引言
在航天器研制和定型生產的過程中，需要進行大量的動力學環(huán)境模擬試驗。在對試驗有效性評估、航天器產品的質量保證中，試驗的數(shù)據采集合數(shù)據處理占很重要的地位。目前，航天器動力學環(huán)境試驗的測試系統(tǒng)領域中，動力學綜合測試系統(tǒng)的研制水平表征著一個國家在這一領域的技術領先程度，因此，有必要研制用于航天器動力學試驗的綜合測試系統(tǒng)。
1、 動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的原理、構成以及關鍵技術
1.1 綜合測試系統(tǒng)的原理
在航天器動力學環(huán)境試驗中，結構的各種動態(tài)響應諸如加速度、速度、位移、力、聲等物理量通過相關的傳感器轉換成動態(tài)電信號，這些弱小電信號通過調理、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)動態(tài)實時采集動態(tài)信號以后進行處理。動力學環(huán)境試驗中綜合測試系統(tǒng)應當具有采集數(shù)據頻率高，數(shù)據流量大，因此對滿足使用的系統(tǒng)要求比較苛刻。
1.2 綜合測試系統(tǒng)的主要性能指標
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)據轉換精度為 16 位。
1.3 綜合測試系統(tǒng)的構成
按照功能劃分，航天器動力學綜合測試系統(tǒng)可以由數(shù)據的采集、數(shù)據的傳輸和數(shù)據的處理、存儲等構成。按照結構組成來劃分，航天器動力學綜合測試系統(tǒng)可以分為以下的三大部分：
(1) 具有各種動態(tài)信號測試與分析功能的計算機軟件：隨機信號分析、正旋信號分 析、沖擊信號分析等;
(2) 計算機主機平臺以及附件：包括各種高性能的具有強大處理功能的處理器以及內存、高吞吐量的計算機存儲器、高分辨率的顯示器及其附件;
(3) 試驗信號的測試與采集裝置：包括傳感器、前置放大器和數(shù)據采集系統(tǒng)。
1.4 綜合測試系統(tǒng)設計的關鍵技術
航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的研制，以下的幾項技術中需要得到滿足：
(1) 動力學綜合測試系統(tǒng)的優(yōu)化設計、結構組成、靈活配置技術：
(2) 綜合測試系統(tǒng)高速數(shù)據同步采集技術;
(3) 大容量的數(shù)據實時傳輸技術;
(4) 高速的數(shù)據存儲技術;
(5) 滿足使用要求的各種數(shù)據處理技術：
2、 航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的體系結構
航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)研制的宗旨是在較低成本上的工程化設計、縮短綜合測試系統(tǒng)的開發(fā)時間，把風險降低到最低限度，因此在硬件體系的設計中必須采用國際上最先進的、成熟的工業(yè)標準，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;軟件設計應大量采用應用軟件框架，最大限度地適應系統(tǒng)規(guī)模、參數(shù)等的變化。
航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)由硬件平臺和軟件系統(tǒng)這兩大部分構成。硬件平臺的選擇，是由所采用的測試系統(tǒng)結構來決定的。具體的說，動力學綜合測試系統(tǒng)結構包括控制方式、總線系統(tǒng)配置、分布式機箱結構、多總線復合體系結構等。軟件系統(tǒng)是測試系統(tǒng)的核心，包括軟件(即驅動程序、軟面板)運行環(huán)境和面向測試的應用軟件。
集成化測試系統(tǒng)體系結構是組建測試系統(tǒng)的核心技術，包括測試系統(tǒng)結構、硬件平臺、軟件系統(tǒng)框架選擇等。選擇通用硬件平臺和通用軟件框架，是建立通用動力學測試系統(tǒng)的一個良好途徑，本文的論述主要集中在硬件層面。
3 、 航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結構選擇
目前在技術上比較成熟、市場上得到廣泛應用的儀器總線平臺分為 VXI 總線和 PXI 總線。
VXI 技術作為開放式的總線技術，體現(xiàn)了標準化、模塊化、系列化、通用化的系統(tǒng)要求。開放式結構能實現(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、擴充，適應各種場合的需要，方便地重組系統(tǒng)，并且能夠適應計算機技術和集成技術的發(fā)展，采用計算機技術、集成技術的最新成果，保持系統(tǒng)的先進性和兼容性，提高系統(tǒng)測試的準確度和可靠性。
PXI 總線技術除了具有類似于 VXI 總線技術的許多特點以外，同時具有數(shù)據傳輸率更高、小型化、價格更便宜
