混合总线测试技术靶场应用研究

高政民

92941部队，辽宁葫芦岛 125001

混合总线测试技术靶场应用研究

高政民

92941部队，辽宁葫芦岛 125001

通过对测控总线特性、混合总线测试系统软硬件架构的分析，确定了混合总线测试技术靶场应用中需研究解决的时钟同步、现有测试设备组网、测试接口适应性与通用检测等一般关键性技术问题。提出了武器装备试验混合总线测试系统设计思路，介绍了混合总线测试系统硬件组成，软件设计方法与结构。

GPIB;PXI;LXI;LAN;混合总线;ATS

在武器装备试验中，测试设备的作用越来越显著，这已得到军地领导和专家的广泛认同。以雷达、综合电子战为代表的军事电子技术，以预警机和卫星通信为代表的航空、航天技术，导弹精确制导技术，兵器技术等都离不开测试技术和设备。测试技术是军事技术的检验标准和开发工具，军事技术为测试技术的研究和测试仪器与系统的研制提供了难得的发展机遇。

武器装备靶场试验时被试对象和参试装、设备分布在不同载体或场地，它们之间从相距数十米到上百公里不等，装舰时则分布在不同甲板层，飞机上安装时则可能分布在不同舱室。为适应武器装备靶场试验需要，传统做法是根据武器装备型号、被测参数种类、信息传输接口标准和载体类型，结合可供选择测控总线实际确定采用某种总线进行测试设备研制。随着新一代武器装备被测试参数和监测点数量的增加，采用单一总线进行设计将使测试系统结构十分复杂，软硬件开发工作量大，且难以发挥不同总线测试平台优势。

1 测控总线特性分析

总线是信号或信息传输的公共路径，是实现芯片之间、模块之间、系统之间，以及系统与控制对象之间信息传输的各种信号线和控制线的集合。测控总线是指以组成测量和控制系统为主要目标而研发的总线。在靶场测控装设备研制、生产过程中引入总线技术，不仅简化了测控装设备结构，而且可以使系统更加容易扩充、升级和提高投资效益。

自上世纪70年代初惠普公司推出GPIB通用仪器总线以来，测控总线技术的发展经历了70年代的GPIB总线、80年代的VXI总线、90年代的PXI总线和本世纪初的LXI总线［1］等形式。其中GPIB，VXI和PXI总线分别反映了当时计算机技术的8位、16位和32位总线的相应水平，采用上述总线技术组建的测控系统得到了广泛应用。目前，测控总线可分为以VXI，PXI为代表的模块化仪器总线，也称机箱底板总线或内部总线。以GPIB，SCXI，MXI，USB，IEEE1394，LAN和LXI为代表的外部总线或称互连总线，其中GPIB和LXI也称分立式仪器总线。

GPIB总线是最早的仪器总线，是第一代虚拟仪器总线。GPIB总线测试系统结构和命令简单，坚固性和可靠性好，适合于混合总线测试系统和有特殊要求的专用仪器系统。缺点是无法提供多台仪器同步和触发功能，在传输大量数据时带宽不足，需要用GPIB卡和总线连接电缆来实现程控，成本较高。

VXI总线规范定义对所有厂商开放、与现有工业标准相兼容、基于VME总线的模块化仪器标准。VXI总线具有模块化功能，结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精度高等特点，适用于组建大中规模自动测试系统。缺点是系统必须采用VXI机箱、零槽控制器或IEEE1394或MXI-2才可实现程控，构建系统成本高。

PXI总线是PCI总线在仪器领域的扩展，是一种专为数据采集和自动化应用而量身订制的模块化仪器平台，它将CompactPCI总线技术发展成适合于测量系统的机械、电气和软件规范，从而产生了新的虚拟仪器体系结构［2］。PXI总线通过增加用于多板同步的触发总线和参考时钟，用于进行精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线来满足试验和测试用户的要求。缺点是需采用PXI机箱、系统控制器或IEEE1394或MXI-3或MXI-4才能实现程控。

