一種專用測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高峰

（海軍駐廣州第三軍事代表室，廣州 510265）

引言

現(xiàn)代化軍隊(duì)中配備了大量的專用以及通用的測(cè)試系統(tǒng)，用于各類軍用設(shè)備及其附件的檢測(cè)。這些專用測(cè)試系統(tǒng)需要定期校準(zhǔn)確保其性能的可靠性，但是通常這些專用測(cè)試裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)種類繁多，工作量大，傳統(tǒng)儀器儀表校準(zhǔn)裝置，雖然測(cè)試精度高，但機(jī)動(dòng)性差，校準(zhǔn)效率低，儀器成本較高，一些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備精度高、不適合頻繁顛簸，長(zhǎng)途運(yùn)輸后經(jīng)常出問(wèn)題?；诖吮疚奶岢隽艘环N基于PXI和虛擬儀器的專用測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置，PXI模塊分別包含射頻信號(hào)源、頻譜儀、數(shù)字化儀、任意波形發(fā)生器、精密源測(cè)量板卡與音頻分析板卡等功能模塊。通過(guò)定制的程序開(kāi)發(fā)手段，滿足對(duì)多種被測(cè)設(shè)備校準(zhǔn)要求，并且硬件部件易于裝卸，成本較低，提供測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄和自動(dòng)保存功能，能夠?qū)С鰳?biāo)準(zhǔn)格式的證書(shū)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化操作，相較于傳統(tǒng)儀器儀表校準(zhǔn)裝置更加高效便捷。

1 硬件設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)裝置硬件擬采用PXI模塊，以保證校準(zhǔn)系統(tǒng)的方便易用性。主系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分布式控制，各模塊之間的控制和數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)USB、PXI/PXIe總線與數(shù)據(jù)處理模塊通信。校準(zhǔn)裝置組成框圖如圖1所示。

硬件主要包括校準(zhǔn)單元、主控單元、接口適配器單元。其中校準(zhǔn)單元是核心單元，包括射頻信號(hào)源模塊、射頻分析儀模塊、精密源測(cè)量模塊、音頻分析模塊、音頻激勵(lì)模塊等。主控單元主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，對(duì)各硬件、PXI級(jí)聯(lián)卡、鍵盤、顯示屏、USB接口等輸入輸出進(jìn)行控制。接口適配器單元在主控單元的控制下，完成信號(hào)路由和通道的切換，主要實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)信號(hào)輸入和輸出的配置，通過(guò)校準(zhǔn)電纜完成校準(zhǔn)設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備的通道對(duì)接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)輸入輸出配置。

1.1 校準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)單元主要由PXI模塊組成，主要實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)試，功率測(cè)試，頻譜分析；信號(hào)解調(diào)；頻率源輸出；功率輸出，直流源輸出、音頻分析與音頻激勵(lì)。校準(zhǔn)單元主要包括PXI頻譜儀板卡9214B、信號(hào)源板卡、任意波形發(fā)生器板卡、數(shù)字化儀板卡、USB功率傳感器U2004A、標(biāo)準(zhǔn)源功率測(cè)量板卡PXIe-4137、音頻分析板卡PXI-4461與高穩(wěn)晶振。

1.2 主控單元設(shè)計(jì)

主控單元是校準(zhǔn)平臺(tái)的控制組件，主要完成人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)處理和顯示、總線控制和驅(qū)動(dòng)、供電電源控制等功能。主控單元由PXIe機(jī)箱、嵌入式控制器、PXIe背板、PXI級(jí)聯(lián)卡PXI-8570、人機(jī)交互設(shè)備組成，主控單元工作原理如圖2所示。

主控單元核心部分為PXIe機(jī)箱部分，包含PXIe背板和嵌入式控制器。通過(guò)PXI總線、LAN/RS232總線實(shí)現(xiàn)與其他單元模塊的交互控制、數(shù)據(jù)傳輸及處理功能。

1.3 專用接口適配器單元設(shè)計(jì)

專用接口適配器單元主要包括接口模塊、電源模塊。主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊資源、遙控接口到被測(cè)設(shè)備的無(wú)縫適配和通道的自動(dòng)切換，方便用戶進(jìn)行快速的連接和自動(dòng)化測(cè)試。專用接口適配器原理框如圖3所示。

圖1 校準(zhǔn)裝置組成框圖

圖2 主控單元工作原理圖

圖3 專用接口適配器工作原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件層次架構(gòu)

校準(zhǔn)裝置軟件采用分層體系結(jié)構(gòu)，從上至下分別是框架層、程序組件層、業(yè)務(wù)操作層、數(shù)據(jù)處理層、驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)實(shí)體層、操作系統(tǒng)層。軟件體系架構(gòu)如圖4所示。

