多總線融合測試系統(tǒng)的架構(gòu)和實現(xiàn)方案研究

隨著信息化轉(zhuǎn)變，高新技術(shù)在武器裝備全壽命周期內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致武器裝備的復(fù)雜程度與日劇增。傳統(tǒng)基于單總線的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得難以滿足武器裝備的維護保障需求，主要表現(xiàn)在以下方面。

1） 測試系統(tǒng)單通信接口難以滿足武器裝備多數(shù)字接口通信的需要。為使武器裝備具備高性能的作戰(zhàn)能力，人們常將現(xiàn)代計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)的最新研究成果應(yīng)用到其中，武器裝備與外界接口通常包含1553B、RS422和RS232等多種，接口形態(tài)呈現(xiàn)多樣化，測試系統(tǒng)需配置多種通信總線接口才能滿足武器裝備的測試需求。

2） 單總線測量儀器功能覆蓋范圍有限。由于武器裝備的測試項目繁多，測試參數(shù)復(fù)雜，測試資源需求比較廣泛，測量裝置的頻率覆蓋范圍需要從低頻、射頻到微波。而目前軍用主流測試儀器總線（如VXI總線）限于結(jié)構(gòu)和儀器模塊因素，對射頻和微波測量儀器的支持程度有限，而在此領(lǐng)域，GPIB總線儀器呈現(xiàn)出優(yōu)異性能。

3） 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受限。由于測量模塊數(shù)據(jù)采集能力與測試環(huán)境的限制，測試系統(tǒng)通常需要觸發(fā)不同總線的儀器模塊同時啟動某項測試才能完成測量任務(wù)，測試系統(tǒng)往往不具備滿足上述需求的統(tǒng)一觸發(fā)結(jié)構(gòu)。

4） 測試系統(tǒng)可移植性差、更新升級困難。當(dāng)前，不同軍種、不同維護級別的測試系統(tǒng)間缺乏互操作性。這種情形嚴(yán)重影響著測試資源的分配、測試序列的產(chǎn)生和測試結(jié)果的調(diào)用。而影響測試設(shè)備互操作性的主要因素是測試設(shè)備的總線種類繁多且相互之間不兼容。

在采用單一總線構(gòu)建測試系統(tǒng)難以滿足武器裝備測試需要的情況下，綜合多種儀器總線的優(yōu)點，構(gòu)建基于多數(shù)字接口總線的多總線融合的自動測試系統(tǒng)成為軍用測試領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一。

1 定義

多總線融合的自動測試系統(tǒng)：測試系統(tǒng)包含兩種或兩種以上的數(shù)字接口總線，不同總線間可實現(xiàn)機械相容、電氣相容、功能相容和運行相容。不同總線之間通過接口轉(zhuǎn)接裝置，實現(xiàn)機械和電氣相容;不同總線不同類儀器之間通信可屏蔽I/O接口的差異，實現(xiàn)“總線I/O透明”;不同總線同類儀器之間可屏蔽功能上的差異，實現(xiàn)“資源功能透明”，最終實現(xiàn)運行和功能相容，滿足測試系統(tǒng)對不同總線測量儀器的互操作與互換要求。

2 測試系統(tǒng)的總體框架

2.1 多總線融合的測試系統(tǒng)架構(gòu)

以LXI為基礎(chǔ)組建的測試系統(tǒng)能夠較好地滿足多總線融合的自動測試系統(tǒng)構(gòu)建需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。LXI（LANeXtension for Instrument）是LAN局域網(wǎng)技術(shù)在儀器領(lǐng)域的擴展，LXI儀器是嚴(yán)格基于IEEE802.3、TCP/IP、網(wǎng)絡(luò)總線、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、IVI-COM驅(qū)動程序、時鐘同步協(xié)議（IEEE1588）和標(biāo)準(zhǔn)模塊尺寸的新型儀器。LXI模塊借助于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實現(xiàn)信息瀏覽與程序控制，并以IVI-COM格式進(jìn)行通信，便于系統(tǒng)集成和同類型儀器的互換。

圖1 基于LXI的多總線融合的自動測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1中，系統(tǒng)以LXI連接各儀器總線模塊，VXI、PXI和GPIB等總線模塊通過接口轉(zhuǎn)接器成為系統(tǒng)的組成部分。計算機控制器在操作系統(tǒng)的控制下作為整個測試系統(tǒng)的指令執(zhí)行器。操作系統(tǒng)為多總線融合的自動測試系統(tǒng)提供文件管理、內(nèi)存管理、用戶界面消息響應(yīng)、測試結(jié)果輸出與打印、系統(tǒng)I/O請求處理等服務(wù)。

