基于PXI的便攜式電臺(tái)綜合測(cè)試儀設(shè)計(jì)

劉書(shū)萌，吳 暉，馮國(guó)兵，周 林，張 鵬

(中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外儀器廠商推出了各種無(wú)線電綜合測(cè)試儀。國(guó)外典型的有HP公司的HP8920綜合測(cè)試儀、Rohde & Schwarz公司的CMS52綜合測(cè)試儀、Astronics公司的CTS-6000系列綜合測(cè)試儀。國(guó)內(nèi)典型的有成都766廠的AH-5403C綜合測(cè)試儀、中電41所的AV4945和AV4992A綜合測(cè)試儀[1]。上述這些綜合測(cè)試設(shè)備主要面向通信終端各參數(shù)的手動(dòng)逐步測(cè)試，自動(dòng)化程度較低，且大都不具備二次開(kāi)發(fā)能力，個(gè)別型號(hào)雖然可以二次開(kāi)發(fā)，但開(kāi)發(fā)步驟繁瑣，實(shí)用性差，智能化、適應(yīng)性、深度測(cè)試診斷能力不足。

針對(duì)現(xiàn)代通信測(cè)試的新要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于PXI總線技術(shù)的便攜式電臺(tái)綜合測(cè)試儀，該設(shè)備綜合集成通用虛擬儀器、一鍵測(cè)試、流程開(kāi)發(fā)與測(cè)試、裝備管理、故障診斷和故障預(yù)測(cè)等多種測(cè)試功能于一體，采用加固式一體機(jī)結(jié)構(gòu)，具備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組合化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短波、超短波通信裝備的便攜式智能維修保障。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的綜合測(cè)試儀采用標(biāo)準(zhǔn)的PXI總線，PXI背板定制化設(shè)計(jì)為3行×6列共18槽位，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，測(cè)試平臺(tái)可搭配不同功能的模塊，實(shí)現(xiàn)頻率、功率、靈敏度等性能參數(shù)的測(cè)試測(cè)量[2]。

1.1 硬件架構(gòu)

綜合測(cè)試儀硬件方案主要由人機(jī)接口設(shè)備、PXI嵌入式控制器、儀器背板、測(cè)試功能模塊、電源、機(jī)箱等六部分組成，如圖1所示。

(1)人機(jī)接口設(shè)備：包含顯示屏、鍵盤/觸摸板和觸摸屏三部分。

(2)PXI嵌入式控制器：是綜合測(cè)試儀的核心，用于實(shí)現(xiàn)模塊資源的管理、工作流程的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理等。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

(3)儀器背板：實(shí)現(xiàn)綜合測(cè)試儀控制器和測(cè)試板卡的固定，并完成板卡之間的高速通信。

(4)測(cè)試功能模塊：是綜合測(cè)試儀各種測(cè)試功能的主要實(shí)現(xiàn)者。

(5)電源：為綜合測(cè)試儀提供所需電源。

(6)機(jī)箱：綜合測(cè)試儀的物理結(jié)構(gòu)。

1.2 便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)箱主要有顯示屏(帶觸摸屏)、風(fēng)扇、外部接口、PXI機(jī)籠、鍵盤(帶觸摸板)、框架、把手、底板等組成，如圖2所示。

圖2 機(jī)箱組成圖

PXI機(jī)箱采用一體化加固式筆記本結(jié)構(gòu)，風(fēng)道設(shè)計(jì)為左側(cè)入風(fēng)、右側(cè)出風(fēng)的形式。為減輕重量，機(jī)箱采用鋁制材料，并對(duì)非承重部位進(jìn)行銑薄處理，既保證輕便，又不影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。同時(shí)，盡可能地減小機(jī)箱體積，提高便攜性以適用于野外通信設(shè)備測(cè)控作業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合測(cè)試儀軟件在Visual Studio 2012下采用C#進(jìn)行開(kāi)發(fā)，軟件運(yùn)行于嵌入式控制器中，可自動(dòng)完成多種型號(hào)通信裝備的測(cè)試。

2.1 軟件架構(gòu)

考慮通信設(shè)備綜合測(cè)試和維修保障的實(shí)用性、便捷性要求，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組合化測(cè)試原理實(shí)現(xiàn)虛擬儀器、一鍵測(cè)試、流程測(cè)試、裝備管理等軟件功能模塊[3]。系統(tǒng)軟件架構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)框圖

首先是系統(tǒng)登錄，設(shè)置安全登錄功能，分角色設(shè)置用戶權(quán)限。用戶登錄成功后，主菜單設(shè)有系統(tǒng)平臺(tái)簡(jiǎn)介、虛擬儀器、裝備管理、一鍵測(cè)試、流程測(cè)試與系統(tǒng)退出等功能。

