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摘要:計算機測試系統通常作為設備或武器系統的一個不可缺少的組成部分,其測試性能是衡量設備或武器系統優劣的一項重要指標。其應為基于標準總線的、模塊化的開放式體系結構且具備虛擬儀器特點。通過分析和比較VXI總線和PXI總線特點,給出了計算機測試系統的發展方向。歸納出了計算機測試系統應具備的9個方面功能。給出了設計和研制計算機測試系統應遵循的基本原則。

關鍵詞:測試系統;VXI總線;PXI總線

測試技術涉及到眾多學科專業領域,如傳感器、數據采集、信息處理、標準總線、計算機硬件和軟件、通信等等。測試技術與科學研究、工程實踐密切相關,兩者相輔相成,科學技術的發展促進了測試技術的發展,測試技術的發展反過來又促進了科學技術的進步。

測試儀器發展至今,大體經歷了5代:模擬儀器、分立元件式儀器、數字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。自上個世紀80年代以來,伴隨微電子技術和計算機技術飛速發展,測試技術與計算機技術的融合已引起測試領域一場新的革命。1986年美國國家儀器公司提出“虛擬儀器”即“軟件就是儀器”的概念。虛擬儀器是卡式儀器的進一步發展,是計算機技術應用于儀器領域而產生的一種新的儀器類型,它以標準總線作為測試儀器和系統的基本結構框架,配置測量模塊,通過軟件編程實現強大的測量功能。在虛擬儀器系統中,用靈活、強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件,用人的智力資源代替物質資源,特別是系統中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特征的解析,使儀器中的一些硬件、甚至整件儀器從系統中“消失”,而由計算機的硬軟件資源來完成它們的功能。另外,通過軟件可產生許多物理設備難以產生的激勵信號以檢測并處理許多以前難以捕捉的信號。虛擬儀器是計算機技術和測試技術相結合的產物,是傳統測試儀器與測試系統觀念的一次巨大變革。

測試技術和設備涉及國民經濟和國防建設的各行各業,先進的電子測試設備在眾多行業的科研、生產和設備維護使用過程中起著舉足輕重的作用。特別是在電子產品、航空航天、武器裝備、工業自動化、通信、能源等諸多領域,只要稍微復雜一點的涉及到弱電的系統(或裝置)都要考慮測試問題。測試系統是設備或裝備的一個必不可少的組成部分,如武器系統的維護維修離不開測試設備。一個系統(或裝置)測試功能的完備與否已成為衡量其設計是否合理和能否正常運行的關鍵因素之一。

測試儀器和系統在國民經濟和國防建設中起著把關和指導者的作用,它們廣泛應用于煉油、化工、冶金、電力、電子、輕工和國防科研等行業。測試儀器和系統從生產現場各個環節獲得各種數據,進行處理、分析和綜合,通過各種手段或控制裝置使生產環節得到優化,進而保證和提高產品質量。在武器系統科研試驗現場,測試儀器和系統可獲得試驗中各個階段和最終試驗數據,用于及時發現試驗中出現的問題和給出試驗結論,并為后續相關試驗提供依據。因此,測試儀器與系統對于提高科研和試驗效率,加快武器試驗進程和保證試驗安全至關重要。以雷達、綜合電子戰為代表的軍事電子領域,以預警機、戰斗機、衛星通信、載人航天和探月工程為代表的航空、航天領域及以導彈武器系統為代表的兵器領域等都離不開測試設備,它是這些裝備和系統正常使用和日常維護及維修所必備的。

1系統類型

現代的測試系統主要是計算機化系統,它是計算機技術與測量技術深層次結合的產物。隨著計算機技術的發展,構成測試系統的可選擇性不斷加大,按照測試功能要求,可構成多種類型的計算機測試系統。在計算機測試系統分類問題上并沒有嚴格的統一規范,以硬件組合形式劃分,測試系統可分為基于標準總線的測試系統、專用計算機測試系統、混合型計算機測試系統和網絡化測試系統等4種類型。

(1)基于標準總線的測試系統

基于標準總線的測試系統種類非常多,如ISA總線、PCI總線、STD總線、GPIB總線、CPCI總線、VXI總線和PXI總線等。這類系統采用各種標準總線,在PC計算機主板的擴展槽或者擴展機箱插槽上、工控機底板插槽上、VXI和PXI機箱背板總線上,插入各種A/D,I/O等功能和儀器模塊,構成測試系統。

