基于VI的艦船電子裝備測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少和出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。VI要比傳統(tǒng)的電子儀器更能適應(yīng)迅猛發(fā)展的當(dāng)代科學(xué)技術(shù)對(duì)測(cè)量技術(shù)和測(cè)量?jī)x器不斷提出的更新和擴(kuò)展功能與性能的要求。

基于VI技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在艦船電子裝備測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)采用VI技術(shù)，根據(jù)不同的測(cè)試要求，以核心測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展，縮短艦船電子裝備測(cè)試診斷時(shí)間，提高測(cè)試效率，減少裝備維修費(fèi)用。測(cè)試儀器總線采用PＸＩ總線，PXI總線是以PCI為基礎(chǔ)的，由具有開放性的PCI總線擴(kuò)展而來(lái)。PXI總線符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械、電氣和軟件特性方面充分發(fā)揮了PCI總線的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。目前基于PCI總線的軟硬件均可應(yīng)用于PXI系統(tǒng)中，從而使PXI系統(tǒng)具有良好的兼容性。PXI還有高度的可擴(kuò)展性，它有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3～4個(gè)擴(kuò)展槽。PXI系統(tǒng)通過(guò)使用PCI-PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽。PXI總線的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到132Mbps，是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速率。通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊組合化是艦船電子裝備測(cè)試系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，基于PＸＩ總線技術(shù)的艦船電子裝備測(cè)試系統(tǒng)在通用性、標(biāo)準(zhǔn)化以及模塊組合方面具有明顯的性能價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)PＸＩ總線仍將是自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的主要總線技術(shù)。艦船電子裝備備件測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)的基本思路為：

①充分吸收國(guó)內(nèi)外科研技術(shù)人員近幾年所取得的工作成果，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等各方面完成已有成果的轉(zhuǎn)化利用，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效低耗的目的。

②利用國(guó)內(nèi)外已有的VI技術(shù)，將這些成熟技術(shù)進(jìn)行移植，用于電子裝備備件測(cè)試系統(tǒng)中，系統(tǒng)硬件盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，具有可擴(kuò)展性、可移植性和可重組性。

③系統(tǒng)具有自檢、自校準(zhǔn)功能，有完善的計(jì)量測(cè)試接口。

3 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代艦船電子裝備中存在多種類型的電路板，包括模擬型、模擬數(shù)字混合型、單純的數(shù)字邏輯型、具有計(jì)算機(jī)總線型以及用于供電的電源型。信號(hào)涉及到電壓、頻率、機(jī)電、光電、聲電等多種不同類型的被測(cè)信號(hào)。根據(jù)艦船電子裝備各被測(cè)部件的電氣特征和測(cè)試系統(tǒng)所要完成的測(cè)試任務(wù)，并且考慮測(cè)試系統(tǒng)的可靠性、擴(kuò)展性、可移植性及可重組性的要求，我們組建了基于VI的艦船電子裝備測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)硬件總體框圖

3.1 數(shù)字邏輯電路板測(cè)試平臺(tái)

對(duì)于數(shù)字式電路板的檢測(cè)，常采用的方法是矢量激勵(lì)法。數(shù)字矢量方法激勵(lì)元件的輸入端，在輸出端測(cè)試輸出邏輯是否符合原設(shè)計(jì)要求，這種方法對(duì)于簡(jiǎn)單邏輯電路非常適用，但是當(dāng)邏輯電路復(fù)雜時(shí)，開發(fā)測(cè)試矢量就極其困難，而且通常這種情況下產(chǎn)生的測(cè)試矢量數(shù)也非常龐大，勢(shì)必帶來(lái)測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，或者不可測(cè)性；雖然邊界掃描技術(shù)的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了測(cè)試矢量的生成難度，但是產(chǎn)生的測(cè)試矢量數(shù)仍然較多。從技術(shù)的成熟性，簡(jiǎn)易性和裝備的實(shí)際情況，仍然采用矢量激勵(lì)法對(duì)數(shù)字式電路板進(jìn)行檢測(cè)。

數(shù)字邏輯電路板測(cè)試子平臺(tái)分成三個(gè)部分（見(jiàn)圖2）：第一部分采用通用的計(jì)算機(jī)，完成主控功能。波形控制軟件、采樣控制軟件和故障診斷軟件均在微機(jī)上運(yùn)行。第二部分為測(cè)試向量信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生多路的輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被測(cè)電路板。第三部分為高速數(shù)字信號(hào)采樣器，作用是對(duì)被測(cè)電路板的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果送計(jì)算機(jī)處理。計(jì)算機(jī)控制測(cè)試信號(hào)發(fā)生器和高速數(shù)字信號(hào)采樣器，對(duì)被測(cè)電路板的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯關(guān)系比較，從而判斷被測(cè)電路板功能是否正常。

3.1 模擬電路板測(cè)試平臺(tái)

