竇賽,陳國順,賈彪
摘 要:為了解決現(xiàn)有復(fù)雜裝備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活性差的問題,將柔性測(cè)試技術(shù)引入自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中,構(gòu)建復(fù)雜裝備的柔性測(cè)試系統(tǒng)。首先介紹柔性測(cè)試技術(shù)的基本概念及特點(diǎn),對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行跟蹤;然后依據(jù)復(fù)雜電子裝備測(cè)試的特點(diǎn),為提高其通用性和靈活性,構(gòu)建復(fù)雜裝備柔性測(cè)試系統(tǒng);最后對(duì)復(fù)雜電子裝備柔性測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究。
關(guān)鍵詞:柔性測(cè)試技術(shù); 復(fù)雜裝備; 系統(tǒng)構(gòu)成; 關(guān)鍵技術(shù)
中圖分類號(hào):TN87-34
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1004-373X(2011)09-0141-04
Application of Flexible Testing Technology in Complicated Equipment Test
DOU Sai1,CHEN Guo-shun2,JIA Biao1
(1.Institute of Ordnance Engineering,Shijiazhuang 050000,China; 2.Research Institute of Ordnance Technology,Shijiazhuang 050000,China)
Abstract:
In order to solve problems such as complicated structure and poor flexibility of complicated equipment testing system,applying flexible testing technology to the ATS and constructing a flexible testing system to the complicated equipment. Firstly,the basic concept,features the development status of flexible testing technology are introduced. Then,a flexible testing system is constructed for improving the universality and flexibility of complicated electronic equipment. Finally,the key technology of the system is analyzed and studied.
Keywords: flexible testing technology; complicated equipment; system construction; critical technology
0 引 言
隨著現(xiàn)代軍用電子裝備的更新加快、復(fù)雜程度加深,軍用測(cè)試系統(tǒng)面對(duì)著測(cè)試種類繁多、多種技術(shù)的高交叉性以及技術(shù)更新速度加快等新挑戰(zhàn)。如何構(gòu)建一套通用、靈活、可升級(jí)的測(cè)試系統(tǒng),已成為困擾裝備保障的一大技術(shù)難題。
傳統(tǒng)的裝備測(cè)試系統(tǒng)很難既能考慮到測(cè)試的高效率同時(shí)又兼顧測(cè)試的低成本,不具備能夠根據(jù)被測(cè)裝備測(cè)試需求的變化而對(duì)自己本身進(jìn)行調(diào)整的靈活性,且可擴(kuò)展性差。因此將柔性測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,構(gòu)建柔性測(cè)試系統(tǒng),使自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以根據(jù)測(cè)試需求的變化柔性組建,從而達(dá)到提高測(cè)試系統(tǒng)通用性與靈活性的作用。
1 柔性測(cè)試技術(shù)概念及特點(diǎn)
柔性測(cè)試技術(shù)以多種相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ),是可滿足復(fù)雜、多樣化的測(cè)試測(cè)量需求的系統(tǒng)化技術(shù)。它整合了虛擬儀器、測(cè)試測(cè)量、機(jī)電一體化、網(wǎng)絡(luò)通信及軟件等多種技術(shù);既面向應(yīng)用,又專注于測(cè)試系統(tǒng)的創(chuàng)建和發(fā)展。
柔性測(cè)試技術(shù)是測(cè)試?yán)砟畹囊环N轉(zhuǎn)變,它不是針對(duì)某一個(gè)或一類具體的測(cè)試對(duì)象來具體構(gòu)建通用型的測(cè)試系統(tǒng),而是根據(jù)測(cè)試要求和測(cè)量對(duì)象,從應(yīng)用出發(fā)來規(guī)劃完整的測(cè)試平臺(tái),將測(cè)試測(cè)量解決方案或系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)作為一個(gè)整體來考慮,通過分析測(cè)試需求,站在全局的高度來構(gòu)建整個(gè)測(cè)試系統(tǒng),為各種測(cè)試測(cè)量需求提供完整的解決方案。
