空间站综合仪器系统架构设计

潘邵武，李晓琼

（北京理工大学生命学院，北京 100081）

引 言

空间站综合仪器系统，是空间微重力环境下提供生物化学、电子学、材料学等科学实验条件的重要功能和作业平台[1]。其以计算机技术为核心，借助总线技术互联各仪器或功能模块，实现对被测对象（Unit Under Test，UUT）的测试测量、故障诊断和健康管理[2]。受限于空间极端环境，相对于常规自动测试系统（Automatic Test System, ATS），其在可靠性、互换性、可维护性、智能性、灵敏度、功耗与结构等方面的要求更为严苛。本文根据空间站综合实验仪器的应用需求，针对单一集中式系统架构的技术局限性，以实现系统通用化和开放性为基础，设计了一种以ATML（Automatic Test Markup Language）为信息交互标准、以VPX（VITA 46）为通信控制主干的集中式/分布式系统架构。该架构满足系统的通用化、灵活性和高可靠性需求，具备较强的可行性和合理性。

1 空间站综合仪器系统应用需求

1.1 空间站综合仪器系统技术特点

空间站综合仪器系统运行于在轨的航天器内，受空间站微重力、强辐射和空间狭小密闭等特性的影响，其对仪器和系统设计的要求更为严苛：（1）机械结构与体积：可有效抵御载具运动过程中的冲击震动，并尽可能压缩运载重量和空间占用；（2）微重力环境：失重环境下能够顺利进行设备安装、实验操作和物质输送；（3）电磁兼容：紧凑系统结构下的复杂或高能电子设备间电磁兼容；（4）安全性与可靠性：实验或测试全程受控，无任何失效或污染；（5）热耗与功耗：低热耗和低功耗设计，以减少供电和环控系统压力；（6）高灵敏度：支持微量实验，以减小样品和废弃物的上行和下行；（7）全自动化：借助天-地测控网络和仪器的智能性、自组织性，可实现实验操作的高度自动化；（8）可维护性与互换性：仪器或功能模块高度可互换，方便冗余设计和在轨维护；（9）灵活性与可组织性：系统架构具备较强可配置性和可组织性，可灵活实现功能或结构重构；（10）通用化与开放性：采用商业标准和开放系统架构，以实现系统高度标准化和通用化，满足空间站建设和应用的国际化需求。

以紧凑轻质、低功耗、全自动、高智能化、可灵活配置、高性能、高可靠性、高功能密度、高开放性、绝对安全为设计目标的空间站综合仪器系统，主要以高效可靠总线技术为通信控制通道，构建复合功能仪器和系统；以开放架构和通用化技术为组织框架，实现系统功能重构和灵活配置。

图1VPX系统结构

在总线方面，采用VPX为系统主干，构建仪器或功能模块间高速、灵活、可靠的通信控制接口。作为VME总线的继承和升级，VPX在延续前者紧凑机械结构、可靠抗震散热性能基础上，采用高速串行总线和增强供电设计，以满足海量数据高密度传输和运算需求。其以松散规范集的形式有机整合RapidIO、PCIe、高速以太网、PMC/XMC等高速接口技术，在提供灵活技术方案的同时，采用OpenVPX进一步推进仪器的互换性和COTS（Commercial Off-the-Shelf）供货[3]。此外，VPX提供了更为灵活开放的系统组织方式，如图1所示，借助系统模块或交换模块，仪器或功能模块可实现集中式或分布式的深度数据交换，极大地提高了系统的可配置性和可组织性。在系统架构方面，需以ATML和仪器智能性为基础构建开放系统架构，实现仪器互换性和系统通用化[4]。

