新一代航空航天总线技术

连强强 曹良秋

摘 要：随着我国经济发展水平的不断提高，我国航空航天建设取得了显著成果，催生出一些新型航空航天控制及测试技术。本文将介绍一种总线技术LXI，通过与其他的总线技术比较，表现出LXI技术的优势及应用前景。具体分析该技术在运载火箭测试发射控制系统中的应用，以表现该技术在推进运载火箭测试系统智能化、自动化、信息化方面的作用及价值，进而大幅度提升了系统总体性能。

关键词：航天测试;总线技术;发射控制系统;智能化

中图分类号：V247.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0046-02

0 前言

当前，测试用的一台或者多台仪器、主控计算机、测试软件及系统总线共同构成了自动测试系统（ATS-Automatic Test System），其中负责对指令控制及发送测试数据的是系统总线，如同人的中枢神经系统，总线技术经过多年发展，经历了4个发展阶段，即GPIB、VXI、PXI及当前的LXI。如今，我国航空航天事业建设取得了另世界瞩目的成就，在发射控制系统测试方面，从GPIB測试系统逐步发展为目前的VXI、CAMAC测试系统，将进一步推进了载人航天事业发展，同时也提出了更高要求对测试发控系统。

1 LXI技术发展现状

LXI定义从过去的局域网标准扩展到测试自动化领域，该技术出现可以将系统速度增加，将系统尺寸减少、系统设置时间缩短，进而最大限度的节约系统成本，并能将软件通用性大幅度提升。与其他的总线技术相比，硬件方面，LXI硬件构成上更为先进，将传统总线技术带有的专用接口去除了，使用PC标准与I/O接口，将O槽控制器与插卡箱去除了，取而代之的是模块化程度较高的测试设备，不仅节约了成本，同时也缩减了占用面积;软件方面，采用更为灵活的方案，用户可实现自主选择，通过图形界面、文字界面与Excel界面。并且，提供了其他总线技术不具备的驱动程序、简化系统设置的软件等，真正在制造中应用这些软件，实用性更高，从而保证生产前后测量的一致。航天测试系统将进一步完善，在LXI总线技术出现后。当前，LXI仪器分为以下几个等级：

（1）C类器件。该类型仪器是一种独立或者台式的，GPIB用LAN替代，为使仪器设置与数据访问更为方便，内部设置了基于XML的Web接口。同时，为将编程简化，C类仪器提供了IVI驱动程序与API。其中IVI是一种可互换的虚拟仪器，API是应用程序编程接口。（2）B类仪器。分布式测量系统中多应用该类仪器，C类仪器所有配置B类仪器均有，除此之外，还对IEEES-1588精密时钟同步支持。（3）A类仪器。C类仪器、B类仪器的所有要求A类仪器均具备，还额外增加了两种属性，即合成仪器操作模式与加速硬件出发总线。

2 测发控网络设计

因为运载火箭测发控系统有着较为复杂的结构，需要完成多个测试项目，并且不同测试项目信号类别及处理方法各不同，对数据有着较高的精度要求。基于此，通过LXI测控网络设计，提高测试精度与效率，将系统匹配扩展能力与测试软件高效性提高。

2.1 系统设计方案

原有的运载火箭飞行控制系统测试过程见图1所示。

测控系统以主控计算机为中心工作是主要特点，依据主控计算机指令运行测试设备，优势是可靠性较高，并且大部分为插卡式设备，对于测试仪器来说，有着较强的专业性对于仪器功能来说，但不足是点对点模式传输信息，信息量不足，且通用程度不高，并且占地面积大，受连接电缆的限制较大，对大型远程测试网络的构建造成阻碍。

基于网络特点，而采用LXI模块，形成了以下测控系统构建方案。

在该方案中，形成了混合总线体系结构，即VXI、GPIB为主、其他总线辅助的结构。在该网络中，由LXI仪器完成大部分测试项目，因每个LXI仪器处理器是自带的，可以直接在网络中接入。并且对于一些测试项目，比起GPIB、VXI成熟的总线系统，考虑到成本与稳定性，在LXI总线系统中接入了LAN转换器与O槽控制器。比起传统的总线测试仪器，因为处理器、LAN连接、触发输入、电源都是自带的，不再需要另外使用背板、电源、控制器、电缆等。在前面板上进行LXI模块的信号输入及输出，后面板中是LAN连接器与AC电源。为保证LXI仪器更为方便的在标准机架上安装，采用标准机架单位高度，对于LXI模块高度来说，而在宽度上，采用的是半机架或全机架宽度，既方便了各种系统的使用，又具备模块化优点，同时也能单独适应。

LXI模块将I/O接口限制突破了，仪器只需要将I/O接口部分更换，在使用新的I/O接口技术前，完全不需要改变其他功能部分。控制上不再使用过去的台式仪器的按键与旋钮，而是由计算机控制LXI模块。并且，LXI仪器是自行封装的，每一个LXI模块都有各自单独的电源、触发、EMI屏蔽，并且供电使用的是普遍交流电源。

