VXI總線在通用裝備測試系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展

 摘  要：將VXI總線技術(shù)在通用裝備測試系統(tǒng)中推廣應(yīng)用具有很大的現(xiàn)實意義。結(jié)合實際工作經(jīng)驗，介紹了基于VXI總線的自動測試系統(tǒng)的組建和開發(fā)VXI專用模塊的一般方法和過程，并對VXI自動測試系統(tǒng)的發(fā)展作了探討。 
    關(guān)鍵詞：測試系統(tǒng) VXI總線 兵器測試
 
    隨著軍事裝備的發(fā)展，其功能越來越強大，設(shè)備越來越復(fù)雜，對測試系統(tǒng)的要求也越來越高。測試項目和范圍的不斷擴大，對測試速度和準(zhǔn)確度的要求進一步提高，對測試系統(tǒng)的可靠性、通用性、開發(fā)時間等也提出了更高的要求。
    VXI（VMEbus Extensions For Instrumentation）總線技術(shù)是當(dāng)今計算機測控技術(shù)發(fā)展的主流，也是自動檢測設(shè)備（ATE）標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的核心。VXI總線是一種真正的世界范圍內(nèi)完全開放的總線標(biāo)準(zhǔn)，它具有標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、模塊化等特點。以VXI技術(shù)為核心組建通和裝備的測試系統(tǒng)不當(dāng)前裝備測試的首要選擇。
1 測試系統(tǒng)硬件的組建
    VXI總線測試系統(tǒng)是一種計算機控制的測試系統(tǒng)，一般由主計算機、VXI總線主機箱和VXI總線模塊組成。依據(jù)主計算機與系統(tǒng)的連接方式不同，系統(tǒng)可分為內(nèi)嵌式和外掛式兩種。所謂內(nèi)嵌式就是將一臺標(biāo)準(zhǔn)計算機集成在0槽模塊中，應(yīng)用時只需接上鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)等設(shè)便可實現(xiàn)VXI控制。它具個有最小的物理尺寸，并與背板總線直接連接，可直接采用字串協(xié)議與VXI消息基設(shè)備進行通信，充分發(fā)揮了VXI總線的性能，但不能跟蹤PC機技術(shù)的發(fā)展，通常用于數(shù)據(jù)傳輸速率高和對測試系統(tǒng)空間尺寸要求高的場合。而外掛式，主計算機采用GPIB（IEEE488）或者MXI總線，通過安裝于計算機內(nèi)部的GPIB或MXI接口卡，完成對VXI總線、GPIB總線中VME總線等儀器的控制。這種方式的優(yōu)勢在于能夠隨著能愛畜計算機的發(fā)展而不斷更新控制平臺，還可以與GPIB、VME總線儀器方便地構(gòu)成混合測試系統(tǒng)。
    目前國內(nèi)許多單位擁有大量的GPIB及VME總線儀器，而在某些領(lǐng)域內(nèi)，面向被測對象還需用一些專用設(shè)備。所以考慮到經(jīng)費的限制，只要條件（如體積、速度等）允許，就應(yīng)當(dāng)充利用這些現(xiàn)有資源；同時有些測試領(lǐng)域（如微波）的VXI產(chǎn)品開發(fā)種尚不夠多，還存在系統(tǒng)開發(fā)的因循漸進問題，所以一般情況下，我們應(yīng)選擇VXI總線混合式測試系統(tǒng)。系統(tǒng)組建可按圖1所示的流程進行。
    其中，測試需求分析和測試方法研究應(yīng)在系統(tǒng)集成人員的協(xié)助下，由熟悉被測對象的專業(yè)人員來完成。這兩項研究的結(jié)果，直接影響到整個系統(tǒng)的簡繁程度和設(shè)計的合理性、先進性。應(yīng)當(dāng)在滿足測試要求的前提下，盡量選擇性能價格比好的產(chǎn)品。例如，在采集很窄的脈沖時，如果信號是可重復(fù)的，就沒有必要對采集模塊的采樣速率做出很高的要求，使用采集速度不太高的數(shù)字示波器在多周期里對其進行隨機采樣，就可以得到所需要的波形和各種參數(shù)。后面各項應(yīng)由測試人員、專業(yè)人員配合系統(tǒng)集成人員共同完成。
