基于PXI總線的通用導航設備檢測平臺設計

王傳剛，王珍珍，張慶磊，楊 亮

（1.西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071；2.海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島266041）

基于PXI總線的通用導航設備檢測平臺設計

王傳剛1，2，王珍珍1，張慶磊1，楊 亮1

（1.西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071；2.海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島266041）

本文基于實現機場對空導航裝備主要戰技指標自動測試這一目的，采用虛擬儀器技術設計了一種基于PXI總線技術的通用對空導航裝備自動檢測平臺。通過對其測試需求分析、總體方案設計以及軟硬件設計等方面的詳細論述描述了該平臺的設計理念及軟硬件調試方法，并最終實現了對三型典型對空導航設備主要戰技指標快速準確的自動測試。文章最后對機場對空導航裝備自動測試平臺研制的發展方向進行了展望。

虛擬儀器；PXI；自動測試；導航

隨著計算機技術、電子技術的快速發展，電子類設備的測試技術發生了日新月異的變化，其智能化、小型化、自動化和高速化是成為目前發展的主流方向。如今的測試設備已經遠遠不只是一堆儀器簡單堆列。在經歷了從分立儀器、GPIB、VME、VXI的變革后，目前，成熟的總線有VXI總線、PXI總線、USB總線以及LXI總線等。而隨著電子設備的不斷更新、功能不斷強大，必然會推動測試技術不停的向前發展，未來的測試系統一方面很難利用單一總線構成，而應發揮各種總線的優勢，采用復合總線的方法；另一方面也向著遠程化、網絡化方向發展。目前，機場對空導航裝備的測試主要利用隨機配套的專用測量儀器進行測試，測試速度較慢，對人員要求較高，嚴重制約了裝備的保障能力，而雖然基于VXI總線的測試技術在許多領域都得到了廣泛的應用，但其仍然是主要應用在對性能要求比較高的大型電子設備的測試過程中，成本昂貴成為其應用的主要制約因素，尤其對于小型電子設備來說更是如此[1]。同時，對空導航裝備實現自動測試的需求也越來越急迫，因為測量過程復雜、測試周期較長已嚴重影響到對空導航的保障能力。隨著PXI總線技術的發展，PXI測量模塊的性能也得到了長足的改進，其性價比高、易開發等優點成為許多小型設備自動測試的首選。文中主要介紹了一種基于PXI總線的導航設備通用檢測平臺設計。

1 測試需求分析

要設計一個通用自動測試平臺，首先要進行測試需求分析，只有對要測試的設備進行詳細的分析，梳理出要測試的參數及參數的有關特性，然后根據分析的結果選擇相應的測試模塊或者對應的臺式測試儀器。本通用檢測平臺設計目標是能同時滿足測試多型導航設備，主要參數包括各型設備的工作頻率、功率、頻率穩定度、脈沖間隔等，并且工作頻段跨度較大，有的工作于中波頻段，有的工作于微波階段，最低頻率只有幾百千赫茲，最高頻率達到將近10 GHz，因此測試模塊的選取顯得尤為重要。

其中一個多型設備共有的指標——調幅度為例來進行分析。調幅度是指對信號進行幅度調制的載波的幅度，同時被調幅的信號的包絡線的幅度也等于調幅度。調幅度的測量對許多設備來說是非常重要的，如何精確的測量調幅度很大程度上直接關系到設備通信的性能以及通信距離的大小等，而要精確的測量調幅度首先就要選擇適當的PXI測試模塊，通常選擇此類模塊應該首先從以下幾個方面進行考慮：帶寬、采樣速率、采樣模式、動態范圍以及分辨率等。一是帶寬，一般情況下，模塊帶寬應至少為被測信號最高頻率的2倍，否則信號就會失真，導致信號測量不準確；二是采樣速率，所謂采樣速率就是模塊化儀器將采樣信號模數轉換 （ADC）時的時鐘頻率，雖然采樣速率同上面分析的指標—帶寬，沒有直接的關系，但為了使信號不失真，根據奈奎斯特定理規定，為了使信號不重疊，采樣速率至少為帶寬的兩倍，在實際應用中通常遵循這樣一種關系，采樣速率等于3～4倍帶寬，具體采樣速率的大小對采樣后的信號影響效果如圖1所示，從圖1可以明顯看出，對于相同的被測信號，采樣速率越大，效果越好，當然也要考慮資源及成本問題。3是分辨率和動態范圍，由ADC將模擬信號轉成數字信號后返回的比特數就是分辨率，測量信號幅度越小需要的模塊分辨率就越高[2]，也就是說，高分辨率的儀器模塊適合測量小幅度信號，當信號同時具有大信號和小信號分量時，這時對儀器的動態范圍就有了要求，因此，對于涉及到動態信號應用就需要較高的動態范圍和高分辨率。其它指標依據上述分析思路進行需求分析即可，這里不再贅述。