LXI总线是2004年由安捷伦和VXI科技公司联合推出的新一代基于LAN的模块化自动测试平台标准，它扩展了仪器需要的语言、命令、协议等内容［3］。LXI将台式仪器的测试能力和PC标准I/O的连通能力与基于卡式框架系统的模块化和小型化集于一体，机箱结构紧凑灵活。模块本身内置处理器并用LAN连接，用标准网络浏览器查错和用IVI-COM驱动程序通信。LXI总线充分利用现有成熟的以太网技术替代传统测试总线技术，具有GPIB的高性能测量、比VXI更小的物理尺寸和以太网的灵活性，使用户能够快速、经济、高效地创建和重新配置用于多种测试领域的测试系统，且可以更好地解决分布式测试需求。

2 混合总线测试系统软硬件架构

混合总线测试系统在一个系统中可整合多种总线ATE平台，它们可以是VXI，PXI，GPIB和LXI等总线设备。整合不同总线测试设备的关键在于正确使用层次架构对系统进行设计，这个架构可使开发者最大限度地利用现有软件和硬件资源，并能整合新的总线技术。典型混合总线测试系统软硬件架构如图1所示，系统上层包括应用开发环境，测量与控制服务软件。底层硬件可以是GPIB，PXI，VXI和LXI等测控总线部件［4］。

图1 典型混合总线测试系统软硬件架构

混合总线测试系统应用开发环境可使用Lab-VIEW，LabWindows/CVI，VB，C++等语言。测量与控制服务软件包括虚拟仪器软件体系结构(VISA)、仪器驱动软件和测量服务软件。

VISA提供了一种通用应用程序编程接口(API)，它负责和驱动软件进行通信，并且独立于所使用的仪器总线。因此无论是使用PXI，VXI，GPIB还是LXI总线，VISA都提供了标准函数库和仪器进行通信，从软件上保证了总线之间的互换性。

仪器驱动软件是对仪器硬件执行通信与控制的软件，是连接上层应用程序和底层I/O接口软件的纽带与桥梁。可互换虚拟仪器(IVI)作为仪器驱动的另一种标准，定义了通用仪器的互换性。

DAQmx处理应用软件和DAQ硬件间的通信，并包含了使编程更为容易的测量服务。在基于DAQmx的数据采集系统中，有多种途径可以进行数据采集设备的设置和调试，其中称为“数据采集助手DAQ Assistant”的接口是在LabVIEW7中新增的一个重要工具，通过它可以快速进行交互式的硬件设置和自动生成数据采集程序图形代码，从而为系统的开发节省时间。

3 关键性技术问题与设计思路

3.1 一般关键性技术问题

混合总线测试系统涉及传感器、信号处理、计算机、测控总线、网络通信等技术，在应用时并非是将这些技术进行简单组合。因此，在靶场应用中需研究解决时钟同步、现有测试设备升级和组网改造、测试接口的适应性与通用检测等一般关键性技术问题。

3.1.1 时钟同步

在武器装备靶场试验时一般需同时投入多台/套测试装设备，以便能同时进行不同项目的测试。这些测试项目的测试数据通常密切相关，为了保证测试结果的正确性，必须保证参试仪器设备同步工作。对于武器装备试验测试系统除需保证系统内部各设备间时钟同步外，还需与靶场测控网同步。

在混合总线测试系统中涉及网络通信技术。因以太网采用异步通信，时延较大，要求系统中每个测试节点必须用一个装置/接口来与时间基准进行通信，以便能对各测试节点自身时钟进行校正。校正装置的添入往往会使系统布局变得十分复杂，因此最好能采用公认的时间基准，以达到简化系统设计目的。

GPS时间同步技术对于混合总线测试系统具有独特优势。GPS时间同步技术打破了原有时钟同步技术的地域局限。在完成相同功能前提下，可降低同步装置成本，提高同步精度;省去在试验飞机上加装电台，在试验舰船上设置时统战位带来的诸多不便。

3.1.2 测试设备组网

自GPIB总线问世以来，测试设备的发展经历了 GPIB，VXI，PC/PCI，PXI等总线形式。现在很多仪器商能提供GPIB与LAN转换器，通过转换器可方便地将GPIB总线测试设备集成到测试网络中。对于VXI总线测试设备，如果零槽控制器不具备网络传输功能，则只需更换零槽控制器。对于PXI总线测试设备，其系统控制器一般都支持网络传输，可以很容易地接入到测试网络中，对于不支持网络传输的系统控制器，还可通过配置网络接口实现组网。