(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)價格相差小一些)的優(yōu)點，同時 PXI 總線較 VXI 總線更具有可以和計算機直接相連的優(yōu)勢。但是 PXI 總線技術出現(xiàn)的時間比較短，在技術層面上還有待完善，同時缺乏儀器領域內部最有影響廠家的充分支持，產品的品種還不夠豐富，缺乏強有力的技術支持，因此，目前使用 PXI 總線技術組建滿足航天器動力學環(huán)境試驗要求的高精度大中規(guī)模的數(shù)據采集系統(tǒng)在技術上還存在一定的困難和風險。
綜合 VXI 總線技術和 PXI 總線技術的上述特點，通過對目前國內外組建航天器動力學環(huán)境試驗測試系統(tǒng)所采用的總線技術進行的分析與研究，在本系統(tǒng)中使用 VXI 總線技術作為組建動力學集成化綜合測試系統(tǒng)硬件平臺的基礎，以減少組建系統(tǒng)的困難與風險，同時在應用軟件系統(tǒng)設計時間盡量采用軟件獨立于硬件平臺的設計原則，保持對 PXI 總線技術發(fā)展的跟蹤，待 PXI 技術發(fā)展更加成熟并且具備條件以后，動力學綜合測試系統(tǒng)能夠方便地進行硬件平臺移植。
4、 航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)硬件平臺設計
硬件平臺是測試系統(tǒng)結構最基本的組成部分，組建測試系統(tǒng)必須實現(xiàn)標準化、模塊化、系列化設計體制，使硬件平臺建立在高度標準化和模塊化的結構上才能降低開發(fā)成本，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，確保系統(tǒng)的長期可用性。航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)硬件平臺采用具有雙處理器的主控計算機和 VXI 機箱組成測試單元的結構。其中 VXI 測試總線機箱中內置一個零槽控制器用于管理 VXI 測試模塊之間的協(xié)調以及同步;主控計算機通過內置于計算機中的 PCI-1394 轉換卡、IEEE1394 通訊電纜、零槽控制器與 VXI 測試機箱各種模塊相連，實現(xiàn)與 VXI 測試機箱的快速數(shù)據傳輸以及通訊管理工作。在測試過程中，VXI 總線機箱通過 A/D 轉換器完成動力學響應數(shù)據的采集，所有的采集數(shù)據通過 VXI 總線以及 IEEE1394 聯(lián)接線實時傳送到主控計算機，由主控計算機完成數(shù)據處理分析、數(shù)據存儲和實時顯示等任務。
為了完成動力學綜合測試需求，系統(tǒng)中研制了 32 通道高速同步數(shù)據采集模塊 AMC2322，可以實現(xiàn) 4 個模塊共 128 通道同步數(shù)據采集，同步采集速度達 51.2KSa/s，并且在同步采集速度下降不多的情況下，通道數(shù)可以擴展到 300 多個。設計的另一個模塊是 4 路任意波 D/A 模塊，它實現(xiàn)任意波激勵輸出，可與 A/D 采集同步進行，并且可以擴展，這兩種模塊滿足航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的性能要求，并且還為系統(tǒng)的擴充留有余地。
系統(tǒng)研制過程中主要解決了以下的幾個關鍵技術問題：一是如何保存連續(xù)高速采樣的數(shù)據。方法是在數(shù)據采集板卡上集成 64KWORD 空間 FIFO 存儲器，用于存儲 32 通道并行采集數(shù)據，模塊有設置上位機讀數(shù)觸發(fā)條件功能，即預先指定 AD 采集存儲空間大小，一旦滿足條件立即產生中斷，上位機迅速完成批數(shù)據讀取。由于采用 FIFO 技術，上位機讀數(shù)不影響數(shù)據采集。
解決的另外一個問題是數(shù)據傳遞的問題，需要保證采集數(shù)據以要求的速度傳遞到計算機中。因為 1394 實測的數(shù)據傳輸率為 7-8MB/s，速度不高，我們采用 1394 火線技術橋接測試系統(tǒng)總線和計算機，解決了數(shù)據傳遞的瓶頸，以后可以采用光纖技術橋接系統(tǒng)總線和計算機，從而獲得更大的系統(tǒng)數(shù)據傳輸能力。
解決的第三個問題是數(shù)據的存儲問題。大量的采集數(shù)據涌入到計算機中，需要快速的存儲，否則同樣會造成系統(tǒng)反映速度不夠，目前一般的計算機硬盤不能滿足數(shù)據存儲的要求，因此使用了 SCSI 技術的磁盤，將大量的采集數(shù)據快速地存儲到計算機中，并且我們優(yōu)化軟件設計，對不必處理的數(shù)據進行事后分析和回放，提高了系統(tǒng)整體采集速度。
5、 結論
航天器動力學環(huán)境試驗綜合測試系統(tǒng)的設計在各個方面完全滿足航天器動力學環(huán)境試驗中數(shù)據采集、分析需要的技術指標，這為我們進行大中型綜合測試系統(tǒng)研制打下很好的基礎。