在系統(tǒng)I/O層，多總線機械、電氣相容轉(zhuǎn)接器與系統(tǒng)I/O接口交聯(lián)，提供多種測試總線接口。系統(tǒng)I/O接口還控制著“同步觸發(fā)控制邏輯”，實現(xiàn)不同總線測試資源的同步觸發(fā)，在軟件資源的配合下，滿足系統(tǒng)對多路信號同時測量的需求。

多總線融合的運行相容和功能相容層主要包含：系統(tǒng)I/O總線驅(qū)動層、多總線測試資源互換驅(qū)動層、信號的虛擬資源需求到物理資源配置映射層、面向信號的虛擬儀器層。

系統(tǒng)I/O接口通過儀器連接總線LXI與多種儀器背板總線（VXI、PXI、GPIB等）相連，儀器背板總線上裝入測量儀器。測試接口適配器與測量儀器連接。測試接口適配器完成測量儀器與被測單元的信號交聯(lián)，對輸入、輸出信號進(jìn)行阻抗匹配變換，完成信號衰減與電平轉(zhuǎn)換等任務(wù)。

多總線融合的測試系統(tǒng)應(yīng)用軟件在多總線測試資源融合層上運行，該層不含具體物理資源信息，按照面向信號、面向測試需求的模式進(jìn)行程序代碼編寫。虛擬測試資源到具體物理設(shè)備的映射在多總線測試資源融合層實現(xiàn)。

為使多總線融合的武器裝備測試系統(tǒng)具有良好的人機環(huán)境，系統(tǒng)配置顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等人機接口以及打印機等輸出設(shè)備。

2.2 多總線機械與電氣相容實現(xiàn)方案

為將不同測試總線模塊集成到LXI測試系統(tǒng)中，有兩種技術(shù)方案可供選擇：開發(fā)橋轉(zhuǎn)接器和接口適配器 。

橋轉(zhuǎn)接器由LXI接口和特定總線接口組成。LXI接口端實現(xiàn)LXI接口的所有要求，包括：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持，Web頁瀏覽與儀器控制，LAN配置初始化和IVI驅(qū)動器。在橋轉(zhuǎn)接器的特定總線接口端，實現(xiàn)特定的硬件和軟件接口要求。例如，如果LXI橋轉(zhuǎn)接器連接GPIB儀器，橋轉(zhuǎn)接器不僅要支持LXI接口和GPIB接口，還需具備將軟件命令從LXI端映射到GPIB端的能力。

接口適配器將非LXI總線接口完全轉(zhuǎn)化為LXI接口。和橋轉(zhuǎn)接器不同，通過接口適配器，主機可以利用儀器驅(qū)動器和Web頁直接訪問和控制非LXI儀器，在接口適配器和非LXI儀器之間不需要控制與通信機制的映射和VISA資源的映射。

在多總線融合的測試系統(tǒng)中，為不使原有VXI、PXI、GPIB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大幅度的變動，基于LXI的多總線融合的測試系統(tǒng)采用橋轉(zhuǎn)接器機制將現(xiàn)存總線儀器無縫融入到其中。例如，對于VXI總線模塊，選用EX2500 LXI-VXI Slot 0 InteRFace可將基于TCP/IP協(xié)議的LXI儀器操作命令轉(zhuǎn)換為VXI儀器背板上的信號驅(qū)動邏輯。通過這種結(jié)構(gòu)，原有的VXI測試系統(tǒng)作為系統(tǒng)的一子系統(tǒng)，只需在Agilent IO Library接口配置處作少量更改，而系統(tǒng)的硬件和測試軟件不需作任何變動就可繼續(xù)使用。

2.3 系統(tǒng)的同步觸發(fā)結(jié)構(gòu)

不同總線儀器間的同步與觸發(fā)是多總線融合的自動測試系統(tǒng)必須考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于不同測試總線的同步與觸發(fā)機制差別較大，多總線融合的自動測試系統(tǒng)的同步與觸發(fā)實現(xiàn)較為困難。

為滿足系統(tǒng)高精度觸發(fā)誤差的需求，系統(tǒng)采用LXI的精密時鐘觸發(fā)IEEE1588和LXI硬件觸發(fā)相結(jié)合的觸發(fā)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)觸發(fā)結(jié)構(gòu)如圖2所示。IEEE1588為系統(tǒng)提供高精度的同步時鐘，LXI triggerING為各總線模塊提供相位差極小的統(tǒng)一事件觸發(fā)。系統(tǒng)的觸發(fā)HUB選用EX2100。

圖2 多總線融合的自動測試系統(tǒng)觸發(fā)結(jié)構(gòu)