(1) 系統(tǒng)平臺(tái)簡(jiǎn)介：對(duì)綜合測(cè)試儀的組成、功能特點(diǎn)以及使用說(shuō)明進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

(2) 虛擬儀器：包括萬(wàn)用表、示波器、功率計(jì)、頻率計(jì)、音頻儀、射頻信號(hào)源、射頻分析儀等。

(3) 裝備管理：多種型號(hào)通信裝備的完整測(cè)試流程封裝在其中，可進(jìn)行通信裝備的流程測(cè)試、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、維修保障與數(shù)據(jù)管理。

(4) 一鍵測(cè)試：日常測(cè)試中個(gè)別收發(fā)終端發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的測(cè)試。

(5) 流程測(cè)試：提供基于函數(shù)解析的可視化流程開(kāi)發(fā)及測(cè)試功能。

(6) 系統(tǒng)退出：退出軟件。

2.2 軟件設(shè)計(jì)思想

為實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)的同步性，提高軟件的可移植性，設(shè)計(jì)采用視圖、控制邏輯、模塊驅(qū)動(dòng)等三類任務(wù)分離的思想[4]。視圖的任務(wù)一方面是將控制邏輯任務(wù)上傳的數(shù)據(jù)接收并呈現(xiàn)給用戶，另一方面接收用戶的請(qǐng)求，并把請(qǐng)求下發(fā)給控制邏輯任務(wù)進(jìn)行處理；控制邏輯的任務(wù)一方面是處理視圖任務(wù)下發(fā)的請(qǐng)求，控制驅(qū)動(dòng)函數(shù)的執(zhí)行，另一方面把模塊驅(qū)動(dòng)返回的測(cè)量信息發(fā)送給視圖任務(wù)進(jìn)行顯示；模塊驅(qū)動(dòng)的任務(wù)是執(zhí)行控制驅(qū)動(dòng)函數(shù)的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)功能模塊的控制和測(cè)量結(jié)果的上傳。三類任務(wù)間的接口通過(guò)在公共類中定義全局變量的方式實(shí)現(xiàn)。

2.3 關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)

流程測(cè)試和故障診斷與預(yù)測(cè)是本文設(shè)計(jì)的綜合測(cè)試儀的兩項(xiàng)關(guān)鍵功能，同時(shí)也是它有別于市場(chǎng)上同類產(chǎn)品的創(chuàng)新之處。流程測(cè)試功能滿足了用戶自主定制通信裝備測(cè)試流程進(jìn)而完成自動(dòng)測(cè)試的需要。故障診斷與預(yù)測(cè)功能使裝備“視情維修”成為可能，大大提高了面向通信裝備的深度測(cè)試診斷能力和智能維修保障能力[5]。

2.3.1流程測(cè)試

流程測(cè)試是綜合測(cè)試儀的一項(xiàng)重要功能，包含流程開(kāi)發(fā)和流程執(zhí)行兩種模式[6]。流程開(kāi)發(fā)模式下，用戶可以針對(duì)新型裝備的特點(diǎn)自主開(kāi)發(fā)設(shè)備測(cè)試項(xiàng)；流程執(zhí)行模式下，用戶可選擇需要的測(cè)試流程進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試模式包括連續(xù)和單步兩種。對(duì)于全部測(cè)試項(xiàng)均合格的被測(cè)裝備，綜合測(cè)試儀會(huì)將故障預(yù)測(cè)算法生成的預(yù)測(cè)信息同步提示給用戶，以便用戶執(zhí)行后續(xù)預(yù)防操作；對(duì)于測(cè)試不合格的裝備，綜合測(cè)試儀會(huì)針對(duì)不合格項(xiàng)進(jìn)行自動(dòng)故障隔離定位，并生成維修決策建議給用戶，提高裝備的維修效率。當(dāng)流程執(zhí)行結(jié)束時(shí)，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行的流程測(cè)試結(jié)果保存、報(bào)表生成及打印、將測(cè)試流程添加至裝備管理等操作。測(cè)試流程開(kāi)發(fā)與執(zhí)行的具體流程圖如圖4所示。

圖4 流程開(kāi)發(fā)與執(zhí)行

2.3.2故障診斷與預(yù)測(cè)

本文設(shè)計(jì)的綜合測(cè)試儀綜合運(yùn)用各種決策支持技術(shù)和人工智能技術(shù)，將通信設(shè)備的性能測(cè)試與故障診斷、故障預(yù)測(cè)結(jié)合起來(lái)，能夠及時(shí)、正確地對(duì)被測(cè)設(shè)備的健康狀況做出反映，提高裝備運(yùn)行的可靠性、安全性和有效性，把故障損失降低到最低水平[7]。這一功能不僅有利于把維護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)加以系統(tǒng)化，形成故障診斷與預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，也有利于故障診斷與預(yù)測(cè)知識(shí)的積累和擴(kuò)大，有利于更好地為各類通信設(shè)備提供作戰(zhàn)綜合保障。

