基于龍芯平臺(tái)的無源檢測裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐永學(xué)，朱桂梅，湯 浩

(1.北京軒宇空間科技有限公司，北京 100190；2.丹娜(天津)生物科技股份有限公司，天津 300467)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在航空、航天以及國防等重要領(lǐng)域，各種航空航天產(chǎn)品、國防武器得到了飛速發(fā)展。同時(shí)這些產(chǎn)品的復(fù)雜度越來越高，數(shù)據(jù)采集通路以及控制信號(hào)的發(fā)送通路數(shù)量逐漸增多，多芯電纜在這些產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛。多芯電纜在設(shè)備移動(dòng)過程中容易受外界的不良因素影響，多芯電纜在脫插后是否連接可靠，都會(huì)影響裝備產(chǎn)品的正常工作。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)研究表明，在航空、航天以及國防領(lǐng)域中由于電纜失效引起的系統(tǒng)故障高達(dá)20%[1]?？梢姡嵘b備產(chǎn)品整體可靠性的一個(gè)極為重要因素是避免多芯電纜發(fā)生故障，所以加強(qiáng)多芯電纜的檢測成為上述各領(lǐng)域很重要的測試環(huán)節(jié)。

某裝備產(chǎn)品在總裝測試過程中，需要對各設(shè)備之間電纜的可靠連接進(jìn)行檢測，從而確保設(shè)備的加電安全，才能檢查信號(hào)傳輸?shù)恼_性。如果直接引入激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行測試，在設(shè)備故障或者狀態(tài)未知的情況下可能會(huì)導(dǎo)致若干意外結(jié)果，所以在加電前都要對設(shè)備進(jìn)行無源檢測，即導(dǎo)通電阻和絕緣電阻測試。導(dǎo)通電阻反映出電路兩點(diǎn)之間的通斷關(guān)系，絕緣電阻則反映電路獨(dú)立回路之間的絕緣程度，導(dǎo)通電阻和絕緣電阻測量值的合格與否直接影響到裝備產(chǎn)品的可靠性及發(fā)射的成敗[2]。通過無源檢測可以發(fā)現(xiàn)端口的異常短路或者斷路，首先避免對設(shè)備或者測試人員造成危害；其次可以快速診斷故障點(diǎn)，快速排除問題，避免了人員與時(shí)間的浪費(fèi)。但是目前多數(shù)無源測試是由測試人員手動(dòng)操作獨(dú)立儀器完成，自動(dòng)化程度較低，測試的規(guī)范性、穩(wěn)定性不高，對測試結(jié)果的判別也因測試人員不同而有所差異，直接導(dǎo)致測試的誤判率難以控制[3]。針對人工定檢維護(hù)手段效率低下，急需自動(dòng)測試系統(tǒng)為裝備可靠運(yùn)行提供必要保障。應(yīng)用表明，采用先進(jìn)技術(shù)的自動(dòng)化測試系統(tǒng)能使武器裝備的檢測效率提高10倍以上，故障診斷效率提高30倍以上[4]。

為滿足裝備產(chǎn)品的總裝測試，降低人工操作的影響，提高測試效率，保證裝備產(chǎn)品總裝階段的穩(wěn)定性和可靠性，本文設(shè)計(jì)了一款具有通用性和可擴(kuò)展性的無源檢測裝置。本裝置硬件采用龍芯平臺(tái)，操作系統(tǒng)采用中標(biāo)麒麟，同時(shí)硬件基于CPCI總線模塊化設(shè)計(jì)，軟件具備可配置功能，具有良好的安全性、可靠性、通用性以及可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

近年來，由國家“核高基”(核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品)重大科技專項(xiàng)的帶動(dòng)，國內(nèi)研制出了一批自主可控的軟硬件產(chǎn)品，例如龍芯處理器、麒麟操作系統(tǒng)、人大金倉數(shù)據(jù)庫等。裝備產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)安全性日益提升，需要做到自主可控，采用國產(chǎn)軟硬件產(chǎn)品的安全性可以得到較好的保障[5]，故無源檢測裝置硬件基于龍芯控制器，運(yùn)行中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)。