3.1.3 接口适应性与通用检测

在靶场进行的各种被试武器装备中，抛开具体的被测对象型号和载体形式，仅从被测参数信号形式可分为电信号和非电量两大类。电信号又可分为模拟信号和数字信号。非电量主要包括稳态(温度)和动态参数(角速度、振动、压力、应变等)信号。通过温度、角速度、振动、压力、应变等传感器可实现非电量到电信号的转换。

为了实现电信号的采集和非电量的测量，必须在测试系统中配置相应的测试接口。数字信号只需配置相应的接口板/卡便可实现硬件连接。模拟信号除配置相应信号采集板/卡外，有的被测系统/装置还需在激励信号的作用下才有信号输出，在传统测试设备中这类接口板是专用的。要实现这种类型被测系统/装置的通用检测，必须首先实现检测接口标准化、规范化。针对被测系统/装置电气接口信号多样性这一实际，在混合总线测试系统中有的测试接口要采用智能设计。智能接口是实现通用自动测试的关键，即在识别了被测设备类型后，自动完成对被测试对象接口的适应。

3.2 设计思路

为了适应武器装备靶场试验需要，改善靶场测试设备性能，提高测试设备通用性，减小投资规模和缩短设备研制周期，基于混合总线技术的武器装备试验测试系统设计应遵循如下思路。

1)对现有设备改造、组网

根据试验任务需要，对现有总线测试设备不满足试验需求的部分进行软硬件升级和组网改造。采用混合总线技术因不需重新设计整个系统，可发挥已有测试设备软硬件投资价值，并能在系统中整合新的总线仪器设备，扩充系统功能。

2)采用虚拟仪器技术，提高通用性

虚拟仪器技术为提高靶场测试设备的通用性和解决可持续开发问题提供了新的思路。即在系统设计时可针对被测试信号形式采用虚拟仪器技术进行设计，改变针对被试武器装备型号进行设计的传统设计方法。

虚拟仪器技术是利用软件替代部分硬件功能的技术。硬件模块实现信号的调理、采集和输出，软件实现信号的处理、显示和产生。利用软件强大、快速和灵活的运算处理能力简化硬件模块的功能，提高系统可靠性。另外，只需更改软件就能满足大部分信号的测试需要，具有很强的灵活性和扩展性。

3)采用软件组件技术、实现软件复用

组件(Component)技术是继模块化、结构化，面向对象方法之后发展起来的一种软件开发方法［5］。它的特点是将一个对象的外观(接口)同其工作方式(实现)分离开来，这一封装思想应用到二进制层次上，使得设计者可以在COM(Component Object Model，COM)架构下开发出各种功能专一的软件“积木块”。设计者可根据需要将其装配起来构成复杂的应用系统，从而最大程度地实现软件的复用。

4 系统软硬件构成

4.1 硬件组成

武器装备试验混合总线测试系统由测控计算机/服务器、交换机、操控终端、GPIB，VXI，PXI和PCI总线测试节点、LXI总线网络设备、数据处理/分析等设备组成，其组成如图2所示。系统不同仪器间组网结构如图3所示。

应用时可针对不同试验任务需求选用一种或几种总线测试设备进行组网测试，当设备之间距离较近时通过各测试节点网络接口构成测试局域网，当设备之间距离较远时可借用靶场数据通信网组网。当设备装舰或在飞机上安装时可借用舰载或机载无线传输设备与地面测试系统组网［6］。

4.2 软件设计方法与结构

4.2.1 软件设计方法

对于综合测试系统而言，软件是核心。综合测试系统任务多样，不同任务需要不同硬件支撑形成专用测试系统。如何对复杂多样的测试任务、测试仪器和硬件模块，大量试验数据的科学管理是系统软件设计的重要任务。按传统设计方法将单一总线功能的测试设备简单叠加形成混合总线测试系统，不可能实现真正意义上的综合测试，也难以实现对众多测试接口、硬件模块和试验数据的科学管理。

在进行综合测试系统的软件设计时，可采用数据库技术对复杂多样的测试任务、系统仪器、系统仪器配置与标定、试验数据等进行管理。通过对系统任务进行阶段划分，以任务代号区分具体任务，灵活定义系统功能，科学管理试验数据，体现虚拟仪器概念。