1.2 ATS通用化基本原理

ATS的通用化，是测试计量技术的重要发展方向，直接决定了仪器系统的维护成本、技术寿命、测试性能、可配置性和对UUT的适应性。构建通用ATS的核心，是实现TPS（Test Program Set）可移植性和仪器互换性。其基本解决思想，是规范化定义或封装仪器功能、程序接口、信息标准，从而实现驱动程序和硬件资源的标准化对接[5]。基于该思想，业界从不同应用角度，提供了多种技术规范和解决方案：（1）仪器可互换技术，包括SCPI、VPP、IVI等，主要实现仪器控制接口的标准化；（2）软件标准化技术，包括ABBET、IEEE 1636等，主要实现系统软件的组件接口、服务机制、组织框架标准化[6]；（3）面向信号的测试语言，包括ATLAS、ATML等，主要以面向信号的语义实现仪器的功能和接口的标准化；（4）合成仪器技术，主要采用标准信号功能模块构建仪器，借助软件算法和虚拟仪器技术，实现仪器功能重构。然而，由于其各自针对ATS通用化的某一层面或环节，且分别存在应用局限或技术缺陷，均无法独立解决ATS的通用化问题。构建通用ATS的有效途径，是依托商业标准构建开放系统架构，通过标准化系统的组成框架、功能机制、组件接口、信息格式等行为或元素，实现各部件的互换性、互操作性和COTS化[7]。

20世纪90年代，DoD（US Department of Defense）联合各军/兵种和SCC20、Boeing、Rohde&Schwarz等工业组织，开展NxTest通用ATS研究工作，并制定DoD ATS开放系统框架[8]。DoD ATS框架以ATML为基础，采用面向信号的信息标准化和开放系统架构思想，最大程度地实现了仪器互换性和系统通用化，其已被确立为美军ATS的强制性标准，并初步形成了面向各军/兵种的DoD ATS家族系列[9,10]。

图2SCC20 ATML Demo Phase 1系统架构

然而，如图2所示，以与DoD ATS框架同源的SCC20 ATML Demo Phase 1系统为例，由于其采用单一集中式运行机制和部分传统技术规范，在空间站综合仪器系统应用方面具有较突出的局限性：（1）系统性能受限：在集中式系统架构和顺序执行方式下，测试计算机成为系统中心和性能瓶颈，而大部分仪器处于闲置等待状态，增加了测试时间和人员负荷，限制了系统的自动化程度和分布式应用；（2）仪器智能性和信息互通性受阻：由于仪器仅为测试执行机构，其任务管理、信息处理、组件通信等必须借助测试计算机完成，浪费了部分仪器计算存储资源，加大了系统主干通信压力，限制了仪器间信息互通性；（3）仪器互换性问题未有效解决：该框架仍采用VISA或IVI驱动程序，ATML仅作为调用仪器驱动的信息接口，VISA或IVI对专用仪器、复合功能仪器、合成仪器支持较差，仪器互换性问题未得到本质改善，而系统软件规模进一步膨胀。

2 空间站综合仪器系统架构设计

2.1 基于ATML的系统架构可行性

DoD ATS框架应用局限性的直接诱因，是采用单一的集中式系统架构，并试图借助IVI等技术解决仪器互换性问题。VPX和ATML标准集的出现，为空间站综合仪器系统提供了一种可行的集中式/分布式解决方案：以VPX为系统主干，通过RapidIO、PCIe、高速以太网等互联具有独立控制、通信和信息处理能力的智能仪器，并以符合ATML标准集的测试信息组织其管理任务、交互信息、协作测试。一方面，由于采用ATML作为系统各环节测试信息标准，通过充分利用其面向信号的特性，可有效增强仪器互换性和系统通用化。另一方面，以VPX为信息和资源交换平台，借助仪器的计算、存储、中断等资源，可灵活组织或配置系统结构，有效提高系统可组织性和缓解系统性能压力。

（1）通用化：基于面向信号和信息标准化思想的ATML能够最大程度解决TPS可移植性问题，将其作为VPX仪器消息通信格式，借助嵌入式系统解析执行ATML信息，可有效实现系统组件的互换性和通用化。

（2）系统的可扩展性：XML是W3C应用的开放信息交互标准，ATML继承了其优良特性，可采用多种机制拓展信息内容。VPX提供并兼容多种高速串行互联方案，且可采用PMC/XMC进行板级功能重构。

