标题:
基于VI的舰船电子装备测试系统硬件设计
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作者:
Bazinga
时间:
2014-9-2 19:41
标题:
基于VI的舰船电子装备测试系统硬件设计
0 引言
现代战争是信息化的立体战争，信息化战争的基础是先进的电子装备，作为海军舰船电子装备，必须时刻处于良好状态，才能应付海上突发事变，招之能来，来之能战，战之能胜。对于先进的舰船电子装备，如果没有先进的测试技术和便携式的测试设备，就不可能有力的保障舰船电子装备处于良好的状态，建立一套先进的舰船电子装备测试系统是十分必要的。
现代舰船电子装备测试系统是一个集计算机技术、数据采集与处理技术、故障分析诊断技术、软件工程技术等高技术的复杂测试系统，涉及变参数、多种类、多功能、大信息量的测量和控制及复杂的数据分析处理，要求快速、精确、实时和可靠。综合运用最新的虚拟仪器技术对于推进电子装备测试平台的模块化、智能化，保证舰船电子装备的作战效能、降低维修保障费用，具有重要的意义。
1 设计原则
①先进性原则：采用的系统结构应该是先进的、开放式的体系结构。应具有标准化和模块化结构，系统硬件应具有较高的覆盖面和适应能力。整个系统的构建应能体现现代测试与诊断技术的发展水平。
②实用性原则：能最大限度的满足实际测试工作的要求，操作方便、维护简单
、管理简便。
③可扩充性、可维修性原则：系统软件应具有较强的通用性、可扩展性和可移植性，便于二次开发和使用。系统应具有较强的自检功能，能够进行系统内部自检和外部接口自检。为提高测试系统的通用性，内部自检和外部自检应能相互独立进行。系统应具有完善的自校和计量测试接口。系统应具有人工干预功能。系统应具有良好的适应外部环境的措施。
④经济性原则：在保证系统先进、可靠和高性价比的前提下，通过优化设计集成测试系统达到最经济性的目的。
2 设计思路
虚拟仪器（简称VI）是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新一类电子仪器。虚拟仪器本质上是一个开放式的结构，由数据采集系统作数据采集，通过PXI总线，由通用计算机来做相应的信号处理、存储与显示。由于微机或工作站的开放式结构，虚拟仪器的功能完全是由用户定义的，并且，随着计算机功能的加强，VI的处理功能日益优于传统的仪器。VI技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，同时具有性能高、扩展性强、开发时间少和出色的集成这四大优势。VI要比传统的电子仪器更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新和扩展功能与性能的要求。
基于VI技术的优势，在舰船电子装备测试系统的设计中重点采用VI技术，根据不同的测试要求，以核心测试系统为基础进行扩展，缩短舰船电子装备测试诊断时间，提高测试效率，减少装备维修费用。测试仪器总线采用PＸＩ总线，PXI总线是以PCI为基础的，由具有开放性的PCI总线扩展而来。PXI总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点。目前基于PCI总线的软硬件均可应用于PXI系统中，从而使PXI系统具有良好的兼容性。PXI还有高度的可扩展性，它有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3～4个扩展槽。PXI系统通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽。PXI总线的传输速率已经达到132Mbps，是目前已经发布的最高传输速率。通用化、标准化、模块组合化是舰船电子装备测试系统的主要发展方向，基于PＸＩ总线技术的舰船电子装备测试系统在通用性、标准化以及模块组合方面具有明显的性能价格优势，在可预见的时间内PＸＩ总线仍将是自动测试设备的主要总线技术。舰船电子装备备件测试平台设计的基本思路为：
①充分吸收国内外科研技术人员近几年所取得的工作成果，在系统设计、电路设计等各方面完成已有成果的转化利用，达到优质高效低耗的目的。
②利用国内外已有的VI技术，将这些成熟技术进行移植，用于电子装备备件测试系统中，系统硬件尽量采用标准件，具有可扩展性、可移植性和可重组性。
③系统具有自检、自校准功能，有完善的计量测试接口。
3 系统硬件总体设计
在现代舰船电子装备中存在多种类型的电路板，包括模拟型、模拟数字混合型、单纯的数字逻辑型、具有计算机总线型以及用于供电的电源型。信号涉及到电压、频率、机电、光电、声电等多种不同类型的被测信号。根据舰船电子装备各被测部件的电气特征和测试系统所要完成的测试任务，并且考虑测试系统的可靠性、扩展性、可移植性及可重组性的要求，我们组建了基于VI的舰船电子装备测试系统，系统的硬件总体框图如图1所示：
图1 系统硬件总体框图
3.1 数字逻辑电路板测试平台
