郝大力,彭濤,李金波,潘澤華
(北京電子工程總體研究所,北京 100854)
飛行器綜合測試系統(tǒng)用于在地面完成對飛行器功能和性能檢測、驗(yàn)證,隨著被測飛行器的復(fù)雜性的不斷提升,對測試系統(tǒng)的要求也隨之不斷提高。
儀器總線連接著測試系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備,承擔(dān)著測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和控制的重要功能[1-2],目前飛行器測試系統(tǒng)使用主要的儀器總線包括VXI(VMEbus extension for instrumentation),PXI(PCI extension for instrumentation),LXI(LAN extension for instrumentation)等總線。
混合總線測試系統(tǒng),就是在一個測試系統(tǒng)中集成多種儀器總線的設(shè)備。采用混合總線測試系統(tǒng),可發(fā)揮不同總線測試平臺的優(yōu)點(diǎn),節(jié)約經(jīng)費(fèi),提供系統(tǒng)的靈活性,縮短測試系統(tǒng)開發(fā)時間。
VXI總線[3]和PXI總線分別由VME(versa module eurocard)總線和PCI(peripheral component interconnect)總線擴(kuò)展而來[4],采用VXI/PXI總線作為儀器總線測試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):由于共用機(jī)箱,相比于堆疊式儀器組成的測試系統(tǒng),VXI/PXI總線測試系統(tǒng)集成度更高,占用的機(jī)柜空間體積??;由于共用機(jī)箱內(nèi)的背板,使用觸發(fā)和同步功能較方便;由于是前插拔、模塊化的形式,VXI/PXI總線系統(tǒng)的使用和維護(hù)很方便。VXI/PXI單一總線測試系統(tǒng)缺點(diǎn):對于模塊化儀器無法實(shí)現(xiàn)的,如采樣率較高、存儲深度較大的示波器,以及一些飛行器專用測試設(shè)備,還需要增加臺式儀器,新增的臺式儀器與VXI/PXI模塊之間不容易進(jìn)行同步、觸發(fā);擴(kuò)展能力受限于所用機(jī)箱的槽數(shù),一旦機(jī)箱插滿模塊,即使系統(tǒng)只需再增加一塊插卡,也需要再增加另一臺機(jī)箱[5]。
LXI總線是一種基于以太網(wǎng)(ethernet)技術(shù)的測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),借助了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和交換機(jī)、TCP/IP協(xié)議等的廣泛應(yīng)用,取得了快速發(fā)展。采用LXI總線作為儀器總線的測試系統(tǒng)線的優(yōu)點(diǎn):易于使用,具有LAN口的測試設(shè)備開發(fā)和測試系統(tǒng)集成都較為方便;數(shù)據(jù)傳輸速率高,若采用百兆網(wǎng),傳輸速度可達(dá)11.9 MB/s;若采用LXI標(biāo)準(zhǔn)推薦的千兆網(wǎng),可達(dá)119 MB/s;易于建立分布式系統(tǒng),以太網(wǎng)連接可以跨越100 m對等層,使用路由器可以覆蓋200 m的半徑,或者使用光纖接口可以延伸到數(shù)千公里。LXI單一總線測試系統(tǒng)缺點(diǎn):占用的機(jī)柜空間體積較大;無法使用已有的總線模塊[6]。
采用LXI-VXI混合總線測試系統(tǒng),在VXI機(jī)箱中選擇具有LAN口的零槽控制器,把VXI總線設(shè)備通過路由器或交換機(jī)接入LAN,可以方便地組成混合總線,如圖1所示,同時發(fā)揮VXI總線集成度高和電磁兼容性好,LXI總線系統(tǒng)集成方便、數(shù)據(jù)吞吐率高的特點(diǎn),可以選用已有的VXI總線模塊,降低測試系統(tǒng)的開發(fā)時間和風(fēng)險[7]。
圖1 LXI-VXI混合總線系統(tǒng)Fig.1 LXI-VX hybrid bus test system
