潘邵武，李曉瓊

（北京理工大學(xué)生命學(xué)院，北京 100081）

引 言

空間站綜合儀器系統(tǒng)，是空間微重力環(huán)境下提供生物化學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)等科學(xué)實驗條件的重要功能和作業(yè)平臺[1]。其以計算機(jī)技術(shù)為核心，借助總線技術(shù)互聯(lián)各儀器或功能模塊，實現(xiàn)對被測對象（Unit Under Test，UUT）的測試測量、故障診斷和健康管理[2]。受限于空間極端環(huán)境，相對于常規(guī)自動測試系統(tǒng)（Automatic Test System, ATS），其在可靠性、互換性、可維護(hù)性、智能性、靈敏度、功耗與結(jié)構(gòu)等方面的要求更為嚴(yán)苛。本文根據(jù)空間站綜合實驗儀器的應(yīng)用需求，針對單一集中式系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)局限性，以實現(xiàn)系統(tǒng)通用化和開放性為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種以ATML（Automatic Test Markup Language）為信息交互標(biāo)準(zhǔn)、以VPX（VITA 46）為通信控制主干的集中式/分布式系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)滿足系統(tǒng)的通用化、靈活性和高可靠性需求，具備較強(qiáng)的可行性和合理性。

1 空間站綜合儀器系統(tǒng)應(yīng)用需求

1.1 空間站綜合儀器系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

空間站綜合儀器系統(tǒng)運(yùn)行于在軌的航天器內(nèi)，受空間站微重力、強(qiáng)輻射和空間狹小密閉等特性的影響，其對儀器和系統(tǒng)設(shè)計的要求更為嚴(yán)苛：（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)與體積：可有效抵御載具運(yùn)動過程中的沖擊震動，并盡可能壓縮運(yùn)載重量和空間占用；（2）微重力環(huán)境：失重環(huán)境下能夠順利進(jìn)行設(shè)備安裝、實驗操作和物質(zhì)輸送；（3）電磁兼容：緊湊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的復(fù)雜或高能電子設(shè)備間電磁兼容；（4）安全性與可靠性：實驗或測試全程受控，無任何失效或污染；（5）熱耗與功耗：低熱耗和低功耗設(shè)計，以減少供電和環(huán)控系統(tǒng)壓力；（6）高靈敏度：支持微量實驗，以減小樣品和廢棄物的上行和下行；（7）全自動化：借助天-地測控網(wǎng)絡(luò)和儀器的智能性、自組織性，可實現(xiàn)實驗操作的高度自動化；（8）可維護(hù)性與互換性：儀器或功能模塊高度可互換，方便冗余設(shè)計和在軌維護(hù)；（9）靈活性與可組織性：系統(tǒng)架構(gòu)具備較強(qiáng)可配置性和可組織性，可靈活實現(xiàn)功能或結(jié)構(gòu)重構(gòu)；（10）通用化與開放性：采用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和開放系統(tǒng)架構(gòu)，以實現(xiàn)系統(tǒng)高度標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，滿足空間站建設(shè)和應(yīng)用的國際化需求。

以緊湊輕質(zhì)、低功耗、全自動、高智能化、可靈活配置、高性能、高可靠性、高功能密度、高開放性、絕對安全為設(shè)計目標(biāo)的空間站綜合儀器系統(tǒng)，主要以高效可靠總線技術(shù)為通信控制通道，構(gòu)建復(fù)合功能儀器和系統(tǒng)；以開放架構(gòu)和通用化技術(shù)為組織框架，實現(xiàn)系統(tǒng)功能重構(gòu)和靈活配置。

圖1VPX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在總線方面，采用VPX為系統(tǒng)主干，構(gòu)建儀器或功能模塊間高速、靈活、可靠的通信控制接口。作為VME總線的繼承和升級，VPX在延續(xù)前者緊湊機(jī)械結(jié)構(gòu)、可靠抗震散熱性能基礎(chǔ)上，采用高速串行總線和增強(qiáng)供電設(shè)計，以滿足海量數(shù)據(jù)高密度傳輸和運(yùn)算需求。其以松散規(guī)范集的形式有機(jī)整合RapidIO、PCIe、高速以太網(wǎng)、PMC/XMC等高速接口技術(shù)，在提供靈活技術(shù)方案的同時，采用OpenVPX進(jìn)一步推進(jìn)儀器的互換性和COTS（Commercial Off-the-Shelf）供貨[3]。此外，VPX提供了更為靈活開放的系統(tǒng)組織方式，如圖1所示，借助系統(tǒng)模塊或交換模塊，儀器或功能模塊可實現(xiàn)集中式或分布式的深度數(shù)據(jù)交換，極大地提高了系統(tǒng)的可配置性和可組織性。在系統(tǒng)架構(gòu)方面，需以ATML和儀器智能性為基礎(chǔ)構(gòu)建開放系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)儀器互換性和系統(tǒng)通用化[4]。

