新一代航空航天總線技術(shù)

連強強 曹良秋

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，我國航空航天建設(shè)取得了顯著成果，催生出一些新型航空航天控制及測試技術(shù)。本文將介紹一種總線技術(shù)LXI，通過與其他的總線技術(shù)比較，表現(xiàn)出LXI技術(shù)的優(yōu)勢及應(yīng)用前景。具體分析該技術(shù)在運載火箭測試發(fā)射控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以表現(xiàn)該技術(shù)在推進(jìn)運載火箭測試系統(tǒng)智能化、自動化、信息化方面的作用及價值，進(jìn)而大幅度提升了系統(tǒng)總體性能。

關(guān)鍵詞：航天測試;總線技術(shù);發(fā)射控制系統(tǒng);智能化

中圖分類號：V247.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0046-02

0 前言

當(dāng)前，測試用的一臺或者多臺儀器、主控計算機(jī)、測試軟件及系統(tǒng)總線共同構(gòu)成了自動測試系統(tǒng)（ATS-Automatic Test System），其中負(fù)責(zé)對指令控制及發(fā)送測試數(shù)據(jù)的是系統(tǒng)總線，如同人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，總線技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，經(jīng)歷了4個發(fā)展階段，即GPIB、VXI、PXI及當(dāng)前的LXI。如今，我國航空航天事業(yè)建設(shè)取得了另世界矚目的成就，在發(fā)射控制系統(tǒng)測試方面，從GPIB測試系統(tǒng)逐步發(fā)展為目前的VXI、CAMAC測試系統(tǒng)，將進(jìn)一步推進(jìn)了載人航天事業(yè)發(fā)展，同時也提出了更高要求對測試發(fā)控系統(tǒng)。

1 LXI技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

LXI定義從過去的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到測試自動化領(lǐng)域，該技術(shù)出現(xiàn)可以將系統(tǒng)速度增加，將系統(tǒng)尺寸減少、系統(tǒng)設(shè)置時間縮短，進(jìn)而最大限度的節(jié)約系統(tǒng)成本，并能將軟件通用性大幅度提升。與其他的總線技術(shù)相比，硬件方面，LXI硬件構(gòu)成上更為先進(jìn)，將傳統(tǒng)總線技術(shù)帶有的專用接口去除了，使用PC標(biāo)準(zhǔn)與I/O接口，將O槽控制器與插卡箱去除了，取而代之的是模塊化程度較高的測試設(shè)備，不僅節(jié)約了成本，同時也縮減了占用面積;軟件方面，采用更為靈活的方案，用戶可實現(xiàn)自主選擇，通過圖形界面、文字界面與Excel界面。并且，提供了其他總線技術(shù)不具備的驅(qū)動程序、簡化系統(tǒng)設(shè)置的軟件等，真正在制造中應(yīng)用這些軟件，實用性更高，從而保證生產(chǎn)前后測量的一致。航天測試系統(tǒng)將進(jìn)一步完善，在LXI總線技術(shù)出現(xiàn)后。當(dāng)前，LXI儀器分為以下幾個等級：

（1）C類器件。該類型儀器是一種獨立或者臺式的，GPIB用LAN替代，為使儀器設(shè)置與數(shù)據(jù)訪問更為方便，內(nèi)部設(shè)置了基于XML的Web接口。同時，為將編程簡化，C類儀器提供了IVI驅(qū)動程序與API。其中IVI是一種可互換的虛擬儀器，API是應(yīng)用程序編程接口。（2）B類儀器。分布式測量系統(tǒng)中多應(yīng)用該類儀器，C類儀器所有配置B類儀器均有，除此之外，還對IEEES-1588精密時鐘同步支持。（3）A類儀器。C類儀器、B類儀器的所有要求A類儀器均具備，還額外增加了兩種屬性，即合成儀器操作模式與加速硬件出發(fā)總線。

2 測發(fā)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

因為運載火箭測發(fā)控系統(tǒng)有著較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要完成多個測試項目，并且不同測試項目信號類別及處理方法各不同，對數(shù)據(jù)有著較高的精度要求。基于此，通過LXI測控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，提高測試精度與效率，將系統(tǒng)匹配擴(kuò)展能力與測試軟件高效性提高。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