無源檢測裝置的主要功能是在裝備產(chǎn)品加電前，對裝備產(chǎn)品通路進(jìn)行檢查，檢查各信號(hào)和信號(hào)回線之間的通路和信號(hào)之間斷路情況，檢查信號(hào)與殼之間的通斷情況，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和傳輸。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)采用模塊化、通用化的思想進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

無源檢測裝置具有標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)接口，包括：USB口、以太網(wǎng)口、VGA顯示接口及PS2接口。無源檢測裝置存儲(chǔ)有測試配置文件，測試配置文件可在通用計(jì)算機(jī)上編制，通過以太網(wǎng)或者USB接口傳輸至無源檢測裝置。無源檢測裝置軟件首先解析配置文件，確定被測通道以及測試量程范圍，然后控制矩陣開關(guān)卡相應(yīng)的2個(gè)電磁繼電器吸合，其中一個(gè)繼電器將被測對象的正端(Y1)連接至數(shù)字多用表卡電阻測試正端，另一個(gè)繼電器將被測對象的負(fù)端(Y2)連接至數(shù)字多用表卡電阻測試負(fù)端，此時(shí)將被測通路與數(shù)字多用表卡電阻測試端連接在同一回路。在確保兩個(gè)繼電器穩(wěn)定吸合后，測試軟件向數(shù)字多用表卡發(fā)送測試量程并啟動(dòng)測試，通過數(shù)字多用表卡讀取測試電阻值并返回測試結(jié)果，測試軟件根據(jù)測試結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)字多用表卡的測試量程，以確保測試精度，測試完成后測試結(jié)果顯示在前面板顯示屏上。檢測裝置根據(jù)測試配置文件完成全部測試后，形成測試記錄報(bào)告存儲(chǔ)在檢測裝置內(nèi)。

無源檢測裝置還具備遠(yuǎn)程測試功能，檢測裝置與上位機(jī)通過以太網(wǎng)口進(jìn)行通訊，接收上位機(jī)發(fā)送的測試指令聯(lián)機(jī)工作。通過網(wǎng)口接收到上位機(jī)發(fā)送的測試指令后，可對被測對象進(jìn)行通路和斷路測試。檢測裝置可根據(jù)上位機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送指令將測試記錄報(bào)告上傳至上位機(jī)。

2 無源檢測裝置硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

無源檢測裝置硬件平臺(tái)由電路模塊和外圍組件兩部分組成。其中電路模塊包括CPCI總線中央處理控制卡、CPCI總線數(shù)字多用表卡、CPCI總線矩陣開關(guān)卡、自校準(zhǔn)模塊及電源模塊。外圍組件主要由CPCI機(jī)箱和顯示器組成。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

1)中央處理控制卡技術(shù)指標(biāo):CPU主頻800 MHz以上；板載內(nèi)存2 GB；具有VGA接口，分辨率支持最高1 600×1 200；4路100 Mbps/1 000 Mbps網(wǎng)絡(luò)接口；4路USB2.0接口；1路PS/2鍵盤/鼠標(biāo)接口；操作系統(tǒng)支持：中標(biāo)麒麟。

2)矩陣開關(guān)卡技術(shù)指標(biāo):測量點(diǎn)具有128點(diǎn)，任意兩點(diǎn)之間均能進(jìn)行通路和斷路測量；每個(gè)通道指令響應(yīng)時(shí)間約為6 ms；通道測量內(nèi)阻約為0.05 Ω；繼電器壽命10萬次。

3)數(shù)字多用表卡技術(shù)指標(biāo):數(shù)字多用表卡用于測量被測端之間的電阻值。其中電阻測試有100 Ω、1 kΩ、10 kΩ、100 kΩ、1 MΩ、10 MΩ、10～30 MΩ共7個(gè)量程，量程可設(shè)置為手動(dòng)檔或者自動(dòng)檔。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

無源檢測裝置基于分布式、模塊化的設(shè)計(jì)思想，采用CPCI總線機(jī)箱，提供1個(gè)CPCI系統(tǒng)槽與12個(gè)CPCI擴(kuò)展插槽。其中CPCI系統(tǒng)槽(零槽)用于安裝中央處理控制卡，CPCI擴(kuò)展插槽用于安裝數(shù)字多用表卡、矩陣開關(guān)卡、自校準(zhǔn)模塊以及電源模塊，機(jī)箱布局如圖2所示。

