李 姍，駱 培，安軍社

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049北京；2.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，100190北京；3.波士頓大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系，02215波士頓，美國(guó)）

航天器綜合電子系統(tǒng)通用測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 姍1，2，駱 培3，安軍社2

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049北京；2.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，100190北京；3.波士頓大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系，02215波士頓，美國(guó)）

提出了一種接口豐富、可重構(gòu)擴(kuò)展的模塊化通用測(cè)試系統(tǒng)方案.引入開(kāi)放式柔性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基礎(chǔ)測(cè)試模塊使用FPGA作為控制核心，以保證系統(tǒng)硬件柔性化；系統(tǒng)軟件采用分層模塊化方法設(shè)計(jì)，通過(guò)轉(zhuǎn)換層統(tǒng)一操作系統(tǒng)的接口，以保證系統(tǒng)軟件柔性化.并應(yīng)用PC／104 PLUS與以太網(wǎng)兩種總線技術(shù)，將測(cè)試模塊靈活組合成3種本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)模型.本地測(cè)試設(shè)備以節(jié)點(diǎn)的形式通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)接入測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)系統(tǒng)兼容性與應(yīng)用范圍，同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸安全.真空罐測(cè)試和多設(shè)備聯(lián)合測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)有能力適應(yīng)不同型號(hào)任務(wù)、不同階段、不同測(cè)試場(chǎng)景的綜合電子系統(tǒng)測(cè)試工作.

通用測(cè)試系統(tǒng)；開(kāi)放式柔性測(cè)試系統(tǒng)；分布式系統(tǒng)；可重構(gòu)

航天器測(cè)試技術(shù)是指通過(guò)一系列技術(shù)手段和測(cè)試流程，全面檢驗(yàn)航天器各個(gè)電系統(tǒng)（包括機(jī)電、光電、熱電）的正確性和兼容性，檢測(cè)航天器是否達(dá)到所要求的電性能指標(biāo)，檢驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)受各種地面模擬環(huán)境考驗(yàn)后，性能是否惡化.通過(guò)綜合測(cè)試，使不滿足技術(shù)條件的性能、不完善的功能、不匹配的電氣接口以及設(shè)計(jì)缺陷都得到暴露［1-2］.綜合電子系統(tǒng)是航天器中與姿軌控、熱控、能源、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)并列的五大平臺(tái)系統(tǒng)之一，除了完成傳統(tǒng)的遙控、遙測(cè)、程控、星上自動(dòng)控制、校時(shí)等任務(wù)外，還為其他平臺(tái)和載荷提供全面、綜合的調(diào)度服務(wù)和信息管理［3］.因此，綜合電子系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)在航天器研制、應(yīng)用中占有重要地位.傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)分為專用測(cè)試系統(tǒng)和通用測(cè)試系統(tǒng):專用測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)的是孤立任務(wù)，實(shí)用性強(qiáng)，但無(wú)法重復(fù)利用，易造成大量資源浪費(fèi)；傳統(tǒng)的通用測(cè)試系統(tǒng)是簡(jiǎn)單的大量接口的堆疊，靈活性低，難以擴(kuò)展，實(shí)用性較差.隨著航天任務(wù)數(shù)量、復(fù)雜度不斷提高，傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)工作帶來(lái)的科研壓力越來(lái)越大.航天事業(yè)發(fā)展的新形勢(shì)對(duì)測(cè)試技術(shù)提出了更高的需求.

1 通用測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文旨在面向航天器綜合電子系統(tǒng)提出一套通用測(cè)試系統(tǒng).該通用測(cè)試系統(tǒng)需要具備本地測(cè)試的功能，對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行功能測(cè)試；又需要具備網(wǎng)絡(luò)測(cè)試功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)異地聯(lián)合測(cè)試以及對(duì)測(cè)試過(guò)程的監(jiān)控、管理及數(shù)據(jù)處理.本地測(cè)試時(shí)需具備可靠性、通用性、穩(wěn)定性；聯(lián)網(wǎng)測(cè)試時(shí)需具備低延時(shí)，高速率以及合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).因此，采用開(kāi)放式柔性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行本地測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)；采用分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想將本地測(cè)試系統(tǒng)以節(jié)點(diǎn)的形式加入到以光纖網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中.