測試系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)連接主控計(jì)算機(jī)和各測試設(shè)備,主控計(jì)算機(jī)、VXI機(jī)箱(內(nèi)置VXI模塊)、數(shù)字多用表、示波器、運(yùn)動激勵設(shè)備、能源激勵設(shè)備、微波激勵設(shè)備、光電激勵設(shè)備通過交換機(jī)接入測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中。主控計(jì)算機(jī)是測試設(shè)備的控制部分,主要是控制系統(tǒng)內(nèi)部測試設(shè)備,運(yùn)行測試軟件,完成測試流程的控制,測試數(shù)據(jù)的判斷、存儲、顯示和處理。主控計(jì)算機(jī)選用了工控機(jī)。VXI機(jī)箱選用安捷倫13槽機(jī)箱E8403A,零槽控制器選用VTI公司的EX2500,數(shù)字多用表選用安捷倫公司的L4411A,示波器選用安捷倫公司的DSO6054L,電源選用安捷倫N8737A。測試系統(tǒng)如圖2所示。
測試系統(tǒng)包括以下部分:
(1) 網(wǎng)絡(luò)層:采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口和TCP/IP協(xié)議,將測試計(jì)算機(jī)、測試儀器、激勵設(shè)備統(tǒng)一連接到以太網(wǎng)中。
(2) 儀器層:通過EX2500零槽控制器,VXI總線的儀器設(shè)備接到了網(wǎng)絡(luò)層,貨架儀器及包括運(yùn)動激勵、能源激勵、微波激勵和廣電激勵設(shè)備直接接到網(wǎng)絡(luò)層。
(3) 任務(wù)層:包括與被測飛行器的軟硬件接口、通訊協(xié)議、激勵方式。
測試系統(tǒng)采用通用接口加專用適配器的形式,對應(yīng)不同型號的被測飛行器,采用不同的專用適配器和電纜[8-10]。被測信號通過固定在信號適配組合上的信號適配器,連接綜合測試系統(tǒng)中的各種測試資源,形成適應(yīng)不同測試對象的通用接口,如圖3所示。信號適配器負(fù)責(zé)將不同型號飛行器的信號按照統(tǒng)一的規(guī)范接入信號適配組合中,并接入繼電器開關(guān)、數(shù)字多用表、A/D模塊、示波器等測試設(shè)備。
圖2 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Architecture of test system
圖3 接收器布局圖Fig.3 Architecture of receiver
混合總線測試系統(tǒng)的零槽控制器需要滿足LXI規(guī)范,同時對VXI系統(tǒng)提供資源管理。EX2500零槽控制器是第1款基于滿足LXI規(guī)范的VXI零槽控制器,除了可以完成傳統(tǒng)的VXI零槽控制器的功能外,還將LXI的關(guān)鍵特征引入VXI總線設(shè)備,如:以太網(wǎng)接口,IEEE-1588 PTP精密時鐘協(xié)議,LXI硬件觸發(fā)總線,Web頁面等。提供了將已有VXI設(shè)備與新的LXI技術(shù)相結(jié)合的手段,通過LAN網(wǎng)將VXI總線擴(kuò)展到一個外部主機(jī)上。該零槽控制器,有2個對外的觸發(fā)接口,一個是以8通道多點(diǎn)LVDS(multipoint-low voltage differential signaling)信號系統(tǒng)為基礎(chǔ)的LXI觸發(fā)總線接口,另一個是VXI總線觸發(fā)總線的接口,可以將背板VXI標(biāo)準(zhǔn)的8條并行TTL(transistor transistor logic)觸發(fā)線通過前面板擴(kuò)展到多個機(jī)箱。板上載有高精度時鐘(TCXO和OCXO),支持IEEE 1588(percision time protocol,PTP)同步,也可從外部輸入時鐘和觸發(fā)信號。軟件遵循VXI 3.0及LXI A類規(guī)范,兼容NI及Agilent VISA[11]。
在使用EX2500零槽控制器后,VXI通訊模塊出現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入寄存器后丟失,經(jīng)過排查,發(fā)現(xiàn)安捷倫零槽控制器EX8491和VTI零槽控制器EX2500A的數(shù)據(jù)總線均有抖動現(xiàn)象,但EX2500A的總線抖動幅度更大,寬度更寬,為解決該問題,在FPGA中對數(shù)據(jù)總線進(jìn)行了數(shù)字濾波,采用數(shù)字濾波后,未再出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。
測試軟件采用框架+插件模式實(shí)現(xiàn)??蚣茉谶\(yùn)行時動態(tài)地載入插件,負(fù)責(zé)插件的加載和管理,是插件的容器;插件是一種結(jié)構(gòu)化組件,是為一組滿足特定功能的組件集合,插件是功能的實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展,可以與宿主程序交互并為其提供特定的功能[12-13]。通過該方式軟件在框架了預(yù)留了功能擴(kuò)展點(diǎn)(extension point),具體功能實(shí)現(xiàn)在插件中,開發(fā)人員遵循擴(kuò)展點(diǎn)定義的規(guī)范,創(chuàng)建各種不同的功能插件,實(shí)現(xiàn)整個軟件的擴(kuò)展功能。