圖2 機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

CPCI總線機(jī)箱供電通過一個(gè)AC/DC模塊將220 V交流電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)工作所需的±12 V，+5 V，+3.3 V直流電壓，電源模塊采用2+1冗余電源供電，具備較高的可靠性。CPCI總線具有良好的模塊化特性，在工控行業(yè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及自動(dòng)化測試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。各模塊均選用CPCI總線模塊，提高了系統(tǒng)的靈活性，而且便于軟件開發(fā)，縮短了檢測裝置的研發(fā)周期。

2.2.1 中央處理控制卡

中央處理控制卡的CPU采用龍芯3A3000。龍芯3A3000是一個(gè)配置為單節(jié)點(diǎn)4核的處理器，工作主頻為1.2～1.5 GHz，主要技術(shù)特征為：片內(nèi)集成4個(gè)64 位的四發(fā)射超標(biāo)量GS464e高性能處理器核；片內(nèi)集成8 MB的分體共享三級(jí)Cache；通過目錄協(xié)議維護(hù)多核及I/O DMA 訪問的Cache一致性；片內(nèi)集成2個(gè)64位帶ECC，667 MHz 的DDR2/3 控制器；片內(nèi)集成32位33 MHz PCI；片內(nèi)集成1個(gè)LPC、2個(gè)UART、1個(gè)SPI、16路GPIO 接口[6]。中央處理控制卡集成了USB口、以太網(wǎng)口、VGA顯示接口、PS2接口。此中央處理控制卡可滿足技術(shù)指標(biāo)。

2.2.2 矩陣開關(guān)卡

矩陣開關(guān)卡采用CPCI總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了2×128路的切換工作，其切換如圖3所示。X軸的1～128路中的任何一個(gè)接點(diǎn)均可和Y軸的任意一個(gè)接點(diǎn)互通，完成矩陣切換工作。矩陣板卡由PCI9054，CPLD，128個(gè)繼電器及2個(gè)對外接口構(gòu)成，主要性能特點(diǎn)：繼電器差錯(cuò)率不大于10-7；觸點(diǎn)最大允許電流1 A；繼電器動(dòng)作時(shí)間<1 ms,恢復(fù)時(shí)間<1 ms; 觸點(diǎn)電阻<10 mΩ；機(jī)械壽命5 000萬次以上，電氣壽命在10萬次以上，滿足設(shè)計(jì)要求。本裝置中預(yù)留了CPCI插槽，可以擴(kuò)展矩陣開關(guān)卡，快捷高效地增加測試通路個(gè)數(shù)。

圖3 矩陣開關(guān)卡切換示意圖

2.2.3 數(shù)字多用表卡

數(shù)字多用表卡采用北京航天測控技術(shù)有限公司研制的AMC4311E板卡。此板卡為五位半數(shù)字多用表卡，主要應(yīng)用于CPCI平臺(tái)的電阻信號(hào)測量，可提供0～30 MΩ的阻值檢測能力，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。數(shù)字多用表卡提供自校準(zhǔn)功能，通過軟件模塊可以在不使用特定人力情況下實(shí)現(xiàn)采集測量的自校準(zhǔn)，糾正測量誤差，方便生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

2.2.4 自檢及校準(zhǔn)模塊

無源檢測裝置接口中留有自檢接口，通過此功能可以進(jìn)行無源檢測裝置的自檢操作。自檢功能主要有：

1)檢測矩陣開關(guān)卡的各個(gè)繼電器的閉合與斷開功能是否正常；

2)完成無源檢測裝置自校準(zhǔn)，主要是消除線阻或者溫度等對測量結(jié)果的干擾。

自校準(zhǔn)模塊在無源檢測裝置內(nèi)部安裝精密電阻，阻值分別為100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ和1 MΩ。在進(jìn)行自校準(zhǔn)檢測時(shí)通過控制矩陣開關(guān)卡將上述精密電阻連接至多用表卡的測量回路中，由測試軟件讀取測量值后計(jì)算出誤差值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