    除必不可少的專用設(shè)備外，所選設(shè)備應(yīng)盡量通用化、標(biāo)準(zhǔn)化。主機箱和0槽模塊以及通用儀器模塊應(yīng)以知名公司的成熟產(chǎn)品為主，這樣可以保證質(zhì)量，性能價格比適中。對于主機箱，一般情況下應(yīng)選擇普通主機箱；在對電磁兼容要求高的測試場合，應(yīng)考慮選擇微波主機箱；車載、艦載等場合應(yīng)當(dāng)考慮選擇加固機箱。其它模塊可以在優(yōu)先考慮適用、成熟而對信譽良好的VXI產(chǎn)品的前提下，根據(jù)實際情況，盡量利用原有的儀器資源。在將GPIB儀器更換為VXI模件時，應(yīng)選易后難、循序漸進。當(dāng)系統(tǒng)測試有特殊要求時，為了降低價格、提高性能，也可自行設(shè)計模塊。
2 測試系統(tǒng)軟件平臺的選擇
    測試軟件是為有效地運用硬件系統(tǒng)資源、實現(xiàn)各種測控功能而提供的程序系統(tǒng)及有關(guān)資料的集合。測試軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。
    系統(tǒng)軟件是指為充分發(fā)揮或擴充硬件交通而配置的軟件。VXI系統(tǒng)軟件按其層可分為與儀器打交道的底層軟件、中間層的儀器驅(qū)動軟件以及最高層的“軟面板”軟件；除此之外，屬消息基模塊的儀器還有相應(yīng)的駐機軟件。這些軟件通常是由廠家提供的。由于VXI總線規(guī)范只規(guī)定了機械和總線的規(guī)范，沒有對軟件和語言作出規(guī)定，為了提高儀器驅(qū)動程序質(zhì)量和兼容性，世界上主要的儀器生產(chǎn)廠家成立了VXIplug&play聯(lián)盟，規(guī)定了VXI軟件規(guī)范，即VPP規(guī)范，增加了系統(tǒng)的開放性和多個廠家的互換性。現(xiàn)在廠家提供的驅(qū)動器一般都是符合VPP規(guī)范的。
應(yīng)用軟件是指用戶為解決采集、測試和控制等具體問題而編制的軟件。用戶在開發(fā)應(yīng)用軟件時，軟件平臺的合理選擇對于包括VXI產(chǎn)品在內(nèi)通用設(shè)備的應(yīng)用開發(fā)具有重要的影響。除了Windows下通用的編程環(huán)境外，目前比較流行的開發(fā)平臺有以下三種：
（1）NI公司的LabWindows/CVI，它提供ANSI C編程環(huán)境，支持有圖形用戶接口的開發(fā)應(yīng)用工作，支持VPP儀器驅(qū)動器。圖形用戶接口專門用于儀器控制器的設(shè)計，支持儀器驅(qū)動呂的交互式控制、軟件的操作執(zhí)行等，用它開發(fā)符合VPP規(guī)范的儀器驅(qū)動器比較方便。
（2）NI公司的LabView，它雖然不使用C語言，但有使用儀器驅(qū)動器DLL的能力，支持VPP儀器驅(qū)動器。它支持圖形用戶接口的開發(fā)，是一種圖形化編程語言。
（3）HP公司的HP VEE，它提供的儀器控制方式比較多，如使用SCPI命令的Direct I/O方式和使用VPP儀器驅(qū)動器等；對于HP公司的儀器，還可以使用它提供的面板驅(qū)動器（Panel Driver）。編程時它和LabView相似，使用圖形化的編程工具，測試人員只需調(diào)出所使用儀器的圖標(biāo)，輸入相關(guān)的條件和參數(shù)，并按測試流程將儀器連接起來就可完成編程工作。
     此外，美國的Tektronix、ManTech和Racal公司都已研制出基于圖形的軟件開發(fā)平臺。具體使用哪種軟件平臺，用戶可根據(jù)自己的需要和對軟件的熟悉程序來決定。如果采用的是混合式測試系統(tǒng)，應(yīng)用于較簡單的測試任務(wù)、對測試速度要求不高時，可根據(jù)產(chǎn)品的廠家選用其中一種，采用相應(yīng)的圖形編程，或者形和傳統(tǒng)編程語言混合編程；當(dāng)測試任務(wù)較為復(fù)雜、對測試速度要求較高時，則可選用語言編程，如LabWindows/CVI，或者選擇一種通用的WINDOWS平臺，如采用Visual Basic或Visual C++等語言編程開發(fā)。
3 專用模塊的開發(fā)
