络数据接收发送VXI总线数子模块VXI总线消息图4程序处理和数据流程图串口数据接收/发送键盘、鼠标、定时等消息