軍用測量/測試設(shè)備將向通用、靈活方向發(fā)

2004年11月A版

    目前，芯片與總線的尺寸越來越小、傳輸速度越來越快，這給軍事電子系統(tǒng)與裝備測試帶來不小的麻煩。為了與最新的亞微米電路技術(shù)保持同步，測試與測量設(shè)備技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
    在2003年3月美國總審計署(GAO)發(fā)表《美國國防部需要更好地管理自動測試設(shè)備現(xiàn)代化》報告后，美國國防部更加重視通用及靈活測試設(shè)備的開發(fā)與使用。為了降低成本，五角大樓計劃者正試圖通過采購?fù)ㄓ?、靈活的測試設(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試設(shè)備。為盡快同時實現(xiàn)這兩個目標(biāo)，測試設(shè)備制造商們正致力于PXI波形因數(shù)和綜合儀器等測試新技術(shù)的開發(fā)。

亞微米電路給測量設(shè)備帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)
    最近幾年，為了提高密度，芯片工藝已從130納米縮小到90納米、甚至65納米。隨著集成電路尺寸的縮小，查找芯片故障也越來越困難。因為同大尺寸集成電路測試相比，工程人員必須多測試20~30次才能發(fā)現(xiàn)小尺寸芯片的故障，這既增加了成本，又浪費了時間；同時，這些復(fù)雜的芯片設(shè)計使門引線比更高，這樣，采用傳統(tǒng)的掃描測試方法進(jìn)行測試時，帶寬將受到限制。因此，制造商們正在努力開發(fā)技術(shù)，以使測試和測量設(shè)備跟上時代的步伐。
    其中一個方案是明導(dǎo)國際公司的TestKompress嵌入式確定性測試工具。與現(xiàn)在的掃描和自動化測試模式生成(ATPG)方法相比，它使用嵌入式確定性(EDT)與壓縮技術(shù)，既減小了測試數(shù)據(jù)量，又縮短了測試時間。其軟件還能為確定性ATGP生成壓縮測試模式。
明導(dǎo)國際公司認(rèn)為：我們能夠壓縮該操作，因為我們的硬件、軟件的結(jié)合恰到好處。我們存儲的測試模式較少，僅為全部模式的1%。芯片上的硬件能夠生成其它測試模式，用于激勵和響應(yīng)模式，然后在傳輸過程中再一次壓縮數(shù)據(jù)。硬件方面，系統(tǒng)將把該信號同預(yù)計的響應(yīng)進(jìn)行比較。
    例如，在實速測試中，用戶要測試由于電線阻抗引起的微小速度變化。實速測試中最常見的類型是躍遷模型，即慢上升和慢下降兩種類型。在最新、最小尺寸芯片的躍遷模型中，用戶將測試到更多阻抗引起的故障。當(dāng)芯片由180納米減少到130納米時，用戶會發(fā)現(xiàn)實速故障將增加12~20次，因為尺寸這么小的芯片將帶來以下三個問題：互連密度太高；芯片材料出現(xiàn)故障；在10層以上電路中對位偏差時常發(fā)生。
    工程人員也進(jìn)行固定測試。與實速測試相比，這種測試要求更多的數(shù)據(jù)輸入和輸出芯片；對更高精度的測試來說，帶寬比速度更重要。
    在芯片的其它地方，縮小特征尺寸也會導(dǎo)致嵌入式缺陷。采用常規(guī)的BIST(內(nèi)建自測試)方法很難發(fā)現(xiàn)這些故障，因此，明導(dǎo)國際公司推出了MBIST(存儲器內(nèi)建自測試)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，用于測試90納米以下的芯片。

PXI技術(shù)優(yōu)勢明顯
    測試和測量技術(shù)的規(guī)則總是要求一些折衷方案。國家儀器公司PXI產(chǎn)品有關(guān)人士認(rèn)為：現(xiàn)在，這些規(guī)則正在改變。國家儀器公司測試硬件采樣率-分辨率進(jìn)展圖表明：今天的用戶可以同時擁有更高的采樣速率及更準(zhǔn)確的分辨率
    該公司的NI PXI-5670是一個2.7 GHz 射頻向量信號發(fā)生器，提供16位分辨率，100MS/s采樣速率，支持256MB內(nèi)存以及22 MHz帶寬。