（3）数据带宽：天-地通信链路带宽对测试实验数据的上传/下载限制较大，但通过利用仪器计算和存储资源对本地原始数据进行处理或存储，数据带宽需求压力可显著下降。

2.2 基于ATML的系统架构设计

综合考虑空间站综合仪器系统的应用需求，本文设计了一种基于ATML和VPX的集中式/分布式通用系统架构。如图3所示，其可划分为系统层、连通层和仪器层：系统层以测试/嵌入式计算机或地面工作站为载体，包含了管理、开发、监测测试实验任务所需的软件工具和用户接口；连通层采用VPX总线集成各仪器设备和提供信息交互媒介；仪器层采用VPX设备和经总线桥连接的其它仪器或功能模块，提供测试实验功能。系统层与仪器层内部，以及系统层、仪器层之间的测试信息交互格式，均遵循ATML标准集。根据测试实验需求和仪器功能特点，可将其组织为集中式系统，以测试/嵌入式计算机或地面工作站为核心，控制仪器设备进行半自动的测试实验；也可将其配置为分布式系统，利用仪器设备的智能性和自组织，进行全自动测试实验。

图3基于ATML的通用系统架构

（1）系统开放性：该架构以VPX为系统主干，借助测试/嵌入式计算机、VPX交换模块、VPX/PMC或VPX/XMC载板，有效融合RapidIO、PCIe、高速以太网、Infiniband、PMC/XMC等接口设备，并可通过VPX总线桥兼容其它总线设备和构建混合测试系统，具备较高的开放性[11]。

（2）仪器智能性与信息互通性应用：该架构选用配备可拓展软件系统的仪器或功能模块，利用VPX高效的信息交换性能和设备的计算、存储、通信等功能，实现测试信息的深入处理与交换。

a）ATML信息解析应用：利用设备的软件系统和智能性，在仪器端以ATML文件生成、解析、执行的方式管理和操作测试任务。由于仪器驱动程序封装在仪器或功能模块内部，各系统节点或组件之间仅以ATML为消息通信格式松散耦合，可实现仪器和软件组件的高度通用与互换。同时，可借助VPX的信息与资源交换机制，实现仪器间的直接通信和系统内的信息广播，推进仪器和系统的信息互通性。

b）处理器和存储资源应用：测试/嵌入式计算机、仪器或功能模块可对原始数据进行预处理或暂存，从而动态利用闲置带宽，缓解天-地通信链路带宽压力。

c）测试资源管理应用：作为分布式控制主体，仪器层各节点可对多个子任务进行优先级管理和资源调度，从而实现面向仪器的并行测试，提高仪器利用率。

（3）中断/触发机制应用：针对分布式应用中设备间的协作与同步问题，可采用中断/触发机制保障系统的实时性。如图4所示，各设备以原子操作为单位逐步执行测试子任务，原子操作的执行分为任务装载和任务执行两个阶段。在任务装载阶段，设备对测试功能模块和中断/触发系统进行预编程。在任务执行阶段，输入的中断/触发信号将激活对应的预编程操作。以中断/触发机制驱动测试任务执行，在保障系统实时性能和缩短查询等待时间的同时，构建了类似超标量发射的机制，进一步提高了仪器利用率。此外，还可通过设计VPX背板信号连接、利用网络消息机制或时钟同步协议等，实现系统状态广播（如①、②和⑩）、并行测试（如⑧和⑨）等多样化的附加功能[12,13]。

图4中断/触发机制应用原理

（4）ATML标准集应用与管理：如图5所示，选用ATML测试描述（Test Description）、仪器描述（Instrument Description）、测试站描述（Test Station Description）、测试适配器描述（Test Adapter De-scription）、测试配置（Test Configuration）、测试结果（Test Result）等作为系统各环节和组件的测试信息交互、发布和调用的标准。基于信息标准化，实现不同厂商COTS工具软件的高聚合、低耦合集成。

3 空间站综合仪器系统架构设计

根据第3节中阐述的系统架构和层次功能，本文采用分层和模块化的软件设计思想，分别设计了系统层和仪器层软件方案，并验证了部分关键技术，检验其合理性与可行性。

3.1 系统层软件设计

系统层软件架构如图6所示，为实现与部分ATML COTS工具的兼容，根据功能需求将其封装为多个分立的ATML工具，然后以集成开发环境的形式进行整合。为便于ATML解析和人机交互界面设计，系统层软件选用Java RCP、C#等面向对象和组件化的软件技术开发，主要在嵌入式/测试计算机或地面工作站端提供测试开发平台和用户管理接口，其可划分为测试描述层、资源分析层、总线连通层。