对于数字式电路板的检测，常采用的方法是矢量激励法。数字矢量方法激励元件的输入端，在输出端测试输出逻辑是否符合原设计要求，这种方法对于简单逻辑电路非常适用，但是当逻辑电路复杂时，开发测试矢量就极其困难，而且通常这种情况下产生的测试矢量数也非常庞大，势必带来测试时间长，或者不可测性；虽然边界扫描技术的出现简化了测试矢量的生成难度，但是产生的测试矢量数仍然较多。从技术的成熟性，简易性和装备的实际情况，仍然采用矢量激励法对数字式电路板进行检测。
数字逻辑电路板测试子平台分成三个部分（见图2）：第一部分采用通用的计算机，完成主控功能。波形控制软件、采样控制软件和故障诊断软件均在微机上运行。第二部分为测试向量信号发生器，产生多路的输出信号，驱动被测电路板。第三部分为高速数字信号采样器，作用是对被测电路板的输出信号进行采样，并将采样结果送计算机处理。计算机控制测试信号发生器和高速数字信号采样器，对被测电路板的输入输出信号进行逻辑关系比较，从而判断被测电路板功能是否正常。
3.1 模拟电路板测试平台
模拟电路板测试子平台采用基于PXI的VI系统，VI的最大特点在于可以根据测试需要来定义仪器的功能，其灵活性和高性能得益于不断发展的数字化
技术和计算机技术。VI利用图形化编程技术和测试程序自动生成技术，通过自定义的仪器面板，实现PXI模块的控制和被测信号的显示和处理。PXI吸收了VXI的优点，同时受益于Compact PCI（CPCI），因而速度更快、结构坚固紧凑、系统可靠稳定，在射频和微波频带以下的低、中高频段可以替代VXI，而且价格优势明显，深受广大用户欢迎，目前正朝气蓬勃地向商用与军用领域拓展，并在美、欧、澳等国得到了成功应用。同时，基于VXI的软件可以移植到PXI系统。以NI为主，经过近十年的发展，基于PXI的自动测试设备已经基本可以满足需求。其框图如图3所示：
①系统控制器模块主要通过PXI背板上的PCI总线来管理其他所有模块，实现信号处理、结果表达。
②多功能数据采集卡模块用来实现模数转换和信号的采集。
③信号调理模块用于信号的放大和对信号进行滤波。
④任意波形发生器模块起到一个信号源的作用，产生被测电路所需的各种激励信号。
⑤数字万用表模块用来完成对电压、电流、电阻的测量。
⑥矩阵开关实现信号在不同待测物间的切换。
⑦程控电源用来给测试平台各部件外加电源。
⑧探针用来对检测孔的测试，对故障进行定位。
3.3 计算机总线型电路板检测平台
计算机总线型电路板测试子平台采用数字逻辑电路板的测试方法完成计算机总线型的电路板测试，利用各种信号的时序组合来模拟计算机的总线信号。当然还可以组建基于PXI的测试系统。
3.4 模拟数字混合型电路板检测平台
在模拟/数字混合型电路板中，既有模拟信号又有数字信号。其中有相当一部分用于计算机控制型系统的模拟量输入/输出接口中，对于这类电路板的测试，可以将模拟电路板测试平台和计算机总线型电路板测试平台进行适当组合，从而实现测试要求。在进行组合时，需要考虑电路板的插座适配器。
3.5 电源模块的检测平台
电源模块为装备提供工作所需的各种电源，在装备中是故障率最高的模块之一。输入电压超出设计范围，或负载过大，均有可能使电源模块遭到损坏。电源模块的测试平台，需要提供220V~调压变压器，中频变换器，模拟负载等基本设备，再利用模拟电路板的PXI虚拟仪器测试平台，完成电压电流测量和时间测量，以及进行纹波分析。测试平台的结构如图4所示：
4 结论
本课题针对舰船电子装备的测试要求，采用模块化的硬件设计具有操作灵活、携带方便、稳定性好、分析精度高，信号处理能力强等特点，极大地提高了自动化程度，大幅度降低了系统开发、维护以及后期的升级成本，缩短了系统的开发周期。能够完成舰船电子装备各种电路单元的测试。此外，我们随时可以根据被测电子装备的需要对系统进行多种组合或更新，非常适用不同需求的装备测试。与传统的舰船电子装备测试平台相比，本课题在以下几方面进行了创新：
①本课题采用基于虚拟仪器结构的测试系统,实现了计算机与测试仪器的有机结合，为组建性能优异、功能强大、适时变化的现场测试环境提供了可能。仪器面板、相应控件和指示器等不再由物理实体构成，而由计算机内部强大的图形环境和在线帮助功能建立起来的虚拟面板替代；借助虚拟仪器测试软件，实现信号产生、采集与控制信号的分析处理、结果表示和输出等功能。
②实时性和多任务性是该型测试系统的重要特点。本课题设计对不同的电路单元采用不同的测试子平台，各自平台通过主控计算机实现控制，可以实现多个进程同时运行,且同一进程中多个线程可独立执行。这为测试系统实现人机交互界面、数据采集、数据处理和测试流程控制及故障定位报警等多任务功能的实时测控软件开发,提供了技术支持。将用户接口的管理和系统各功能模块的控制代码,分布于不同线程中处理,可提高计算机资源的利用率,减少系统的等待时间,最终提高系统整体性能。
③此外，该测试系统具有仿真负载。
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