目前各類標準總線功能模塊和模塊化儀器品種齊全且商品化程度高,因此系統集成容易。此類系統具有標準化、模塊化、可靠性高、可重構等特點。

(2)專用計算機測試系統

專用計算機測試系統是將具有一定功能的模塊相互連接而成。專用計算機測試系統又可分為2大類,一類是專業生產廠商設計生產的大型、高精度的專用測試系統;另一類是專業生產廠商生產的小型智能測試儀器和系統。

專用計算機測試系統最重要的特征是系統的全部硬軟件規模完全根據系統的要求配置,系統的硬軟件應用/配置比高。因此,系統具有最好的性能/價格比,在大批量定型產品中采用這種類型比較合適。根據所采用微處理器的不同,專用計算機測試系統又可分為標準總線計算機系統和單片機系統。

(3)混合型計算機測試系統

這是一種隨著8位、16位、32位單片機出現而在計算機測試領域中迅速發展的結構形式。它由標準總線系統與由單片機構成的專用計算機測試系統組成,并通過各種總線(串行或并行)將2部分連接起來。標準總線系統的計算機一般稱為主機,主機承擔測試系統的人機對話、計算、存儲和處理、圖形顯示等任務。專用機部分是為完成系統的特定功能要求而配置的,如各種數據的現場采集,通常稱為子系統。

(4)網絡化測試系統

利用計算機網絡技術、總線技術將分散在不同地理位置、不同功能的測試設備集成在一起,加上服務器、客戶端以及數據庫,組成測試局域網系統,通過網絡化的虛擬儀器軟件,共同實現復雜、相互組合的多種測試功能。網絡型計算機測試系統的靈活性較大,可用多種方式及時地索取現場數據。

2發展現狀

測試系統采用標準總線硬軟規范使得測試系統向開放性、集成化發展,推動了測試系統標準化、模塊化、虛擬化等進程。目前測試系統可選用的、主流的標準總線包括ISA總線、PCI總線、VXI總線、CP2CI總線和PXI總線及工業現場總線等,其中VXI總線和PXI總線最具有代表性。

VXI總線是上世紀80年代末期在VME總線的基礎上擴展而成的儀器系統總線。VXI總線由于采用模塊化開放式結構,易于擴展、重構和系統集成。它依靠有效的標準化,采用模塊化的方式,實現儀器模塊間的互換性和互操作性,使得不同廠商生產的測量模塊能容易地組建一個高性能的測試系統。其開放的體系結構和即插即用方式符合信息產品的要求。縮短了測試系統的研制周期,降低了成本,減小了風險。因此,VXI總線一經問世便受到了測試界的認可并迅速得到推廣。

VXI總線系統已在美國國防、航空航天、工業等領域得到較廣泛應用。美國國防部對其三軍武器維護維修的自動測試系統要求廣泛采用現成的基于標準總線的COTS或商用硬件和軟件產品。為了實現武器維護維修自動測試系統的標準化、通用化,陸海空軍分別采用了綜合測試設備(AFTE)、聯合自動保障系統(CASS)、新型通用測試站(CTS)。美國許多生產自動測試系統的公司正在把標準的ATLAS語言轉換為面向目標的Ada語言,將Ada為基礎的測試環境(ABETIEEE-1266)轉換為更廣泛的測試環境(ABBET)。ABBET是一種易于修改和擴充的模塊化開放式結構,而VXI總線和其VISA為能夠滿足這種環境的規范。為此,美國三軍廣泛使用VXI總線測量系統完成武器系統的維護維修,達到了降低費用、減少測試設備體積和提高測試效率等要求。

美軍F-22戰斗機從生產制造測試到現場維護維修測試過程都采用了商用的通用自動測試系統。此系統采用了VXI總線產品硬件、ABET軟件、UNIX/POSIX/WINDOWS操作系統、局域網LAN、PC/工作站、專家診斷系統、可編程儀器標準指令(SCPI)等等。該系統具有體積小、價格低、測試速度高及性能高等特點。另外,VXI總線測試還廣泛用于飛機測試、導彈測試、風洞數據采集、噴氣發動機測試、工業生產過程控制和波音757,767和777客機測試設備等等。

VXI總線測試系統不僅涉及到電子測量領域,而且已延伸到微波、毫米波和通信領域。在數字域、頻率域和時間域的測試得到了較廣泛的應用,譬如通信衛星、雷達和電子對抗測試中的任意波形發生器、頻譜儀、邏輯分析儀、網絡分析儀、微波/射頻模塊等。VXI總線不僅在軍事上獲得了應用,而且還在通信、鐵路、電力、石化、冶金等行業得到了廣泛應用。