圖1 采樣速率對信號影響效果示意圖

2 檢測平臺總體方案設計

自動檢測平臺通常由自動測試設備 （ATE）、測試程序（TPS）和檢測環境（TE）3部分組成。通過三者的配合自動完成設備測試功能。其中，軟件起到核心作用，并且有著“軟件即儀器”的說法。在具備相同的硬件測試模塊的情況下，改變軟件的設計即可實現不同的測試功能，從而搭建出對不同設備進行測試的檢測平臺，極大的縮短了檢測平臺的研制周期，降低了開發成本，尤其對于更新換代比較快的設備顯得優勢更加明顯。具體到不同設備的測試需求不同，尤其是要設計出可以同時滿足多種型號的設備測試時，針對一些不同設備的參數指標，有時現有PXI模塊很難滿足要求，針對設備高頻率、大功率等參數的測試需求，我們選取了配套的高性能臺式儀器來實現數據的采集，也就是采用混合的測試總線技術進行集成。

本測試平臺測試軟件采用了由NI公司開發的圖形化編程開發平臺Labview[3-4]，又稱G語言。該軟件具有與滿足GPIB、RS-232、VXI和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，還內置了便于應用網絡協議等軟件標準的庫函數，是一個功能強大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣，并可產生可獨立運行的可執行性文件。尤其對于非專業的編程技術人員，大大縮短了開發周期，提高了工作效率。

檢測環境采用的是接口適配器，由于測試對象沒有統一的標準的接口，針對每型設備不同的特點，為每型導航設備自主設計配套的接口適配器。從而使被測設備和測試平臺之間可以進行信號的鉸鏈，實現數據采集的功能。

硬件平臺采用便攜式平臺、擴展功能模塊（如數字化儀、微波開關模塊、數字萬用表模塊、任意波形發生器模塊、示波器模塊等）實現信號切換、通斷控制、信號采集等功能。該平臺采用PXI總線技術[5-6]實現硬件資源的控制與管理，以軍用貨架產品（MOTS）為設計理念，并針對設備所處的使用環境和儲運條件。在機械性能、散熱性、EMC/EMI性以及三防等方面作出了特別的優化設計。

3 硬件設計

3.1 硬件模塊組成

該通用檢測平臺采用加固型下翻式一體化結構設計。機箱內置LCD顯示屏、鍵盤及觸摸板并集成一體化。機箱內提供3U標準型PXI結構安裝方式，預留有較大空間裝配衰減器、適配器等通過航插測試信號接口，整體機箱美觀、實用、可靠，具體組成示意圖如圖2所示。

圖2 檢測平臺組成示意圖

3.2 主要模塊功能

1）控制器：采用了符合PXI規范的3UPXI系統控制器，該控制器基于集成Intel CoreI3/I5/I7處理器，實現PXI總線控制與訪問，能夠滿足PXI設備模塊所需要系統控制器的要求。

2）數字化儀：采用標準3U PXI模塊PXI-5122，具有100 MS/s最大實時采樣率，高達2.0 GS/s等效時間采樣，可采集2 mV至100 V范圍的波形信號，用于測量調幅信號等有關參數。

3）數字萬用表模塊：采用了基于PXI總線的五位半數字萬用表模塊，可對電壓、電流、電阻、頻率等參數進行測量，且有自動量程、過載保護等功能。與矩陣模塊配合使用，可以完成多個通道信號測試。

4）微波開關模塊：采用了一個18 GHz的微波開關模塊。具有射頻通道切換功能，具有損耗小、通道駐波比小、開關承受功率大、軟件驅動標準規范等優點。

5）示波器模塊：采用8通道3UPXI標準模塊，具有并行同步數據采集功能，該模塊采用DMA設計，可以高速存儲數據，大大縮短測試時間。

6）任意信號發生器模塊：模塊設計最大輸出頻率可達10 MHz，可輸出正弦波、方波、三角波和其它任意波形。最大可存儲波形數2×107.可支持單次、連續和任意波形序列輸出。