4.2.2 软件结构

系统应用软件可采用LabVIEW，LabWindows/CVI，VB，C++语言中的一种或几种进行编程。应用软件包括人机对话、系统配置与标定、各测试节点的测试程序(数据采集程序)、数据处理、数据库管理等软件模块［7］。

系统配置与标定模块为测试程序任务做准备。针对具体测试任务需要选择合适的仪器设备组成具备特定功能的测试系统，包括通道定义和必要的标定。各测试节点测试程序模块用于完成具体测试任务，并将测试数据保存到试验数据库中。保存数据除测试结果数据外还包括系统配置与标定信息、系统状态信息、试验日期与航次号等信息，这些辅助信息将作为后续对测试现场恢复、数据处理、模拟/仿真任务的信息源和依据。数据处理模块用于完成测试数据量纲转换、插值、滤波等处理。数据库管理模块用于对数据库进行维护管理。

5 结束语

基于混合总线技术进行综合测试系统设计时不需重新设计整个系统，只需对现有总线设备进行软硬件升级或者添加新部件便可达到设计目的。可提高靶场现有测试设备性能，发挥已有系统软硬件投资价值;可在测试系统中整合新的总线仪器设备，扩充系统功能;可实现单台设备靠近被测系统就近安装，减少信号传输电缆数量和长度;可减小单台设备体积和重量，便于在飞机和舰船上安装。当测试设备接口种类或数量不能满足新的试验任务需求时，可采用增加测试设备接口种类和数量加以解决。

［1］刘东.军用ATS测试总线技术的现状与发展趋势［J］.计测技术，2008，1:4-5.(LIU Dong.Current State and Future Development Trend of Test Bus Technologies of Military ATS ［J］.Metrology and Measrement Technique，2008，1:4-5.)

［2］周明光.计算机测试系统原理与应用［M］.电子工业出版社，2005，4;94-96.(ZHOU Mingguang.Principle and Application of Computer Test System［M］.Publishing House of Electronics Industry，2005，4;94-96.)

［3］吴又美.基于LXI仪器总线的分布式测试系统［J］.计算机测量与控制，2007，15(12):1685-1686.(WU Youmei.Distributed Test System Based on LXI Instrumentation Bus［J］.Computer Measrement and Contorl，2007，15(12):1685-1686.)

［4］李艳春.基于LAN的混合总线ATS研究与设计［J］.现代电子技术，2010，4:45-46.(LI Yanchun.Research and Design of Mixed-bus ATS Based on LAN［J］.Modern Electronics Technique，2010，4:45-46.)

［5］刘金宁.COM技术在虚拟仪器测试软件中的应用研究［J］.计算机测量与控制，2004，12(3):268-269.(LIU Jinning.Application Research on COM Technique in the Couse of Designing Virtual Instrument Test Software［J］.Computer Measrement and Contorl，2004，12(3):268-269.)

［6］杜会斌.自动测试在军事电子技术中的应用［J］.无线电工程，2005，9:63-64.(DU Huibin.Application on Auto Test in Military Electronics Technique ［J］.Wireless Engineering，2005，9:63-64.)

［7］李远哲.基于数据库技术的综合测试系统软件的设计方法研究［J］.测控技术，2002，9:44-45.(LI Yuanzhe.Design Method Research on Database Technique of Integration Test System Software［J］.Measrement and Contorl Technique，2002，9:44-45.)

Range Application Research of Mixed-bus Test Technology

GAO Zhengmin
The 92941 Unit of PLA，Huludao，Liaoning 125001，China

The paper analyzes the mixed-bus characteristics and the structures of the software and the hardware of the mixed-bus test system，and confirms that several key technologies of the mix-bus range test system such as time synchronization，mesh of the existing test equipments，adaptability of the test interface，software design of general test system need to improve．So a design project of the integrated test system of the weapon examination is proposed．The design ideas，hardware composition of the system，the design methods and constitution of the application software is described in this paper．

GPIB;PXI;LXI;LAN;Mixed-bus;ATS

TP274

A

1006-3242(2012)01-0071-05

2011-06-08

高政民(1965-)，男，辽宁辽阳人，高级工程师，主要研究方向为海军战术导弹武器系统试验与发射。