    新產(chǎn)品的設(shè)計將繼續(xù)縮小尺寸。用戶已經(jīng)越來越多地采用基于PXI的產(chǎn)品。PXI是儀器PCI extensions的縮寫，是一個小型模塊化儀器平臺，比PCI尺寸更小、速度更快。PXI是由PXI系統(tǒng)聯(lián)盟管理的一種開放式規(guī)范，其定義為加固型、基于Compact PCI平臺，使測試、測量及控制最優(yōu)化。PXI產(chǎn)品不僅與廣泛使用的CompactPCI工業(yè)計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)兼容，還有其他特性：環(huán)境規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)軟件、內(nèi)部計時與同步。
    例如，洛克希德•馬丁航空公司的工程人員在F-35“聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)”上進(jìn)行風(fēng)洞測試時，用基于PXI的測量硬件及軟件的數(shù)據(jù)采集工具取代基于VME的系統(tǒng)，結(jié)果，使通道密度增加一倍，測試速度提高80倍。
    在對F-35渦輪噴氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行風(fēng)力測試時，測試人員使用國家儀器公司的LabVIEW實時軟件以及G系統(tǒng)公司16種基于PXI的信號采集模塊。在128個通道測量氣壓時，采樣速率2萬次/秒，每50毫秒運行450000個浮點運算。
    另外，ManTech國際公司工程人員最近為美國空軍LANTIRN(夜間低空導(dǎo)航和紅外線瞄準(zhǔn))吊艙測試系統(tǒng)技術(shù)升級進(jìn)行了設(shè)計。擯棄了VME系統(tǒng)，采用基于PXI的計算，不僅使測試設(shè)備機(jī)架由7個減至3個，而且降低了成本和維護(hù)費用，還縮短了部署時間。
    目前，存儲器供應(yīng)商Conduant公司也提供PXI數(shù)據(jù)采集的存儲器，支持多達(dá)8個串行ATA硬盤驅(qū)動器。這樣，工程人員在進(jìn)行測試和測量時可以更好地記錄數(shù)據(jù)。使用Conduant公司的StreamStor PXI-808實時記錄與回放硬盤控制器以及Big River DM4 1U支架安裝底盤，臺式儀器能記錄200MB/s的數(shù)據(jù)。
    Conduant公司的生產(chǎn)線已經(jīng)擴(kuò)展，支持PXI總線結(jié)構(gòu)，可以為用戶提供較高配置和可靠的解決方案，數(shù)據(jù)速率高達(dá)200MB/s，是目前最快的。這為32位產(chǎn)品用戶提供更高的性價比，而且性能明顯提高。
    Symmetricom公司也經(jīng)歷了從VXI到PCI或PXI的變化。該公司向自動測試設(shè)備制造商出售時間和頻率基準(zhǔn)。精確的定時對測試精度至關(guān)重要。因為定時能夠使工程師對雷達(dá)、通信、遙測、航空電子設(shè)備以及航線測試等設(shè)備中元器件保持同步。此外，還可利用定時測試每組元器件的性能，如放大器增益等。
    Symmetricom公司提供三種類型的定時系統(tǒng)，都是從銫、銣或石英元素的原子振蕩中產(chǎn)生精確計時數(shù)據(jù)。銣?zhǔn)乾F(xiàn)在最流行的，因為其長期穩(wěn)定性優(yōu)于石英，成本低于銫。由于它啟動速度快(在30分鐘內(nèi)達(dá)到指定性能)，穩(wěn)定性好，所以更適合航母飛行甲板上使用的測試設(shè)備。Symmetricom公司設(shè)計人員將在一年內(nèi)推出PCI產(chǎn)品，該產(chǎn)品將比VXI產(chǎn)品更快、更便宜、更靈活。

測試設(shè)備通用性需求
    GAO的《美國國防部需要更好地管理自動測試設(shè)備現(xiàn)代化》報告對軍用測試設(shè)備的發(fā)展具有重要影響。
   GAO調(diào)查人員透露，美國國防部技術(shù)人員使用400多種不同類型的測試設(shè)備，檢測在航空電子設(shè)備和武器系統(tǒng)元器件中存在的問題。在1980年到1992年期間，美國國防部耗資500多億美元用于采購和支持測試設(shè)備，雖然測試設(shè)備種類繁多，但每種儀器僅能測試一種設(shè)備。