1.2 ATS通用化基本原理

ATS的通用化，是測試計量技術(shù)的重要發(fā)展方向，直接決定了儀器系統(tǒng)的維護(hù)成本、技術(shù)壽命、測試性能、可配置性和對UUT的適應(yīng)性。構(gòu)建通用ATS的核心，是實現(xiàn)TPS（Test Program Set）可移植性和儀器互換性。其基本解決思想，是規(guī)范化定義或封裝儀器功能、程序接口、信息標(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)驅(qū)動程序和硬件資源的標(biāo)準(zhǔn)化對接[5]?；谠撍枷耄瑯I(yè)界從不同應(yīng)用角度，提供了多種技術(shù)規(guī)范和解決方案：（1）儀器可互換技術(shù)，包括SCPI、VPP、IVI等，主要實現(xiàn)儀器控制接口的標(biāo)準(zhǔn)化；（2）軟件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，包括ABBET、IEEE 1636等，主要實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的組件接口、服務(wù)機(jī)制、組織框架標(biāo)準(zhǔn)化[6]；（3）面向信號的測試語言，包括ATLAS、ATML等，主要以面向信號的語義實現(xiàn)儀器的功能和接口的標(biāo)準(zhǔn)化；（4）合成儀器技術(shù)，主要采用標(biāo)準(zhǔn)信號功能模塊構(gòu)建儀器，借助軟件算法和虛擬儀器技術(shù)，實現(xiàn)儀器功能重構(gòu)。然而，由于其各自針對ATS通用化的某一層面或環(huán)節(jié)，且分別存在應(yīng)用局限或技術(shù)缺陷，均無法獨(dú)立解決ATS的通用化問題。構(gòu)建通用ATS的有效途徑，是依托商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建開放系統(tǒng)架構(gòu)，通過標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)的組成框架、功能機(jī)制、組件接口、信息格式等行為或元素，實現(xiàn)各部件的互換性、互操作性和COTS化[7]。

20世紀(jì)90年代，DoD（US Department of Defense）聯(lián)合各軍/兵種和SCC20、Boeing、Rohde&Schwarz等工業(yè)組織，開展NxTest通用ATS研究工作，并制定DoD ATS開放系統(tǒng)框架[8]。DoD ATS框架以ATML為基礎(chǔ)，采用面向信號的信息標(biāo)準(zhǔn)化和開放系統(tǒng)架構(gòu)思想，最大程度地實現(xiàn)了儀器互換性和系統(tǒng)通用化，其已被確立為美軍ATS的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，并初步形成了面向各軍/兵種的DoD ATS家族系列[9,10]。

圖2SCC20 ATML Demo Phase 1系統(tǒng)架構(gòu)

然而，如圖2所示，以與DoD ATS框架同源的SCC20 ATML Demo Phase 1系統(tǒng)為例，由于其采用單一集中式運(yùn)行機(jī)制和部分傳統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，在空間站綜合儀器系統(tǒng)應(yīng)用方面具有較突出的局限性：（1）系統(tǒng)性能受限：在集中式系統(tǒng)架構(gòu)和順序執(zhí)行方式下，測試計算機(jī)成為系統(tǒng)中心和性能瓶頸，而大部分儀器處于閑置等待狀態(tài)，增加了測試時間和人員負(fù)荷，限制了系統(tǒng)的自動化程度和分布式應(yīng)用；（2）儀器智能性和信息互通性受阻：由于儀器僅為測試執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其任務(wù)管理、信息處理、組件通信等必須借助測試計算機(jī)完成，浪費(fèi)了部分儀器計算存儲資源，加大了系統(tǒng)主干通信壓力，限制了儀器間信息互通性；（3）儀器互換性問題未有效解決：該框架仍采用VISA或IVI驅(qū)動程序，ATML僅作為調(diào)用儀器驅(qū)動的信息接口，VISA或IVI對專用儀器、復(fù)合功能儀器、合成儀器支持較差，儀器互換性問題未得到本質(zhì)改善，而系統(tǒng)軟件規(guī)模進(jìn)一步膨脹。

2 空間站綜合儀器系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 基于ATML的系統(tǒng)架構(gòu)可行性

