混合總線測試技術(shù)靶場應(yīng)用研究

高政民

92941部隊，遼寧葫蘆島 125001

混合總線測試技術(shù)靶場應(yīng)用研究

高政民

92941部隊，遼寧葫蘆島 125001

通過對測控總線特性、混合總線測試系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)的分析，確定了混合總線測試技術(shù)靶場應(yīng)用中需研究解決的時鐘同步、現(xiàn)有測試設(shè)備組網(wǎng)、測試接口適應(yīng)性與通用檢測等一般關(guān)鍵性技術(shù)問題。提出了武器裝備試驗混合總線測試系統(tǒng)設(shè)計思路，介紹了混合總線測試系統(tǒng)硬件組成，軟件設(shè)計方法與結(jié)構(gòu)。

GPIB;PXI;LXI;LAN;混合總線;ATS

在武器裝備試驗中，測試設(shè)備的作用越來越顯著，這已得到軍地領(lǐng)導(dǎo)和專家的廣泛認(rèn)同。以雷達(dá)、綜合電子戰(zhàn)為代表的軍事電子技術(shù)，以預(yù)警機(jī)和衛(wèi)星通信為代表的航空、航天技術(shù)，導(dǎo)彈精確制導(dǎo)技術(shù)，兵器技術(shù)等都離不開測試技術(shù)和設(shè)備。測試技術(shù)是軍事技術(shù)的檢驗標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)工具，軍事技術(shù)為測試技術(shù)的研究和測試儀器與系統(tǒng)的研制提供了難得的發(fā)展機(jī)遇。

武器裝備靶場試驗時被試對象和參試裝、設(shè)備分布在不同載體或場地，它們之間從相距數(shù)十米到上百公里不等，裝艦時則分布在不同甲板層，飛機(jī)上安裝時則可能分布在不同艙室。為適應(yīng)武器裝備靶場試驗需要，傳統(tǒng)做法是根據(jù)武器裝備型號、被測參數(shù)種類、信息傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)和載體類型，結(jié)合可供選擇測控總線實際確定采用某種總線進(jìn)行測試設(shè)備研制。隨著新一代武器裝備被測試參數(shù)和監(jiān)測點數(shù)量的增加，采用單一總線進(jìn)行設(shè)計將使測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，軟硬件開發(fā)工作量大，且難以發(fā)揮不同總線測試平臺優(yōu)勢。

1 測控總線特性分析

總線是信號或信息傳輸?shù)墓猜窂剑菍崿F(xiàn)芯片之間、模塊之間、系統(tǒng)之間，以及系統(tǒng)與控制對象之間信息傳輸?shù)母鞣N信號線和控制線的集合。測控總線是指以組成測量和控制系統(tǒng)為主要目標(biāo)而研發(fā)的總線。在靶場測控裝設(shè)備研制、生產(chǎn)過程中引入總線技術(shù)，不僅簡化了測控裝設(shè)備結(jié)構(gòu)，而且可以使系統(tǒng)更加容易擴(kuò)充、升級和提高投資效益。

自上世紀(jì)70年代初惠普公司推出GPIB通用儀器總線以來，測控總線技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了70年代的GPIB總線、80年代的VXI總線、90年代的PXI總線和本世紀(jì)初的LXI總線［1］等形式。其中GPIB，VXI和PXI總線分別反映了當(dāng)時計算機(jī)技術(shù)的8位、16位和32位總線的相應(yīng)水平，采用上述總線技術(shù)組建的測控系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。目前，測控總線可分為以VXI，PXI為代表的模塊化儀器總線，也稱機(jī)箱底板總線或內(nèi)部總線。以GPIB，SCXI，MXI，USB，IEEE1394，LAN和LXI為代表的外部總線或稱互連總線，其中GPIB和LXI也稱分立式儀器總線。

GPIB總線是最早的儀器總線，是第一代虛擬儀器總線。GPIB總線測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和命令簡單，堅固性和可靠性好，適合于混合總線測試系統(tǒng)和有特殊要求的專用儀器系統(tǒng)。缺點是無法提供多臺儀器同步和觸發(fā)功能，在傳輸大量數(shù)據(jù)時帶寬不足，需要用GPIB卡和總線連接電纜來實現(xiàn)程控，成本較高。

