基于VxWorks的某裝備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉恩凡，于洪濤

(1.中國(guó)人民解放軍駐航天科工集團(tuán)公司第三研究院三十五所軍事代表室，北京 100013;2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

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基于VxWorks的某裝備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉恩凡1，于洪濤2

(1.中國(guó)人民解放軍駐航天科工集團(tuán)公司第三研究院三十五所軍事代表室，北京 100013;2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

針對(duì)某裝備的實(shí)時(shí)性測(cè)試需求、測(cè)試系統(tǒng)通用性和可擴(kuò)展的需求，設(shè)計(jì)并研制了一套基于VxWorks操作系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以工控機(jī)作為人機(jī)交互操作的核心；PXI機(jī)箱內(nèi)置PXI儀器板卡和零槽控制器用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程中激勵(lì)信號(hào)的施加和被測(cè)對(duì)象響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量；系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，虛擬儀器軟件可進(jìn)行二次開發(fā)和參數(shù)配置，使系統(tǒng)具有通用性和可擴(kuò)展性；系統(tǒng)采用通用標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)接口連接器，保證了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；VxWorks操作系統(tǒng)；PXI總線；虛擬儀器技術(shù)

0 引言

為了保證軍隊(duì)維護(hù)保障工作的快速與高效率，節(jié)約空間與成本，通常要求自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有通用性和可擴(kuò)展性，某些裝備的導(dǎo)引頭等組件通常是高精度和高實(shí)時(shí)性部件，運(yùn)算實(shí)時(shí)精確，測(cè)試還要求自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)有較高的實(shí)時(shí)性。針對(duì)這些需求，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試執(zhí)行軟件運(yùn)行于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks下，可滿足實(shí)時(shí)性的測(cè)試需求。系統(tǒng)采用通用標(biāo)準(zhǔn)化的接口適配器，使系統(tǒng)具有通用性。系統(tǒng)的測(cè)試執(zhí)行軟件采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的功能可進(jìn)行靈活地重構(gòu)配置，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是指能對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)測(cè)量、處理、傳輸、存儲(chǔ)并進(jìn)行故障診斷和顯示輸出的系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)采用模塊化、通用化的思想進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(automatic test equipment，ATE)，測(cè)試程序集(test program set，TPS)和TPS軟件開發(fā)工具三大部分組成，其中ATE屬于測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)備，TPS和TPS開發(fā)工具屬于測(cè)試系統(tǒng)軟件部分[3]。

圖1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

如圖1中虛線框所示，ATE由工控計(jì)算機(jī)、程控電源、信號(hào)調(diào)理、激勵(lì)與測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)和適配器接口組成。其中，工控計(jì)算機(jī)是測(cè)試系統(tǒng)的人機(jī)交互和控制的核心，工控機(jī)和其他ATE硬件設(shè)備之間采用網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行連接，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)協(xié)議命令控制其他硬件單元協(xié)同完成測(cè)試工作。程控電源用于為被測(cè)對(duì)象提供測(cè)試所需的電壓源和電流源。激勵(lì)與測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)采用PXI技術(shù)，系統(tǒng)由嵌入式零槽控制器和多個(gè)儀器板卡組成，零槽控制器安裝VxWorks操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)運(yùn)行引擎，操控PXI儀器板卡完成對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行激勵(lì)施加和響應(yīng)測(cè)量。信號(hào)調(diào)理部分用于對(duì)測(cè)試中的非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行變換調(diào)理。適配器接口是ATE硬件資源唯一的輸出接口，設(shè)計(jì)為通用接口，通過(guò)測(cè)試適配器實(shí)現(xiàn)與被測(cè)對(duì)象的對(duì)接。

測(cè)試系統(tǒng)軟件用于管理測(cè)試系統(tǒng)資源，其中測(cè)試管理軟件安裝在工控計(jì)算機(jī)上，測(cè)試管理軟件調(diào)配系統(tǒng)硬件資源完成測(cè)試工作，并提供測(cè)試結(jié)果的顯示、存儲(chǔ)、查詢和打印等功能?；赩xWorks操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)執(zhí)行引擎軟件駐留在激勵(lì)與測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)的嵌入式零槽控制器中，在工控計(jì)算機(jī)上的測(cè)試管理軟件的調(diào)配下控制板卡儀器操作，并將測(cè)量結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口返回至工控計(jì)算機(jī)。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是ATE的機(jī)體設(shè)計(jì)和適配器設(shè)計(jì)，根據(jù)測(cè)試資源的需求，選取成熟的貨架產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)集成。