1.1 開(kāi)放式柔性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開(kāi)放式柔性測(cè)試系統(tǒng)（open flexible test system，OFTS）是一種能夠根據(jù)測(cè)試任務(wù)需求及測(cè)試環(huán)境的變化，快速改變系統(tǒng)的組織模式、硬件與軟件結(jié)構(gòu)，以迅速調(diào)節(jié)測(cè)試功能來(lái)適應(yīng)新任務(wù)和新環(huán)境的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)［4］.開(kāi)放式柔性測(cè)試系統(tǒng)的3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)為:總線技術(shù)，可重構(gòu)技術(shù)，儀器互換技術(shù).

測(cè)試系統(tǒng)的組成離不開(kāi)測(cè)試總線，總線本身亦成為測(cè)試系統(tǒng)的主要組成部分［5］.開(kāi)放式柔性測(cè)試系統(tǒng)需要便捷的總線技術(shù)，使系統(tǒng)能夠快速改變構(gòu)型來(lái)適應(yīng)不同的任務(wù).同時(shí)為了保證系統(tǒng)可靠性，要求總線技術(shù)盡可能的簡(jiǎn)單、高效.本系統(tǒng)使用PC／104 PLUS總線與以太網(wǎng)相結(jié)合的方式，結(jié)構(gòu)多樣，兼容性強(qiáng)［6-7］.

可重構(gòu)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式柔性測(cè)試系統(tǒng)通用性和靈活性的關(guān)鍵，也是構(gòu)建開(kāi)放式柔性測(cè)試系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)，需由軟硬件共同保障［8-9］.可重構(gòu)系統(tǒng)的軟硬件模塊均能根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流或控制流，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行重新配置，匹配不同的任務(wù)需求.硬件電路可重構(gòu)的本質(zhì)是利用可編程器件邏輯狀態(tài)可配置的特性，根據(jù)不同任務(wù)配置不同的邏輯結(jié)構(gòu).本系統(tǒng)選用SRAM型的FPGA搭建硬件電路，SRAM型FPGA配置信息保存在PROM中，可通過(guò)修改PROM中信息修改FPGA配置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可重構(gòu).軟件重構(gòu)是在一些原因（如提高效率與可維護(hù)性等）促使下，將一個(gè)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)以不同的方式進(jìn)行重新組織從而使設(shè)計(jì)更加靈活、重用性更強(qiáng)的過(guò)程［10-11］.本系統(tǒng)軟件采用分層模塊化方法進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，并在應(yīng)用層與操作系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層.系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)模塊的開(kāi)發(fā)，測(cè)試過(guò)程轉(zhuǎn)換為按照測(cè)試項(xiàng)目選擇模塊、設(shè)置順序、多個(gè)測(cè)試任務(wù)獨(dú)立執(zhí)行的過(guò)程.軟件模塊從實(shí)際測(cè)試過(guò)程抽象而成，擁有實(shí)用、透明、可移植的特點(diǎn).

儀器互換技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試模塊互換，充分發(fā)揮測(cè)試平臺(tái)的功能，更易于升級(jí)維護(hù).硬件上，將測(cè)試接口分類模塊化，并且統(tǒng)一測(cè)試模塊的系統(tǒng)互連接口；軟件上，將測(cè)試項(xiàng)目分類模塊化，在各模塊與操作系統(tǒng)間加入轉(zhuǎn)換層，統(tǒng)一系統(tǒng)與功能模塊的交互接口；驅(qū)動(dòng)層采用通用驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，兼容多種硬件模塊.

1.2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試過(guò)程中的具體需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多種基礎(chǔ)模塊，使用FPGA實(shí)現(xiàn)模塊控制核心，集成常用的綜合電子系統(tǒng)測(cè)試接口.基礎(chǔ)模塊通過(guò)PC／104 PLUS總線或以太網(wǎng)互聯(lián)，可構(gòu)成適用于不同需求、不同場(chǎng)景的本地測(cè)試節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)既可以單獨(dú)承擔(dān)測(cè)試任務(wù)，也可將若干節(jié)點(diǎn)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心連接，組成分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò).

1.2.1 基礎(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基礎(chǔ)模塊分為三類，分別為基礎(chǔ)測(cè)試模塊（A類）、輔助測(cè)試模塊（B類）和高速數(shù)據(jù)模塊（C類）.A類模塊為航天器綜合電子系統(tǒng)常用接口功能子模塊，通過(guò)總線與主控計(jì)算機(jī)相連，搭建本地測(cè)試系統(tǒng).B類輔助測(cè)試模塊，具備LED、液晶顯示、按鍵輸入等基本交互功能，通過(guò)自定義接口與A類測(cè)試模塊相連.C類高速總線接口模塊用于本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)與測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的連接.各類模塊具體介紹見(jiàn)表1.

