混合總線的飛行器測試系統(tǒng)設計*

郝大力，彭濤，李金波，潘澤華

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

飛行器綜合測試系統(tǒng)用于在地面完成對飛行器功能和性能檢測、驗證，隨著被測飛行器的復雜性的不斷提升，對測試系統(tǒng)的要求也隨之不斷提高。

儀器總線連接著測試系統(tǒng)內的設備，承擔著測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和控制的重要功能[1-2]，目前飛行器測試系統(tǒng)使用主要的儀器總線包括VXI(VMEbus extension for instrumentation)，PXI(PCI extension for instrumentation)，LXI(LAN extension for instrumentation)等總線。

混合總線測試系統(tǒng)，就是在一個測試系統(tǒng)中集成多種儀器總線的設備。采用混合總線測試系統(tǒng)，可發(fā)揮不同總線測試平臺的優(yōu)點，節(jié)約經(jīng)費，提供系統(tǒng)的靈活性，縮短測試系統(tǒng)開發(fā)時間。

1 相關測試系統(tǒng)簡介

1.1 單一總線測試系統(tǒng)

VXI總線[3]和PXI總線分別由VME(versa module eurocard)總線和PCI(peripheral component interconnect)總線擴展而來[4]，采用VXI/PXI總線作為儀器總線測試系統(tǒng)的優(yōu)點：由于共用機箱，相比于堆疊式儀器組成的測試系統(tǒng)，VXI/PXI總線測試系統(tǒng)集成度更高，占用的機柜空間體積小；由于共用機箱內的背板，使用觸發(fā)和同步功能較方便；由于是前插拔、模塊化的形式，VXI/PXI總線系統(tǒng)的使用和維護很方便。VXI/PXI單一總線測試系統(tǒng)缺點：對于模塊化儀器無法實現(xiàn)的，如采樣率較高、存儲深度較大的示波器，以及一些飛行器專用測試設備，還需要增加臺式儀器，新增的臺式儀器與VXI/PXI模塊之間不容易進行同步、觸發(fā)；擴展能力受限于所用機箱的槽數(shù)，一旦機箱插滿模塊，即使系統(tǒng)只需再增加一塊插卡，也需要再增加另一臺機箱[5]。

LXI總線是一種基于以太網(wǎng)(ethernet)技術的測試系統(tǒng)體系結構，借助了網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展和交換機、TCP/IP協(xié)議等的廣泛應用，取得了快速發(fā)展。采用LXI總線作為儀器總線的測試系統(tǒng)線的優(yōu)點：易于使用，具有LAN口的測試設備開發(fā)和測試系統(tǒng)集成都較為方便；數(shù)據(jù)傳輸速率高，若采用百兆網(wǎng),傳輸速度可達11.9 MB/s；若采用LXI標準推薦的千兆網(wǎng),可達119 MB/s；易于建立分布式系統(tǒng)，以太網(wǎng)連接可以跨越100 m對等層，使用路由器可以覆蓋200 m的半徑，或者使用光纖接口可以延伸到數(shù)千公里。LXI單一總線測試系統(tǒng)缺點：占用的機柜空間體積較大；無法使用已有的總線模塊[6]。

1.2 混合總線測試系統(tǒng)

采用LXI-VXI混合總線測試系統(tǒng)，在VXI機箱中選擇具有LAN口的零槽控制器，把VXI總線設備通過路由器或交換機接入LAN，可以方便地組成混合總線，如圖1所示，同時發(fā)揮VXI總線集成度高和電磁兼容性好，LXI總線系統(tǒng)集成方便、數(shù)據(jù)吞吐率高的特點，可以選用已有的VXI總線模塊，降低測試系統(tǒng)的開發(fā)時間和風險[7]。