2.1 人機(jī)接口

人機(jī)接口是測(cè)試系統(tǒng)的操作接口，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的人機(jī)接口主要包含一體化鍵盤顯示器和打印機(jī)，操作人員使用鍵盤輸入測(cè)試操作和參數(shù)，測(cè)試系統(tǒng)將測(cè)試執(zhí)行狀態(tài)和測(cè)試結(jié)果等信息送到顯示器，操作人員可對(duì)過(guò)往測(cè)試結(jié)果進(jìn)行查詢和打印操作。

滔滔江水，滋潤(rùn)廣袤的華夏大地，萬(wàn)物生長(zhǎng)，生機(jī)勃發(fā)。每個(gè)人都在這場(chǎng)偉大革命中“發(fā)現(xiàn)”了自己。中國(guó)的今天，就是這樣，由中國(guó)人自己干出來(lái)的！

2.2 適配器接口

適配器接口作為測(cè)試系統(tǒng)的資源輸出接口，為了提高系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性。適配器接口按照VPC公司的VPC9025標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。測(cè)試接口的標(biāo)準(zhǔn)化也使得測(cè)試系統(tǒng)間的測(cè)試一致性提高，便于實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)間的互操作，及測(cè)試對(duì)象的擴(kuò)展，從結(jié)構(gòu)和功能上保證擴(kuò)展性。信號(hào)接口連接器定義的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、電氣特性接口，保證了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。

2.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于分布式，模塊化的設(shè)計(jì)思想，ATE各個(gè)組件均配備網(wǎng)絡(luò)接口，如圖1所示，ATE各個(gè)組件之間采用星形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行交聯(lián)。對(duì)于分布式系統(tǒng), 節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)是構(gòu)成分布式系統(tǒng)和決定其系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，此處采用以太網(wǎng)更易于系統(tǒng)的擴(kuò)展和管理維護(hù)。這種星形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)控制容易、便于擴(kuò)充、可靠性好，當(dāng)系統(tǒng)中某個(gè)組件發(fā)生故障時(shí)可進(jìn)行快速替換，不影響其他組件的工作。系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式工作機(jī)制，工控計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的客戶端，其他各個(gè)組件節(jié)點(diǎn)是分布式的服務(wù)器，測(cè)試工作由客戶端發(fā)起，通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器程序，調(diào)配各個(gè)組件協(xié)同完成測(cè)試工作。

2.4 儀器系統(tǒng)

采用PXI總線模塊構(gòu)建儀器系統(tǒng)，PXI 總線是一種模塊化儀器儀表總線，主要用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化測(cè)試等領(lǐng)域。PXI 總線增加了儀器測(cè)量所特別需要的機(jī)械、電氣和軟件方面等方面的性能特點(diǎn)，同時(shí)為了滿足數(shù)據(jù)通信、高精度的信號(hào)同步、與定時(shí)等要求，專門增加了星形觸發(fā)線、高精度系統(tǒng)參考時(shí)鐘和模塊間的局部總線，性價(jià)比較高[4]。選用PXI 總線模塊，使得系統(tǒng)靈活性好，程序開發(fā)方便，可縮短整個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)周期。

如圖2所示，儀器系統(tǒng)包含PXI嵌入式零槽控制器和PXI儀器模塊。PXI嵌入式零槽控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與工控計(jì)算機(jī)連接，控制器安裝VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)PXI總線對(duì)各個(gè)PXI儀器模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交換。根據(jù)被測(cè)對(duì)象的測(cè)試需求，PXI儀器模塊包含數(shù)字多用表，數(shù)字IO模塊，脈沖計(jì)數(shù)器，模擬輸出DA，掃描AD和1553B總線通訊模塊。數(shù)字多用表模塊用于測(cè)量交流或者直流信號(hào)電壓、兩線電阻等信號(hào)；數(shù)字IO模塊用于產(chǎn)生數(shù)字IO狀態(tài)置位；脈沖計(jì)數(shù)器模塊用于對(duì)脈沖和時(shí)序信號(hào)的測(cè)量；模擬輸出DA模塊用于給被測(cè)對(duì)象提供模擬電壓信號(hào)；掃描AD模塊用于對(duì)瞬態(tài)模擬信號(hào)的采集；1553B總線通訊模塊用于與被測(cè)對(duì)象進(jìn)行1553B總線通信。