原有的運載火箭飛行控制系統(tǒng)測試過程見圖1所示。

測控系統(tǒng)以主控計算機(jī)為中心工作是主要特點，依據(jù)主控計算機(jī)指令運行測試設(shè)備，優(yōu)勢是可靠性較高，并且大部分為插卡式設(shè)備，對于測試儀器來說，有著較強的專業(yè)性對于儀器功能來說，但不足是點對點模式傳輸信息，信息量不足，且通用程度不高，并且占地面積大，受連接電纜的限制較大，對大型遠(yuǎn)程測試網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建造成阻礙。

基于網(wǎng)絡(luò)特點，而采用LXI模塊，形成了以下測控系統(tǒng)構(gòu)建方案。

在該方案中，形成了混合總線體系結(jié)構(gòu)，即VXI、GPIB為主、其他總線輔助的結(jié)構(gòu)。在該網(wǎng)絡(luò)中，由LXI儀器完成大部分測試項目，因每個LXI儀器處理器是自帶的，可以直接在網(wǎng)絡(luò)中接入。并且對于一些測試項目，比起GPIB、VXI成熟的總線系統(tǒng)，考慮到成本與穩(wěn)定性，在LXI總線系統(tǒng)中接入了LAN轉(zhuǎn)換器與O槽控制器。比起傳統(tǒng)的總線測試儀器，因為處理器、LAN連接、觸發(fā)輸入、電源都是自帶的，不再需要另外使用背板、電源、控制器、電纜等。在前面板上進(jìn)行LXI模塊的信號輸入及輸出，后面板中是LAN連接器與AC電源。為保證LXI儀器更為方便的在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架上安裝，采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架單位高度，對于LXI模塊高度來說，而在寬度上，采用的是半機(jī)架或全機(jī)架寬度，既方便了各種系統(tǒng)的使用，又具備模塊化優(yōu)點，同時也能單獨適應(yīng)。

LXI模塊將I/O接口限制突破了，儀器只需要將I/O接口部分更換，在使用新的I/O接口技術(shù)前，完全不需要改變其他功能部分。控制上不再使用過去的臺式儀器的按鍵與旋鈕，而是由計算機(jī)控制LXI模塊。并且，LXI儀器是自行封裝的，每一個LXI模塊都有各自單獨的電源、觸發(fā)、EMI屏蔽，并且供電使用的是普遍交流電源。

2.2 同步觸發(fā)機(jī)制

VXI儀器同步測試是通過背部總線觸發(fā)實現(xiàn)的，在同一個機(jī)箱內(nèi)的模塊間更容易實現(xiàn)這種方法，但是不同機(jī)箱內(nèi)的模塊間則不容易實現(xiàn)。提供了3種同步觸發(fā)機(jī)制，LXI儀器，分別為IEEE-1588精密時鐘同步觸發(fā)、網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)及觸發(fā)總線。下面對這幾種方法分別說明。

（1）網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)模式的觸發(fā)機(jī)制。多個LXI設(shè)備間的連接使用到交換機(jī)或者集成器，在網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)模式中，可實現(xiàn)一點對多點觸發(fā)應(yīng)用，通過計算機(jī)。觸發(fā)消息應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)UDP協(xié)議，比起TCP/IP協(xié)議延遲更少。優(yōu)勢是觸發(fā)更為靈活且限制更少，但不足是YDP協(xié)議傳輸穩(wěn)定性較差，從而使傳輸準(zhǔn)確性受到影響。（2）IEEE-1588精密時鐘同步觸發(fā)。結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主時鐘儀器為LXI，其他為從時鐘儀器，主時鐘會發(fā)放一個同步信息包向所有從時鐘，從時鐘再將一個延遲響應(yīng)信息包出發(fā)，在接受并發(fā)送主時鐘延遲請求信息包以后，將主、從時鐘間偏差通過計算公式求出，進(jìn)而每個時鐘可對自己的時間校準(zhǔn)。這種模式下，每一個器件啟動均在指定時間內(nèi)，且網(wǎng)絡(luò)延遲不會影響到事件的觸發(fā)。不需要額外與接觸發(fā)電纜連接，不受距離影響。（3）觸發(fā)總線。在A級模板中配置LXI觸發(fā)總線，可以配置成觸發(fā)信號源或者接收器將LXI模塊，每一個LXI模塊都帶有輸入與輸出連接器，為模塊的矩形連接提供支持。VXI、PXI背板總線與LXI觸發(fā)總線有著相似性，可以配置成星形或者串行總線。充分將PXI與VXI觸發(fā)總線的優(yōu)點利用起來，從而獲得更高的精度，而觸發(fā)總線的長度是決定精度的關(guān)鍵因素，約為5ns/m，即使是測試器件距離較遠(yuǎn)也同樣適用。