(1) 故障診斷模塊

智能故障診斷系統(tǒng)是一種新型的結(jié)構(gòu)化專家系統(tǒng)，采用了人工智能技術(shù)，集成了規(guī)則與模型兩種知識(shí)表達(dá)方法，包含知識(shí)管理、推理機(jī)以及狀態(tài)顯示與發(fā)布等部分，程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 故障診斷程序結(jié)構(gòu)

其中，知識(shí)管理工具以歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)、專家知識(shí)以及規(guī)則等創(chuàng)建適應(yīng)通信裝備測(cè)試參數(shù)的故障規(guī)則庫(kù)和模型庫(kù)。軟件以實(shí)時(shí)不合格測(cè)試項(xiàng)的數(shù)據(jù)為激勵(lì)信號(hào)，啟動(dòng)推理過(guò)程后，根據(jù)不同數(shù)據(jù)源由算法控制程序選擇加載規(guī)則診斷推理流程或者模型診斷推理流程。推理引擎通過(guò)推理導(dǎo)出的診斷結(jié)果經(jīng)解釋器解釋后，一方面在人機(jī)界面展示并定位到裝備故障位置，另一方面保存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(2) 故障預(yù)測(cè)模塊

對(duì)于所有測(cè)試項(xiàng)均合格的通信裝備，軟件可進(jìn)一步結(jié)合設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，建立被測(cè)通信設(shè)備的性能衰退評(píng)估模型，完成剩余壽命預(yù)測(cè)，提出預(yù)測(cè)性維修報(bào)告顯示給用戶以供參考，該模塊程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

在接收測(cè)試數(shù)據(jù)之前，用戶可以對(duì)預(yù)測(cè)程序的信息進(jìn)行配置，并通過(guò)定時(shí)或人工的方式對(duì)預(yù)測(cè)方法模型進(jìn)行訓(xùn)練修正。之后軟件開(kāi)始接收實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)或歷史測(cè)試數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除野值，或提供特定時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)。下一步根據(jù)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，并參照國(guó)軍標(biāo)中的要求，形成設(shè)備的健康度評(píng)估和壽命評(píng)估，最后將預(yù)測(cè)信息提示實(shí)時(shí)顯示給用戶，并將預(yù)測(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)日志存儲(chǔ)到文件中。本文設(shè)計(jì)的故障預(yù)測(cè)方法包括：一是經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的對(duì)象外掛預(yù)測(cè)模型；二是基于時(shí)間序列平滑預(yù)測(cè)的AR、ARMA模型；三是基于趨勢(shì)外推的曲線擬合、最近鄰等[8]。

圖6 故障預(yù)測(cè)程序結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)與分析

通過(guò)上述軟硬件設(shè)計(jì)，研制出的便攜式電臺(tái)綜合測(cè)試儀具備通用虛擬儀器、一鍵測(cè)試、流程開(kāi)發(fā)與測(cè)試、裝備管理、故障診斷與預(yù)測(cè)等多種測(cè)試功能，且結(jié)構(gòu)輕便，是一套非常適合于野外通信裝備測(cè)試作業(yè)和多種復(fù)雜設(shè)備混裝測(cè)試的智能化儀器。該綜合測(cè)試儀在電子六所內(nèi)完成了所有指標(biāo)的驗(yàn)收測(cè)試，其性能指標(biāo)和Rohde & Schwarz公司的CMS52綜合測(cè)試儀的對(duì)照如表1所示[9]。

表1 本產(chǎn)品和R&S? CMS52比較

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的便攜式電臺(tái)綜合測(cè)試儀，是針對(duì)現(xiàn)代通信裝備測(cè)試需求提出的一種綜合性的智能維修保障設(shè)備。通過(guò)對(duì)設(shè)備軟硬件系統(tǒng)和便攜結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，使該設(shè)計(jì)方案有整體小型化、易于升級(jí)和可重新配置等特點(diǎn)的同時(shí)，集成了通用虛擬儀器、一鍵測(cè)試、流程開(kāi)發(fā)與測(cè)試、裝備管理、故障診斷和故障預(yù)測(cè)等多種測(cè)試功能，解決了目前測(cè)試中需要多臺(tái)測(cè)試儀器、測(cè)試成本高、攜帶和使用不方便、無(wú)法快速進(jìn)行故障查找和測(cè)試等缺陷。研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可檢測(cè)頻率范圍為1 MHz～3 GHz，各項(xiàng)功能及性能指標(biāo)經(jīng)測(cè)試均滿足要求，在通信裝備的測(cè)試維修領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。