軟件開(kāi)發(fā)以模塊化、結(jié)構(gòu)化的方式進(jìn)行編程，形成許多模塊化的子程序，校準(zhǔn)裝置搭配不同功能的子程序完成相應(yīng)的測(cè)試、校準(zhǔn)源工作。通過(guò)上位機(jī)控制面板，使用鼠標(biāo)及鍵盤進(jìn)行人機(jī)交流，將測(cè)量結(jié)果直觀顯示出來(lái)，并存入檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 軟件功能設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)裝置軟件主要由校準(zhǔn)功能模塊和后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)模塊組成，校準(zhǔn)模塊功能包括自檢與自校準(zhǔn)、自動(dòng)檢定校準(zhǔn)、手動(dòng)檢定校準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)功能設(shè)置、模式調(diào)用、流程控制、參數(shù)測(cè)量與記錄顯示等功能；后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)模塊可進(jìn)行快速二次開(kāi)發(fā)、綜合數(shù)據(jù)管理、儀器資源管理與系統(tǒng)信息管理。軟件功能框圖如圖5所示。

圖4 軟件體系架構(gòu)

圖5 軟件功能框圖

1）系統(tǒng)自檢與自校準(zhǔn)

啟動(dòng)系統(tǒng)軟件后，系統(tǒng)首先自動(dòng)檢查各個(gè)設(shè)備模塊是否工作正常，并以列表的形式給出自檢結(jié)果。系統(tǒng)自檢主要是通過(guò)控制命令啟動(dòng)模塊的自檢程序，對(duì)各個(gè)硬件模塊的功能進(jìn)行自檢查，包括射頻信號(hào)源模塊、射頻分析儀模塊、任意波形發(fā)生器模塊、功率計(jì)模塊、適配器模塊等的自檢。自檢與自校準(zhǔn)界面如圖6所示。

同時(shí)系統(tǒng)提供自校準(zhǔn)功能，可以對(duì)射頻輸入通道、射頻輸出通道連接線纜插損值進(jìn)行校準(zhǔn)且提供自校準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理功能，可以對(duì)自校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與查看，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。流程圖如圖7所示。

2）自動(dòng)檢定校準(zhǔn)

校準(zhǔn)裝置通過(guò)集成PXI級(jí)聯(lián)卡或者后臺(tái)服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備內(nèi)板卡的自動(dòng)控制。自動(dòng)檢定校準(zhǔn)功能主要完成對(duì)射頻信號(hào)源、頻譜分析儀、頻率計(jì)、任意波形發(fā)生器、萬(wàn)用表、示波器和音頻分析儀的自動(dòng)檢定校準(zhǔn)。自動(dòng)檢定校準(zhǔn)軟件界面設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖6 軟件界面

圖7 自校準(zhǔn)連接圖

圖8 自動(dòng)檢定校準(zhǔn)軟件界面

本軟件采用通用自動(dòng)測(cè)試軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢定校準(zhǔn)，從功能上包括自動(dòng)測(cè)試組件和自動(dòng)檢定校準(zhǔn)管理界面兩部分組成，即采用通用的自動(dòng)檢定校準(zhǔn)軟件調(diào)用、管理組件化的專用測(cè)試模塊，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化測(cè)試，同時(shí)具有被測(cè)設(shè)備擴(kuò)展功能。流程圖如圖9所示。

3）手動(dòng)檢定校準(zhǔn)

本裝置也可進(jìn)行手動(dòng)檢定校準(zhǔn)，提供射頻信號(hào)源、頻譜分析儀、頻率計(jì)、任意波形發(fā)生器、萬(wàn)用表、示波器和音頻分析儀的專用手動(dòng)檢定校準(zhǔn)面板。手動(dòng)檢定校準(zhǔn)面板包括標(biāo)準(zhǔn)資源參數(shù)、校準(zhǔn)信息輸入欄、被校測(cè)試項(xiàng)目選擇欄、測(cè)試參數(shù)欄、測(cè)試結(jié)果。

4）后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)

后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)模塊的功能包括快速二次開(kāi)發(fā)、綜合數(shù)據(jù)管理、儀器資源管理與系統(tǒng)信息管理。快速二次開(kāi)發(fā)主要實(shí)現(xiàn)以型號(hào)為單位的測(cè)試數(shù)據(jù)包的開(kāi)發(fā)，包括檢定流程編輯功能、被測(cè)設(shè)備信息開(kāi)發(fā)、驅(qū)動(dòng)安裝與更新、證書(shū)模板信息開(kāi)發(fā)和程序包快速導(dǎo)入導(dǎo)出；綜合數(shù)據(jù)管理包括自動(dòng)檢定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理、手動(dòng)檢定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理和自校準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理。提供校準(zhǔn)結(jié)果的查詢、統(tǒng)計(jì)、刪除功能；儀器資源管理可以對(duì)校準(zhǔn)裝置本身的硬件模塊資源進(jìn)行配置和管理，如測(cè)試模塊名稱、編號(hào)、程控地址、儀器驅(qū)動(dòng)等，可更改各個(gè)硬件資源的信息。