VXI總線規(guī)范定義對所有廠商開放、與現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相兼容、基于VME總線的模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)。VXI總線具有模塊化功能，結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時和同步精度高等特點，適用于組建大中規(guī)模自動測試系統(tǒng)。缺點是系統(tǒng)必須采用VXI機(jī)箱、零槽控制器或IEEE1394或MXI-2才可實現(xiàn)程控，構(gòu)建系統(tǒng)成本高。

PXI總線是PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是一種專為數(shù)據(jù)采集和自動化應(yīng)用而量身訂制的模塊化儀器平臺，它將CompactPCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于測量系統(tǒng)的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而產(chǎn)生了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)［2］。PXI總線通過增加用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時鐘，用于進(jìn)行精確定時的星形觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線來滿足試驗和測試用戶的要求。缺點是需采用PXI機(jī)箱、系統(tǒng)控制器或IEEE1394或MXI-3或MXI-4才能實現(xiàn)程控。

LXI總線是2004年由安捷倫和VXI科技公司聯(lián)合推出的新一代基于LAN的模塊化自動測試平臺標(biāo)準(zhǔn)，它擴(kuò)展了儀器需要的語言、命令、協(xié)議等內(nèi)容［3］。LXI將臺式儀器的測試能力和PC標(biāo)準(zhǔn)I/O的連通能力與基于卡式框架系統(tǒng)的模塊化和小型化集于一體，機(jī)箱結(jié)構(gòu)緊湊靈活。模塊本身內(nèi)置處理器并用LAN連接，用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查錯和用IVI-COM驅(qū)動程序通信。LXI總線充分利用現(xiàn)有成熟的以太網(wǎng)技術(shù)替代傳統(tǒng)測試總線技術(shù)，具有GPIB的高性能測量、比VXI更小的物理尺寸和以太網(wǎng)的靈活性，使用戶能夠快速、經(jīng)濟(jì)、高效地創(chuàng)建和重新配置用于多種測試領(lǐng)域的測試系統(tǒng)，且可以更好地解決分布式測試需求。

2 混合總線測試系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

混合總線測試系統(tǒng)在一個系統(tǒng)中可整合多種總線ATE平臺，它們可以是VXI，PXI，GPIB和LXI等總線設(shè)備。整合不同總線測試設(shè)備的關(guān)鍵在于正確使用層次架構(gòu)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，這個架構(gòu)可使開發(fā)者最大限度地利用現(xiàn)有軟件和硬件資源，并能整合新的總線技術(shù)。典型混合總線測試系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)上層包括應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，測量與控制服務(wù)軟件。底層硬件可以是GPIB，PXI，VXI和LXI等測控總線部件［4］。

圖1 典型混合總線測試系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

混合總線測試系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境可使用Lab-VIEW，LabWindows/CVI，VB，C++等語言。測量與控制服務(wù)軟件包括虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VISA)、儀器驅(qū)動軟件和測量服務(wù)軟件。

VISA提供了一種通用應(yīng)用程序編程接口(API)，它負(fù)責(zé)和驅(qū)動軟件進(jìn)行通信，并且獨立于所使用的儀器總線。因此無論是使用PXI，VXI，GPIB還是LXI總線，VISA都提供了標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫和儀器進(jìn)行通信，從軟件上保證了總線之間的互換性。

儀器驅(qū)動軟件是對儀器硬件執(zhí)行通信與控制的軟件，是連接上層應(yīng)用程序和底層I/O接口軟件的紐帶與橋梁?？苫Q虛擬儀器(IVI)作為儀器驅(qū)動的另一種標(biāo)準(zhǔn)，定義了通用儀器的互換性。

DAQmx處理應(yīng)用軟件和DAQ硬件間的通信，并包含了使編程更為容易的測量服務(wù)。在基于DAQmx的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有多種途徑可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)置和調(diào)試，其中稱為“數(shù)據(jù)采集助手DAQ Assistant”的接口是在LabVIEW7中新增的一個重要工具，通過它可以快速進(jìn)行交互式的硬件設(shè)置和自動生成數(shù)據(jù)采集程序圖形代碼，從而為系統(tǒng)的開發(fā)節(jié)省時間。