A類低速基礎(chǔ)接口模塊主要用于低速通訊接口的測(cè)試.航天常用接口為:RS232、RS422、RS485.由于RS485與RS422可兼容，只使用RS232、RS485芯片.RS232接口采用UART通訊協(xié)議，RS485接口即可采用UART通訊協(xié)議進(jìn)行異步傳輸，又可采用時(shí)鐘+n路數(shù)據(jù)+選通信號(hào)的方式進(jìn)行同步傳輸.UART波特率、奇偶校驗(yàn)位、起始終止位，同步通訊數(shù)據(jù)位寬，速率均可通過(guò)無(wú)源模塊或由軟件通過(guò)PC／104 PLUS總線或者工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模塊在線配置.

A類高速基礎(chǔ)接口模塊主要用于高速通訊接口的測(cè)試，包含80路LVDS收發(fā)接口.航天中多用LVDS接口采用同步傳輸方式傳輸圖像、視頻.軟件通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和PC／104 PLUS總線進(jìn)行配置及數(shù)據(jù)采集.

表1 模塊分類信息表

A類模擬量模塊包含采集范圍、精度可變的AD，DA芯片，數(shù)字電阻器，OC門(mén)以及施密特芯片，主要用于遙測(cè)量測(cè)試，如模擬量、開(kāi)關(guān)量.模擬量采集范圍為-10～+10 V，0～+10 V，-10～0 V，0～+5 V，-5～0 V，-5～+5 V可設(shè)，采集精度為16／12／8位可設(shè).模擬量輸出范圍為-10～+10 V，0～+10 V，-10～0 V，0～+5 V，-5～0 V，-5～+5 V可設(shè)，轉(zhuǎn)換精度為12／8／4位可設(shè).OC門(mén)芯片輸出開(kāi)關(guān)量，施密特芯片用于優(yōu)化OC門(mén)輸入信號(hào)以便FPGA檢測(cè)脈沖信號(hào).軟件通過(guò)PC／104 PLUS總線或工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模塊在線配置及數(shù)據(jù)收發(fā).

A類低速總線模塊包含航天綜合電子系統(tǒng)中常用的MIL-STD-1553B與CAN總線接口各3個(gè)，主要用于被測(cè)設(shè)備的低速總線功能測(cè)試. MIL-STD-1553B接口使用我單位自主研發(fā)的IP核控制.IP核有三種工作模式:總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）、總線監(jiān)控器（MT）.CAN總線使用XILINX公司的CAN總線IP核控制.FPGA中加入軟路由算法，6個(gè)接口的數(shù)據(jù)流向可控.軟件通過(guò)PC／104 PLUS總線或工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模塊在線配置及數(shù)據(jù)收發(fā).

圖1 A類模塊結(jié)構(gòu)

B類輔助測(cè)試模塊用于輔助測(cè)試，包含可變電位器、按鍵、液晶屏、LED.可變電位器，旋鈕旋轉(zhuǎn)度數(shù)為3600°，精度為±5%.可通過(guò)旋鈕改變電位器阻值，搭建精度極高的模擬量采集電路，以彌補(bǔ)A類模擬量模塊中DA轉(zhuǎn)換精度有限的缺陷.模塊中有10組模擬量輸出電路，每組由100Ω、500Ω、1 kΩ、10 kΩ、50 kΩ的5個(gè)可變電位器串聯(lián)構(gòu)成，電位器擁有對(duì)應(yīng)的并聯(lián)通路開(kāi)關(guān).通過(guò)調(diào)整外加電壓幅值，以及通過(guò)開(kāi)關(guān)控制接入電路中可變電位器的數(shù)量，來(lái)改變電路輸出精度.按鍵可用于控制模塊工作，液晶屏及LED用于顯示基本工作信息.