3 可靠性、安全性、維修性、測(cè)試性、保障性設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)裝置的優(yōu)劣不僅僅是考量它的功能，更重要是評(píng)價(jià)其性能，可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性和安全性既是其重要質(zhì)量屬性，也是產(chǎn)品應(yīng)用的保障，更是裝備優(yōu)劣的關(guān)鍵評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 可靠性

在本次樣機(jī)研制過(guò)程中，將根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，從硬件和軟件采取必要的可靠性設(shè)計(jì)措施來(lái)保證滿足對(duì)整機(jī)的可靠性要求。

硬件可靠性主要從降額，散熱，耐沖擊振動(dòng)，可維修，裝置研制過(guò)程簡(jiǎn)化五個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。研制中都將參考GJB/Z 35-93《元器件降額準(zhǔn)則》中的要求進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，降額等級(jí)原則上選用Ⅱ級(jí)，保證得到最佳的降額效果，又不會(huì)影響產(chǎn)品性能；在散熱設(shè)計(jì)方面，設(shè)備采取風(fēng)機(jī)散熱方式；為適用使用環(huán)境，本設(shè)備結(jié)構(gòu)上提高電子設(shè)備自身抗振能力；通過(guò)故障警告，功能模塊化以及對(duì)零部件編號(hào)等措施提高設(shè)備的可維修性；設(shè)備在研制過(guò)程中，盡可能用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)模擬電路的功能，在保證必要的功能、性能前提下，盡可能壓縮元器件、零件的品種、規(guī)格對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

軟件可靠性主要從軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、避錯(cuò)性、冗余、健壯性、容錯(cuò)率、錯(cuò)誤恢復(fù)性以及程序簡(jiǎn)化七個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)以功能模塊劃分，采用高耦合低內(nèi)聚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大程度的減少模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及子模塊的復(fù)雜度，同時(shí)確保所有代碼塊內(nèi)部無(wú)錯(cuò)；數(shù)據(jù)庫(kù)依照第三范式設(shè)計(jì)，降低數(shù)據(jù)冗余；通過(guò)輸入驗(yàn)證，代碼分層編寫，封裝邏輯層，確保程序健壯；在代碼塊的組合運(yùn)用時(shí)，全面考慮各種狀態(tài)并完成相應(yīng)的異常處理措施，增強(qiáng)軟件的容錯(cuò)性；主要數(shù)據(jù)項(xiàng)/數(shù)據(jù)流均采用緩沖設(shè)計(jì)，最大程度的保留發(fā)生錯(cuò)誤之前的進(jìn)程狀態(tài)，用于錯(cuò)誤恢復(fù)；對(duì)通用函數(shù)封裝入工具函數(shù)庫(kù)，編寫實(shí)體類，全局變量在配置文件中集中定義，由各模塊調(diào)用，最大程度減少由功能需求改動(dòng)導(dǎo)致的代碼修改工作，同時(shí)也使軟件的后續(xù)升級(jí)更加簡(jiǎn)易。

3.2 安全性

為保障測(cè)試系統(tǒng)的安全性，在方案階段選擇適用的安全性設(shè)計(jì)規(guī)范、指南、準(zhǔn)則等，并在設(shè)計(jì)中貫徹執(zhí)行。在產(chǎn)品研制中根據(jù)安全性分析信息，對(duì)所采用的安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及所進(jìn)行的設(shè)計(jì)作必要的補(bǔ)充完善。首先在設(shè)備研制過(guò)程中盡可能選擇無(wú)危險(xiǎn)或在壽命周期內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)最小的材料；其次避免使工作人員在系統(tǒng)使用、保養(yǎng)、維護(hù)、修理等過(guò)程中暴露于危險(xiǎn)環(huán)境，或?qū)⑵滹L(fēng)險(xiǎn)降低到可接受水平的設(shè)計(jì)；最后設(shè)計(jì)軟件控制或監(jiān)測(cè)的功能，當(dāng)各種可行的安全性設(shè)計(jì)措施都未能消除危險(xiǎn)，或不能將其風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受水平時(shí)，觸發(fā)報(bào)警裝置并標(biāo)出醒目的標(biāo)志，以確保人員和設(shè)備的安全。