DoD ATS框架應(yīng)用局限性的直接誘因，是采用單一的集中式系統(tǒng)架構(gòu)，并試圖借助IVI等技術(shù)解決儀器互換性問題。VPX和ATML標(biāo)準(zhǔn)集的出現(xiàn)，為空間站綜合儀器系統(tǒng)提供了一種可行的集中式/分布式解決方案：以VPX為系統(tǒng)主干，通過RapidIO、PCIe、高速以太網(wǎng)等互聯(lián)具有獨(dú)立控制、通信和信息處理能力的智能儀器，并以符合ATML標(biāo)準(zhǔn)集的測試信息組織其管理任務(wù)、交互信息、協(xié)作測試。一方面，由于采用ATML作為系統(tǒng)各環(huán)節(jié)測試信息標(biāo)準(zhǔn)，通過充分利用其面向信號的特性，可有效增強(qiáng)儀器互換性和系統(tǒng)通用化。另一方面，以VPX為信息和資源交換平臺，借助儀器的計算、存儲、中斷等資源，可靈活組織或配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有效提高系統(tǒng)可組織性和緩解系統(tǒng)性能壓力。

（1）通用化：基于面向信號和信息標(biāo)準(zhǔn)化思想的ATML能夠最大程度解決TPS可移植性問題，將其作為VPX儀器消息通信格式，借助嵌入式系統(tǒng)解析執(zhí)行ATML信息，可有效實現(xiàn)系統(tǒng)組件的互換性和通用化。

（2）系統(tǒng)的可擴(kuò)展性：XML是W3C應(yīng)用的開放信息交互標(biāo)準(zhǔn)，ATML繼承了其優(yōu)良特性，可采用多種機(jī)制拓展信息內(nèi)容。VPX提供并兼容多種高速串行互聯(lián)方案，且可采用PMC/XMC進(jìn)行板級功能重構(gòu)。

（3）數(shù)據(jù)帶寬：天-地通信鏈路帶寬對測試實驗數(shù)據(jù)的上傳/下載限制較大，但通過利用儀器計算和存儲資源對本地原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或存儲，數(shù)據(jù)帶寬需求壓力可顯著下降。

2.2 基于ATML的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

綜合考慮空間站綜合儀器系統(tǒng)的應(yīng)用需求，本文設(shè)計了一種基于ATML和VPX的集中式/分布式通用系統(tǒng)架構(gòu)。如圖3所示，其可劃分為系統(tǒng)層、連通層和儀器層：系統(tǒng)層以測試/嵌入式計算機(jī)或地面工作站為載體，包含了管理、開發(fā)、監(jiān)測測試實驗任務(wù)所需的軟件工具和用戶接口；連通層采用VPX總線集成各儀器設(shè)備和提供信息交互媒介；儀器層采用VPX設(shè)備和經(jīng)總線橋連接的其它儀器或功能模塊，提供測試實驗功能。系統(tǒng)層與儀器層內(nèi)部，以及系統(tǒng)層、儀器層之間的測試信息交互格式，均遵循ATML標(biāo)準(zhǔn)集。根據(jù)測試實驗需求和儀器功能特點(diǎn)，可將其組織為集中式系統(tǒng)，以測試/嵌入式計算機(jī)或地面工作站為核心，控制儀器設(shè)備進(jìn)行半自動的測試實驗；也可將其配置為分布式系統(tǒng)，利用儀器設(shè)備的智能性和自組織，進(jìn)行全自動測試實驗。

圖3基于ATML的通用系統(tǒng)架構(gòu)

（1）系統(tǒng)開放性：該架構(gòu)以VPX為系統(tǒng)主干，借助測試/嵌入式計算機(jī)、VPX交換模塊、VPX/PMC或VPX/XMC載板，有效融合RapidIO、PCIe、高速以太網(wǎng)、Infiniband、PMC/XMC等接口設(shè)備，并可通過VPX總線橋兼容其它總線設(shè)備和構(gòu)建混合測試系統(tǒng)，具備較高的開放性[11]。

（2）儀器智能性與信息互通性應(yīng)用：該架構(gòu)選用配備可拓展軟件系統(tǒng)的儀器或功能模塊，利用VPX高效的信息交換性能和設(shè)備的計算、存儲、通信等功能，實現(xiàn)測試信息的深入處理與交換。

a）ATML信息解析應(yīng)用：利用設(shè)備的軟件系統(tǒng)和智能性，在儀器端以ATML文件生成、解析、執(zhí)行的方式管理和操作測試任務(wù)。由于儀器驅(qū)動程序封裝在儀器或功能模塊內(nèi)部，各系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)或組件之間僅以ATML為消息通信格式松散耦合，可實現(xiàn)儀器和軟件組件的高度通用與互換。同時，可借助VPX的信息與資源交換機(jī)制，實現(xiàn)儀器間的直接通信和系統(tǒng)內(nèi)的信息廣播，推進(jìn)儀器和系統(tǒng)的信息互通性。

b）處理器和存儲資源應(yīng)用：測試/嵌入式計算機(jī)、儀器或功能模塊可對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理或暫存，從而動態(tài)利用閑置帶寬，緩解天-地通信鏈路帶寬壓力。

c）測試資源管理應(yīng)用：作為分布式控制主體，儀器層各節(jié)點(diǎn)可對多個子任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級管理和資源調(diào)度，從而實現(xiàn)面向儀器的并行測試，提高儀器利用率。