C類高速總線模塊主要用于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的連接，包含3個(gè)PC／104 PLUS接口和3個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)接口.PC／104 PLUS接口和工業(yè)以太網(wǎng)接口用于與A類測(cè)試模塊交互，而以太網(wǎng)光纖接口用于與數(shù)據(jù)中心交互.PC／104 PLUS接口使用XILINX公司的PCI IP核實(shí)現(xiàn)，可配置為T(mén)arget或Initiator模式.以太網(wǎng)MAC層使用XILINX公司三態(tài)MAC IP核.MAC IP CORE有1 000 Mbps、100 Mbps和10 Mbps 3種工作模式，且支持半／全雙工操作，可根據(jù)測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行切換.工業(yè)以太網(wǎng)接口的物理層芯片為88E1111.光纖接口使用XILINX公司的RocketIOGTP Transceiver IP核實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)收發(fā)模塊的控制，傳輸速率高達(dá)2.5 Gbps.模塊中使用DDR2 SDRAM作為數(shù)據(jù)緩沖，解決接口間速率不匹配的問(wèn)題.為了靈活配置數(shù)據(jù)流向，加入軟路由算法. 1.2.2 本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)模型

基礎(chǔ)測(cè)試模塊與輔助測(cè)試模塊組成本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)模型，根據(jù)使用總線類型及功能可分為:PC／104 PLUS總線完全組合，PC／104 PLUS總線簡(jiǎn)易組合，以太網(wǎng)組合.

PC／104 PLUS總線完全組合使用PC／104 PLUS總線連接A類模塊與PC／104 PLUS主板并根據(jù)需求搭配B類模塊，最多可容納4個(gè)A類模塊.PC／104 PLUS主板上運(yùn)行基礎(chǔ)測(cè)試軟件，與其棧接的模塊中配置出測(cè)試所需邏輯與待測(cè)設(shè)備相連.測(cè)試中，基礎(chǔ)測(cè)試軟件可通過(guò)PC／104 PLUS總線實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的配置，傳輸測(cè)試數(shù)據(jù).B類測(cè)模塊通過(guò)自定義總線與A類測(cè)試模塊相連，輔助測(cè)試.組合可通過(guò)PC／104 PLUS主板外接顯示器，鍵盤(pán)鼠標(biāo)完成測(cè)試工作.組合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、環(huán)境模擬測(cè)試及出差時(shí)隨身攜帶.

PC／104 PLUS總線簡(jiǎn)易組合使用PC／104 PLUS總線連接至多4個(gè)A類模塊，測(cè)試過(guò)程無(wú)需主板或者計(jì)算機(jī)參與，完全由FPGA內(nèi)置邏輯控制及使用PC／104 PLUS總線實(shí)現(xiàn)模塊間數(shù)據(jù)傳遞.可根據(jù)任務(wù)需要選用B類模塊，實(shí)現(xiàn)模塊與測(cè)試人員的基本交互.組合高度自動(dòng)化，能耗少，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適于無(wú)人監(jiān)管測(cè)試，野外測(cè)試等對(duì)能耗要求較高的場(chǎng)景及出差時(shí)隨身攜帶.

以太網(wǎng)組合通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接各測(cè)試模塊或者以上兩種組合，由各模塊配合測(cè)試計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)完成測(cè)試.此組合中測(cè)試計(jì)算機(jī)可為一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)，配合軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程控制，測(cè)試模塊配置，數(shù)據(jù)處理等功能.組合可承載更多測(cè)試模塊，結(jié)構(gòu)靈活多變，測(cè)試覆蓋面廣適合本地測(cè)試中的多種測(cè)試場(chǎng)景.

1.2.3 分布式測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式系統(tǒng)由若干個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接集合而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有完整的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng).節(jié)點(diǎn)軟件使用通用的系統(tǒng)編程接口，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，共同完成單一或多項(xiàng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能［12-14］.分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，容錯(cuò)性增強(qiáng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)外可以視作黑箱，軟件程序面向通信，脫離對(duì)硬件的依賴，各測(cè)試模塊間相互獨(dú)立，軟硬件開(kāi)發(fā)均可獨(dú)立進(jìn)行，工作時(shí)相互依賴性較小.與開(kāi)放式柔性設(shè)計(jì)相輔相成，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)擴(kuò)展性，通用性.

分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)以光纖網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)采用易更改維護(hù)、容錯(cuò)性好的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單層網(wǎng)絡(luò)，可容納多個(gè)節(jié)點(diǎn).光纖網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小、速率高、容錯(cuò)性強(qiáng)，可根據(jù)傳輸距離選擇線纜有效控制成本又可防止被分接偷聽(tīng)或者輻射波竊聽(tīng).本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)中指示模塊負(fù)責(zé)顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)，高速總線模塊負(fù)責(zé)將各本地節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，其余模塊負(fù)責(zé)模擬待對(duì)接設(shè)備進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)收發(fā).數(shù)據(jù)中心通過(guò)光纖交換機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的管理、監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)同步進(jìn)行顯示，供專家團(tuán)隊(duì)分析判斷.數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件設(shè)計(jì)中將判斷條件、配置數(shù)據(jù)抽取出來(lái)獨(dú)立于測(cè)試過(guò)程，判斷條件、配置數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心的配置信息數(shù)據(jù)庫(kù)和測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中.系統(tǒng)分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示.