7）機箱：采用了12槽PXI便攜式一體化機箱，機箱內安裝12槽背板與電源模塊，提供1個系統槽和11個外圍卡槽，250 W電源，可為系統提供可靠的電源。

4 軟件設計

4.1 開發環境

該檢測平臺開發系統為Windows XP。選用的開發工具是Labview軟件，Labview軟件具有良好的人機交互界面[2]。此軟件最早就是為了測試測量而設計開發的，因而該軟件也最廣泛的應用在測試測量領域。目前，大多數主流的測試測量儀器、數據采集設備針對Labview都擁有專門的驅動程序，使用它可以非常方便的控制這類硬件設備，并且在測試系統開發過程中不用專門的寫通信協議語句。軟件中攜帶的工具包幾乎滿足用戶所需的全部功能，用戶以這些工具包為依托進行程序開發就事半功倍了，一般情況下，只要簡單調用相應函數，就可以完成一個測試應用程序的編寫工作。

4.2 底層驅動與接口通訊

從邏輯結構分，此平臺軟件共分為三層，分別為設備層、接口層、應用層。如圖3所示。

圖3 軟件的邏輯結構圖

設備為硬件設計中所提到的各PXI模塊，該層提供一組訪問接口，以用于對各硬件設備的識別與控制，還可提供上層軟件的可移植性。

接口層介于設備與軟件層之間，主要實現應用層與設備層間接口通訊，通過這些接口，可靈活配置系統規模。

應用層為軟件功能，包括硬件設置、參數設置與存儲、流程模擬狀態顯示等功能。

4.3 典型參數調幅度測量舉例

PXI-5122是用于測量調幅度的核心硬件模塊，本文中采用的是單通道即時觸發模式，以便實現實時連續采樣，具體采集示意圖如圖4。

圖4 數據采集示意圖

5結 論

文中從測試需求、總體硬件和軟件設計等方面描述了基于PXI總線技術的通用導航設備檢測平臺設計，成功實現了多型導航設備的自動測試功能。該測試平臺還充分利用了復合總線技術，對有特殊要求的參數測量通過GPIB總線和USB總線等技術外掛了相應的高性能獨立臺式儀器，取得了較好的測試效果[7]。但該平臺也存在一些問題，如不具備遠程聯網測試功能、對于性能要求比較高的參數測量，考慮到成本等因素，沒有通過PXI模塊來實現，而是通過GPIB總線技術控制臺式儀器來實現其功能的，該平臺模塊化設計不夠徹底，測試實時性受到一定程度的限制。未來，一方面我們可以針對許多設備位置相對固定且距離比較遠的特點，可以考慮依托固有網絡對該平臺進行網絡化設計，實現網絡遠程在線測試，也就是充分利用LXI總線技術，實現測試平臺的網絡化。另一方面，可以采用目前PXI技術新的研究成果，使該通用檢測平臺進一步模塊化設計，提高自動測試的速度和測試數據精度。

[1]張鴻雁，李言俊，張科.航空電子通用自動控制系統的設計與實現.[J].計算機測量與控制，2009（2）：255-257.

[2]閻石，王紅.數字電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2010.

[3]豈光明、田京京.Labview入門與實現開發100例[M].北京電子工業出版社.2014.

[4]王建新、隋美麗.Labwindows/CVI.虛擬儀器測試技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社.2013.

[5]夏彥超.基于PXI總線的檢測系統研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學.2010.

[6]趙永立，張玉紅，楊建成.虛擬儀器-測試技術的新領域[J].自動化與儀表，2005（s1）：142-145.

[7]劉正升，蔣志忠，楊日杰.測試領域新技術的發展及應用[J].國外電子測量技術.2009（1）：16-19.

A design of testing platform of general navigation equipment based on PXI

WANG Chuan-gang1，2，WANG Zhen-zhen1，ZHANG Qing-lei1，YANG Liang1
（1.Institute of Electronics Engineering，Xi′an Univercity of Electronic Sicence and Technology，Xi'an 710075，China；2.Qingdao Campus，Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao 266041，China）

In this paper，a universal airport to air navigation equipment testing platform is designed with using virtual instrument technology for the purpose of testing the main technical indexes of the air navigation equipment at the airport Automatically.Through the detailed analysis of test requirement，the overall design and hardware and software design，this paper describes the design idea and the method of the debug of the Software and hardware.And an automatic testing platform of the main technical indexes of the three typical airport navigation equipment is designed successfully.Finally，the development direction of the airport navigation equipment testing platform are discussed.

virtual instrument；PXI；automatic test；navigation

TN98

A

1674－6236（2016）18-0069-03

2015-09-07 稿件編號：201509054

王傳剛（1979—），男，山東臨沭人，碩士研究生，講師。研究方向：通信與導航、嵌入式技術。