基于VI的艦船電子裝備測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘要： 該文介紹了測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和思路，詳細(xì)論述了基于VI的艦船電子裝備測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，給出了該系統(tǒng)的基本評價(jià)。
關(guān)鍵詞： VI 艦船電子裝備  測試系統(tǒng)  PXI 

強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少和出色的集成這四大優(yōu)勢。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)對測量技術(shù)和測量儀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，在艦船電子裝備測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)采用VI技術(shù)，根據(jù)不同的測試要求，以核心測試系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展，縮短艦船電子裝備測試診斷時(shí)間，提高測試效率，減少裝備維修費(fèi)用。測試儀器總線采用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。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總線的全部優(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，而臺式PCI系統(tǒng)只有3～4個(gè)擴(kuò)展槽。PXI系統(tǒng)通過使用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，在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)PＸＩ總線仍將是自動(dòng)測試設(shè)備的主要總線技術(shù)。艦船電子裝備備件測試平臺設(shè)計(jì)的基本思路為：

①充分吸收國內(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。信號涉及到電壓、頻率、機(jī)電、光電、聲電等多種不同類型的被測信號。根據(jù)艦船電子裝備各被測部件的電氣特征和測試系統(tǒng)所要完成的測試任務(wù)，并且考慮測試系統(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)字邏輯電路板測試平臺

對于數(shù)字式電路板的檢測，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，在輸出端測試輸出邏輯是否符合原設(shè)計(jì)要求，這種方法對于簡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)測試矢量就極其困難，而且通常這種情況下產(chǎn)生的測試矢量數(shù)也非常龐大，勢必帶來測試時(shí)間長，或者不可測性；雖然邊界掃描技術(shù)的出現(xiàn)簡化了測試矢量的生成難度，但是產(chǎn)生的測試矢量數(shù)仍然較多。從技術(shù)的成熟性，簡易性和裝備的實(shí)際情況，仍然采用矢量激勵(lì)法對數(shù)字式電路板進(jìn)行檢測。

數(shù)字邏輯電路板測試子平臺分成三個(gè)部分（見圖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。第二部分為測試向量信號發(fā)生器，產(chǎn)生多路的輸出信號，驅(qū)動(dòng)被測電路板。第三部分為高速數(shù)字信號采樣器，作用是對被測電路板的輸出信號進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果送計(jì)算機(jī)處理。計(jì)算機(jī)控制測試信號發(fā)生器和高速數(shù)字信號采樣器，對被測電路板的輸入輸出信號進(jìn)行邏輯關(guān)系比較，從而判斷被測電路板功能是否正常。

3.1  模擬電路板測試平臺

模擬電路板測試子平臺采用基于PXI的VI系統(tǒng)，VI的最大特點(diǎn)在于可以根據(jù)測試需要來定義儀器的功能，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)和測試程序自動(dòng)生成技術(shù)，通過自定義的儀器面板，實(shí)現(xiàn)PXI模塊的控制和被測信號的顯示和處理。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)過近十年的發(fā)展，基于PXI的自動(dòng)測試設(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PXI背板上的PCI總線來管理其他所有模塊，實(shí)現(xiàn)信號處理、結(jié)果表達(dá)。

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

③信號調(diào)理模塊用于信號的放大和對信號進(jìn)行濾波。

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

⑤數(shù)字萬用表模塊用來完成對電壓、電流、電阻的測量。

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

⑦程控電源用來給測試平臺各部件外加電源。

⑧探針用來對檢測孔的測試，對故障進(jìn)行定位。

3.3  計(jì)算機(jī)總線型電路板檢測平臺                   

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

3.4  模擬數(shù)字混合型電路板檢測平臺

在模擬/數(shù)字混合型電路板中，既有模擬信號又有數(shù)字信號。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，對于這類電路板的測試，可以將模擬電路板測試平臺和計(jì)算機(jī)總線型電路板測試平臺進(jìn)行適當(dāng)組合，從而實(shí)現(xiàn)測試要求。在進(jìn)行組合時(shí)，需要考慮電路板的插座適配器。

3.5  電源模塊的檢測平臺

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)載過大，均有可能使電源模塊遭到損壞。電源模塊的測試平臺，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虛擬儀器測試平臺，完成電壓電流測量和時(shí)間測量，以及進(jìn)行紋波分析。測試平臺的結(jié)構(gòu)如圖4所示：

4  結(jié)論

本課題針對艦船電子裝備的測試要求，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試。此外，我們隨時(shí)可以根據(jù)被測電子裝備的需要對系統(tǒng)進(jìn)行多種組合或更新，非常適用不同需求的裝備測試。與傳統(tǒng)的艦船電子裝備測試平臺相比，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)的測試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與測試儀器的有機(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)場測試環(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的虛擬面板替代；借助虛擬儀器測試軟件，實(shí)現(xiàn)信號產(chǎn)生、采集與控制信號的分析處理、結(jié)果表示和輸出等功能。

②實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性是該型測試系統(tǒng)的重要特點(diǎn)。本課題設(shè)計(jì)對不同的電路單元采用不同的測試子平臺，各自平臺通過主控計(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，該測試系統(tǒng)具有仿真負(fù)載。

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