1.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)包含驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用層測(cè)試程序兩部分.驅(qū)動(dòng)程序直接管理控制硬件并提供上層軟件所需的支持；應(yīng)用層測(cè)試程序負(fù)責(zé)分類顯示、處理數(shù)據(jù)以及與操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.兩者都使用了分層模塊化的設(shè)計(jì)方法，并遵循數(shù)據(jù)和過(guò)程分離的原則.軟件由相對(duì)獨(dú)立且具有單一功能的模塊組成，具有“模塊內(nèi)高內(nèi)聚，模塊間低耦合”的特點(diǎn)［15］.應(yīng)用層的各模塊均通過(guò)轉(zhuǎn)換層與操作系統(tǒng)交互，保證軟件的持續(xù)增長(zhǎng)性與靈活性，隨著任務(wù)的變換及技術(shù)的更新，交互接口關(guān)系不變，軟件可便捷地進(jìn)行維護(hù)，更新.

圖2 系統(tǒng)分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)模型

測(cè)試程序根據(jù)運(yùn)行平臺(tái)不同分為基礎(chǔ)測(cè)試軟件與高級(jí)管理軟件.基礎(chǔ)測(cè)試軟件基于Vxworks開(kāi)發(fā)，用于PC／104 PLUS主板上，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)收發(fā)等基本測(cè)試功能；高級(jí)測(cè)試軟件基于WINDOWSXP運(yùn)行在測(cè)試計(jì)算機(jī)上，完成系統(tǒng)通訊，數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)管理等功能.

1.3.1 基礎(chǔ)測(cè)試軟件

在PC／104 PLUS主板上移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks.Vxworks是一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，屬于占先式實(shí)時(shí)內(nèi)核，適合小型系統(tǒng).基礎(chǔ)測(cè)試軟件在多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)Vxworks基礎(chǔ)上，自主開(kāi)發(fā)應(yīng)用層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層程序.具體模塊包括RS485收發(fā)模塊、RS232收發(fā)模塊、PCI收發(fā)模塊、模擬量收發(fā)模塊、數(shù)字量收發(fā)模塊、LVDS收發(fā)模塊、MIL-STD-1553B收發(fā)模塊、CAN總線收發(fā)模塊、門(mén)控信號(hào)測(cè)試模塊及校時(shí)模塊等.以上各模塊在操作系統(tǒng)應(yīng)用層開(kāi)發(fā)，并經(jīng)由轉(zhuǎn)換層與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互.設(shè)備驅(qū)動(dòng)層包含PC／104 PLUS驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)PC／104 PLUS主板與各模塊間的底層通訊.

1.3.2 高級(jí)測(cè)試軟件

高級(jí)測(cè)試軟件在WINDOWSXP基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用層程序，應(yīng)用層模塊根據(jù)功能分為基礎(chǔ)測(cè)試和高級(jí)管理兩類模塊，基礎(chǔ)測(cè)試模塊和基礎(chǔ)測(cè)試軟件中應(yīng)用層模塊相同，高級(jí)管理模塊種類較多根據(jù)功能大致分為:1）根據(jù)接口、數(shù)據(jù)流向分類顯示數(shù)據(jù)；2）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，如編碼，解碼，壓縮，解壓縮等；3）自動(dòng)判讀數(shù)據(jù)、篩選條件設(shè)置；4）更改測(cè)試流程.設(shè)備驅(qū)動(dòng)層包含以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)模塊與測(cè)試計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心間的底層通訊.

1.4 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合測(cè)試

航天器電子系統(tǒng)中多個(gè)設(shè)備通常由不同單位研制，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性需要進(jìn)行多次局部、整體的聯(lián)合測(cè)試.聯(lián)合測(cè)試時(shí)多家單位攜帶設(shè)備前往統(tǒng)一測(cè)試地點(diǎn)進(jìn)行對(duì)接，每次聯(lián)合測(cè)試不僅耗費(fèi)大量資源，而且無(wú)法保存管理寶貴的測(cè)試數(shù)據(jù).使用分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，將多個(gè)待測(cè)設(shè)備通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)合測(cè)試，監(jiān)控測(cè)試過(guò)程.基于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備測(cè)試可為3個(gè)階段:獨(dú)立測(cè)試、遠(yuǎn)程單機(jī)測(cè)試、遠(yuǎn)程聯(lián)合測(cè)試.

