一種星載電子設(shè)備的通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

卞新豪，趙巾衛(wèi)，方 猛，夏宇垠，許 猛

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇南京 210007）

0 引言

星載設(shè)備通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是使用計(jì)算機(jī)代替人工操作，按照預(yù)定的程序，控制和管理被測(cè)載荷的地面儀器設(shè)備。測(cè)試系統(tǒng)能對(duì)信號(hào)激勵(lì)、信號(hào)采集、信號(hào)測(cè)量實(shí)施控制，對(duì)測(cè)試信息進(jìn)行處理、判讀和記錄，并給出測(cè)試結(jié)果報(bào)告[1]。

從20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，以美國(guó)為代表的西方主要發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始致力于自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的通用化，并逐步形成了以軍種為單位的通用化系列標(biāo)準(zhǔn)。但是目前通用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)依然存在應(yīng)用范圍有限、開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本過(guò)高、系統(tǒng)間缺乏互操作性、測(cè)試診斷新技術(shù)難以融入已有系統(tǒng)等諸多不足。我國(guó)航天型號(hào)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始研制，至今主要經(jīng)歷了2代：CAMAC自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和VXI自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)出的相應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)主要包括：衛(wèi)星控制系統(tǒng)、衛(wèi)星整星自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、遙測(cè)測(cè)試系統(tǒng)、運(yùn)載火箭測(cè)試系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)等[2-3]。其中專(zhuān)門(mén)針對(duì)衛(wèi)星載荷的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)較少。

我國(guó)現(xiàn)有的航天測(cè)試系統(tǒng)多為人工參與程度較高的簡(jiǎn)單通用測(cè)試平臺(tái)，或?yàn)閮H供某一特定型號(hào)使用的測(cè)試系統(tǒng)。主要存在以下問(wèn)題：1）通用性差：缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，大多采用一套測(cè)試系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一套被測(cè)設(shè)備的模式，無(wú)法適應(yīng)一對(duì)多的方式。若一套測(cè)試系統(tǒng)可同時(shí)控制測(cè)試多套被測(cè)設(shè)備，則可以縮減測(cè)試時(shí)間，減少測(cè)試人員。2）兼容性差，沿用性差：測(cè)試系統(tǒng)相互間不兼容，無(wú)法沿用，不同設(shè)備使用的測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法統(tǒng)一，需重復(fù)投入，重復(fù)開(kāi)發(fā)。3）人工參與程度高：設(shè)計(jì)師測(cè)試工作量大，并且人為失誤也會(huì)影響對(duì)被測(cè)設(shè)備功能性能的判斷。4）指令遍歷性不夠：指令受人為因素影響過(guò)高，無(wú)法遍歷所有指令，導(dǎo)致測(cè)試覆蓋性不夠。5）痕跡回溯性差：測(cè)試痕跡、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試內(nèi)容事后匹配程度差，無(wú)法回溯測(cè)試狀態(tài)及復(fù)現(xiàn)測(cè)試環(huán)境。

本文設(shè)計(jì)了一種基于開(kāi)放式硬件和軟件設(shè)計(jì)的通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，能有效提高自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的通用性、復(fù)用性、測(cè)試覆蓋性及自動(dòng)化程度，是解決航天測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)有痼疾的一種有效途徑。

1 通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組成與工作原理

通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制，基于“開(kāi)放式、模塊化”的設(shè)計(jì)思想，硬件方面采用標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)架構(gòu)，減少了設(shè)備復(fù)雜性、縮短了開(kāi)發(fā)周期、降低了成本，軟件方面采用模塊化+開(kāi)放式協(xié)議的方式，利于重復(fù)使用，使系統(tǒng)具有很好的互操作性和可移植性[4-5]。通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由地檢硬件和地檢軟件構(gòu)成，其中地檢軟件又可分為地檢驅(qū)動(dòng)軟件、顯控軟件及自動(dòng)控制測(cè)試軟件。