以上幾種觸發(fā)方法，同步精度上最高的是網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)，其次是IEEE-1588精密時鐘同步觸發(fā)，最后是觸發(fā)總線。因為受網(wǎng)絡(luò)傳輸延時影響，網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)有著毫秒級的同步誤差，IEEE-1588精密時鐘同步觸發(fā)誤差在100ns以內(nèi)，觸發(fā)總線是5ns/m。但是因為運載火箭測試有著非常高精度要求，由此，為將可靠性增強，系統(tǒng)中同步觸發(fā)采用IEEE-1588精密時鐘同步實現(xiàn)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)延遲解決

因為LXI測試儀器網(wǎng)線與計算機(jī)有連接，會不可避免的受網(wǎng)絡(luò)延遲問題困擾，雖然突破了傳輸距離限制，但是該問題也不得不考慮，并且連接的儀器不斷增多、連接距離延長下，網(wǎng)絡(luò)延遲問題將日益嚴(yán)重。LXI測試系統(tǒng)通過以下方法將該問題解決。

（1）使用SCPI命令，通過該命令可以直接編程控制LXI儀器，將運行速率提高，上層驅(qū)動程序使用時，需要解析成SCPI命令將參數(shù)。（2）盡量應(yīng)用大數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)絡(luò)通訊中，并且將數(shù)據(jù)包傳遞次數(shù)減少，可以放在一起將一連串命令，發(fā)送到儀器內(nèi)存儲要一次性發(fā)送完成，再使用一個命令對儀器驅(qū)動，從而立即對這個命令序列執(zhí)行，可以最大限度的將多次發(fā)送帶來的延遲減少。

3 LXI在航空測試領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢及前景

LXI總線的出現(xiàn)，在一定程度上提高了測試功能，而縮小了測試模塊體積，小體積下將系統(tǒng)功能提高，并且因為專用接口減少了，減弱了電氣連接復(fù)雜程度，加快了系統(tǒng)構(gòu)建速度，將由按鈕及開關(guān)組成的物理界面消除了，應(yīng)用互動性更強的、更為直觀的、動態(tài)的圖形界面，通過軟件對各個硬件元件定義，并能夠?qū)y試系統(tǒng)功能定義;在測試項目出現(xiàn)變化時，軟件專用、硬件通用系統(tǒng)模式下，通過調(diào)整部分模塊的方式，可以快速將新測試功能目的達(dá)到。

可將LXI總線看做是一種傳統(tǒng)測試系統(tǒng)構(gòu)建創(chuàng)新成果，LXI測試系統(tǒng)更準(zhǔn)確定義應(yīng)該是LXI測試網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到服務(wù)器與客戶端網(wǎng)絡(luò)化模式，從而使整個測試流程更加的快速、流暢及高效，有利于將傳統(tǒng)測試系統(tǒng)模塊功能單一、測試項目分散等問題解決。并且由一臺主控計算機(jī)作為服務(wù)器，測試客戶端又各個測試項目構(gòu)成，集中管理及協(xié)調(diào)各個測試客戶端，通過消息觸發(fā)模式，而各客戶端對服務(wù)器命令響應(yīng)將測試項目獨立完成，由服務(wù)器集中統(tǒng)一處理測試數(shù)據(jù)。此外，LXI測試網(wǎng)絡(luò)提供了與PXI、VXI及GPIB等總線轉(zhuǎn)換裝置，使得LXI兼容性方面更顯著，發(fā)展空間更大。并且突破了測試系統(tǒng)連接距離限制，可將大型遠(yuǎn)程測試網(wǎng)絡(luò)組建出來。

4 結(jié)語

總之，LXI作為新一代航空航天總線技術(shù)，開放性、兼容性強是該技術(shù)的優(yōu)勢，不僅能夠容納LAN設(shè)備，還能容納GPIB、VXI、PXI設(shè)備，通過轉(zhuǎn)換器。雖然當(dāng)前LXI并不是測試領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，但是在今后，C類儀器將有可能將GPIB取代成為新的儀器標(biāo)準(zhǔn)，且B類儀器也會開拓出更廣闊空間，在遠(yuǎn)程測量方面，A類儀器將有望成為無面板模塊最新標(biāo)準(zhǔn)?？傊琇XI在航空航天中將有著更為廣闊的發(fā)展及應(yīng)用空間，扮演日趨重要的角色，推進(jìn)航空航天事業(yè)建設(shè)步伐。

參考文獻(xiàn)

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