（1）测试描述层：主要以ATML为信息标准，以各类ATML文件为操作对象，实现对系统测试实验任务、资源、结果等信息的获取、描述、管理。采用dom4j解析器或C#XML组件等工具，根据用户测试需求和策略生成ATML测试描述和测试配置；采用基于mDNS/DNS-SD或WinDriver的仪器和适配器发现工具，发现和解析设备信息，并从设备端下载ATML仪器描述和适配器描述；采用测试站描述生成工具，根据已获取的仪器描述和用户配置信息，生成ATML测试站描述；采用MySQL数据库和XML解析工具，实现对ATML测试结果的分析和报表的生成。

图5ATML标准集应用原理

（2）资源分析层：主要实现ATML文件的解析和综合，系统资源的调度和映射，以及仪器ATML调用文件的建模和生成。根据测试描述层导入或生成的ATML文件，依次进行测试资源分析、信号路由和仪器功能重构，在对比信号标准、参数、时序关系的基础上，将测试需求信号映射至仪器功能信号，并根据调度策略分解测试任务，加入仪器间中断/触发信号，面向各仪器生成ATML测试子任务和测试配置。

（3）总线连通层：主要实现VPX总线的驱动和路由/交换，进而实现ATML测试信息的传输或监听。借助SOAP（Simple Object Access Protocol）、XML-RPC（XML Remote Procedure Call）等XML调用协议，或DMA等信息传输机制，根据集中式或分布式的系统控制特点，发送ATML文件或片段给仪器，实现测试操作，并接收返回的测试结果[14]。

3.2仪器层软件设计

仪器层软件设计如图7所示，为适应嵌入式系统或寄存器基硬件特性，其采用面向对象的C语言开发，主要在仪器或功能模块端，实现ATML测试子任务、测试配置、测试结果的解析、管理、执行，可划分为ATML解析层、测试运行层、信号驱动层。

（1）ATML解析层：主要实现设备端ATML文件的传输、解析和生成。采用基于Axis2/C、gSOAP等技术的ATML文件服务器接收ATML测试子任务、测试配置和返回ATML测试结果[15]；采用基于expat或AXIOM的ATML解析器，根据本地测试资源和测试数据，分别生成ATML仪器描述和测试结果描述，并将ATML测试子任务解析为数据化的测试序列，导入测试运行层；参照IEEE 1641信号模型，对测试需求或仪器功能信号进行建模和组织。

图7仪器层软件架构

（2）测试运行层：主要面向仪器管理测试任务和控制测试流程。利用测试任务管理模块，实现对本地多组测试序列的管理和调度，逐次传递给测试流程控制器；利用测试流程控制器，根据顺序、循环、分支测试流程，以及测试信号间的时序关系，将测试序列中的原子操作，依次映射为面向信号的驱动调用；采用仪器通信模块，利用VPX信息交换机制，以ATML为信息格式，实现仪器间测试信息的交换或发布。

（3）信号驱动层：参照IEEE 1641信号模型库，在局部总线驱动、开关/路由模块驱动、测试功能模块驱动和中断/触发系统驱动的基础上，封装并提供面向信号的驱动库。

2 结论

本文根据空间站综合仪器系统的技术特点，重点针对其可靠性和通用化需求，设计并初步论证了一种基于ATML的集中式/分布式系统架构。该架构采用VPX为系统通信控制主干，以ATML为信息交互标准，通过充分利用ATML的跨平台特性和VPX的开放性，有效保障了系统的通用化。通过发掘仪器的智能性和信息互通性，缓解了天-地通信链路的带宽压力，提供了一种并行测试和系统配置方案。该研究对我国构建高性能、灵活可靠、开放通用、国际化的空间实验仪器平台标准具有一定的参考意义。

然而，由于ATML的市场化程度较低，测试开发所需的部分COTS工具软件未臻完善，各仪器厂商对ATML的认知和支持有限，该架构内部分机制的大范围工程化应用尚待时日。此外，为保障分布式ATS的可靠性和安全性，各仪器间需构建严谨的数据和运算同步机制，本文后续将就此和原型机设计展开研究。

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