通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組成及工作原理如圖1所示。

圖1 通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成及工作原理

2 系統(tǒng)架構(gòu)

為滿(mǎn)足通用性及復(fù)用性，通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用開(kāi)放式架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為地檢設(shè)備（以下稱(chēng)“地檢硬件”），主要起上傳下達(dá)的作用，其主要功能為模擬整星星務(wù)管理系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)等系統(tǒng)功能，對(duì)被測(cè)載荷完成控制、遙測(cè)、數(shù)據(jù)下傳等功能，檢驗(yàn)被測(cè)載荷的功能性能是否正常。

地檢硬件基于市面上常用的商業(yè)架構(gòu)——PXIe總線(xiàn)架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建。采用模塊化的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)信號(hào)的收發(fā)，所有模塊均安裝在9槽的PXIe機(jī)箱中，由機(jī)箱的控制器通過(guò)PXIe總線(xiàn)完成對(duì)模塊化儀器的控制及采集數(shù)據(jù)的讀取，并提供各種總線(xiàn)接口，不同項(xiàng)目根據(jù)需要加插不同板卡。地檢設(shè)備硬件主要受地檢驅(qū)動(dòng)軟件的控制及調(diào)用。

2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)按照功能可分為3種可執(zhí)行軟件，分別為地檢驅(qū)動(dòng)軟件、顯控軟件及自動(dòng)控制測(cè)試軟件。

3種軟件之間的工作流程如圖2所示。

軟件按照分層的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括應(yīng)用層、協(xié)議引擎、庫(kù)函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序四層，如圖3所示。

顯控軟件和自動(dòng)測(cè)試軟件為應(yīng)用層面軟件，主要針對(duì)不同被測(cè)設(shè)備的不同協(xié)議進(jìn)行協(xié)議編輯，并存入?yún)f(xié)議數(shù)據(jù)庫(kù)中，使用過(guò)程中從數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行調(diào)用，地檢驅(qū)動(dòng)軟件為調(diào)用庫(kù)函數(shù)，調(diào)配各板塊驅(qū)動(dòng)運(yùn)行方式。所有的軟件采用開(kāi)放式協(xié)議方式，可由不同的設(shè)計(jì)師自行修改及分配。

2.3 通用化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì)的核心為協(xié)議編輯軟件，根據(jù)開(kāi)放式的協(xié)議自動(dòng)生成用戶(hù)所需的界面，實(shí)現(xiàn)多種不同協(xié)議之間的重新配置，如圖4所示。

圖2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)工作流程圖

圖3 軟件架構(gòu)原理框圖

當(dāng)更換被測(cè)設(shè)備后，在協(xié)議編輯軟件上對(duì)被測(cè)設(shè)備的協(xié)議進(jìn)行重新編輯，然后將協(xié)議存儲(chǔ)至SQLITE數(shù)據(jù)庫(kù)，保存為DB文件，各軟件在初始化過(guò)程中加載DB文件，并且將數(shù)據(jù)庫(kù)中映射信息加載至控件的隱藏彈窗屬性中，實(shí)現(xiàn)軟件的加載，如此則可滿(mǎn)足不同課題的不同協(xié)議進(jìn)行。

地檢驅(qū)動(dòng)軟件接收到被測(cè)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，將不同的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行分類(lèi)后，送至顯控軟件，顯控軟件根據(jù)加載的協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文包頭包尾判斷所屬協(xié)議內(nèi)容，并調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的協(xié)議數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，如圖5所示，在解析過(guò)程中為滿(mǎn)足通用化使用，特在協(xié)議編輯軟件中設(shè)計(jì)了幾種常規(guī)的字段格式：