    報告指出，美國海軍在1990年至2002年間用于采購測試設(shè)備的資金為15億美元，計劃2007年以前經(jīng)費還要增加，其中，4.3億美元用于采購測試設(shè)備，3.84億美元用于設(shè)備維護(hù)和升級，3.84億美元用于新型武器系統(tǒng)測試設(shè)備。
    1994年，美國防部頒布有關(guān)法令，要求未來測試設(shè)備必須使用商用現(xiàn)貨元器件，而且不能只測試一種平臺，應(yīng)該與整體測試設(shè)備協(xié)同工作。
    美國海軍制定了加固自動化支持系統(tǒng)(CASS)計劃。該系統(tǒng)用一個標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)代替25部測試儀器，支持2458種武器元器件的測試。預(yù)算的削減推遲了本應(yīng)在2000年完成的計劃。到2000年底，計劃人員僅全部替換了25種測試儀中的4種，另有8種以上的測試儀被部分替換?，F(xiàn)在該計劃最快也要在2008年完成。
    另一個計劃是ARGCS(敏捷快速作戰(zhàn)支援系統(tǒng))。這項計劃的目的是研制美國國防部各軍種及其盟國都能使用的通用測試軟件。例如，該系統(tǒng)必須在美國海軍及海軍陸戰(zhàn)隊F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)、E-2戰(zhàn)斗機(jī)、陸軍“帕拉丁”自行榴彈炮、陸軍及海軍陸戰(zhàn)隊“復(fù)仇者”導(dǎo)彈發(fā)射架以及美空軍平臺、英國和西班牙部隊中都能使用。預(yù)計在2004~2006年進(jìn)行系統(tǒng)樣品開發(fā)，2006~2008年進(jìn)行測試并裝備部隊。
    在美國總審計署報告的刺激下，五角大樓計劃人員匆忙削減經(jīng)費。但他們面臨著挑戰(zhàn)：如果替換過時的測試設(shè)備，他們必須保留測試程序集(TPS)。但如果新、舊測試設(shè)備不兼容，那么TPS將毫無用處。
    一種解決方案是使用綜合儀器，綜合儀器與現(xiàn)在使用的標(biāo)準(zhǔn)支架解決方案截然不同。綜合儀器內(nèi)含軟件算法和硬件模塊，可將其分成三種類型：信號調(diào)節(jié)器(如上/下變頻器)、數(shù)字轉(zhuǎn)換器(如波形發(fā)生器)以及處理器。此方法類似于軟件無線電技術(shù)。這種方法可以節(jié)省政府開支，鼓勵不同測試產(chǎn)品之間的競爭，還為系統(tǒng)集成商提供更大的靈活性。
    綜合儀器不僅能在美國和北約各軍種使用，而且減少了測試設(shè)備的體積和重量，易于在遠(yuǎn)方基地部署。同時，在新型武器系統(tǒng)建好之前，設(shè)計人員就可以開發(fā)測試設(shè)備。
綜合儀器還能解決五角大樓長期的測試設(shè)備老化問題。按照當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)，基于VME總線技術(shù)的VXI型設(shè)備不但速度慢，而且笨重，因此，許多測試設(shè)備制造商推出基于CompactPCI總線技術(shù)的PXI型設(shè)備。不久的將來，這些產(chǎn)品將升級到PCI Express，然后再到另一個平臺。綜合儀器將與簡單的軟件升級保持同步。
    另一個維持過時測試系統(tǒng)的方案是在舊設(shè)備市場購貨，美國安捷倫公司的工程人員通過對用過測試儀器的認(rèn)證來支持這種方案。當(dāng)經(jīng)濟(jì)蕭條時，來自電信公司、縮小規(guī)模公司以及破產(chǎn)dot.com公司的大量設(shè)備就會涌入舊設(shè)備市場。在一個新的計劃中，安捷倫公司通過對改進(jìn)設(shè)備的認(rèn)證，支持150個最普通型號產(chǎn)品。公司技術(shù)人員也將對舊設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)并提供認(rèn)證，而且為舊設(shè)備提供軟件和固件的升級。
    安捷倫公司還與在線拍賣網(wǎng)站eBay簽署一個協(xié)議，為在線購買的過時測試設(shè)備提供擔(dān)保。這是一筆大買賣，因為在線購買測試設(shè)備年銷售額約5000萬美元。
