弹载计算机模拟量采集系统设计

作     者：马杭 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陆文总;李文祥

授予年度：2023年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 082601[工学-武器系统与运用工程] 080401[工学-精密仪器及机械] 082501[工学-飞行器设计] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0826[工学-兵器科学与技术] 082602[工学-兵器发射理论与技术] 0835[工学-软件工程] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：弹载计算机 FPGA 数据实时采集 自适应滤波 

摘      要：导弹已成为现代化国家重要的军事战略武器,弹载计算机作为导弹的控制核心,决定着导弹能否准确命中目标。因此,在导弹发射之前需要测试弹载计算机的性能、精度、稳定性。由于弹载计算机生产数量大且内部结构复杂,传统上人工测试的方法耗时、耗力并且成本高,不能满足现阶段大规模测试的要求,针对此问题本文研究一种自动测试系统完成对弹载计算机的测试。本文的具体研究内容如下:首先本文通过对弹载计算机模拟量采集系统的功能、性能指标进行分析,将待测的信号按模块分为三类:模拟量输入输出模块、开关量输入输出模块、通信测试模块。依据系统功能要求提出了系统完整的总体方案,本系统由计算机控制软件、硬件电路系统和测试电缆等组成。为了提高系统采集的精度,重点分析了运算放大器、模拟开关、ADC等器件对其精度的影响。其次完成了硬件电路关键模块和关键芯片的选型和设计,主要分为计算机核心板模块和以FPGA为控制核心的硬件外围电路的选型和设计。硬件电路包含电压跟随器电路、多路复用器电路、基准电源电路、ADC和DAC转换电路、串口电平转换电路、自检电路、被测产品保护电路、1553B接口电路以及PCIE接口电路等。实现了模拟量、数字量、串口、1553B各个模块的功能以及系统各个模块自检测试和被测品保护的要求,通过PCIE总线实现了PC端和FPGA端数据通信。对于电源噪声、数字信号和模拟信号的干扰,设计了滤波电路。然后针对硬件电路不能完全滤除系统噪声的问题,本文对小波阈值去噪和自适应滤波的方法展开研究,研究表明当信号中存在随机干扰噪声时,自适应消噪系统可以根据环境变化不断更新权值实现更好的滤波效果。在此基础上,FPGA端实现了ADC接口模块、LMS/LMF滤波模块以及数据传输接口模块的逻辑设计。PC端软件采用分层和模块化的思想,分为主进程和实时子进程,主进程进行控制和数据的显示,RTX实时子进程负责数据的实时读取。应用层软件分为自检、检测、计量和用户管理模块,实现了对各个模块驱动的读写和控制。最后进行硬件电路的调试及装机,搭建系统测试平台。对本系统的电源、模拟量输入和输出、开关量输入和输出进行测试,测试数据合格后对系统进行自检测试,自检通过后再进行弹载计算机模块的测试。本文自动测试软件界面的设计简洁明了,方便测试人员根据界面提示对产品进行一键自动测试。测试结果表明,该系统可以快速完成自检、检测功能和性能测试的要求,并且系统运行稳定、安全可靠,满足了设计初的预期目标。