圖1 LXI-VXI混合總線系統(tǒng)Fig.1 LXI-VX hybrid bus test system

2 測試儀系統(tǒng)設計

2.1 測試系統(tǒng)總體框架設計

測試系統(tǒng)采用網(wǎng)絡連接主控計算機和各測試設備，主控計算機、VXI機箱(內置VXI模塊)、數(shù)字多用表、示波器、運動激勵設備、能源激勵設備、微波激勵設備、光電激勵設備通過交換機接入測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡中。主控計算機是測試設備的控制部分，主要是控制系統(tǒng)內部測試設備，運行測試軟件，完成測試流程的控制，測試數(shù)據(jù)的判斷、存儲、顯示和處理。主控計算機選用了工控機。VXI機箱選用安捷倫13槽機箱E8403A，零槽控制器選用VTI公司的EX2500，數(shù)字多用表選用安捷倫公司的L4411A，示波器選用安捷倫公司的DSO6054L，電源選用安捷倫N8737A。測試系統(tǒng)如圖2所示。

測試系統(tǒng)包括以下部分：

(1) 網(wǎng)絡層：采用標準以太網(wǎng)口和TCP/IP協(xié)議，將測試計算機、測試儀器、激勵設備統(tǒng)一連接到以太網(wǎng)中。

(2) 儀器層：通過EX2500零槽控制器，VXI總線的儀器設備接到了網(wǎng)絡層，貨架儀器及包括運動激勵、能源激勵、微波激勵和廣電激勵設備直接接到網(wǎng)絡層。

(3) 任務層：包括與被測飛行器的軟硬件接口、通訊協(xié)議、激勵方式。

測試系統(tǒng)采用通用接口加專用適配器的形式，對應不同型號的被測飛行器，采用不同的專用適配器和電纜[8-10]。被測信號通過固定在信號適配組合上的信號適配器，連接綜合測試系統(tǒng)中的各種測試資源，形成適應不同測試對象的通用接口，如圖3所示。信號適配器負責將不同型號飛行器的信號按照統(tǒng)一的規(guī)范接入信號適配組合中，并接入繼電器開關、數(shù)字多用表、A/D模塊、示波器等測試設備。

圖2 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Architecture of test system

圖3 接收器布局圖Fig.3 Architecture of receiver

2.2 零槽控制器的應用

混合總線測試系統(tǒng)的零槽控制器需要滿足LXI規(guī)范，同時對VXI系統(tǒng)提供資源管理。EX2500零槽控制器是第1款基于滿足LXI規(guī)范的VXI零槽控制器，除了可以完成傳統(tǒng)的VXI零槽控制器的功能外，還將LXI的關鍵特征引入VXI總線設備，如：以太網(wǎng)接口，IEEE-1588 PTP精密時鐘協(xié)議，LXI硬件觸發(fā)總線，Web頁面等。提供了將已有VXI設備與新的LXI技術相結合的手段，通過LAN網(wǎng)將VXI總線擴展到一個外部主機上。該零槽控制器，有2個對外的觸發(fā)接口，一個是以8通道多點LVDS(multipoint-low voltage differential signaling)信號系統(tǒng)為基礎的LXI觸發(fā)總線接口，另一個是VXI總線觸發(fā)總線的接口，可以將背板VXI標準的8條并行TTL(transistor transistor logic)觸發(fā)線通過前面板擴展到多個機箱。板上載有高精度時鐘(TCXO和OCXO)，支持IEEE 1588(percision time protocol,PTP)同步，也可從外部輸入時鐘和觸發(fā)信號。軟件遵循VXI 3.0及LXI A類規(guī)范，兼容NI及Agilent VISA[11]。

在使用EX2500零槽控制器后，VXI通訊模塊出現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入寄存器后丟失，經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)安捷倫零槽控制器EX8491和VTI零槽控制器EX2500A的數(shù)據(jù)總線均有抖動現(xiàn)象，但EX2500A的總線抖動幅度更大，寬度更寬，為解決該問題，在FPGA中對數(shù)據(jù)總線進行了數(shù)字濾波，采用數(shù)字濾波后，未再出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。