柔性測(cè)試技術(shù)具有適用性,靈活性,擴(kuò)展性三個(gè)特性。它能夠滿足多種測(cè)試環(huán)境要求,提供多種測(cè)試性能,并可以根據(jù)需求的改變,重構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)的功能以滿足測(cè)試要求,而且還能伴隨相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,使原有系統(tǒng)的能力得到擴(kuò)展,保證應(yīng)用系統(tǒng)的先進(jìn)性,實(shí)現(xiàn)測(cè)試能力的不斷提升。
2 柔性測(cè)試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,測(cè)試技術(shù)對(duì)電子裝備發(fā)展的作用越來越突出。自動(dòng)測(cè)試技術(shù)(ATS)作為測(cè)試技術(shù)中的一項(xiàng)重要技術(shù)與手段,更加受到世界各國的重視。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展可分為三代:第一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)測(cè)試任務(wù)而研制的專用型測(cè)試系統(tǒng);第二代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是在具有標(biāo)準(zhǔn)接口總線的臺(tái)式程控儀器的基礎(chǔ)上,以積木堆疊方式組建而成的;第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是基于VXI,PXI等測(cè)試總線,主要由模塊化的儀器/設(shè)備所組成的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[1]。
當(dāng)今復(fù)雜裝備的測(cè)試系統(tǒng)存在以下不足:專用型測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試資源配置具有很強(qiáng)的針對(duì)性,系統(tǒng)研制工作量大、成本高、適應(yīng)性不強(qiáng),不同的測(cè)試系統(tǒng)間很難實(shí)現(xiàn)互操作。通用型測(cè)試系統(tǒng)由于要滿足一定的通用性和參數(shù)覆蓋面,一方面導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)儀器設(shè)備種類眾多、體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活性差,另一方面系統(tǒng)各測(cè)試資源間存在冗余,增加了測(cè)試系統(tǒng)的體積和功耗。
為彌補(bǔ)現(xiàn)有裝備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的諸多不足,下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的主要目標(biāo)包括[2]:
(1) 顯著降低自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的維護(hù)和使用費(fèi)用;
(2) 通過提高測(cè)試系統(tǒng)的通用性,使用戶獲得最大限度的測(cè)試靈活性,以滿足不同測(cè)試用戶需要;
(3) 提高自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)新技術(shù)的注入能力,即使系統(tǒng)存在一定擴(kuò)展性,能夠隨著新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行升級(jí),以滿足不斷發(fā)展的用戶需求。
由此可見,下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的靈活性提出了更高的要求,即測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有相應(yīng)的適用性與靈活性,以滿足快速變化的不同測(cè)試需求的需要。同時(shí)還應(yīng)該具有擴(kuò)展性,以提高測(cè)試系統(tǒng)對(duì)新技術(shù)的納入能力?;谌嵝詼y(cè)試技術(shù)構(gòu)建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能夠很好地解決現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、靈活性差、擴(kuò)展性差、升級(jí)困難等問題現(xiàn)狀,很好地滿足下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)目標(biāo)要求。
國外方面,美國等西方軍事發(fā)達(dá)國家,已經(jīng)注意到了柔性測(cè)試的戰(zhàn)略意義,加快了這方面的研發(fā),尤其是在柔性儀器方面。