    VXI總線模塊設(shè)計主要包括寄存器基模塊設(shè)計和消息基模塊設(shè)計。對于一些功能簡單而通信速度高的模塊，可設(shè)計成寄存器基器件；對一些復(fù)雜的具有本地智能的模塊，應(yīng)設(shè)計成消息基器件。無論是消息基還是寄存器基，VXI總線模塊的電路都由總線接口電路和功能電路兩部分組成。其中，功能電路部分需要根據(jù)本模塊要完成的測試測量功能來進行具體的電路設(shè)計。由于當(dāng)今電子儀器種類繁多，各類儀器采用的測試測量方法各不相同，并且同一種電子測試測量功能也可以采用不同的方法實現(xiàn)，因此，一般儀器的功能電路最好由對該儀器有一定經(jīng)驗的工程師設(shè)計完成。VXI接口電路設(shè)計的依據(jù)是兩個國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1014和IEEE 1155，即VME計算機總線標(biāo)準(zhǔn)和VXI總線儀器標(biāo)準(zhǔn)，因而VXI總線接口儀器電路具有很強的共性。下面主要對接口電路的設(shè)計作出說明。
    對于寄存器基的模塊，它只支持VXI總線寄存器配置，不支持VXI總線的通信協(xié)議。所以VXI寄存器基模塊接口的主要功能是監(jiān)視總線上由主模塊啟動數(shù)據(jù)傳輸總線的DTB周期，并且在DTB周期指向它們時作出響應(yīng)。當(dāng)模塊需要中斷服務(wù)中，它還應(yīng)當(dāng)有中斷模塊。
消息基器件不僅具有通訊能力和本地智能，而且還具有DTB主模塊能力。與寄存器基模塊相比，它不僅有上述的VXI總線從者接口，而且還具有本地智能，以支持由CPU模塊通過器件配置寄存器的通訊寄存器實現(xiàn)字串行通訊協(xié)議。
    設(shè)計VXI總線的接口電路時，器件的配置可以用雙端口RAM實現(xiàn)，也可以使用可編程邏輯陣列（PLA）技術(shù)或現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)。如果用戶不想自行設(shè)計接口電路，可采用一些儀器公司的專用接口芯片，如Interface公司的IT9010和IT9010M。前者是寄存器基接口芯片，后者是消息基接口芯片。
在完成硬件的制作以后，應(yīng)當(dāng)為模塊編寫符合VPP規(guī)范的驅(qū)動器。目前比較流行的開發(fā)儀器驅(qū)動器軟件是LabWindows/CVI。CVI為用戶開發(fā)儀器驅(qū)動器提供了Create IVI Instrument Driver工具。用戶在開發(fā)儀器驅(qū)器時，一般可以采用兩種方法：一是在Create INI Instrument Driver工具中選擇Create New Driver，這個工具根據(jù)用戶選擇的儀器接口類型和儀器的種類，自動生成IVI規(guī)范所要示訴所有模板函數(shù)框架的代碼，用戶根據(jù)自己開發(fā)模塊的實際情況填充代碼，也可以在此基礎(chǔ)上增加其它函數(shù)。另一種方法就是根據(jù)已有的具有類似儀器功能的儀器驅(qū)動器進行改造，在Create IVI Instru ment Driver工具中選擇    Create Driver Based on Existing Driver，然后輸入已存在的驅(qū)動器，CVI會自動對此驅(qū)動器代碼的儀器前綴等進行修改，用戶在此基礎(chǔ)上再修改驅(qū)動器代碼，實現(xiàn)對自己開發(fā)儀器的控制。當(dāng)然，用戶也可以在Windows通用軟件平臺上開發(fā)儀器驅(qū)動器，如Visual C++。一般情況下，它們比使用CVI軟件開要困難一些。
    VPP規(guī)定廠家為用戶提供儀器驅(qū)動器的同時，必須提供儀器的軟面板。儀器的軟面板是不依賴于任何開發(fā)環(huán)境的可執(zhí)行程序。它取代了傳統(tǒng)的臺式儀器的前面板，在計算機屏幕上顯示用于控制儀器的各種按鍵、旋鈕和儀器輸出信息等。軟面板有兩個作用，一是幫助用戶檢測系統(tǒng)的通訊接口和儀器是不確配置和正常工作；二是幫助用戶熟悉儀器的主要功能。