（3）中斷/觸發(fā)機(jī)制應(yīng)用：針對分布式應(yīng)用中設(shè)備間的協(xié)作與同步問題，可采用中斷/觸發(fā)機(jī)制保障系統(tǒng)的實時性。如圖4所示，各設(shè)備以原子操作為單位逐步執(zhí)行測試子任務(wù)，原子操作的執(zhí)行分為任務(wù)裝載和任務(wù)執(zhí)行兩個階段。在任務(wù)裝載階段，設(shè)備對測試功能模塊和中斷/觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)編程。在任務(wù)執(zhí)行階段，輸入的中斷/觸發(fā)信號將激活對應(yīng)的預(yù)編程操作。以中斷/觸發(fā)機(jī)制驅(qū)動測試任務(wù)執(zhí)行，在保障系統(tǒng)實時性能和縮短查詢等待時間的同時，構(gòu)建了類似超標(biāo)量發(fā)射的機(jī)制，進(jìn)一步提高了儀器利用率。此外，還可通過設(shè)計VPX背板信號連接、利用網(wǎng)絡(luò)消息機(jī)制或時鐘同步協(xié)議等，實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)廣播（如①、②和⑩）、并行測試（如⑧和⑨）等多樣化的附加功能[12,13]。

圖4中斷/觸發(fā)機(jī)制應(yīng)用原理

（4）ATML標(biāo)準(zhǔn)集應(yīng)用與管理：如圖5所示，選用ATML測試描述（Test Description）、儀器描述（Instrument Description）、測試站描述（Test Station Description）、測試適配器描述（Test Adapter De-scription）、測試配置（Test Configuration）、測試結(jié)果（Test Result）等作為系統(tǒng)各環(huán)節(jié)和組件的測試信息交互、發(fā)布和調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)?；谛畔?biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)不同廠商COTS工具軟件的高聚合、低耦合集成。

3 空間站綜合儀器系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)第3節(jié)中闡述的系統(tǒng)架構(gòu)和層次功能，本文采用分層和模塊化的軟件設(shè)計思想，分別設(shè)計了系統(tǒng)層和儀器層軟件方案，并驗證了部分關(guān)鍵技術(shù)，檢驗其合理性與可行性。

3.1 系統(tǒng)層軟件設(shè)計

系統(tǒng)層軟件架構(gòu)如圖6所示，為實現(xiàn)與部分ATML COTS工具的兼容，根據(jù)功能需求將其封裝為多個分立的ATML工具，然后以集成開發(fā)環(huán)境的形式進(jìn)行整合。為便于ATML解析和人機(jī)交互界面設(shè)計，系統(tǒng)層軟件選用Java RCP、C#等面向?qū)ο蠛徒M件化的軟件技術(shù)開發(fā)，主要在嵌入式/測試計算機(jī)或地面工作站端提供測試開發(fā)平臺和用戶管理接口，其可劃分為測試描述層、資源分析層、總線連通層。

（1）測試描述層：主要以ATML為信息標(biāo)準(zhǔn)，以各類ATML文件為操作對象，實現(xiàn)對系統(tǒng)測試實驗任務(wù)、資源、結(jié)果等信息的獲取、描述、管理。采用dom4j解析器或C#XML組件等工具，根據(jù)用戶測試需求和策略生成ATML測試描述和測試配置；采用基于mDNS/DNS-SD或WinDriver的儀器和適配器發(fā)現(xiàn)工具，發(fā)現(xiàn)和解析設(shè)備信息，并從設(shè)備端下載ATML儀器描述和適配器描述；采用測試站描述生成工具，根據(jù)已獲取的儀器描述和用戶配置信息，生成ATML測試站描述；采用MySQL數(shù)據(jù)庫和XML解析工具，實現(xiàn)對ATML測試結(jié)果的分析和報表的生成。