1）獨(dú)立測(cè)試:測(cè)試人員根據(jù)測(cè)試需求調(diào)整本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)模型，使其能夠充分模擬待對(duì)接設(shè)備.使用該模型對(duì)待測(cè)設(shè)備進(jìn)行功能測(cè)試，并通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)將測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，供日后對(duì)比、查錯(cuò).

2）遠(yuǎn)程單機(jī)測(cè)試:本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)模型使用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中待對(duì)接設(shè)備測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的真實(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)待測(cè)設(shè)備功能進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證.首先，由測(cè)試單位向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心提出測(cè)試申請(qǐng)，由遠(yuǎn)程控制中心在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋所需數(shù)據(jù)并將其下傳至申請(qǐng)者.

3）遠(yuǎn)程聯(lián)合測(cè)試:將多個(gè)待測(cè)設(shè)備同時(shí)接入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)模擬現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試，完成對(duì)待測(cè)設(shè)備間匹配度及系統(tǒng)功能的測(cè)試.測(cè)試前，本地測(cè)試設(shè)備接受遠(yuǎn)程傳來(lái)的配置數(shù)據(jù)完成軟硬件的配置，模擬遠(yuǎn)程設(shè)備與待測(cè)設(shè)備相連接.測(cè)試時(shí)，本地測(cè)試設(shè)備接收傳來(lái)的測(cè)試數(shù)據(jù)將其發(fā)送給待測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)模擬遠(yuǎn)程設(shè)備與待測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.遠(yuǎn)程待測(cè)設(shè)備的測(cè)試與此相仿.

2 測(cè)試方案示例

2.1 本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)應(yīng)用示例（示例一）

航天設(shè)備測(cè)試有多種特殊環(huán)境模擬測(cè)試，如熱循環(huán)實(shí)驗(yàn).熱循環(huán)試驗(yàn)時(shí)待測(cè)設(shè)備需置于熱循環(huán)罐中，測(cè)試設(shè)備置于罐外，內(nèi)外通過(guò)信號(hào)線纜連接.測(cè)試線纜經(jīng)過(guò)錦綸加固等工藝后，單根線纜直徑大于1 cm，而引線口直徑只有6 cm，信號(hào)線纜較多時(shí)無(wú)法全部引出.測(cè)試時(shí)測(cè)試人員需與設(shè)備保持一定距離，信號(hào)的衰減、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性都影響著最終的測(cè)試結(jié)果.

測(cè)試采用以太網(wǎng)組合的本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)，將PC／104 PLUS總線完全組合放入罐內(nèi)模擬對(duì)接設(shè)備，通過(guò)以太網(wǎng)電纜、交換機(jī)與罐外測(cè)試計(jì)算機(jī)連接.PC／104 PLUS主板中運(yùn)行測(cè)試程序，測(cè)試計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、判讀.以某型號(hào)載荷電控箱測(cè)試為例，其對(duì)外接口有:2路1553B接口，三路RS422接口，OC門(mén)指令發(fā)送接口10個(gè)，LVDS接收28路發(fā)送4路，遙測(cè)7路.選取低速基礎(chǔ)接口模塊，高速基礎(chǔ)接口模塊，模擬量模塊以及低速總線模塊各一個(gè)與PC／104 PLUS主板連接組成罐內(nèi)測(cè)試部分.具體方案連接如圖3所示.

圖3 熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)方案連接簡(jiǎn)圖

測(cè)試軟件主界面如圖4，界面上方的選項(xiàng)卡為具體使用模塊的名稱.圖中中間界面為L(zhǎng)VDS數(shù)據(jù)輸入界面，測(cè)試數(shù)據(jù)可以以txt或者excel的格式導(dǎo)入軟件，并在軟件中設(shè)置發(fā)送方式.圖中左邊為參數(shù)狀態(tài)監(jiān)視欄，監(jiān)視此時(shí)數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài).監(jiān)視欄內(nèi)項(xiàng)目可手動(dòng)關(guān)聯(lián)參數(shù)，編輯名稱，設(shè)置正常閾值范圍.圖中下方兩個(gè)小窗口，左邊是中斷狀態(tài)監(jiān)視窗口，該模塊用于監(jiān)視脈沖量的時(shí)間以及個(gè)數(shù).右邊為參數(shù)的曲線圖，根據(jù)參數(shù)值實(shí)時(shí)繪制，時(shí)間軸范圍、精度可調(diào).