3.3 維修性

在研制過(guò)程中考慮采取可達(dá)性設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計(jì)和防差錯(cuò)設(shè)計(jì)四個(gè)措施保證產(chǎn)品的維修性?？蛇_(dá)性設(shè)計(jì)即為在整體設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)籌安排，合理布局，盡量做到檢查或維修任一部分時(shí)，不拆卸、不移動(dòng)或少拆卸、少移動(dòng)其他部分；在滿足功能需要的前提下減少零部件的品種和規(guī)格，面板、蓋板、后板采用可拆裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，緊固件盡可能少，簡(jiǎn)化后續(xù)安裝及維修；標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)則是優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)件，提高互換性和通用化程度。采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于尋找故障和更換，接插式聯(lián)接，不用焊接連接，從而縮短維修時(shí)間。防差錯(cuò)設(shè)計(jì)主要從標(biāo)記外形相近而功能不同的零件、重要的連接件以及產(chǎn)品單元板、接插件、器件和線纜等，便于查找故障和維修更換。

3.4 測(cè)試性

為提高測(cè)試系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性，減少對(duì)維修人力和其他資源的需求，在研制過(guò)程中充分考慮了設(shè)備的測(cè)試性。設(shè)備研制過(guò)程中將各部分相對(duì)獨(dú)立，以便拆卸測(cè)試；將印制電路板上重要的、需進(jìn)行檢測(cè)的器件放置于容易測(cè)試的位置。需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的器件留有足夠的空間，允許插入測(cè)試夾子和測(cè)試探針。功能模塊、電路板均設(shè)計(jì)有測(cè)試點(diǎn)，并標(biāo)示清晰、直觀的標(biāo)志；通過(guò)維護(hù)管理軟件對(duì)各單元進(jìn)行檢測(cè)、數(shù)據(jù)下載和軟件升級(jí)等功能；通過(guò)測(cè)試軟件，測(cè)試所屬設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。

3.5 保障性

只有形成良好的保障系統(tǒng)，才能更好地保障測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定的系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性要求。為確保設(shè)備的保障性，采取相應(yīng)的保障措施，規(guī)劃保障設(shè)施所需的信息主要包括保障設(shè)施的約束條件、現(xiàn)有保障設(shè)施清單及功能說(shuō)明、規(guī)劃使用保障和規(guī)劃維修的結(jié)果等。在論證階段，收集現(xiàn)有保障設(shè)施的有關(guān)信息，明確約束條件；在方案階段，已明確保障設(shè)施的初步需求；在工程研制階段，明確保障設(shè)施需求，提出建造和改造計(jì)劃，已進(jìn)行設(shè)計(jì)建造和改造。

4 關(guān)鍵技術(shù)解決途徑

4.1 專用校準(zhǔn)適配器的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)被測(cè)設(shè)備的工作原理、性能指標(biāo)進(jìn)行分析，信號(hào)接口主要包括通用接口與專用接口，通用接口主要為SMA、BNC類型接頭，可以通過(guò)線纜實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)裝置與被校設(shè)備的駁接，專用接口接口為航插，主要進(jìn)行音頻信號(hào)輸入與輸出，課題組研制專用校準(zhǔn)適配器實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)裝置與被測(cè)設(shè)備的駁接，從而滿足測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)的要求。

4.2 測(cè)試誤差精密補(bǔ)償技術(shù)

校準(zhǔn)裝置進(jìn)行射頻信號(hào)功率校準(zhǔn)時(shí)需要通過(guò)射頻線纜或者轉(zhuǎn)接頭連接。由于射頻轉(zhuǎn)接頭、射頻線纜對(duì)射頻信號(hào)有衰減作用。為了消除由于射頻轉(zhuǎn)接頭、射頻線纜帶來(lái)的校準(zhǔn)誤差，校準(zhǔn)裝置提供通道誤差修正功能。校準(zhǔn)裝置以高精度的USB功率傳感器為基準(zhǔn)，首先，不連接射頻線纜時(shí)，直接用USB功率傳感器測(cè)量射頻輸出通道電平值記為L(zhǎng)0，連接射頻線纜時(shí)，再次使用USB功率傳感器測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻線纜后的電平值記為L(zhǎng)1，插損值為：L0-L1。在進(jìn)行射頻校準(zhǔn)時(shí)測(cè)試結(jié)果等于測(cè)試值減去線纜帶來(lái)的插損值，通過(guò)這種方法消除了射頻連接線纜、轉(zhuǎn)接頭帶來(lái)的誤差，最大程度的可以保證校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)專用測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及測(cè)試系統(tǒng)的五性設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，該測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)專用測(cè)試系統(tǒng)等技術(shù)保障裝備的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量與主要指標(biāo)的量值傳遞。具有技術(shù)先進(jìn)、小型便攜，集成度高等突出優(yōu)點(diǎn)，更加符合部隊(duì)裝備多樣化計(jì)量保障需求。