SmartATE火箭控制系统综合测试平台解决方案

一、方案概述

火箭控制系统是运载火箭的“大脑”与“神经中枢”，承担制导导航、姿态控制、时序配电、遥测遥控等核心功能，其正确性直接决定飞行任务的成败。控制系统由控制系统计算机、惯性测量组合、伺服机构、配电器、时序控制器等多台智能站点（单机）组成，各站点之间通过 CAN 总线、RS422/RS485 串行总线、开关量与模拟量（OC/DA/AD）接口、离散量（DIO）接口交联，构成典型的多总线混合拓扑。

按研制流程，控制系统在总装测试与飞行试验之前，须完成方案验证、单机测试与集成测试等多轮验证。若全部依赖“实物产品＋真实设备联试”，存在三个突出矛盾：

• 资源受限：实物单机数量有限，一轮联试需多方协调，周期长、成本高；
• 覆盖不足：真实产品难以注入故障，工作模式与边界条件难以遍历；
• 复现困难：飞行时序与总线数据转瞬即逝，问题难以复现，判读依赖人工经验。

本方案以“仿真替代实物、模型复现现场”为思路构建综合测试平台：以接口控制文件（ICD）为唯一数据源，用仿真模型等效替代缺失或不宜反复使用的实物单机，在实验室环境下完成系统级方案验证、接口符合性测试与故障复现。

二、总体架构

2.1 架构思想

平台按“被测对象—接口适配—测试主机—网络传输—监控输出”的思路组织，纵向分层、横向贯通一条数据链路：被测设备的电气与总线信号经接口层适配后进入测试主机，主机完成实时仿真、激励注入与数据采集，再通过千兆以太网把测试数据与设备状态送往监控与输出设备，形成“激励下发—响应采集—在线判读—结果归档”的测试闭环。各层通过标准接口解耦：接口层与主机之间采用统一的设备驱动与通道映射，更换被测对象只需修改 ICD 配置；主机与监控层之间采用标准以太网协议，监控端可远程部署。

2.2 总体架构与部署形态

从总体上看，平台如图 1 所示，自上而下依次为被测设备、总线接口、SmartATE 测试主机、千兆以太网、监控输出五个部分。

平台提供三种部署形态：机柜式（19 英寸机柜集成主机、接口机箱、网络与供电单元），适合实验室固定工位与批量联试；桌面式（单机箱＋便携工控机），适合单机测试与外场跟随保障；分布式（多套主机经千兆以太网组网、统一监控端集中调度），适合多站点、多舱段并行测试。接口资源采用模块化设计，单机箱通道不足时增加接口模块或级联扩展机箱，软件侧仅需更新通道映射表。

图 1  火箭控制系统综合测试平台总体架构

三、系统组成

3.1 组成总览

平台由六个分系统构成，软硬件一体交付，可按被测对象的规模裁剪配置，见表 1。

表 1  平台分系统组成

其中，仿真测试主机提供模型解算与总线调度的运行环境，测试软件分系统承载 ICD 建模、用例管理与数据判读（数据管理类功能见 4.5～4.9），监控输出分系统负责实时显示与报告输出，网络与同步分系统提供千兆数据交互与多机箱统一时标，配套分系统提供工程集成与环境保障；本章重点说明决定测试覆盖面的总线接口与信号适配部分。

3.2 总线接口与信号适配

接口分系统是仿真模型与被测设备之间的“物理边界”，把仿真数据流转换为符合电气规范的物理信号，同时把被测设备的响应还原为数据流，典型配置见表 2。

表 2  总线与信号接口典型配置

• CAN：波特率可配置，仿真与监听模式可切换；前者按 ICD 周期发送报文、等效模拟总线多节点，后者只收不发，用于分析总线负载、报文周期与异常帧；
• RS422/RS485：全/半双工可选，波特率、数据位、停止位与校验可配置，自动组帧解析，支持长度校验与超时重传；
• OC/DA/AD：OC 输出时序脉冲与配电指令，支持脉宽控制与多通道同步；DA 输出直流、阶跃、斜坡及自定义波形；AD 采集电压/电流信号，与总线数据统一时标；
• DIO：双向离散量，用于使能、复位、状态标志等开关信号，电平与驱动能力按被测对象配置。