在本文研究的多總線融合的自動測試系統(tǒng)中，由于VXI、PXI、GPIB模塊的觸發(fā)信號電平與LXI 的LVDS（LowVoltage Different Signal低電壓差分信號）的觸發(fā)電平不相匹配，系統(tǒng)采用不同總線觸發(fā)信號適配器，將LXI TRIGGERING的LVDS信號轉(zhuǎn)換成與VXI、PXI、GPIB等模塊觸發(fā)相適應(yīng)的電平信號。

由于現(xiàn)存的VXI、PXI模塊前面板并非全部具備與LXITRIGGERING適配的觸發(fā)端子，在觸發(fā)精度要求不高的情況下，用VXI和PXI子系統(tǒng)零槽控制器將LXI系統(tǒng)IEEE1588時間觸發(fā)映射到系統(tǒng)的事件觸發(fā)邏輯上，驅(qū)動總線背板上的TTL或ECL觸發(fā)信號線實現(xiàn)系統(tǒng)的同步。

3 測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)不同總線儀器的多總線融合，測試軟件應(yīng)具備下列功能：

1） 不同總線儀器的I/O差別對上一層的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)透明。系統(tǒng)對不同總線儀器的操作應(yīng)顯現(xiàn)不出I/O差別，儀器的配置與控制、數(shù)據(jù)的讀取共用同一函數(shù)，不同總線資源的測試數(shù)據(jù)、總線信息無需轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)“總線I/O透明”，這是多總線融合的第一個層次。

2） 不同總線接口而功能相近的同類總線可實現(xiàn)互換，實現(xiàn)“資源功能透明”，這是多總線儀器融合的第二個層次。

按照上述功能需求，多總線融合的測試系統(tǒng)軟件由四部分組成：通信協(xié)議傳輸層的軟件VXI-11，底層I/O軟件VISA 層，IVI驅(qū)動層，應(yīng)用軟件層。系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖 如圖3所示，圖3是圖1軟件部分的細(xì)化。

圖3 多總線融合的測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

VXI聯(lián)盟制定的VXI-11規(guī)范定義了網(wǎng)絡(luò)儀器通過TCP/IP與控制器進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)，目前VXI-11規(guī)范已發(fā)展成為以太網(wǎng)基儀器的通信標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的I/O接口軟件VISA庫將VXI-11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了封裝，作為其一個子集。VISA結(jié)構(gòu)屏蔽了不同總線儀器操作的I/O差別，為儀器驅(qū)動器的開發(fā)提供了統(tǒng)一的I/O控制底層函數(shù)集。系統(tǒng)在VISA層實現(xiàn)多總線的“總線I/O透明”。

考慮到同類儀器的功能大體相同，驅(qū)動程序設(shè)計時可以通過封裝把每類儀器封裝成一個COM組件。通過COM組件的隔離，測試應(yīng)用程序不用關(guān)心底層儀器驅(qū)動程序的實現(xiàn)，直接調(diào)用COM組件的接口實現(xiàn)對儀器的控制。IVI配置服務(wù)器實現(xiàn)對COM組件的配置管理，存儲配置信息。驅(qū)動程序的COM組件是標(biāo)準(zhǔn)的，對同類儀器的驅(qū)動程序來說是完全一致的，只需在配置服務(wù)器中更改驅(qū)動程序的配置信息，就可實現(xiàn)儀器互換。除IVI-COM驅(qū)動器外，IVI-C也是適用于LXI結(jié)構(gòu)的儀器驅(qū)動器模型。系統(tǒng)在IVI層實現(xiàn)不同總線同類儀器的“資源功能相容”。

系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境可有VB，VC++，Lab VIEW等多種選擇，它們均提供IVI-COM API函數(shù)的調(diào)用和編譯。

4 結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展，為滿足武器裝備對測試領(lǐng)域提出的需求，Namisoft（納米軟件）以LXI為基礎(chǔ)構(gòu)建了一種多總線融合的自動測試系統(tǒng)。系統(tǒng)能較好地滿足當(dāng)前武器裝備維護保障領(lǐng)域的需求，適用于組建測試資源需求復(fù)雜的測試系統(tǒng)。多總線融合的測試系統(tǒng)具有易于組建、互換性強、開放性好的特點，能有效地將過時的測試設(shè)備融入到其中。在測試系統(tǒng)開發(fā)實踐中，僅對接口配置作少許更改，基于VXI總線的某型導(dǎo)彈通用測試系統(tǒng)就能方便集成到本文構(gòu)建的多總線融合的測試系統(tǒng)中，在不增加軍事經(jīng)費投入的情況下，系統(tǒng)的整體性能因多種總線資源的融合而得到了較大幅度的提升。

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