引言

基于多種總線系統和開發平臺的虛擬儀器在測控和儀器科學領域逐步發揮越來越大的作用。目前國內在機載、彈載或者雷達無線電高度表應用非常廣泛，而高度表的測高精度是保證飛機、彈載或者雷達正常工作至關重要的條件。為了保證高度表正常工作，需要在高度表使用前進行模擬測試。鑒于傳統的高度表測量設備精度不高的缺點，需要設計一個精度較高的高度表測試系統。利用數字采集技術和計算機技術進行信號處理具有較高的測量精度，同時LabWindows／CVI軟件平臺結合了C語言和用于數據采集、分析和顯示的測控專業工具，簡化了用戶接口的設計，使生成的應用程序可以在多種平臺上移植。采用LabWindows／CVI虛擬儀器技術對高度表進行測試，具有較高的使用性和可維護性。

1 測試需求分析

高度表測試系統測試對象是一部由鋸齒波信號調制的調頻連續波、恒定差拍自動跟蹤式c波段的某型無線電高度表。該高度表由發射組合、接收組合、伺服輸出組合和收發鑒頻組合組成，其工作原理如圖1所示。

t1時刻高度表的發射組合通過天線向海面發射的線性調頻波的頻率為f1，在t2時刻收到回波信號。采用鋸齒波線性調頻體制，在t2時刻發射頻率已變為f2，此時取出發射能量的小部分作為本振信號與回波信號在混頻器中混頻，檢波后得到差拍信號fb，根據差拍信號得到高度信號的計算公式如下式所示。

式中：Tm為鋸齒波調制周期；△f為調頻帶寬；H為所需測量的高度；c為電磁波傳播速度。

當測試時處于動態平衡狀態，△f和c是常數，fb在瞬態平衡下也是常數，此時所測的高度與調制周期成正比關系，可以用測量調制周期的方式測量高度表工作高度，如下：

高度表測試系統的作用是檢測高度表是否工作正常。主要通過對高度表工作時產生的高度信號Pn和高度控制信號Pc進行測試，來判斷高度表是否符合測試精度要求。采用直接測量的方法，難以保證高度表測量的精度。為此，本文采用將高度脈沖信號轉化為脈沖個數的方式，來確保測量的精度。

根據式（2）的測高原理將高度轉化為測量調制周期的周期長度。為了精確地測試高度信號，調制信號采用固定周期T1的鋸齒波脈沖信號，將周期的測量轉化為在一個調制周期內對鋸齒波個數的計數N，計算公式如下：

式中：T是鋸齒波周期；K1是高度與鋸齒波的比例系數。據此波的長度則體現了測試的精度，在本測試系統中K1取0．1 m／個，即一個鋸齒波脈沖的精度為0．1 m。

2 測試系統結構分析

高度信號測試的資源主要有測試電源、高度模擬器、數據采集卡、數字化儀、工控機、顯示器和適配器等。高度表測試系統以工控機為主控設備，基于LabWindows／CVI軟件通過數據采集實現對無線電高度表高度的測試，系統總體框圖如圖2所示。

首先工控機發射控制指令給高度模擬器，高度模擬器產生相應的高度信號給無線電高度表；同時工控機發射控制信號，通過數字采集卡的數字I／O口和適配器，輸出射檢指令，使高度表處于工作狀態。然后工控機發出控制指令通過數據采集卡的數字I／O口控制數據采集卡，開始采集高度控制信號Pc，工控機進行處理、存儲并根據Pc信號的上升和下降產生控制信號，作為調制周期信號Pn的開始和結束信號。工控機對數字化儀采集過來的信號進行數據處理，在顯示器上顯示測試的鋸齒波脈沖個數。整個測試過程由電源模塊提供不同伏值的電壓，保證各個模塊的正常工作。

3 測試軟件設計

使用LabWindows／CVI軟件設計軟件測試系統包括以下幾個步驟：功能模塊劃分、測試流程、虛擬面板設計、數據處理和測量結果分析等。

3．1 功能劃分和測試漉程

設計采用模塊化的設計方法，即將測試軟件劃分為相互獨立的模塊，各模塊在編寫程序和運行程序時是相互獨立的。模塊化的程序設計有利于測試軟件開發、維護、調試和運行。該測試軟件模塊劃分如圖3所示。

初始化模塊包括用戶登錄界面和系統自檢。用戶登錄界面是為保證使用者單獨使用而設計的保密措施，包括用戶名和密碼驗證，當用戶名和密碼均正確時才能使用該測試軟件。系統自檢是對高度表測試時硬件電路的檢測，保證高度表測試系統處于正常狀態。