四、主要功能

平台功能覆盖“激励—采集—判读—归档”全链路，4.1～4.9 为标准配置，4.10 为按需选配的扩展能力。

4.1 遥控、程控与遥测

三类通道分别经 RS422/RS485 串口与 OC 开关量下发、经 RS422/RS485 与 AD 回传，由接口层完成电气适配。遥控通道按指令帧格式组帧下发，支持指令码校验与重发；程控通道按预设时间序列自动执行指令，模拟飞行程序的时序动作；遥测通道按采样周期接收数据帧，完成帧同步、解帧、参数提取与工程量转换。三类通道时标统一，可验证“指令下发—设备响应—遥测回报”的端到端时延。

4.2 CAN 总线仿真

按 ICD 定义的报文与数据块结构仿真总线上的多个智能设备：可配置节点数量、报文 ID、发送周期与触发条件，模拟正常通信、负载波动与节点失联；支持监听、报文过滤、错误帧统计与时间戳记录，用于分析总线利用率与报文周期抖动。

4.3 RS422/RS485 总线仿真

仿真总线上的智能站点，按协议帧完成指令接收、应答与状态回报；支持主从轮询与主动上报，可配置轮询周期、应答延时与异常应答（超时、错帧、拒答），用于验证总线调度能力与故障降级逻辑。

4.4 用户权限管理

采用基于角色的权限模型，划分管理员、测试工程师、操作员、观察员等角色，对应配置修改、测试执行与数据查看权限；登录、配置变更、测试启停与数据导出均记入操作日志，满足过程受控与责任可追溯要求。

4.5 测试数据管理

测试数据按“型号—批次—用例”三级归档，原始数据、判读结果与报告关联存储；支持按时间、用例、关键字检索，支持标准格式导出与历史对比，存储具备完整性校验。

4.6 测试数据回放

支持整体、区间、单步与变速回放，曲线、报文列表与状态指示同步刷新；问题现场可原样复现，回放数据还可作为新用例的激励源，实现“一次采集、多次复用”。

4.7 数据图形化显示

提供曲线、仪表、状态灯、数据表、报文列表、时序图等控件，可自由拖拽布局并保存为视图方案；支持多参数同屏对比、双游标测量、区间统计与阈值着色，参数越限自动提示。

4.8 数据自动判读

判读规则以“参数＋条件＋阈值＋动作”配置，支持范围、变化率、时序先后、状态跳变与组合逻辑判据；过程实时判读、超限报警，结束后自动生成结论，逐条列出通过项与异常项，异常项可一键定位到对应时刻。

4.9 自动检测

把一组用例编排为测试序列，实现“上电自检—通道自检—用例执行—结果汇总”全流程自动化；通道自检通过回环与基准信号校验通道有效性，避免误判；用例失败可配置继续或中止，结束自动生成汇总报告并给出整机健康状态结论，可无人值守定时执行。

4.10 扩展能力

预留三类扩展能力，按需选配：故障注入（总线、接口与信号层注入错帧、丢帧、延时、短路、开路）、协议一致性检查（检查帧格式、字段取值与响应时序）、第三方仪器接入（经 LXI/SCPI 接入示波器、万用表、信号源）；多平台协同测试由 2.2 的分布式部署形态支撑。

五、实施效果

5.1 总体成效

平台已在火箭控制系统方案验证与集成测试中投入使用，实现三项转变：测试方式由“实物联试为主”转为“仿真激励为主、实物验证为辅”；测试执行由“人工操作、人工判读”转为“自动执行、自动判读”；测试数据由“分散记录”转为“统一归档、可回放复现”。单轮集成测试的准备时间与实物占用明显下降，可覆盖工况成倍增加。

5.2 关键指标对比

典型项目实施前后的对比见表 3，具体差值随被测系统规模与测试范围不同而变化。

表 3  典型项目实施前后对比

5.3 客户收益

降本——减少实物单机占用与配套协调，降低测试直接成本与协调成本；

提效——自动执行与自动判读替代重复劳动，同等人力承担更多任务；

保质——工况覆盖更充分、判读标准更统一；

可控——全流程数据留痕、可回放复现，质量归零有据可依。

平台配置规模可从单机箱扩展至多机箱组网，适应单机测试到系统级集成测试的不同阶段；接口与协议随被测对象变化只需更新 ICD 配置，方案可复用于其他型号。