(1) 在2003年3月美國總審計(jì)署(GAO)發(fā)表《美國國防部需要更好地管理自動(dòng)測(cè)試設(shè)備現(xiàn)代化》報(bào)告后,美國國防部更加重視通用及靈活測(cè)試設(shè)備的開發(fā)與使用,這為柔性儀器的應(yīng)用提供了廣闊的背景。
為了降低成本,五角大樓計(jì)劃制定者正試圖通過采購?fù)ㄓ谩㈧`活的測(cè)試設(shè)備,取代目前正在使用的400多種不同類型的軍事與航空測(cè)試設(shè)備。為盡快實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo),測(cè)試設(shè)備制造商們正致力于PXI波形因數(shù)和柔性儀器等測(cè)試新技術(shù)的開發(fā)。
(2) 美國海軍制定了加固自動(dòng)化支持系統(tǒng)CASS(Consolidated Automated Support System)計(jì)劃。該計(jì)劃用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)代替25部測(cè)試儀器,支持2 458種武器元器件的測(cè)試。
(3) 2008年,美國國防部ATS局推出了敏捷快速全球作戰(zhàn)保障系統(tǒng)ARGCS(Agile Rapid Global Combat Support),它是一個(gè)演示系統(tǒng),提出了適合全軍共用、共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的規(guī)范體系,減少了各兵種自成體系的設(shè)備,避免了重復(fù)研制的浪費(fèi),結(jié)束了標(biāo)準(zhǔn)不兼容、不規(guī)范的局面,滿足現(xiàn)代諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的需求。該系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化以及開放的特性,滿足柔性測(cè)試系統(tǒng)的三個(gè)特性要求,是柔性測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)的具體體現(xiàn)。
國內(nèi)方面,柔性測(cè)試是于2008年提出的。經(jīng)過兩年的發(fā)展,柔性測(cè)試技術(shù)已經(jīng)在航空航天、汽車、船舶、電子、電力等領(lǐng)域有了初步的應(yīng)用,并取得了較好的效果。其中在汽車制造領(lǐng)域,柔性測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用成果更為突出:不僅在如何進(jìn)行柔性測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建方面得到了深入的研究,而且還有多套基于柔性測(cè)試技術(shù)的系統(tǒng)產(chǎn)品被設(shè)計(jì)出來。如汽車儀表盤終檢系統(tǒng)、汽車傳感器通用測(cè)試系統(tǒng)、電路板功能測(cè)試系統(tǒng)、汽車保險(xiǎn)絲盒裝配檢測(cè)系統(tǒng)以及噪聲定位源分析系統(tǒng)等[3-7]。
綜上所述,柔性測(cè)試技術(shù)作為解決現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)存在問題的一種重要的新興手段,已被初步應(yīng)用于民用以及軍事的相關(guān)測(cè)試領(lǐng)域,并在提高測(cè)試系統(tǒng)的通用性、靈活性與擴(kuò)展性方面取得了很好的效果。
3 復(fù)雜裝備柔性測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建
在對(duì)復(fù)雜裝備進(jìn)行測(cè)試時(shí),傳統(tǒng)的測(cè)試測(cè)量是用一種儀器完成一類測(cè)試功能,通過多種儀器組合實(shí)現(xiàn)一組完整測(cè)試。在許多情況下,不同儀器具有類似的內(nèi)部功能,這就造成了冗余和浪費(fèi)。將系統(tǒng)各功能單元進(jìn)行模塊化,用這些模塊化的、可完成某種特定功能的單元構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng),使系統(tǒng)能夠按照測(cè)試任務(wù)與要求,快速構(gòu)建出滿足測(cè)試要求的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),完成測(cè)試任務(wù);測(cè)試任務(wù)改變時(shí),系統(tǒng)能夠根據(jù)新的測(cè)試要求快速地重新組建出可完成新的測(cè)試任務(wù)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。這樣的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)就是柔性測(cè)試系統(tǒng)。
因此,柔性測(cè)試系統(tǒng)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)試功能來適應(yīng)新任務(wù)和新環(huán)境的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。
柔性測(cè)試系統(tǒng)的組成可大致由圖1所示結(jié)構(gòu)框圖來表示[8]。