3 關(guān)鍵性技術(shù)問題與設(shè)計思路

3.1 一般關(guān)鍵性技術(shù)問題

混合總線測試系統(tǒng)涉及傳感器、信號處理、計算機(jī)、測控總線、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，在應(yīng)用時并非是將這些技術(shù)進(jìn)行簡單組合。因此，在靶場應(yīng)用中需研究解決時鐘同步、現(xiàn)有測試設(shè)備升級和組網(wǎng)改造、測試接口的適應(yīng)性與通用檢測等一般關(guān)鍵性技術(shù)問題。

3.1.1 時鐘同步

在武器裝備靶場試驗時一般需同時投入多臺/套測試裝設(shè)備，以便能同時進(jìn)行不同項目的測試。這些測試項目的測試數(shù)據(jù)通常密切相關(guān)，為了保證測試結(jié)果的正確性，必須保證參試儀器設(shè)備同步工作。對于武器裝備試驗測試系統(tǒng)除需保證系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備間時鐘同步外，還需與靶場測控網(wǎng)同步。

在混合總線測試系統(tǒng)中涉及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。因以太網(wǎng)采用異步通信，時延較大，要求系統(tǒng)中每個測試節(jié)點必須用一個裝置/接口來與時間基準(zhǔn)進(jìn)行通信，以便能對各測試節(jié)點自身時鐘進(jìn)行校正。校正裝置的添入往往會使系統(tǒng)布局變得十分復(fù)雜，因此最好能采用公認(rèn)的時間基準(zhǔn)，以達(dá)到簡化系統(tǒng)設(shè)計目的。

GPS時間同步技術(shù)對于混合總線測試系統(tǒng)具有獨特優(yōu)勢。GPS時間同步技術(shù)打破了原有時鐘同步技術(shù)的地域局限。在完成相同功能前提下，可降低同步裝置成本，提高同步精度;省去在試驗飛機(jī)上加裝電臺，在試驗艦船上設(shè)置時統(tǒng)戰(zhàn)位帶來的諸多不便。

3.1.2 測試設(shè)備組網(wǎng)

自GPIB總線問世以來，測試設(shè)備的發(fā)展經(jīng)歷了 GPIB，VXI，PC/PCI，PXI等總線形式?，F(xiàn)在很多儀器商能提供GPIB與LAN轉(zhuǎn)換器，通過轉(zhuǎn)換器可方便地將GPIB總線測試設(shè)備集成到測試網(wǎng)絡(luò)中。對于VXI總線測試設(shè)備，如果零槽控制器不具備網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，則只需更換零槽控制器。對于PXI總線測試設(shè)備，其系統(tǒng)控制器一般都支持網(wǎng)絡(luò)傳輸，可以很容易地接入到測試網(wǎng)絡(luò)中，對于不支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南到y(tǒng)控制器，還可通過配置網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)組網(wǎng)。

3.1.3 接口適應(yīng)性與通用檢測

在靶場進(jìn)行的各種被試武器裝備中，拋開具體的被測對象型號和載體形式，僅從被測參數(shù)信號形式可分為電信號和非電量兩大類。電信號又可分為模擬信號和數(shù)字信號。非電量主要包括穩(wěn)態(tài)(溫度)和動態(tài)參數(shù)(角速度、振動、壓力、應(yīng)變等)信號。通過溫度、角速度、振動、壓力、應(yīng)變等傳感器可實現(xiàn)非電量到電信號的轉(zhuǎn)換。

為了實現(xiàn)電信號的采集和非電量的測量，必須在測試系統(tǒng)中配置相應(yīng)的測試接口。數(shù)字信號只需配置相應(yīng)的接口板/卡便可實現(xiàn)硬件連接。模擬信號除配置相應(yīng)信號采集板/卡外，有的被測系統(tǒng)/裝置還需在激勵信號的作用下才有信號輸出，在傳統(tǒng)測試設(shè)備中這類接口板是專用的。要實現(xiàn)這種類型被測系統(tǒng)/裝置的通用檢測，必須首先實現(xiàn)檢測接口標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。針對被測系統(tǒng)/裝置電氣接口信號多樣性這一實際，在混合總線測試系統(tǒng)中有的測試接口要采用智能設(shè)計。智能接口是實現(xiàn)通用自動測試的關(guān)鍵，即在識別了被測設(shè)備類型后，自動完成對被測試對象接口的適應(yīng)。