全世界有近400家公司在VXI總線聯合會申請了制造VXI總線產品的識別代碼,其中大約70%為美國公司,25%為歐洲公司,亞洲僅占5%。在大約1300多種VXI產品中,80%以上是美國產品,其門類幾乎覆蓋了數據采集和測量的各個領域。在市場方面,2002年以前,美國VXI市場的總銷售額雖然仍以每年30%～40%的增長。近兩年來,由于PXI和CPCI等產品的掘起,VXI產品銷售增勢已趨緩。

1997年美國國家儀器公司NI了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規范———PXI總線標準。PXI的核心技術是CompactPCI工業計算機體系結構、MicrosoftWindows軟件及VXI總線的定時和觸發功能。PXI總線其實是PCI在儀器領域的擴展,它將CompactPCI規范定義的PCI總線技術發展成適合于測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范,從而形成了新的虛擬儀器體系結構。制訂PXI總線規范的目的是為了將臺式PC的性能價格比優勢與PCI總線面向儀器領域的必要擴展完美地結合起來,形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。

PXI總線的基礎一是當今計算機技術,二是借鑒和吸取了VXI總線特點。VXI基于VME總線,而PXI基于PCI總線。由于標準PCI總線帶寬是132MB/s,標準VME總線只有40MB/s,因此PXI總線性能優于VXI總線。由于PXI插卡尺寸小,所以它能夠為便攜式、臺式與固定架式裝置提供一個通用平臺。開放的PXI總線規范可組成模塊化的測試系統,它可以容易地整合多個廠家的測試產品。

PXI總線規范也能把不同平臺的儀器集成到PXI測試系統中。如為了兼顧已有的VXI總線系統和保護用戶投資,已開發了跨接VXI總線系統和PXI總線系統的轉接卡。

近幾年,PXI總線產品種類和數量增長迅速。PXI總線系統聯盟(PXISA)就有60多家公司參與,這些公司生產或集成基于PXI總線的測試模塊和測試系統。現在已有數百種不同的3U或6UPXI模塊供用戶選用。隨著其應用范圍和領域的不斷擴大,市場份額也將迅速增大。

目前,測試系統發展方向主要表現在以下幾個方面:

(1)基于標準總線的硬件平臺

測試系統采用模塊化開放式標準總線體系結構,易于擴展、重構和系統集成。于是,不同廠商生產的測量模塊能容易地組建一個高性能的測試系統。測試系統集成強調基于COTS,不僅可降低系統成本和研制周期,而且可使系統容易升級換代。

(2)分布式、網絡化結構

在工業生產和科研試驗現場,由于被測系統(或裝置)一般均采用分散布置或安裝,因此,測試系統應可采用分布式或網絡結構,以解決被測信號因長距離傳輸所造成的測試精度下降問題。同時,測試系統其內部電纜將明顯減少,解決了過去復雜的連接問題。網絡化測試系統具有資源共享、集中管理、分布測量和處理、功能多樣化和操作便捷等特點。

(3)同步授時

測試系統要保證與測試對象的時間同步,此外其本身也應有時間基準要求。因此,測試系統必須要有統一的時間基準即時統,時統一般采用IRIG-B碼。GPS授時為首選的一種時間基準。GPS授時型接收機不受時間、地點和氣候的限制,可提供高精度、連續的實時授時信息。在測試系統中,應采用具有自主授時、內外同步功能的GPS模塊以實現與測試對象同步。

(4)虛擬儀器

虛擬儀器技術的出現,大大增強了測試系統的功能。虛擬儀器的測量功能模式是“動態的”,可根據用戶需要來定義或擴展,而不是“靜態的”即固定的、不可變更的。除示波器、任意波形發生器、數字表、頻譜分析儀等通用測量與分析儀器外,對不同的參量測量類型和需求,通過虛擬儀器平臺,依各自測量參數的測量原理,利用信號分析與處理技術,通過編制軟件程序,就能實現用戶定制的各種測試儀器。因此,虛擬儀器在構建和改變儀器的功能和技術性能方面具有靈活性與經濟性,且可縮小測試設備的體積、減少其重量。

3基本功能特點

傳統的測試系統主要由“測試電路”組成,所具備的功能較少,也比較弱。隨著計算機技術的迅速發展,使得傳統測試系統發生了根本性和革命性變革。測試系統采用計算機代替常規電子線路作為主體和核心,從而產生了計算機測試系統。將計算機引入測試系統中,不僅可以解決傳統測試系統不能解決的問題,而且還能簡化電路、增加或增強功能、降低成本、易于升級換代。計算機測試系統具有高精度、高性能、多功能的特點。