圖1 柔性測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖1中,柔性測(cè)試系統(tǒng)由控制器/數(shù)字信號(hào)處理器單元、信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)切換接口單元以及波形發(fā)生器單元、波形數(shù)字化單元(ADC)等組成??梢娙嵝詼y(cè)試系統(tǒng)的激勵(lì)和測(cè)量功能是由激勵(lì)和測(cè)量通路配合數(shù)字信號(hào)處理單元來實(shí)現(xiàn)的,而系統(tǒng)測(cè)試功能的實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)的重構(gòu)等都是在控制器的控制下完成的。
柔性測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成與軟件無線電類似,主要的區(qū)別是把天線換成了與待測(cè)設(shè)備的接口,增加了支持更加復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路,以及系統(tǒng)重構(gòu)所要求的電路元件及信號(hào)通道。這些修改使柔性測(cè)試系統(tǒng)具有常規(guī)儀器所無法比擬的功能。
下面以柔性測(cè)試系統(tǒng)的激勵(lì)通道為例來進(jìn)行詳細(xì)說明。柔性測(cè)試系統(tǒng)激勵(lì)通道如圖2所示。
圖2 柔性測(cè)試系統(tǒng)激勵(lì)通道
圖2中,經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理模塊產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)波形,然后針對(duì)UUT所需激勵(lì)信號(hào)要求,如果需要數(shù)字信號(hào)則經(jīng)過數(shù)字信號(hào)調(diào)理后至切換接口直接供給UUT;如果需要模擬信號(hào)則需通過D/A轉(zhuǎn)換器及模擬信號(hào)調(diào)理后,經(jīng)切換接口供給UUT;如果需要射頻信號(hào),那么在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器及射頻信號(hào)調(diào)理模塊后,通過頻率上轉(zhuǎn)換器進(jìn)行頻率變換,再送至UUT。
實(shí)際系統(tǒng)中,信號(hào)的切換接口單元由適配器及自適應(yīng)測(cè)試信號(hào)接口構(gòu)成。由于被測(cè)設(shè)備所需激勵(lì)信號(hào)與所產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)種類繁多,因此,對(duì)應(yīng)每一種被測(cè)設(shè)備就需有與之相應(yīng)的適配器來與測(cè)試系統(tǒng)連接。接口適配器上裝有辨識(shí)電路,當(dāng)通過測(cè)試程序配置測(cè)試參數(shù)時(shí),程序會(huì)自動(dòng)調(diào)用與接口適配器對(duì)應(yīng)的測(cè)試參數(shù),防止誤操作。信號(hào)經(jīng)過適配器后,再經(jīng)自適應(yīng)測(cè)試信號(hào)接口送至相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理模塊處理。系統(tǒng)的信號(hào)處理以及系統(tǒng)的控制等功能均是通過系統(tǒng)的軟件來實(shí)現(xiàn)的。
通過如上所示系統(tǒng)的構(gòu)建,既使柔性測(cè)試系統(tǒng)具有一般傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的功能,使之能夠完成各項(xiàng)測(cè)試任務(wù)要求,還使系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì):
(1) 系統(tǒng)能夠利用標(biāo)準(zhǔn)通用模塊,通過系統(tǒng)的智能組建,就可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能,具有很高的通用性。
(2) 通過消除系統(tǒng)冗余的功能模塊,達(dá)到減小系統(tǒng)體積,降低系統(tǒng)成本的目的。
(3) 當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)需要升級(jí)或擴(kuò)展新的測(cè)試功能時(shí),只需添置或替換直接受影響的功能模塊,升級(jí)相應(yīng)的軟件,而不需要更換整個(gè)系統(tǒng),從而延長(zhǎng)了測(cè)試系統(tǒng)的使用壽命,節(jié)約了成本。
4 復(fù)雜裝備柔性測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
4.1 總線技術(shù)