中標(biāo)麒麟桌面操作系統(tǒng)軟件(龍芯版)是國內(nèi)首款支持龍芯64位平臺(tái)并規(guī)?；瘧?yīng)用部署的自主操作系統(tǒng)。中標(biāo)軟件和龍芯中科深入合作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)核及核心參數(shù)等優(yōu)化適配，充分發(fā)揮中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)和龍芯3A3000整機(jī)平臺(tái)的整體性能。該系統(tǒng)以用戶為導(dǎo)向的桌面環(huán)境設(shè)計(jì)，提供全新、經(jīng)典的系統(tǒng)界面，使整個(gè)操作體驗(yàn)更加高效、便捷和易用，已先后在電子政務(wù)、航天科工商密網(wǎng)、廣東云浮核高基應(yīng)用示范等重大項(xiàng)目中大量部署和成功應(yīng)用。中標(biāo)麒麟桌面操作系統(tǒng)在自身完善的同時(shí)，結(jié)合國產(chǎn)芯片的特性，發(fā)揮國產(chǎn)平臺(tái)的優(yōu)勢，在性能、安全等方面均有很大提高。目前，中標(biāo)麒麟桌面操作系統(tǒng)已成為國產(chǎn)芯片平臺(tái)的首選操作系統(tǒng)[7]。故本無源檢測裝置操作系統(tǒng)選用中標(biāo)麒麟桌面操作系統(tǒng)，無源檢測裝置軟件使用Qt4.8集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)。

3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

為了提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，易于調(diào)試，本軟件采用層次化的設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)軟件分成3層來設(shè)計(jì)：第一層是用戶界面層，提供給用戶操作界面；第二層中間層，負(fù)責(zé)操作流程的控制；第三層是硬件相關(guān)層，該層和硬件結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。層與層之間通過函數(shù)調(diào)用和事件來進(jìn)行通信。為減少層與層之間的耦合，規(guī)定上層可以調(diào)用底層提供的函數(shù)，而底層不能調(diào)用上層的函數(shù)，但是可以發(fā)出事件來激活上層的操作，軟件系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 軟件流層系統(tǒng)框圖

無源檢測裝置操作軟件采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，生成如下模塊：

1)系統(tǒng)自檢模塊；

2)導(dǎo)通檢測模塊；

3)通斷檢測模塊；

4)遠(yuǎn)程控制模塊。

軟件模塊如圖5所示。

圖5 軟件模塊框圖

3.2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

無源檢測裝置的應(yīng)用軟件主界面如圖6所示。本文采用QWidget類創(chuàng)建主界面，QDialog類創(chuàng)建子界面。在子界面中使用QTableWidget作為測試結(jié)果的顯示框，分別顯示測試的點(diǎn)號(hào)、測試阻值和測試結(jié)果，同時(shí)選取QProgressbar顯示測試進(jìn)度[8-9]。

圖6 軟件模塊框圖

待測試電纜連接后，無源檢測裝置開機(jī)后運(yùn)行主界面程序，首先完成數(shù)字萬用表卡初始化、矩陣開關(guān)卡初始化，以及網(wǎng)絡(luò)初始化。開機(jī)初始化正常后等待用戶指令開始測試，如主界面所示，用戶可選系統(tǒng)自檢、導(dǎo)通檢測、通斷檢測、遠(yuǎn)程通訊。

3.2.1 系統(tǒng)自檢模塊

系統(tǒng)自檢模塊完成以下功能：繼電器開路自檢、繼電器短路自檢、精度自檢3個(gè)工作項(xiàng)目。其中，繼電器開路自檢功能是在CPCI矩陣開關(guān)板卡上的指定繼電器不閉合的狀態(tài)下測試其是否為開路狀態(tài)；繼電器短路自檢功能是在CPCI矩陣開關(guān)板卡上的指定繼電器閉合狀態(tài)下測試其是否為短路狀態(tài)；精度自檢是測試檢測裝置內(nèi)置的高精度電阻的阻值，并與其標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以測試多用表的測試精度，以及裝置內(nèi)部自身線阻或溫度干擾引起的誤差。