圖2 PXI儀器系統(tǒng)組成

2.5 測(cè)試適配器

測(cè)試適配器是ATE設(shè)備與被測(cè)對(duì)象連接的橋梁，它把ATE設(shè)備提供的信號(hào)和電源等資源轉(zhuǎn)接至被測(cè)對(duì)象，完成對(duì)被測(cè)對(duì)象的激勵(lì)施加和測(cè)量工作。測(cè)試適配器采用符合VPC9025標(biāo)準(zhǔn)的接口與適配器接口對(duì)接，適配器面向被測(cè)對(duì)象的輸出接口根據(jù)被測(cè)對(duì)象的不同而選用不同的接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器技術(shù)[4]的核心是軟件，硬件是基礎(chǔ)，軟件就是儀器。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用虛擬儀器軟件架構(gòu)的思想設(shè)計(jì)測(cè)試軟件, 測(cè)試軟件是一個(gè)虛擬儀器軟件平臺(tái)，使用者可以通過(guò)添加并配置虛擬儀器參數(shù)的方法，方便地改變、增減系統(tǒng)的功能與規(guī)模。

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化和分層設(shè)計(jì)技術(shù)，模塊化的思想是將應(yīng)用程序拆分為各個(gè)獨(dú)立的軟件單元，頂層設(shè)計(jì)各個(gè)模塊單元間的接口，然后分別設(shè)計(jì)開發(fā)各個(gè)單元，將軟件開發(fā)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)椤按罘e木”的過(guò)程。

軟件采用分層遞進(jìn)式程序結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)，軟件分為測(cè)試管理層、執(zhí)行程序?qū)雍万?qū)動(dòng)程序?qū)?，軟件基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.2 測(cè)試管理層

測(cè)試管理層包含用戶權(quán)限管理，TPS開發(fā)平臺(tái)，測(cè)試流程數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試任務(wù)管理和數(shù)據(jù)管理與報(bào)表5個(gè)模塊單元組成。用戶管理模塊主要完成與操作用戶的交互工作，管理和記錄用戶操作情況。根據(jù)被測(cè)對(duì)象測(cè)試需求，用戶可使用TPS開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試流程開發(fā)。測(cè)試流程數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用戶存儲(chǔ)用于編輯開發(fā)好的測(cè)試流程，并提供接口供測(cè)試任務(wù)調(diào)用。測(cè)試任務(wù)管理模塊根據(jù)用戶設(shè)定任務(wù)需求，提取測(cè)試流程文件，并調(diào)用測(cè)試執(zhí)行程序進(jìn)行測(cè)試工作。數(shù)據(jù)管理與報(bào)表模塊用于處理測(cè)試返回的數(shù)據(jù)，對(duì)返回的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等操作，同時(shí)具備過(guò)往數(shù)據(jù)查詢和測(cè)試結(jié)果打印功能。

3.3 執(zhí)行程序?qū)?/p>

執(zhí)行程序?qū)佑蓽y(cè)試管理層激活并調(diào)用，主要完成測(cè)試任務(wù)中測(cè)試流程的動(dòng)作分解，根據(jù)軟件系統(tǒng)內(nèi)部接口協(xié)議對(duì)測(cè)試動(dòng)作進(jìn)行解析，分解出對(duì)應(yīng)的各個(gè)分機(jī)組件操作，根據(jù)解析結(jié)果調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序?qū)拥母鱾€(gè)分機(jī)組件的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行激勵(lì)施加和響應(yīng)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)返回至測(cè)試管理層軟件。