圖5ATML標(biāo)準(zhǔn)集應(yīng)用原理

（2）資源分析層：主要實現(xiàn)ATML文件的解析和綜合，系統(tǒng)資源的調(diào)度和映射，以及儀器ATML調(diào)用文件的建模和生成。根據(jù)測試描述層導(dǎo)入或生成的ATML文件，依次進(jìn)行測試資源分析、信號路由和儀器功能重構(gòu)，在對比信號標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)、時序關(guān)系的基礎(chǔ)上，將測試需求信號映射至儀器功能信號，并根據(jù)調(diào)度策略分解測試任務(wù)，加入儀器間中斷/觸發(fā)信號，面向各儀器生成ATML測試子任務(wù)和測試配置。

（3）總線連通層：主要實現(xiàn)VPX總線的驅(qū)動和路由/交換，進(jìn)而實現(xiàn)ATML測試信息的傳輸或監(jiān)聽。借助SOAP（Simple Object Access Protocol）、XML-RPC（XML Remote Procedure Call）等XML調(diào)用協(xié)議，或DMA等信息傳輸機(jī)制，根據(jù)集中式或分布式的系統(tǒng)控制特點(diǎn)，發(fā)送ATML文件或片段給儀器，實現(xiàn)測試操作，并接收返回的測試結(jié)果[14]。

3.2儀器層軟件設(shè)計

儀器層軟件設(shè)計如圖7所示，為適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)或寄存器基硬件特性，其采用面向?qū)ο蟮腃語言開發(fā)，主要在儀器或功能模塊端，實現(xiàn)ATML測試子任務(wù)、測試配置、測試結(jié)果的解析、管理、執(zhí)行，可劃分為ATML解析層、測試運(yùn)行層、信號驅(qū)動層。

（1）ATML解析層：主要實現(xiàn)設(shè)備端ATML文件的傳輸、解析和生成。采用基于Axis2/C、gSOAP等技術(shù)的ATML文件服務(wù)器接收ATML測試子任務(wù)、測試配置和返回ATML測試結(jié)果[15]；采用基于expat或AXIOM的ATML解析器，根據(jù)本地測試資源和測試數(shù)據(jù)，分別生成ATML儀器描述和測試結(jié)果描述，并將ATML測試子任務(wù)解析為數(shù)據(jù)化的測試序列，導(dǎo)入測試運(yùn)行層；參照IEEE 1641信號模型，對測試需求或儀器功能信號進(jìn)行建模和組織。

圖7儀器層軟件架構(gòu)

（2）測試運(yùn)行層：主要面向儀器管理測試任務(wù)和控制測試流程。利用測試任務(wù)管理模塊，實現(xiàn)對本地多組測試序列的管理和調(diào)度，逐次傳遞給測試流程控制器；利用測試流程控制器，根據(jù)順序、循環(huán)、分支測試流程，以及測試信號間的時序關(guān)系，將測試序列中的原子操作，依次映射為面向信號的驅(qū)動調(diào)用；采用儀器通信模塊，利用VPX信息交換機(jī)制，以ATML為信息格式，實現(xiàn)儀器間測試信息的交換或發(fā)布。

（3）信號驅(qū)動層：參照IEEE 1641信號模型庫，在局部總線驅(qū)動、開關(guān)/路由模塊驅(qū)動、測試功能模塊驅(qū)動和中斷/觸發(fā)系統(tǒng)驅(qū)動的基礎(chǔ)上，封裝并提供面向信號的驅(qū)動庫。

2 結(jié)論

本文根據(jù)空間站綜合儀器系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)針對其可靠性和通用化需求，設(shè)計并初步論證了一種基于ATML的集中式/分布式系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)采用VPX為系統(tǒng)通信控制主干，以ATML為信息交互標(biāo)準(zhǔn)，通過充分利用ATML的跨平臺特性和VPX的開放性，有效保障了系統(tǒng)的通用化。通過發(fā)掘儀器的智能性和信息互通性，緩解了天-地通信鏈路的帶寬壓力，提供了一種并行測試和系統(tǒng)配置方案。該研究對我國構(gòu)建高性能、靈活可靠、開放通用、國際化的空間實驗儀器平臺標(biāo)準(zhǔn)具有一定的參考意義。

然而，由于ATML的市場化程度較低，測試開發(fā)所需的部分COTS工具軟件未臻完善，各儀器廠商對ATML的認(rèn)知和支持有限，該架構(gòu)內(nèi)部分機(jī)制的大范圍工程化應(yīng)用尚待時日。此外，為保障分布式ATS的可靠性和安全性，各儀器間需構(gòu)建嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)和運(yùn)算同步機(jī)制，本文后續(xù)將就此和原型機(jī)設(shè)計展開研究。

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