測(cè)試中AD采集模塊監(jiān)控±3.3 V遙測(cè)、±5 V遙測(cè)、15 V遙測(cè)以及28 V遙測(cè)量，實(shí)際監(jiān)測(cè)到的值與設(shè)計(jì)值對(duì)比如表2，可知設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)值相符.

測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)LVDS發(fā)送接口、RS422模擬載荷向待測(cè)設(shè)備發(fā)送圖像數(shù)據(jù)、工程參數(shù)，由待測(cè)設(shè)備進(jìn)行壓縮后由LVDS接收接口傳回測(cè)試系統(tǒng).測(cè)試軟件使用解碼模塊解碼后與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，數(shù)據(jù)一致，滿足應(yīng)用需求.

PC／104 PLUS主板完全能夠滿足測(cè)試需求，以太網(wǎng)良好的隔離性能及高傳輸速率保證高質(zhì)量的信號(hào)傳輸.測(cè)試軟件中模塊多樣，參數(shù)可靈活配置，可滿足測(cè)試需求.此測(cè)試系統(tǒng)可通過(guò)更換模塊的方式滿足更多型號(hào)任務(wù)的測(cè)試，良好的滿足了本地測(cè)試的需求.

2.2 聯(lián)合測(cè)試應(yīng)用方案（示例二）

以某型號(hào)載荷電控箱與載荷對(duì)接命令接口為例，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程聯(lián)合測(cè)試流程.命令接口對(duì)接需要檢驗(yàn)的內(nèi)容有:開(kāi)關(guān)機(jī)指令，數(shù)據(jù)發(fā)送指令.首先搭建測(cè)試平臺(tái)，分別將測(cè)試設(shè)備與待測(cè)設(shè)備相連并設(shè)置工作模式搭建本地測(cè)試節(jié)點(diǎn).將兩端的本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)通過(guò)高速總線模塊接入分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使數(shù)據(jù)中心可監(jiān)控測(cè)試設(shè)備.具體測(cè)試流程如圖5所示，出現(xiàn)測(cè)試終止故障時(shí)先由本地測(cè)試人員進(jìn)行故障排查，如無(wú)法解決則申請(qǐng)遠(yuǎn)程協(xié)助，由遠(yuǎn)程專家群根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)協(xié)助解決.測(cè)試成功后，分別由兩端將目前的配置數(shù)據(jù)通過(guò)高速總線模塊傳輸至數(shù)據(jù)中心.

測(cè)試前，先將兩端設(shè)備接入光纖網(wǎng)絡(luò)，待數(shù)據(jù)中心檢測(cè)到兩端設(shè)備后開(kāi)始進(jìn)入正式測(cè)試流程.測(cè)試時(shí)，為保證兩端傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，由數(shù)據(jù)中心在總線上每隔2 s廣播時(shí)間碼.圖6為總線監(jiān)視模塊實(shí)驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)況.

圖4 測(cè)試軟件主界面

表2 AD遙測(cè)量比對(duì)表

圖5 遠(yuǎn)程聯(lián)合測(cè)試流程

圖6 總線監(jiān)視模塊監(jiān)測(cè)實(shí)況圖

目前光纖網(wǎng)絡(luò)單根理論傳輸速率為2.5 Gbps，傳輸距離達(dá)百公里.實(shí)測(cè)時(shí)，兩個(gè)設(shè)備相距2 km，光纖上的最大峰值速率為1.932 Gbps.載荷電控箱與載荷間多使用低速總線進(jìn)行通訊，如:CAN總線，1553B總線等.這些總線的傳輸速率不超過(guò)1 Mbps.目前星上設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸常用接口為L(zhǎng)VDS，瞬時(shí)最大速率不超過(guò)200 Mbps.因此光纖網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足現(xiàn)階段以及未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的綜合電子系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試需求.

