基于PXI總線的通用導(dǎo)航設(shè)備檢測平臺設(shè)計

王傳剛，王珍珍，張慶磊，楊 亮

（1.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島266041）

基于PXI總線的通用導(dǎo)航設(shè)備檢測平臺設(shè)計

王傳剛1，2，王珍珍1，張慶磊1，楊 亮1

（1.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島266041）

本文基于實(shí)現(xiàn)機(jī)場對空導(dǎo)航裝備主要戰(zhàn)技指標(biāo)自動測試這一目的，采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了一種基于PXI總線技術(shù)的通用對空導(dǎo)航裝備自動檢測平臺。通過對其測試需求分析、總體方案設(shè)計以及軟硬件設(shè)計等方面的詳細(xì)論述描述了該平臺的設(shè)計理念及軟硬件調(diào)試方法，并最終實(shí)現(xiàn)了對三型典型對空導(dǎo)航設(shè)備主要戰(zhàn)技指標(biāo)快速準(zhǔn)確的自動測試。文章最后對機(jī)場對空導(dǎo)航裝備自動測試平臺研制的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

虛擬儀器；PXI；自動測試；導(dǎo)航

隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子類設(shè)備的測試技術(shù)發(fā)生了日新月異的變化，其智能化、小型化、自動化和高速化是成為目前發(fā)展的主流方向。如今的測試設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是一堆儀器簡單堆列。在經(jīng)歷了從分立儀器、GPIB、VME、VXI的變革后，目前，成熟的總線有VXI總線、PXI總線、USB總線以及LXI總線等。而隨著電子設(shè)備的不斷更新、功能不斷強(qiáng)大，必然會推動測試技術(shù)不停的向前發(fā)展，未來的測試系統(tǒng)一方面很難利用單一總線構(gòu)成，而應(yīng)發(fā)揮各種總線的優(yōu)勢，采用復(fù)合總線的方法；另一方面也向著遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。目前，機(jī)場對空導(dǎo)航裝備的測試主要利用隨機(jī)配套的專用測量儀器進(jìn)行測試，測試速度較慢，對人員要求較高，嚴(yán)重制約了裝備的保障能力，而雖然基于VXI總線的測試技術(shù)在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但其仍然是主要應(yīng)用在對性能要求比較高的大型電子設(shè)備的測試過程中，成本昂貴成為其應(yīng)用的主要制約因素，尤其對于小型電子設(shè)備來說更是如此[1]。同時，對空導(dǎo)航裝備實(shí)現(xiàn)自動測試的需求也越來越急迫，因?yàn)闇y量過程復(fù)雜、測試周期較長已嚴(yán)重影響到對空導(dǎo)航的保障能力。隨著PXI總線技術(shù)的發(fā)展，PXI測量模塊的性能也得到了長足的改進(jìn)，其性價比高、易開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)成為許多小型設(shè)備自動測試的首選。文中主要介紹了一種基于PXI總線的導(dǎo)航設(shè)備通用檢測平臺設(shè)計。

1 測試需求分析

要設(shè)計一個通用自動測試平臺，首先要進(jìn)行測試需求分析，只有對要測試的設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的分析，梳理出要測試的參數(shù)及參數(shù)的有關(guān)特性，然后根據(jù)分析的結(jié)果選擇相應(yīng)的測試模塊或者對應(yīng)的臺式測試儀器。本通用檢測平臺設(shè)計目標(biāo)是能同時滿足測試多型導(dǎo)航設(shè)備，主要參數(shù)包括各型設(shè)備的工作頻率、功率、頻率穩(wěn)定度、脈沖間隔等，并且工作頻段跨度較大，有的工作于中波頻段，有的工作于微波階段，最低頻率只有幾百千赫茲，最高頻率達(dá)到將近10 GHz，因此測試模塊的選取顯得尤為重要。