計算機測試系統應用專業領域很廣,不同的應用領域使用的測試系統或儀器在名稱、型號、指標等方面有所區別,組成計算機測試系統的類型也不盡相同。但一般都應具備以下功能特點。

(1)自動校零

可在每次采樣前對傳感器的輸出值自動校零,從而降低因測試系統漂移變化造成的誤差,提高測試精度。

(2)自動修正誤差

許多傳感器的特性是非線性的,且受環境參數變化的影響比較嚴重,從而給儀器帶來誤差。可用軟件進行在線或離線修正;也可把系統誤差存貯起來,便于以后從測試結果中扣除,提高測試精度。

(3)量程自動切換

可根據被測量值的大小自動改變測量范圍,從而提高分辨率。

(4)多參數實時測量

可同時對多種不同參數進行快速測量,對一些參數還可多次重復測量或者連續測量,多次重復測量有利于誤差的統計,以更真實地反映參數變化規律。

(5)強大的數據處理、分析和評估

對測量的數據進行各種數學運算、誤差修正、量綱換算,以及時域和頻域分析等工作。對參數測量的結果具有分析和評估能力。

(6)虛擬儀器功能

通過軟件編程設計實現儀器的測試功能,而且可以通過不同測試功能的軟件模塊的組合來實現多種測試功能。

(7)模擬仿真

通過軟件可實現對被測試信號的模擬,以用于系統調試和自檢,也可將采集的信息進行回放,用于模擬或仿真被測設備的輸出。

(8)資源共享

利用計算機的網絡口和串并口,可完成測試系統與外部設備之間的數據傳輸,實現遠距離測量控制和資源共享,便于分布式測量、集中控制等。

(9)在線監測和故障診斷

可對測試系統自身進行實時監測,判斷測試結果的正確性,并能自動記錄和顯示;一旦發現故障則立即進行報警,顯示故障部位或可能的故障原因,可利用專家系統對故障排除方法進行提示。對于采用硬件熱備份的系統,還可進行熱切換,保證測試工作不中斷。

4設計原則

計算機測試系統的研制過程一般應從分析測試任務需求開始;然后進行系統總體方案設計、硬件設計、軟件設計、系統調試和現場調試;直到測試系統正式投入運行,并達到所要求的功能和性能指標為止。

測試任務需求分析階段非常重要,此階段主要分析系統的技術指標和功能,確定系統的輸入通道類型和數量(模擬、數字和開關)、量程范圍、采樣頻率和精度、傳感器類型、測試結果評定標準、輸出結果形式等。

對于計算機測試系統硬件設計,首先應綜合測試任務需求規模、測試功能指標和測試環境等要素,確定系統結構的基礎即選何種標準總線。由于測試任務需求的各異,對于相同硬件構架,通過軟件編程可以構成各種不同功能和用途的測試系統。測試軟件一般包括系統配置和標定、數據采集和存儲、數據處理和分析、數據交換和結果輸出、被測信號模擬仿真等5部分。

計算機測試系統設計時,一般應遵循和參照以下原則:

(1)高性能原則

測試系統可容納接口種類要多;通道容量要大;采樣頻率要高;采集精度要高;仿真模擬/信號發生器要具備;數據存貯器容量要大;實時采集與處理能力要強;綜合分析和評估要強;具備遠程診斷能力。

(2)軟件設計原則

軟件設計應遵循標準化、模塊化和可移植性強、代碼效率高等原則。

(3)小型化與自動化原則

系統硬件結構要小型化和標準化,以便于運輸和安裝;自檢功能要完備;智能化水平要高,便于操作。

(4)電磁兼容性原則

依據有關國軍標,確保系統自身的電磁兼容性;系統在實際工作環境下能可靠地正常地運行;不對其它設備有影響或造成干擾。

(5)可重構原則

能對測試系統硬件和軟件進行重新組合和配置,以適應不同測試對象的需求,從而提高投資效益。

5結束語

計算機測試系統在眾多行業的科研、生產和設備使用過程中起著舉足輕重的作用,其重視程度顯著提高。伴隨著信息技術的迅速發展,計算機測試系統將進一步向著開放性、標準化、模塊化、重構性強、虛擬化和網絡化等方向發展,其在工程技術的各個領域將得到更廣泛地應用。

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