    對于一臺已經(jīng)使用8年或10年的過時測試設(shè)備，舊設(shè)備市場是唯一能夠買到它的地方。好在安捷倫公司為購買的設(shè)備提供認(rèn)證，否則，用戶將冒一定的風(fēng)險。
    隨著一些公司的復(fù)蘇，測試設(shè)備價格也開始緩慢攀升，不過，安捷倫公司計劃人員相信舊設(shè)備市場仍將受到歡迎。因為美國軍事預(yù)算壓力尤存，何況還有50000億美元的赤字。

測試設(shè)備靈活性需求
    軍民技術(shù)結(jié)合要求測試儀器更靈活
    商用和軍事航空電子設(shè)備之間的界限越來越模糊，因為軍事設(shè)備設(shè)計人員采用商用現(xiàn)貨產(chǎn)品越來越多。例如，空中客車公司的A380旅客噴氣式客機(jī)和波音公司的C-17軍用運輸機(jī)現(xiàn)在都使用ARINC 429數(shù)據(jù)總線，而該數(shù)據(jù)總線最初是為民品開發(fā)的。另一個趨勢是：民品采用軍用技術(shù)。例如，許多商用飛機(jī)使用了軍事技術(shù)，如MIL-STD 1553數(shù)據(jù)總線。
    如果一個技術(shù)人員要測試并測量機(jī)器，則需要在兩種標(biāo)準(zhǔn)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一種解決方案是采用巴拉德公司的新型Omnibus卡，它支持兩種協(xié)議。該卡有若干數(shù)字信號處理器處理數(shù)據(jù)，并利用PowerPC微處理器管理系統(tǒng)。此卡包括2GB閃存，驅(qū)動器可運行巴拉德公司的CoPilot 4.0軟件。這樣該卡可以解決信號產(chǎn)生和處理問題，就不再需要主機(jī)。因為該卡能獨立地運行一臺主機(jī)，它必須解決自身通信問題，所以有以太網(wǎng)接口和具體IP地址。這樣，用戶能從他的辦公室或者實驗室聯(lián)網(wǎng)此卡并遙控使用。
    新型彈藥對測試設(shè)備靈活性需求更高
    測試和測量儀器面臨的另一個挑戰(zhàn)是擁有足夠靈活性，保持與新型設(shè)備同步。長期以來，各軍種測試智能彈藥的需求不斷?，F(xiàn)在需要為新型“迷你”武器、尤其是小口徑炸彈，提供測試系統(tǒng)。但這種需求難度很大，因為測試儀器必須與原來的武器保持后向兼容，既要增加威力又要保證密封性能。
    不論在空軍基地還是航母飛行甲板上，技術(shù)人員必須在彈藥裝載飛機(jī)之前測試其能力。這意味著他們要為每件武器通電測試，以確保其電路和最新軟件運行良好；同時，還要測試模塊化武器的部件，如“聯(lián)合制導(dǎo)攻擊武器”(JDAM)尾翼，確保其正常工作。
這項工作使用的一個設(shè)備是ATK公司的通用彈藥自檢測和重新編程(CMBRE)設(shè)備，是一種測試智能武器的加固型便攜式計算機(jī)。該系統(tǒng)已經(jīng)使用多年，現(xiàn)在需要升級，以用于新型平臺。
    由于聯(lián)邦計劃人員仍然為小型智能武器協(xié)議選擇通用標(biāo)準(zhǔn)，因此測試儀制造商在2~4年內(nèi)不會投產(chǎn)最新產(chǎn)品。
    同時，測試儀器性能必須有所提高。我們需要更多的軟件、更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和新的通信協(xié)議。因為新型武器將使用新的數(shù)據(jù)總線，如小口徑炸彈使用EBR(增強(qiáng)比特速率)1553總線。在后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)中，ATK公司工程師將設(shè)計帶有寫保護(hù)內(nèi)存的CMBRE設(shè)備，防止病毒入侵，提高安全性，使之與Windows XP和標(biāo)準(zhǔn)DOS操作系統(tǒng)相兼容。
    從長遠(yuǎn)觀點看，CMBRE設(shè)備將具有足夠的靈活性，在各種武器中都能發(fā)揮作用，因為用戶能將PCMCIA卡輕松地插入到武器的主承包商提供的武器專用軟件中。這些卡還擁有大量內(nèi)存，使CMBRE容易脫密，因為CMBRE不存儲任何機(jī)密數(shù)據(jù)。其面臨的挑戰(zhàn)仍是減少重量，成為便攜式產(chǎn)品，同時保留其環(huán)境屏蔽，尤其是屏蔽航母甲板上強(qiáng)烈的電磁干擾信號。