2.3 軟件設計與應用特點

測試軟件采用框架+插件模式實現(xiàn)。框架在運行時動態(tài)地載入插件，負責插件的加載和管理，是插件的容器；插件是一種結構化組件，是為一組滿足特定功能的組件集合，插件是功能的實現(xiàn)和擴展，可以與宿主程序交互并為其提供特定的功能[12-13]。通過該方式軟件在框架了預留了功能擴展點(extension point)，具體功能實現(xiàn)在插件中，開發(fā)人員遵循擴展點定義的規(guī)范，創(chuàng)建各種不同的功能插件，實現(xiàn)整個軟件的擴展功能。

測試系統(tǒng)軟件結構如圖4所示。整個測試軟件分為2個部分，測試流程配置部分和測試操作部分。測試流程負責配置測試儀器的操作配置和數(shù)據(jù)處理方式配置；測試操作負責執(zhí)行儀器操作和數(shù)據(jù)處理操作及數(shù)據(jù)顯示和存儲。

圖4 軟件結構圖Fig.4 Architecture of software

通過動態(tài)鏈接庫(dynamic link library,DLL)和組件對象模型(component object model，COM)2種方式可實現(xiàn)插件。DLL是一種具有一定功能的可執(zhí)行軟件模塊,雖然它本身不能獨立運行,但是它可以輸出函數(shù)或類,通過其他能獨立的程序(宿主程序)可以調用它的內部功能。亦是在Windows系統(tǒng)中實現(xiàn)軟件組件重用的方法,在DLL中,集中實現(xiàn)插件,只需用戶花少量的時間熟練有關插件的調用規(guī)則及編程規(guī)則,就可進行插件設計與開發(fā)。COM是一種以組件為發(fā)布單元的對象模型,這種模型使各軟件組件可以用一種統(tǒng)一的方式進行交互。COM既提供了組件之間進行交互的規(guī)范,也提供了實現(xiàn)交互的環(huán)境，由于同類插件一般有統(tǒng)一的調用接口，因此也要使用COM技術作為開發(fā)插件的基礎。在本測試系統(tǒng)中，采用了DLL方案。

EX2500的驅動函數(shù)使用了安捷倫VISA(agilent VISA)編寫，對于用Agilent VISA開發(fā)VXI總線模塊驅動的系統(tǒng)，需要安裝安捷倫VISA并將其設為主要VISA(primary VISA)，對于用NI VISA開發(fā)VXI總線模塊驅動的系統(tǒng)，需要安裝Agilent VISA,NI VISA，并將Agilent VISA設置為次要的VISA[2]。在完成EX2500驅動安裝后，通過EX2500連接到LAN的VXI模塊顯示在VXI0下，其他LXI總線設備顯示在LAN下，如圖5所示[14]。

3 改進方向

購置的安捷倫N8737A電源為LXI C類設備、研制的目標模擬器，具備LAN接口，不具備物理觸發(fā)和IEEE 1588 精密時間協(xié)議(PTP)同步的功能。在測試系統(tǒng)使用中需要同步控制不同的設備，目前采取的方法是將對相關設備的控制封裝在一個動態(tài)鏈接庫中，在使用中調用動態(tài)鏈接庫，同步精度可以達到毫秒級，但這種控制方式不靈活，實現(xiàn)的同步精度有限。后續(xù)考慮采用安捷倫的E5818A LXI B類觸發(fā)盒，可以通過PTP同步，為LXI C類儀器增加B類儀器的定時能力，使同步精度可以達到13～100 ns[15]。

圖5 EX2500配置界面Fig.5 Configuration interface of EX2500

測試系統(tǒng)中選用的貨架產(chǎn)品電壓表、示波器、電源等支持IVI(interchangeable virtual instrument)驅動，受到設備廠家驅動開發(fā)能力的限制，研制的設備如通訊板、目標模擬器等沒有開發(fā)IVI驅動，不同廠家開發(fā)儀器的軟件可移植性不好，通訊板、目標模擬器類的設備有待進一步開發(fā)IXI驅動。

4 結束語

通過對飛行器的測試，證明本測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以滿足飛行器測試的需要。相關設計可以為飛行器測試系統(tǒng)設計提供參考，并在測試系統(tǒng)設計中進行應用和推廣。在今后改進同步控制方式和驅動后，可以更好地完成對飛行器的測試。