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、靈活性差，越來(lái)越不能夠滿足日益增多空間探測(cè)任務(wù)的研發(fā)需求.本文應(yīng)用開(kāi)放式柔性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，提出一種集成豐富接口、可重構(gòu)、兼容性強(qiáng)的分布式測(cè)試系統(tǒng).硬件基礎(chǔ)模塊通過(guò)PC／104 PLUS總線或以太網(wǎng)，可組成三種本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)模型，按需求靈活搭建測(cè)試系統(tǒng)；軟件模塊化、層次化設(shè)計(jì)，利用轉(zhuǎn)換層降低模塊間耦合性，可快速適應(yīng)不同需求和硬件架構(gòu).特殊場(chǎng)景測(cè)試和聯(lián)合測(cè)試表明本系統(tǒng)通用性、拓展性、可靠性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用”，可應(yīng)用于不同型號(hào)任務(wù)、不同階段、不同測(cè)試場(chǎng)景的綜合電子系統(tǒng)測(cè)試工作，有效減少開(kāi)發(fā)周期，極大的節(jié)約人力物力成本.

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，空間探測(cè)技術(shù)不斷革新，將會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出更高的要求.本文的后續(xù)工作將致力于緊隨空間探測(cè)技術(shù)的前沿研發(fā)更多的功能模塊以支持更多的任務(wù)需求.

［1］徐福祥.衛(wèi)星工程［M］.北京:中國(guó)宇航出版社，2002: 5-8.

［2］張瀚英.衛(wèi)星電測(cè)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)宇航出版社，1999:15-30.

［3］王九龍.衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展建議［J］.航天器工程，2007，16（5）:68-73.

［4］CLENDEN IN C K.Flexible test systems-an adaptive architecture to preserve existing investment and enable use of emerging technologies［C］／／IEEE Autotestcon 2004. Piscataway:IEEE，2004:45-51.

［5］范佳平.測(cè)試領(lǐng)域新技術(shù)的發(fā)展［J］.電子產(chǎn)品世界，2007（04）:117-119.

［6］SHANLEY T，ANDERSON D.PCI system architecture［M］.Boston:Adison-Wesley，1999:7-9.

［7］曹忠良，徐詳征.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與Internet實(shí)用教程:技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005:1-21.

［8］徐惠萍.可重構(gòu)技術(shù)綜述［J］.甘肅科技，2007，23（10）:158-160.

［9］JOHNSON R E，OPDYKEWLLIAM F.Refactoring and aggregation［C］／／In Proceedings of International Symposium on Object Technologies for Advanced Software.Kanazawa:［s.n.］，1993:254-278.

［10］楊芙清，梅宏，李克勤.軟件復(fù)用與軟件構(gòu)件技術(shù)［J］.電子學(xué)報(bào)，1999，21（2）:68-75.

［11］RAMACHANDRAN N，OBLADR P，NEAG IA，etal. The role of a signal interface in supporting instrument interchangeability［C］／／IEEE Autotestcon Proceedings. Piscataway:IEEE，2000:403-416.

［12］MOFFETT JD，SLOMAN M S.Policy hierarchies for distributed systemsmanagement［J］.IEEE JSAC Special Issue on Network Management，1993，11（9）:1404-1414.

［13］何騰蛟.分布式系統(tǒng)測(cè)試模型與框架的研究與應(yīng)用［D］.成都:電子科技大學(xué)，2009.

［14］COULOURISG，DOLLIMORE J，KINDBERG T，etal. Distributed systems:concepts and design［M］.5th Edition.Boston:Addison-Wesley，2011:1-25.

［15］SOMMERVILLE I.Software engineering［M］.9thEdition. Boston:Addison-Wesley，2010:415-461.

（編輯張 宏）

Universal test system design for the spacecraft electronic system

LIShan1，2，LUO Pei3，AN Junshe2

（1.University of Chinese Academy of Sciences，100049 Beijing，China；2.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，100190 Beijing，China；3.Electrical＆Computer Engineering，Boston University，02215 Boston，USA）

This paper proposes a scalable，reconfigurable，general test system design oriented the spacecraft electronic system.The design employs open flexible test system design method.Common test interfaces are integrated into classified modules with FPGA as control core，which ensures the reconfigurability of hardware. Software utilizesmodularized pattern.Application program interacts with the operating system through transfer layer which ensures reusability of software.All modules can be combined into three local testing machine models using the PC／104 PLUS and Ethernet.The optical fiber transmission technology is employed to combine all the local testing machine models into a distributed testing system.This system is compatible，universal，and secure.Vacuum tank test and multi-device joint test show that the system is competent for all kinds of electronic system testing in different scenarios.

universal test system；open flexible test system；distributed systems；reconfigurability

TP 274

A

0367-6234（2014）09-0092-08

2013-09-03.

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目（XDA04060300）.

李 姍（1989—），女，博士研究生.

李 姍，lishanmg＠gmail.com.