數據采集模塊負責將被測信號轉化為數字信號。將高度控制信號Pc轉化為數字信號，來控制高度信號Pn的采集。數據處理計算將采集到的數字信號，根據相應的比例關系轉化為所需要的數字信號。誤差處理包括系統誤差、測量誤差和粗大誤差處理。粗大誤差可通過數學方法進行處理；在高度信號的情況下通電獲得系統誤差，在測試的時候直接排除；測量誤差可以通過多次測量求均值的方式使測量誤差降低到允許的范圍內。

測試界面是軟件人性化設計的一個標志，可根據客戶的需要進行更改和維護。在虛擬面板上直接顯示所測量信號的波形，通過數字控件顯示脈沖個數和高度信息，最后在通過Excel輸出并打印結果。根據圖3所示的軟件功能，設計相應的軟件流程如圖4所示。

3．2 虛擬面板設計

根據上述軟件流程圖和軟件功能模塊的劃分并結合用戶需求，進行高度表測試控制面板的設計，控制程序流程并顯示測試和分析結果。在設計面板時應遵循以下幾點要求：

（1）使用中文圖形界面；

（2）系統測試不滿足要求時提示出錯；

（3）所有測試運行中的信息顯示在同時面板上；

（4）界面外形美觀大方，色彩和諧，畫面布局合理，界面友好。根據上述要求設計面板如圖5所示。

面板的左上方用于顯示Pn信號的波形。左下方的數字控件顯示工作的狀態、測試的項目和方式與所測數據的測量結果。可以與標準值對比，查看誤差是否在允許的范圍內。右上方是測試的控制按鈕，用于控制測試的開始、暫停、結束和打印結果。右下方是操作說明，對測試的過程進行文字提示和說明。

4 誤差處理和結果分析

首先將數字化儀采樣后的Pn信號轉化為工控機緩存內存儲的數字信號。為了保證測量結果的精確性，需要對測量的信號進行誤差處理。測試過程中產生的誤差主要包括系統誤差、隨機誤差和粗大誤差。

測量時產生的誤差主要是由于數據傳輸延時、繼電器動作延時和采集卡采集延時等產生的，這些誤差是固定的，可視為系統誤差。此外使用的電子器件在不同溫度條件下也存在一定的誤差，這些誤差是隨機變化的，一般情況下視為測量誤差。測試過程中可能出現的干擾信號使得測試結果中出現“毛刺”，被視為粗大誤差。測試的數據首先經過粗大誤差處理，在進行系統誤差處理，最后處理隨機誤差。

粗大誤差是超出規定條件下預期的壞值，可通過區間估計法進行排除。設測量的估計區間為，其中：c1為置信度，標準差的計算方法如式（4）所示：

任何一次測量誤差都是由系統誤差和隨機誤差共同組成的。在確定條件下，對被測量x的第i次測量誤差為：

式中：系統誤差ε在測量條件相同時是不變的。測量次數n→∞時，測量誤差δi的總和趨向于0。可通過多次測量求平均值的方法求得系統誤差。

粗大誤差的處理流程如圖6所示。首先計算和標準差估計值，采用標準差的c1倍作為判別標準，判斷殘差是否滿足測試要求。

不滿足時剔除殘差最大的壞值，重新判斷直到滿足要求為止。系統誤差處理流程如圖7所示。分別求n次和n-1次測量的均值，在求得兩者的差值。根據n-1次測量結果的設置判別標準，判斷差值是否滿足要求。不滿足時增加測量數據個數，重新判斷直到滿足要求為止。

該高度表測試系統相對傳統高度表測試設備的優勢在于可進行數字化處理，即對數字信號進行誤差處理。將經過流程圖6和流程圖7處理過程視為對測試的優化過程。對10 m，30 m，80 m，200 m，500 m和1 000 m的模擬高度進行測量，優化前的測量結果和優化后的測量結果如表1所示。通過對比可知，優化后的測量結果測量精度遠遠高于優化前，即經過誤差處理后的效果具有較高的精度。

5 結語

該高度表測試系統采用數據采集技術，具有較高的精度。LabWindows／CVI虛擬儀器技術使得測試面板更加人性化，適合無線電高度表領域非專業人士對裝備的測試，提高了測試系統的實用性和可維護性。采用脈沖計數的方式對高度表的工作高度進行測量，顯示出了數字測量方式相對模擬數據測量的優勢。此外，采用的數字采集卡和數字化儀還可以測試高度表的其他測試技術指標，提高該高度表測試系統的經濟性。

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