模擬電路板測(cè)試子平臺(tái)采用基于PXI的VI系統(tǒng)，VI的最大特點(diǎn)在于可以根據(jù)測(cè)試需要來(lái)定義儀器的功能，其靈活性和高性能得益于不斷發(fā)展的數(shù)字化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。VI利用圖形化編程技術(shù)和測(cè)試程序自動(dòng)生成技術(shù)，通過(guò)自定義的儀器面板，實(shí)現(xiàn)PXI模塊的控制和被測(cè)信號(hào)的顯示和處理。PXI吸收了VXI的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)受益于Compact PCI（CPCI），因而速度更快、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固緊湊、系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，在射頻和微波頻帶以下的低、中高頻段可以替代VXI，而且價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，深受廣大用戶歡迎，目前正朝氣蓬勃地向商用與軍用領(lǐng)域拓展，并在美、歐、澳等國(guó)得到了成功應(yīng)用。同時(shí)，基于VXI的軟件可以移植到PXI系統(tǒng)。以NI為主，經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，基于PXI的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備已經(jīng)基本可以滿足需求。其框圖如圖3所示：

①系統(tǒng)控制器模塊主要通過(guò)PXI背板上的PCI總線來(lái)管理其他所有模塊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、結(jié)果表達(dá)。

②多功能數(shù)據(jù)采集卡模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)的采集。

③信號(hào)調(diào)理模塊用于信號(hào)的放大和對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。

④任意波形發(fā)生器模塊起到一個(gè)信號(hào)源的作用，產(chǎn)生被測(cè)電路所需的各種激勵(lì)信號(hào)。

⑤數(shù)字萬(wàn)用表模塊用來(lái)完成對(duì)電壓、電流、電阻的測(cè)量。

⑥矩陣開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)在不同待測(cè)物間的切換。

⑦程控電源用來(lái)給測(cè)試平臺(tái)各部件外加電源。

⑧探針用來(lái)對(duì)檢測(cè)孔的測(cè)試，對(duì)故障進(jìn)行定位。

3.3 計(jì)算機(jī)總線型電路板檢測(cè)平臺(tái)

計(jì)算機(jī)總線型電路板測(cè)試子平臺(tái)采用數(shù)字邏輯電路板的測(cè)試方法完成計(jì)算機(jī)總線型的電路板測(cè)試，利用各種信號(hào)的時(shí)序組合來(lái)模擬計(jì)算機(jī)的總線信號(hào)。當(dāng)然還可以組建基于PXI的測(cè)試系統(tǒng)。

3.4 模擬數(shù)字混合型電路板檢測(cè)平臺(tái)

在模擬/數(shù)字混合型電路板中，既有模擬信號(hào)又有數(shù)字信號(hào)。其中有相當(dāng)一部分用于計(jì)算機(jī)控制型系統(tǒng)的模擬量輸入/輸出接口中，對(duì)于這類電路板的測(cè)試，可以將模擬電路板測(cè)試平臺(tái)和計(jì)算機(jī)總線型電路板測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)組合，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試要求。在進(jìn)行組合時(shí)，需要考慮電路板的插座適配器。

3.5 電源模塊的檢測(cè)平臺(tái)

電源模塊為裝備提供工作所需的各種電源，在裝備中是故障率最高的模塊之一。輸入電壓超出設(shè)計(jì)范圍，或負(fù)載過(guò)大，均有可能使電源模塊遭到損壞。電源模塊的測(cè)試平臺(tái)，需要提供220V~調(diào)壓變壓器，中頻變換器，模擬負(fù)載等基本設(shè)備，再利用模擬電路板的PXI虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)，完成電壓電流測(cè)量和時(shí)間測(cè)量，以及進(jìn)行紋波分析。測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖4所示：

4 結(jié)論

本課題針對(duì)艦船電子裝備的測(cè)試要求，采用模塊化的硬件設(shè)計(jì)具有操作靈活、攜帶方便、穩(wěn)定性好、分析精度高，信號(hào)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，極大地提高了自動(dòng)化程度，大幅度降低了系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)以及后期的升級(jí)成本，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。能夠完成艦船電子裝備各種電路單元的測(cè)試。此外，我們隨時(shí)可以根據(jù)被測(cè)電子裝備的需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多種組合或更新，非常適用不同需求的裝備測(cè)試。與傳統(tǒng)的艦船電子裝備測(cè)試平臺(tái)相比，本課題在以下幾方面進(jìn)行了創(chuàng)新：

①本課題采用基于虛擬儀器結(jié)構(gòu)的測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀器的有機(jī)結(jié)合，為組建性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大、適時(shí)變化的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境提供了可能。儀器面板、相應(yīng)控件和指示器等不再由物理實(shí)體構(gòu)成，而由計(jì)算機(jī)內(nèi)部強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能建立起來(lái)的虛擬面板替代；借助虛擬儀器測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生、采集與控制信號(hào)的分析處理、結(jié)果表示和輸出等功能。

②實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性是該型測(cè)試系統(tǒng)的重要特點(diǎn)。本課題設(shè)計(jì)對(duì)不同的電路單元采用不同的測(cè)試子平臺(tái)，各自平臺(tái)通過(guò)主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行,且同一進(jìn)程中多個(gè)線程可獨(dú)立執(zhí)行。這為測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和測(cè)試流程控制及故障定位報(bào)警等多任務(wù)功能的實(shí)時(shí)測(cè)控軟件開發(fā),提供了技術(shù)支持。將用戶接口的管理和系統(tǒng)各功能模塊的控制代碼,分布于不同線程中處理,可提高計(jì)算機(jī)資源的利用率,減少系統(tǒng)的等待時(shí)間,最終提高系統(tǒng)整體性能。

③此外，該測(cè)試系統(tǒng)具有仿真負(fù)載。

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