其中一個多型設(shè)備共有的指標(biāo)——調(diào)幅度為例來進(jìn)行分析。調(diào)幅度是指對信號進(jìn)行幅度調(diào)制的載波的幅度，同時被調(diào)幅的信號的包絡(luò)線的幅度也等于調(diào)幅度。調(diào)幅度的測量對許多設(shè)備來說是非常重要的，如何精確的測量調(diào)幅度很大程度上直接關(guān)系到設(shè)備通信的性能以及通信距離的大小等，而要精確的測量調(diào)幅度首先就要選擇適當(dāng)?shù)腜XI測試模塊，通常選擇此類模塊應(yīng)該首先從以下幾個方面進(jìn)行考慮：帶寬、采樣速率、采樣模式、動態(tài)范圍以及分辨率等。一是帶寬，一般情況下，模塊帶寬應(yīng)至少為被測信號最高頻率的2倍，否則信號就會失真，導(dǎo)致信號測量不準(zhǔn)確；二是采樣速率，所謂采樣速率就是模塊化儀器將采樣信號模數(shù)轉(zhuǎn)換 （ADC）時的時鐘頻率，雖然采樣速率同上面分析的指標(biāo)—帶寬，沒有直接的關(guān)系，但為了使信號不失真，根據(jù)奈奎斯特定理規(guī)定，為了使信號不重疊，采樣速率至少為帶寬的兩倍，在實(shí)際應(yīng)用中通常遵循這樣一種關(guān)系，采樣速率等于3～4倍帶寬，具體采樣速率的大小對采樣后的信號影響效果如圖1所示，從圖1可以明顯看出，對于相同的被測信號，采樣速率越大，效果越好，當(dāng)然也要考慮資源及成本問題。3是分辨率和動態(tài)范圍，由ADC將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號后返回的比特數(shù)就是分辨率，測量信號幅度越小需要的模塊分辨率就越高[2]，也就是說，高分辨率的儀器模塊適合測量小幅度信號，當(dāng)信號同時具有大信號和小信號分量時，這時對儀器的動態(tài)范圍就有了要求，因此，對于涉及到動態(tài)信號應(yīng)用就需要較高的動態(tài)范圍和高分辨率。其它指標(biāo)依據(jù)上述分析思路進(jìn)行需求分析即可，這里不再贅述。

圖1 采樣速率對信號影響效果示意圖

2 檢測平臺總體方案設(shè)計

自動檢測平臺通常由自動測試設(shè)備 （ATE）、測試程序（TPS）和檢測環(huán)境（TE）3部分組成。通過三者的配合自動完成設(shè)備測試功能。其中，軟件起到核心作用，并且有著“軟件即儀器”的說法。在具備相同的硬件測試模塊的情況下，改變軟件的設(shè)計即可實(shí)現(xiàn)不同的測試功能，從而搭建出對不同設(shè)備進(jìn)行測試的檢測平臺，極大的縮短了檢測平臺的研制周期，降低了開發(fā)成本，尤其對于更新?lián)Q代比較快的設(shè)備顯得優(yōu)勢更加明顯。具體到不同設(shè)備的測試需求不同，尤其是要設(shè)計出可以同時滿足多種型號的設(shè)備測試時，針對一些不同設(shè)備的參數(shù)指標(biāo)，有時現(xiàn)有PXI模塊很難滿足要求，針對設(shè)備高頻率、大功率等參數(shù)的測試需求，我們選取了配套的高性能臺式儀器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，也就是采用混合的測試總線技術(shù)進(jìn)行集成。

本測試平臺測試軟件采用了由NI公司開發(fā)的圖形化編程開發(fā)平臺Labview[3-4]，又稱G語言。該軟件具有與滿足GPIB、RS-232、VXI和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣，并可產(chǎn)生可獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行性文件。尤其對于非專業(yè)的編程技術(shù)人員，大大縮短了開發(fā)周期，提高了工作效率。

檢測環(huán)境采用的是接口適配器，由于測試對象沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的接口，針對每型設(shè)備不同的特點(diǎn)，為每型導(dǎo)航設(shè)備自主設(shè)計配套的接口適配器。從而使被測設(shè)備和測試平臺之間可以進(jìn)行信號的鉸鏈，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。