測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個測試軟件分為2個部分,測試流程配置部分和測試操作部分。測試流程負(fù)責(zé)配置測試儀器的操作配置和數(shù)據(jù)處理方式配置;測試操作負(fù)責(zé)執(zhí)行儀器操作和數(shù)據(jù)處理操作及數(shù)據(jù)顯示和存儲。
圖4 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Architecture of software
通過動態(tài)鏈接庫(dynamic link library,DLL)和組件對象模型(component object model,COM)2種方式可實(shí)現(xiàn)插件。DLL是一種具有一定功能的可執(zhí)行軟件模塊,雖然它本身不能獨(dú)立運(yùn)行,但是它可以輸出函數(shù)或類,通過其他能獨(dú)立的程序(宿主程序)可以調(diào)用它的內(nèi)部功能。亦是在Windows系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)軟件組件重用的方法,在DLL中,集中實(shí)現(xiàn)插件,只需用戶花少量的時間熟練有關(guān)插件的調(diào)用規(guī)則及編程規(guī)則,就可進(jìn)行插件設(shè)計(jì)與開發(fā)。COM是一種以組件為發(fā)布單元的對象模型,這種模型使各軟件組件可以用一種統(tǒng)一的方式進(jìn)行交互。COM既提供了組件之間進(jìn)行交互的規(guī)范,也提供了實(shí)現(xiàn)交互的環(huán)境,由于同類插件一般有統(tǒng)一的調(diào)用接口,因此也要使用COM技術(shù)作為開發(fā)插件的基礎(chǔ)。在本測試系統(tǒng)中,采用了DLL方案。
EX2500的驅(qū)動函數(shù)使用了安捷倫VISA(agilent VISA)編寫,對于用Agilent VISA開發(fā)VXI總線模塊驅(qū)動的系統(tǒng),需要安裝安捷倫VISA并將其設(shè)為主要VISA(primary VISA),對于用NI VISA開發(fā)VXI總線模塊驅(qū)動的系統(tǒng),需要安裝Agilent VISA,NI VISA,并將Agilent VISA設(shè)置為次要的VISA[2]。在完成EX2500驅(qū)動安裝后,通過EX2500連接到LAN的VXI模塊顯示在VXI0下,其他LXI總線設(shè)備顯示在LAN下,如圖5所示[14]。
購置的安捷倫N8737A電源為LXI C類設(shè)備、研制的目標(biāo)模擬器,具備LAN接口,不具備物理觸發(fā)和IEEE 1588 精密時間協(xié)議(PTP)同步的功能。在測試系統(tǒng)使用中需要同步控制不同的設(shè)備,目前采取的方法是將對相關(guān)設(shè)備的控制封裝在一個動態(tài)鏈接庫中,在使用中調(diào)用動態(tài)鏈接庫,同步精度可以達(dá)到毫秒級,但這種控制方式不靈活,實(shí)現(xiàn)的同步精度有限。后續(xù)考慮采用安捷倫的E5818A LXI B類觸發(fā)盒,可以通過PTP同步,為LXI C類儀器增加B類儀器的定時能力,使同步精度可以達(dá)到13~100 ns[15]。
圖5 EX2500配置界面Fig.5 Configuration interface of EX2500
測試系統(tǒng)中選用的貨架產(chǎn)品電壓表、示波器、電源等支持IVI(interchangeable virtual instrument)驅(qū)動,受到設(shè)備廠家驅(qū)動開發(fā)能力的限制,研制的設(shè)備如通訊板、目標(biāo)模擬器等沒有開發(fā)IVI驅(qū)動,不同廠家開發(fā)儀器的軟件可移植性不好,通訊板、目標(biāo)模擬器類的設(shè)備有待進(jìn)一步開發(fā)IXI驅(qū)動。
通過對飛行器的測試,證明本測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,可以滿足飛行器測試的需要。相關(guān)設(shè)計(jì)可以為飛行器測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考,并在測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用和推廣。在今后改進(jìn)同步控制方式和驅(qū)動后,可以更好地完成對飛行器的測試。