    在CVI環(huán)境中，使用用戶界面文件（.uir）來制作軟面板。開發(fā)軟面板時先直接在用戶界面上生成所需的各種按鍵、旋鈕和輸出信息框，然后再用事件驅(qū)動的方式編程。在制作用戶界面時要符合VPP-7規(guī)范，如軟面板主窗口的右上部標(biāo)顯示VXIplug&play標(biāo)識，左上部標(biāo)明廠家，窗口上部標(biāo)明儀器名稱和模塊號等。軟面板制作完成后，對應(yīng)按鍵、旋鈕等用戶控制部件的功能生成相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。函數(shù)的實現(xiàn)方法與制作驅(qū)動器的方法是相似的，不過需要將顯示給用戶的結(jié)果顯示到軟面板的合適位置上。
4 測試系統(tǒng)的發(fā)展
     隨著微電子、計算機及數(shù)字信號處理（DSP）等先進技術(shù)越來越多地應(yīng)用到測試技術(shù)中，未來測試系統(tǒng)發(fā)展有如下兩種趨勢。
4.1 集成儀器
     儀器與計算機技術(shù)的深層次結(jié)合將產(chǎn)生全新的儀器結(jié)構(gòu)概念，包括現(xiàn)有的虛擬儀器、卡式儀器及VXI總線和MMS為基礎(chǔ)的模塊式儀器和新出現(xiàn)的集成儀器。集成儀器將基于“信息的數(shù)據(jù)采集（ADC）、信號的分析與處理（DSP）、輸出（DAC）及顯示”的結(jié)構(gòu)模式。利用這個通用的硬件平臺，調(diào)用不同的測試軟件就可構(gòu)成不同功能的儀器，因此“軟件就是儀器”。由于硬件平臺是通用的，故可非常方便地將多種測試功能集成集于一體，實現(xiàn)多功能集成儀器。例如，一臺基于高速數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化儀，如果對采集的數(shù)據(jù)通過分析軟件進行定標(biāo)和數(shù)據(jù)點的顯示，就構(gòu)成一臺數(shù)據(jù)存儲的示波器；如果對采集的數(shù)據(jù)利用軟件進行FFT變換，則構(gòu)成一臺頻譜儀。在系統(tǒng)構(gòu)成上，將廢除由硬件積木單元實現(xiàn)的激勵和響應(yīng)的監(jiān)測，而采用由測試系統(tǒng)中的計算機從數(shù)學(xué)上合成所希望的激勵波形。響應(yīng)信號則利用高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)進行采集，然后將采集的數(shù)據(jù)由計算機進行數(shù)字處理和分析，從而得到測試結(jié)果。
4.2 集成測試環(huán)境
     測試軟件不管是對單臺儀器還是對測試系統(tǒng)都是十分重要的，而且也是未來發(fā)展競爭的焦點。國外專家預(yù)言“測試設(shè)備的未來屬于軟件”。未來的測試軟件能根據(jù)某種規(guī)范和屏幕上的某種圖形進行測試，將描述與測試生成模塊和數(shù)據(jù)提取自動化工具相結(jié)合，并將工具納入文件編制中。未來的測試環(huán)境除生成測試程序外，還將應(yīng)用其它領(lǐng)域的技術(shù)，如人工智能測試技術(shù)。人工智能專家系統(tǒng)的應(yīng)用，將充分利用計算機的“智能”，把最優(yōu)秀的測試專家的思維過程固化到測試程序的軟件中，把某種復(fù)雜的程序與計算機修正程序結(jié)合起來，從而大大提高測試系統(tǒng)的能力。人工智能測試技術(shù)除大量用于復(fù)雜測試的修正因子處理外，還將應(yīng)用于現(xiàn)代裝備系統(tǒng)的故障檢測與維修。
      充分利用通用集成測試儀器和集成測試環(huán)境，建立通用的儀器平臺和測試系統(tǒng)平臺，為各種功能的測試儀器和測試系統(tǒng)的二次開發(fā)將打下硬件和系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)。最終用戶只需在這個高水平平臺的基礎(chǔ)上開發(fā)一定的應(yīng)用軟件就能構(gòu)成實用儀器和實用測試系統(tǒng)，從而加快研制周期，降低研制成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。其中，高速、高分辨率的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理技術(shù)是未來測試儀器平臺和測試系統(tǒng)平臺的關(guān)鍵技術(shù)。