3.4 VxWorks執(zhí)行引擎

系統(tǒng)分機(jī)組件中的程控電源和信號(hào)調(diào)理模塊功能比較簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)程序以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模式運(yùn)行，響應(yīng)執(zhí)行層軟件的訪問(wèn)動(dòng)作，本文不做詳介紹。激勵(lì)與測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)組成則比較復(fù)雜，嵌入式零槽控制器運(yùn)行Vxworks操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)執(zhí)行引擎，儀器系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)可以視為一個(gè)小型軟件系統(tǒng)。VxWorks是由美國(guó)風(fēng)河公司開發(fā)的微內(nèi)核高性能可裁剪的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[6], 它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)領(lǐng)域中。

VxWorks支持多任務(wù)并行執(zhí)行，為了提高測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)運(yùn)行引擎采用多任務(wù)模式設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)運(yùn)行引擎程序流程圖如圖4所示。執(zhí)行引擎并行運(yùn)行多個(gè)程序任務(wù)，其

中主任務(wù)是執(zhí)行引擎的管理任務(wù)，它提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模式供客戶端訪問(wèn)，并根據(jù)客戶端的訪問(wèn)命令調(diào)用相應(yīng)的儀器任務(wù)控制PXI儀器的激勵(lì)和采集動(dòng)作。根據(jù)測(cè)試需求和PXI儀器板卡硬件配置，系統(tǒng)中由多個(gè)儀器任務(wù)，在儀器任務(wù)中既可實(shí)現(xiàn)單個(gè)儀器操作，也可實(shí)現(xiàn)多個(gè)儀器協(xié)同工作，完成復(fù)雜測(cè)試操作。

圖4 實(shí)時(shí)執(zhí)行引擎程序流程圖

4 結(jié)論

論文依據(jù)實(shí)際工作中某裝備的測(cè)試需求，采用網(wǎng)絡(luò)分布式技術(shù)、PXI技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。采用通用設(shè)備搭建硬件系統(tǒng)，通過(guò)軟件開發(fā)來(lái)虛擬出多個(gè)功能儀器。系統(tǒng)硬件設(shè)備的搭建采用模塊化分布式的思想構(gòu)建，提高了系統(tǒng)的通用性、擴(kuò)展性和可維護(hù)性。軟件設(shè)計(jì)采用分層和模塊的思想設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)清晰，便于后期擴(kuò)展和故障排查。針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性測(cè)試需求，儀器系統(tǒng)采用VxWorks操作系統(tǒng)，并開發(fā)了多任務(wù)執(zhí)行引擎，保證了系統(tǒng)儀器操作的快速、實(shí)時(shí)性。

[1] 于勁松，李行善.下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005, 13(1): 1-3.

[2] 杜 里，張齊善.電子裝備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展綜述[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009, 17(6): 1019-1021.

[3] 王石記，潘安君. 新一代綜合自動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011, 19(4): 746-749.

[4] 彭順堂，耿向衛(wèi),等. 基于PXI 總線的某裝備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[J]. 四川兵工學(xué)報(bào)，2008, 29(5): 6-8.

[5] 高志華. 基于虛擬儀器技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合測(cè)試系統(tǒng)的研制[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2005 ( 23): 57-59.

[6] 程敬原. VxWorks軟件開發(fā)項(xiàng)目實(shí)例完全解析[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2005.

Design and Implementation of Automatic Test System Based on VxWorks

Liu Enfan1，Yu Hongtao2

(1.The PLA Representative office in 35th institute of CASIC, Beijing 100013, China;2.Beijing Aerospace Measurement & Control Corp.Ltd, Beijing 100041, China)

A automatic test system based on the VxWorks operating system is designed to meet the requirements for the real-time testing, universality and extensibility of the test system . The automatic test system is developed with industrial computer as the core of human-computer interaction operation. In the automatic test system, PXI chassis with PXI instrument board and zero slot controller is used to implement the testing process of signal exerting excitation and the measurement of the response signal. The system software that developed with virtual instrument technology is support for secondary development and parameters configuration. Standardized signal interface connector is used to guarantee the extensibility of the automatic test system.

automatic test system；Vxworks；PXI bus；virtual instrument

2015-08-09；

2016-01-19。

劉恩凡(1975-)，男，主要從事裝備測(cè)試技術(shù)、自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、綜合保障等方向的研究。

1671-4598(2016)03-0106-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.029

TP3

A