硬件平臺采用便攜式平臺、擴(kuò)展功能模塊（如數(shù)字化儀、微波開關(guān)模塊、數(shù)字萬用表模塊、任意波形發(fā)生器模塊、示波器模塊等）實(shí)現(xiàn)信號切換、通斷控制、信號采集等功能。該平臺采用PXI總線技術(shù)[5-6]實(shí)現(xiàn)硬件資源的控制與管理，以軍用貨架產(chǎn)品（MOTS）為設(shè)計理念，并針對設(shè)備所處的使用環(huán)境和儲運(yùn)條件。在機(jī)械性能、散熱性、EMC/EMI性以及三防等方面作出了特別的優(yōu)化設(shè)計。

3 硬件設(shè)計

3.1 硬件模塊組成

該通用檢測平臺采用加固型下翻式一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計。機(jī)箱內(nèi)置LCD顯示屏、鍵盤及觸摸板并集成一體化。機(jī)箱內(nèi)提供3U標(biāo)準(zhǔn)型PXI結(jié)構(gòu)安裝方式，預(yù)留有較大空間裝配衰減器、適配器等通過航插測試信號接口，整體機(jī)箱美觀、實(shí)用、可靠，具體組成示意圖如圖2所示。

圖2 檢測平臺組成示意圖

3.2 主要模塊功能

1）控制器：采用了符合PXI規(guī)范的3UPXI系統(tǒng)控制器，該控制器基于集成Intel CoreI3/I5/I7處理器，實(shí)現(xiàn)PXI總線控制與訪問，能夠滿足PXI設(shè)備模塊所需要系統(tǒng)控制器的要求。

2）數(shù)字化儀：采用標(biāo)準(zhǔn)3U PXI模塊PXI-5122，具有100 MS/s最大實(shí)時采樣率，高達(dá)2.0 GS/s等效時間采樣，可采集2 mV至100 V范圍的波形信號，用于測量調(diào)幅信號等有關(guān)參數(shù)。

3）數(shù)字萬用表模塊：采用了基于PXI總線的五位半數(shù)字萬用表模塊，可對電壓、電流、電阻、頻率等參數(shù)進(jìn)行測量，且有自動量程、過載保護(hù)等功能。與矩陣模塊配合使用，可以完成多個通道信號測試。

4）微波開關(guān)模塊：采用了一個18 GHz的微波開關(guān)模塊。具有射頻通道切換功能，具有損耗小、通道駐波比小、開關(guān)承受功率大、軟件驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)。

5）示波器模塊：采用8通道3UPXI標(biāo)準(zhǔn)模塊，具有并行同步數(shù)據(jù)采集功能，該模塊采用DMA設(shè)計，可以高速存儲數(shù)據(jù)，大大縮短測試時間。

6）任意信號發(fā)生器模塊：模塊設(shè)計最大輸出頻率可達(dá)10 MHz，可輸出正弦波、方波、三角波和其它任意波形。最大可存儲波形數(shù)2×107.可支持單次、連續(xù)和任意波形序列輸出。

7）機(jī)箱：采用了12槽PXI便攜式一體化機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)安裝12槽背板與電源模塊，提供1個系統(tǒng)槽和11個外圍卡槽，250 W電源，可為系統(tǒng)提供可靠的電源。

4 軟件設(shè)計

4.1 開發(fā)環(huán)境

該檢測平臺開發(fā)系統(tǒng)為Windows XP。選用的開發(fā)工具是Labview軟件，Labview軟件具有良好的人機(jī)交互界面[2]。此軟件最早就是為了測試測量而設(shè)計開發(fā)的，因而該軟件也最廣泛的應(yīng)用在測試測量領(lǐng)域。目前，大多數(shù)主流的測試測量儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備針對Labview都擁有專門的驅(qū)動程序，使用它可以非常方便的控制這類硬件設(shè)備，并且在測試系統(tǒng)開發(fā)過程中不用專門的寫通信協(xié)議語句。軟件中攜帶的工具包幾乎滿足用戶所需的全部功能，用戶以這些工具包為依托進(jìn)行程序開發(fā)就事半功倍了，一般情況下，只要簡單調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，就可以完成一個測試應(yīng)用程序的編寫工作。

4.2 底層驅(qū)動與接口通訊

從邏輯結(jié)構(gòu)分，此平臺軟件共分為三層，分別為設(shè)備層、接口層、應(yīng)用層。如圖3所示。

圖3 軟件的邏輯結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備為硬件設(shè)計中所提到的各PXI模塊，該層提供一組訪問接口，以用于對各硬件設(shè)備的識別與控制，還可提供上層軟件的可移植性。