在每個(gè)自檢功能結(jié)束后，都對測試結(jié)果進(jìn)行保存，并輸出測試報(bào)告。自檢模塊流程如圖7所示。

圖7 自檢模塊流程圖

3.2.2 導(dǎo)通檢測模塊

接收到導(dǎo)通測試命令之后，程序進(jìn)入到導(dǎo)通檢測模塊，用戶可以選擇不同的導(dǎo)通測試輸入文件，進(jìn)行相應(yīng)的導(dǎo)通測試。程序根據(jù)輸入的配置文件選取相應(yīng)的測試點(diǎn)，通過矩陣開關(guān)卡的驅(qū)動(dòng)控制相應(yīng)的繼電器閉合，讀取萬用表值，逐次逼近最佳測量范圍，獲取到最終的測量結(jié)果，測試完畢后顯示測試結(jié)果，同時(shí)記錄測試數(shù)據(jù)后生成測試報(bào)告。無源檢測裝置導(dǎo)通檢測模塊流程如圖8所示。

圖8 導(dǎo)通測試模塊流程圖

3.2.3 通斷檢測模塊

接收到通斷測試命令之后，程序進(jìn)入到通斷檢測模塊，用戶可以選擇不同的通斷測試輸入文件，進(jìn)行相應(yīng)的通斷測試，測試原理與導(dǎo)通類似。

3.2.4 遠(yuǎn)程通訊模塊

無源檢測裝置軟件既可以本地化操作，完成系統(tǒng)自檢，通斷或?qū)y試，又可以通過以太網(wǎng)口，接收測試主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的各項(xiàng)指令，完成各項(xiàng)本地化操作，同時(shí)將測試結(jié)果遠(yuǎn)程傳輸給主控計(jì)算機(jī)，整個(gè)遠(yuǎn)程操作無需本地人員操作干預(yù)。程序開始運(yùn)行后，在主頁面可以選擇本地或者遠(yuǎn)程操作，參數(shù)設(shè)置以后軟件保存在配置文件中，在下一次啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)選擇配置的參數(shù)。這樣的優(yōu)點(diǎn)是無源檢測裝置加電啟動(dòng)后無需人員在本地操作，直接在遠(yuǎn)程即可進(jìn)行相應(yīng)測試，帶來極大的便利性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證無源檢測裝置的測量快速性與測量精度，選取了50個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行測試。由人工使用手持萬用表的方式測量其兩兩之間的絕緣電阻，結(jié)果用時(shí)為15分鐘，采用本測試裝置僅使用了2分鐘，而且人工檢測沒有做測試數(shù)據(jù)的記錄，自動(dòng)檢測完成后會(huì)將測試數(shù)據(jù)記錄下來，故自動(dòng)檢測裝置具有良好的快速性。

為驗(yàn)證檢測精度，外接100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，1 MΩ和10 MΩ精密電阻進(jìn)行測量，每組分別測試10次，然后將測試結(jié)果進(jìn)行平均計(jì)算，測試結(jié)果見表1，由測試結(jié)果可看出測量誤差在1%以內(nèi)，滿足測試需求。

表1 精度測量結(jié)果

5 結(jié)束語

隨著航空航天、國防領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相應(yīng)的裝備產(chǎn)品及其測試設(shè)備的功能也逐步變得復(fù)雜。在地面測試系統(tǒng)中使用的核心元器件、軟件產(chǎn)品長期依賴于進(jìn)口，由于中美貿(mào)易摩擦導(dǎo)致這些元器件及軟件的價(jià)格、訂貨周期以及貨源供應(yīng)都變得不可靠，極大地影響了我國在航空航天、國防等領(lǐng)域的發(fā)展，所以本文設(shè)計(jì)了一種基于國產(chǎn)的龍芯平臺(tái)以及中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)的無源檢測裝置。

在裝備產(chǎn)品電纜的導(dǎo)通、絕緣測試時(shí)，人工測試存在效率低下、耗時(shí)較多、可靠性差等問題。為解決以上痛點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一款無源檢測裝置，測試軟件通過讀取配置文件，自動(dòng)運(yùn)行已配置的測試項(xiàng)，將測試過程簡化，提升了測試效率，提高了測試的可靠性。同時(shí)本裝置具有遠(yuǎn)程操作功能，有效地提升測試系統(tǒng)的靈活性。經(jīng)過試驗(yàn)表明，本無源檢測裝置在軟硬件方面不僅做到了自主可控，而且在使用過程中界面友好、易于操作，同時(shí)具有快速性、可靠性及可擴(kuò)展性的優(yōu)點(diǎn)。目前該裝置已在多個(gè)型號(hào)中使用，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，得到了客戶的一致好評，具有很好的使用價(jià)值。