圖4 協(xié)議編輯軟件主界面

圖5 顯控軟件主界面

1）偏移：字段相對(duì)包頭的偏移（即從包頭開(kāi)始第幾個(gè)有效含義）；

2）所占字節(jié)：有效字段所占的字節(jié)位數(shù)；

3）解算方式：有效字段的類(lèi)型（位表示、固定值、變長(zhǎng)消息標(biāo)識(shí)符等）；

4）屬性：有效字段的屬性（即該字段表示的含義）。

2.4 自動(dòng)化測(cè)試的基礎(chǔ)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的基礎(chǔ)即自動(dòng)測(cè)試軟件，自動(dòng)測(cè)試軟件通過(guò)聯(lián)動(dòng)顯控軟件及驅(qū)動(dòng)軟件，同時(shí)控制信號(hào)源或頻譜儀來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)控制，為滿(mǎn)足自動(dòng)測(cè)試軟件能按照預(yù)設(shè)的時(shí)間和指令方式運(yùn)行，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了任務(wù)規(guī)劃功能，在任務(wù)規(guī)劃中加入了指令測(cè)試鏈表，以時(shí)間軸作為基線(xiàn)，進(jìn)行靈活配置。每個(gè)指令鏈規(guī)定了執(zhí)行的時(shí)間、執(zhí)行的指令類(lèi)型等，如圖6所示。軟件采用C#的動(dòng)態(tài)腳本編譯技術(shù)實(shí)現(xiàn)，測(cè)試線(xiàn)程啟動(dòng)后會(huì)解析測(cè)試鏈表中的每一個(gè)測(cè)試步驟，根據(jù)指令類(lèi)型控制信號(hào)源或者頻譜儀的設(shè)置，同時(shí)發(fā)送指令命令顯控軟件將指令發(fā)送至驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行執(zhí)行，顯控軟件接收回饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，最后根據(jù)測(cè)試要求自動(dòng)生成測(cè)試結(jié)果，完成測(cè)試。

圖6 自動(dòng)測(cè)試軟件指令測(cè)試鏈表

3 應(yīng)用效果

目前，通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多種型號(hào)的星載載荷研制測(cè)試過(guò)程中，從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，該系統(tǒng)具有以下幾項(xiàng)顯著效果：

1）適應(yīng)了不同型號(hào)課題的測(cè)試需求，減少了資金及人力的重復(fù)投入；

2）具備了單套測(cè)試系統(tǒng)對(duì)多臺(tái)套被測(cè)載荷同時(shí)進(jìn)行控制處理的功能，大幅提高了測(cè)試效能，原多臺(tái)套被測(cè)載荷線(xiàn)形測(cè)試流程轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿袦y(cè)試流程，節(jié)約了50%以上的測(cè)試時(shí)間；

3）實(shí)現(xiàn)了智能化、無(wú)人化、并行測(cè)試后，可減少50%以上的測(cè)試人員，且大幅降低了測(cè)試工程師的工作強(qiáng)度；

4）提高了測(cè)試覆蓋性及指令的遍歷性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)指令自我判讀的功能，減少了人為誤判現(xiàn)象；

5）保護(hù)了被測(cè)載荷的正常運(yùn)行，在被測(cè)載荷非正常運(yùn)行情況下能自動(dòng)報(bào)警，極端情況下可根據(jù)預(yù)設(shè)定的處理方式對(duì)被測(cè)載荷進(jìn)行關(guān)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)載荷的保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的航天測(cè)試系統(tǒng)通用性差、兼容性差、人工參與程度高、指令遍歷性不夠、痕跡回溯性差等諸多問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于星載設(shè)備的通用化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)放性硬件及軟件設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足并適應(yīng)了不同衛(wèi)星型號(hào)的測(cè)試需求，且具備一套測(cè)試系統(tǒng)對(duì)應(yīng)多套被測(cè)設(shè)備的功能，在測(cè)試時(shí)間、人力資源和資金投入上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，使用過(guò)程中取得了較好的效果。該設(shè)計(jì)對(duì)構(gòu)建航天自動(dòng)測(cè)試體系具有一定的參考價(jià)值。