接口層介于設(shè)備與軟件層之間，主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與設(shè)備層間接口通訊，通過這些接口，可靈活配置系統(tǒng)規(guī)模。

應(yīng)用層為軟件功能，包括硬件設(shè)置、參數(shù)設(shè)置與存儲、流程模擬狀態(tài)顯示等功能。

4.3 典型參數(shù)調(diào)幅度測量舉例

PXI-5122是用于測量調(diào)幅度的核心硬件模塊，本文中采用的是單通道即時觸發(fā)模式，以便實(shí)現(xiàn)實(shí)時連續(xù)采樣，具體采集示意圖如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集示意圖

5結(jié) 論

文中從測試需求、總體硬件和軟件設(shè)計等方面描述了基于PXI總線技術(shù)的通用導(dǎo)航設(shè)備檢測平臺設(shè)計，成功實(shí)現(xiàn)了多型導(dǎo)航設(shè)備的自動測試功能。該測試平臺還充分利用了復(fù)合總線技術(shù)，對有特殊要求的參數(shù)測量通過GPIB總線和USB總線等技術(shù)外掛了相應(yīng)的高性能獨(dú)立臺式儀器，取得了較好的測試效果[7]。但該平臺也存在一些問題，如不具備遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)測試功能、對于性能要求比較高的參數(shù)測量，考慮到成本等因素，沒有通過PXI模塊來實(shí)現(xiàn)，而是通過GPIB總線技術(shù)控制臺式儀器來實(shí)現(xiàn)其功能的，該平臺模塊化設(shè)計不夠徹底，測試實(shí)時性受到一定程度的限制。未來，一方面我們可以針對許多設(shè)備位置相對固定且距離比較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，可以考慮依托固有網(wǎng)絡(luò)對該平臺進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程在線測試，也就是充分利用LXI總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測試平臺的網(wǎng)絡(luò)化。另一方面，可以采用目前PXI技術(shù)新的研究成果，使該通用檢測平臺進(jìn)一步模塊化設(shè)計，提高自動測試的速度和測試數(shù)據(jù)精度。

[1]張鴻雁，李言俊，張科.航空電子通用自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).[J].計算機(jī)測量與控制，2009（2）：255-257.

[2]閻石，王紅.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].5版.北京：高等教育出版社，2010.

[3]豈光明、田京京.Labview入門與實(shí)現(xiàn)開發(fā)100例[M].北京電子工業(yè)出版社.2014.

[4]王建新、隋美麗.Labwindows/CVI.虛擬儀器測試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2013.

[5]夏彥超.基于PXI總線的檢測系統(tǒng)研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).2010.

[6]趙永立，張玉紅，楊建成.虛擬儀器-測試技術(shù)的新領(lǐng)域[J].自動化與儀表，2005（s1）：142-145.

[7]劉正升，蔣志忠，楊日杰.測試領(lǐng)域新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù).2009（1）：16-19.

A design of testing platform of general navigation equipment based on PXI

WANG Chuan-gang1，2，WANG Zhen-zhen1，ZHANG Qing-lei1，YANG Liang1
（1.Institute of Electronics Engineering，Xi′an Univercity of Electronic Sicence and Technology，Xi'an 710075，China；2.Qingdao Campus，Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao 266041，China）

In this paper，a universal airport to air navigation equipment testing platform is designed with using virtual instrument technology for the purpose of testing the main technical indexes of the air navigation equipment at the airport Automatically.Through the detailed analysis of test requirement，the overall design and hardware and software design，this paper describes the design idea and the method of the debug of the Software and hardware.And an automatic testing platform of the main technical indexes of the three typical airport navigation equipment is designed successfully.Finally，the development direction of the airport navigation equipment testing platform are discussed.

virtual instrument；PXI；automatic test；navigation

TN98

A

1674－6236（2016）18-0069-03

2015-09-07 稿件編號：201509054

王傳剛（1979—），男，山東臨沭人，碩士研究生，講師。研究方向：通信與導(dǎo)航、嵌入式技術(shù)。