“測(cè)試系統(tǒng)的組成離不開測(cè)試總線,總線本身亦成為測(cè)試系統(tǒng)的主要組成部分” [9]。方便快捷的儀器總線是柔性測(cè)試系統(tǒng)快速組建的保障。根據(jù)測(cè)試需求的不同,系統(tǒng)需要從一種構(gòu)型快速轉(zhuǎn)換到另一種構(gòu)型。因?yàn)橄到y(tǒng)的各個(gè)功能模塊是共用的,所以一個(gè)測(cè)試完成后,需要系統(tǒng)的各功能模塊快速拆卸歸庫,以供再次構(gòu)建系統(tǒng)使用,同時(shí)還要求系統(tǒng)能夠快速組建滿足新的測(cè)試需求的測(cè)試系統(tǒng)。構(gòu)建柔性測(cè)試系統(tǒng)主要采用LXI,VXI,PXI三類總線。尤其是融合了GPIB總線的高性能、VXI/PXI總線構(gòu)造儀器體積小以及LAN的高速吞吐率等特點(diǎn)的LXI總線,具有高速、靈活、無需專用機(jī)箱、可單獨(dú)使用等優(yōu)點(diǎn),能夠很好滿足柔性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)總線的要求。
4.2 儀器互換技術(shù)
測(cè)試儀器的可互換性直接關(guān)系到測(cè)試系統(tǒng)的靈活性與擴(kuò)展性,因此儀器互換技術(shù)是構(gòu)建柔性測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。IVI (Interchangeable Virtual Instruments)是基于需求驅(qū)動(dòng)的,其接口有嚴(yán)格的語義標(biāo)準(zhǔn),因而易于實(shí)現(xiàn)儀器的互換性和軟件的移植性。其實(shí)現(xiàn)原理為[10]:應(yīng)用程序通過一個(gè)邏輯名來調(diào)用IVI類驅(qū)動(dòng)器,IVI類驅(qū)動(dòng)器將該邏輯名與IVI配置文件中的所有邏輯名進(jìn)行匹配,得到實(shí)際的IVI類專用驅(qū)動(dòng)器指針,并實(shí)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)加載,然后將IVI類驅(qū)動(dòng)器中的函數(shù)和屬性與IVI類兼容專用驅(qū)動(dòng)器的對(duì)應(yīng)函數(shù)和屬性進(jìn)行鏈接,使應(yīng)用程序可以間接地訪問這些函數(shù)和屬性。
雖然IVI技術(shù)規(guī)范目前尚在制訂中,目前只有示波器、萬用表、函數(shù)發(fā)生器、多路開關(guān)等9種儀器的類驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)化,而且IVI只適合同類儀器的互換,但隨著技術(shù)的進(jìn)步和廠商進(jìn)一步支持,IVI技術(shù)必定會(huì)在提高系統(tǒng)靈活性與擴(kuò)展性方面得到更廣泛的應(yīng)用。
4.3 可重配置技術(shù)
可重配置技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)柔性測(cè)試系統(tǒng)通用性和靈活性的關(guān)鍵,也是構(gòu)建柔性測(cè)試系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)。系統(tǒng)的可重配置主要體現(xiàn)在軟件與硬件兩個(gè)方面。
系統(tǒng)軟件的可重配置通過軟件的分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)軟件體系分為系統(tǒng)管理層、測(cè)試程序?qū)?、儀器控制層。其中,系統(tǒng)管理層實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的管理,包括測(cè)試需求的描述、測(cè)試功能模塊的分類與管理、最優(yōu)資源集合的生成等。測(cè)試程序?qū)又饕獙?shí)現(xiàn)測(cè)試程序的管理,包括根據(jù)測(cè)試需求調(diào)用相應(yīng)的測(cè)試程序、重構(gòu)適于測(cè)試需求的測(cè)試軟件等。儀器控制層通過解析系統(tǒng)管理層的配置信息和命令參數(shù),控制各功能模塊按照要求執(zhí)行,完成測(cè)試功能。通過軟件分層式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)測(cè)試程序快速有效的重新配置,進(jìn)而完成測(cè)試任務(wù)。
系統(tǒng)硬件的可重配置體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面通過系統(tǒng)軟件儀器控制層的程序控制,調(diào)用不同的功能模塊實(shí)現(xiàn);另一方面,系統(tǒng)主要的電路功能通過FPGA來實(shí)現(xiàn),F(xiàn)PGA的可現(xiàn)場(chǎng)編程功能特性,支持用戶現(xiàn)場(chǎng)重新下載配置信息來改變功能,從而實(shí)現(xiàn)重新配置。
5 結(jié) 語
柔性測(cè)試技術(shù)是多種技術(shù)的集成者,基于柔性測(cè)試技術(shù)構(gòu)建的柔性測(cè)試系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通用性、靈活性和擴(kuò)展性,能很好地滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)要求,并能較大程度地減少系統(tǒng)冗余,節(jié)約成本,具有較好的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。
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