2.2 同步触发机制

VXI仪器同步测试是通过背部总线触发实现的，在同一个机箱内的模块间更容易实现这种方法，但是不同机箱内的模块间则不容易实现。提供了3种同步触发机制，LXI仪器，分别为IEEE-1588精密时钟同步触发、网络消息触发及触发总线。下面对这几种方法分别说明。

（1）网络消息触发模式的触发机制。多个LXI设备间的连接使用到交换机或者集成器，在网络消息触发模式中，可实现一点对多点触发应用，通过计算机。触发消息应用标准UDP协议，比起TCP/IP协议延迟更少。优势是触发更为灵活且限制更少，但不足是YDP协议传输稳定性较差，从而使传输准确性受到影响。（2）IEEE-1588精密时钟同步触发。结构为网络拓扑结构，主时钟仪器为LXI，其他为从时钟仪器，主时钟会发放一个同步信息包向所有从时钟，从时钟再将一个延迟响应信息包出发，在接受并发送主时钟延迟请求信息包以后，将主、从时钟间偏差通过计算公式求出，进而每个时钟可对自己的时间校准。这种模式下，每一个器件启动均在指定时间内，且网络延迟不会影响到事件的触发。不需要额外与接触发电缆连接，不受距离影响。（3）触发总线。在A级模板中配置LXI触发总线，可以配置成触发信号源或者接收器将LXI模块，每一个LXI模块都带有输入与输出连接器，为模块的矩形连接提供支持。VXI、PXI背板总线与LXI触发总线有着相似性，可以配置成星形或者串行总线。充分将PXI与VXI触发总线的优点利用起来，从而获得更高的精度，而触发总线的长度是决定精度的关键因素，约为5ns/m，即使是测试器件距离较远也同样适用。

以上几种触发方法，同步精度上最高的是网络消息触发，其次是IEEE-1588精密时钟同步触发，最后是触发总线。因为受网络传输延时影响，网络消息触发有着毫秒级的同步误差，IEEE-1588精密时钟同步触发误差在100ns以内，触发总线是5ns/m。但是因为运载火箭测试有着非常高精度要求，由此，为将可靠性增强，系统中同步触发采用IEEE-1588精密时钟同步实现。

2.3 网络延迟解决

因为LXI测试仪器网线与计算机有连接，会不可避免的受网络延迟问题困扰，虽然突破了传输距离限制，但是该问题也不得不考虑，并且连接的仪器不断增多、连接距离延长下，网络延迟问题将日益严重。LXI测试系统通过以下方法将该问题解决。

（1）使用SCPI命令，通过该命令可以直接编程控制LXI仪器，将运行速率提高，上层驱动程序使用时，需要解析成SCPI命令将参数。（2）尽量应用大数据包，在网络通讯中，并且将数据包传递次数减少，可以放在一起将一连串命令，发送到仪器内存储要一次性发送完成，再使用一个命令对仪器驱动，从而立即对这个命令序列执行，可以最大限度的将多次发送带来的延迟减少。

3 LXI在航空测试领域应用优势及前景

LXI总线的出现，在一定程度上提高了测试功能，而缩小了测试模块体积，小体积下将系统功能提高，并且因为专用接口减少了，减弱了电气连接复杂程度，加快了系统构建速度，将由按钮及开关组成的物理界面消除了，应用互动性更强的、更为直观的、动态的图形界面，通过软件对各个硬件元件定义，并能够对测试系统功能定义;在测试项目出现变化时，软件专用、硬件通用系统模式下，通过调整部分模块的方式，可以快速将新测试功能目的达到。

可将LXI总线看做是一种传统测試系统构建创新成果，LXI测试系统更准确定义应该是LXI测试网络。该网络应用到服务器与客户端网络化模式，从而使整个测试流程更加的快速、流畅及高效，有利于将传统测试系统模块功能单一、测试项目分散等问题解决。并且由一台主控计算机作为服务器，测试客户端又各个测试项目构成，集中管理及协调各个测试客户端，通过消息触发模式，而各客户端对服务器命令响应将测试项目独立完成，由服务器集中统一处理测试数据。此外，LXI测试网络提供了与PXI、VXI及GPIB等总线转换装置，使得LXI兼容性方面更显著，发展空间更大。并且突破了测试系统连接距离限制，可将大型远程测试网络组建出来。

4 结语

总之，LXI作为新一代航空航天总线技术，开放性、兼容性强是该技术的优势，不仅能够容纳LAN设备，还能容纳GPIB、VXI、PXI设备，通过转换器。虽然当前LXI并不是测试领域的标准技术，但是在今后，C类仪器将有可能将GPIB取代成为新的仪器标准，且B类仪器也会开拓出更广阔空间，在远程测量方面，A类仪器将有望成为无面板模块最新标准。总之，LXI在航空航天中将有着更为广阔的发展及应用空间，扮演日趋重要的角色，推进航空航天事业建设步伐。

参考文献

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[2] 廖寅龙，田泽，赵强，等.PCIe总线物理层弹性缓冲设计与实现[J].计算机技术与发展，2016（6）：168-170.