3.2 設(shè)計思路

為了適應(yīng)武器裝備靶場試驗需要，改善靶場測試設(shè)備性能，提高測試設(shè)備通用性，減小投資規(guī)模和縮短設(shè)備研制周期，基于混合總線技術(shù)的武器裝備試驗測試系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循如下思路。

1)對現(xiàn)有設(shè)備改造、組網(wǎng)

根據(jù)試驗任務(wù)需要，對現(xiàn)有總線測試設(shè)備不滿足試驗需求的部分進(jìn)行軟硬件升級和組網(wǎng)改造。采用混合總線技術(shù)因不需重新設(shè)計整個系統(tǒng)，可發(fā)揮已有測試設(shè)備軟硬件投資價值，并能在系統(tǒng)中整合新的總線儀器設(shè)備，擴(kuò)充系統(tǒng)功能。

2)采用虛擬儀器技術(shù)，提高通用性

虛擬儀器技術(shù)為提高靶場測試設(shè)備的通用性和解決可持續(xù)開發(fā)問題提供了新的思路。即在系統(tǒng)設(shè)計時可針對被測試信號形式采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，改變針對被試武器裝備型號進(jìn)行設(shè)計的傳統(tǒng)設(shè)計方法。

虛擬儀器技術(shù)是利用軟件替代部分硬件功能的技術(shù)。硬件模塊實現(xiàn)信號的調(diào)理、采集和輸出，軟件實現(xiàn)信號的處理、顯示和產(chǎn)生。利用軟件強(qiáng)大、快速和靈活的運算處理能力簡化硬件模塊的功能，提高系統(tǒng)可靠性。另外，只需更改軟件就能滿足大部分信號的測試需要，具有很強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性。

3)采用軟件組件技術(shù)、實現(xiàn)軟件復(fù)用

組件(Component)技術(shù)是繼模塊化、結(jié)構(gòu)化，面向?qū)ο蠓椒ㄖ蟀l(fā)展起來的一種軟件開發(fā)方法［5］。它的特點是將一個對象的外觀(接口)同其工作方式(實現(xiàn))分離開來，這一封裝思想應(yīng)用到二進(jìn)制層次上，使得設(shè)計者可以在COM(Component Object Model，COM)架構(gòu)下開發(fā)出各種功能專一的軟件“積木塊”。設(shè)計者可根據(jù)需要將其裝配起來構(gòu)成復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，從而最大程度地實現(xiàn)軟件的復(fù)用。

4 系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成

4.1 硬件組成

武器裝備試驗混合總線測試系統(tǒng)由測控計算機(jī)/服務(wù)器、交換機(jī)、操控終端、GPIB，VXI，PXI和PCI總線測試節(jié)點、LXI總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)處理/分析等設(shè)備組成，其組成如圖2所示。系統(tǒng)不同儀器間組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

應(yīng)用時可針對不同試驗任務(wù)需求選用一種或幾種總線測試設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)測試，當(dāng)設(shè)備之間距離較近時通過各測試節(jié)點網(wǎng)絡(luò)接口構(gòu)成測試局域網(wǎng)，當(dāng)設(shè)備之間距離較遠(yuǎn)時可借用靶場數(shù)據(jù)通信網(wǎng)組網(wǎng)。當(dāng)設(shè)備裝艦或在飛機(jī)上安裝時可借用艦載或機(jī)載無線傳輸設(shè)備與地面測試系統(tǒng)組網(wǎng)［6］。

4.2 軟件設(shè)計方法與結(jié)構(gòu)

4.2.1 軟件設(shè)計方法

對于綜合測試系統(tǒng)而言，軟件是核心。綜合測試系統(tǒng)任務(wù)多樣，不同任務(wù)需要不同硬件支撐形成專用測試系統(tǒng)。如何對復(fù)雜多樣的測試任務(wù)、測試儀器和硬件模塊，大量試驗數(shù)據(jù)的科學(xué)管理是系統(tǒng)軟件設(shè)計的重要任務(wù)。按傳統(tǒng)設(shè)計方法將單一總線功能的測試設(shè)備簡單疊加形成混合總線測試系統(tǒng)，不可能實現(xiàn)真正意義上的綜合測試，也難以實現(xiàn)對眾多測試接口、硬件模塊和試驗數(shù)據(jù)的科學(xué)管理。

在進(jìn)行綜合測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計時，可采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對復(fù)雜多樣的測試任務(wù)、系統(tǒng)儀器、系統(tǒng)儀器配置與標(biāo)定、試驗數(shù)據(jù)等進(jìn)行管理。通過對系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行階段劃分，以任務(wù)代號區(qū)分具體任務(wù)，靈活定義系統(tǒng)功能，科學(xué)管理試驗數(shù)據(jù)，體現(xiàn)虛擬儀器概念。

4.2.2 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)應(yīng)用軟件可采用LabVIEW，LabWindows/CVI，VB，C++語言中的一種或幾種進(jìn)行編程。應(yīng)用軟件包括人機(jī)對話、系統(tǒng)配置與標(biāo)定、各測試節(jié)點的測試程序(數(shù)據(jù)采集程序)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理等軟件模塊［7］。

系統(tǒng)配置與標(biāo)定模塊為測試程序任務(wù)做準(zhǔn)備。針對具體測試任務(wù)需要選擇合適的儀器設(shè)備組成具備特定功能的測試系統(tǒng)，包括通道定義和必要的標(biāo)定。各測試節(jié)點測試程序模塊用于完成具體測試任務(wù)，并將測試數(shù)據(jù)保存到試驗數(shù)據(jù)庫中。保存數(shù)據(jù)除測試結(jié)果數(shù)據(jù)外還包括系統(tǒng)配置與標(biāo)定信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息、試驗日期與航次號等信息，這些輔助信息將作為后續(xù)對測試現(xiàn)場恢復(fù)、數(shù)據(jù)處理、模擬/仿真任務(wù)的信息源和依據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊用于完成測試數(shù)據(jù)量綱轉(zhuǎn)換、插值、濾波等處理。數(shù)據(jù)庫管理模塊用于對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)管理。

5 結(jié)束語

基于混合總線技術(shù)進(jìn)行綜合測試系統(tǒng)設(shè)計時不需重新設(shè)計整個系統(tǒng)，只需對現(xiàn)有總線設(shè)備進(jìn)行軟硬件升級或者添加新部件便可達(dá)到設(shè)計目的。可提高靶場現(xiàn)有測試設(shè)備性能，發(fā)揮已有系統(tǒng)軟硬件投資價值;可在測試系統(tǒng)中整合新的總線儀器設(shè)備，擴(kuò)充系統(tǒng)功能;可實現(xiàn)單臺設(shè)備靠近被測系統(tǒng)就近安裝，減少信號傳輸電纜數(shù)量和長度;可減小單臺設(shè)備體積和重量，便于在飛機(jī)和艦船上安裝。當(dāng)測試設(shè)備接口種類或數(shù)量不能滿足新的試驗任務(wù)需求時，可采用增加測試設(shè)備接口種類和數(shù)量加以解決。

［1］劉東.軍用ATS測試總線技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.計測技術(shù)，2008，1:4-5.(LIU Dong.Current State and Future Development Trend of Test Bus Technologies of Military ATS ［J］.Metrology and Measrement Technique，2008，1:4-5.)

［2］周明光.計算機(jī)測試系統(tǒng)原理與應(yīng)用［M］.電子工業(yè)出版社，2005，4;94-96.(ZHOU Mingguang.Principle and Application of Computer Test System［M］.Publishing House of Electronics Industry，2005，4;94-96.)

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［7］李遠(yuǎn)哲.基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的綜合測試系統(tǒng)軟件的設(shè)計方法研究［J］.測控技術(shù)，2002，9:44-45.(LI Yuanzhe.Design Method Research on Database Technique of Integration Test System Software［J］.Measrement and Contorl Technique，2002，9:44-45.)

Range Application Research of Mixed-bus Test Technology

GAO Zhengmin
The 92941 Unit of PLA，Huludao，Liaoning 125001，China

The paper analyzes the mixed-bus characteristics and the structures of the software and the hardware of the mixed-bus test system，and confirms that several key technologies of the mix-bus range test system such as time synchronization，mesh of the existing test equipments，adaptability of the test interface，software design of general test system need to improve．So a design project of the integrated test system of the weapon examination is proposed．The design ideas，hardware composition of the system，the design methods and constitution of the application software is described in this paper．

GPIB;PXI;LXI;LAN;Mixed-bus;ATS

TP274

A

1006-3242(2012)01-0071-05

2011-06-08

高政民(1965-)，男，遼寧遼陽人，高級工程師，主要研究方向為海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗與發(fā)射。