新一代航空航天總線技術

連強強 曹良秋

摘 要：隨著我國經濟發展水平的不斷提高，我國航空航天建設取得了顯著成果，催生出一些新型航空航天控制及測試技術。本文將介紹一種總線技術LXI，通過與其他的總線技術比較，表現出LXI技術的優勢及應用前景。具體分析該技術在運載火箭測試發射控制系統中的應用，以表現該技術在推進運載火箭測試系統智能化、自動化、信息化方面的作用及價值，進而大幅度提升了系統總體性能。

關鍵詞：航天測試;總線技術;發射控制系統;智能化

中圖分類號：V247.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0046-02

0 前言

當前，測試用的一臺或者多臺儀器、主控計算機、測試軟件及系統總線共同構成了自動測試系統（ATS-Automatic Test System），其中負責對指令控制及發送測試數據的是系統總線，如同人的中樞神經系統，總線技術經過多年發展，經歷了4個發展階段，即GPIB、VXI、PXI及當前的LXI。如今，我國航空航天事業建設取得了另世界矚目的成就，在發射控制系統測試方面，從GPIB測試系統逐步發展為目前的VXI、CAMAC測試系統，將進一步推進了載人航天事業發展，同時也提出了更高要求對測試發控系統。

1 LXI技術發展現狀

LXI定義從過去的局域網標準擴展到測試自動化領域，該技術出現可以將系統速度增加，將系統尺寸減少、系統設置時間縮短，進而最大限度的節約系統成本，并能將軟件通用性大幅度提升。與其他的總線技術相比，硬件方面，LXI硬件構成上更為先進，將傳統總線技術帶有的專用接口去除了，使用PC標準與I/O接口，將O槽控制器與插卡箱去除了，取而代之的是模塊化程度較高的測試設備，不僅節約了成本，同時也縮減了占用面積;軟件方面，采用更為靈活的方案，用戶可實現自主選擇，通過圖形界面、文字界面與Excel界面。并且，提供了其他總線技術不具備的驅動程序、簡化系統設置的軟件等，真正在制造中應用這些軟件，實用性更高，從而保證生產前后測量的一致。航天測試系統將進一步完善，在LXI總線技術出現后。當前，LXI儀器分為以下幾個等級：

（1）C類器件。該類型儀器是一種獨立或者臺式的，GPIB用LAN替代，為使儀器設置與數據訪問更為方便，內部設置了基于XML的Web接口。同時，為將編程簡化，C類儀器提供了IVI驅動程序與API。其中IVI是一種可互換的虛擬儀器，API是應用程序編程接口。（2）B類儀器。分布式測量系統中多應用該類儀器，C類儀器所有配置B類儀器均有，除此之外，還對IEEES-1588精密時鐘同步支持。（3）A類儀器。C類儀器、B類儀器的所有要求A類儀器均具備，還額外增加了兩種屬性，即合成儀器操作模式與加速硬件出發總線。

2 測發控網絡設計

因為運載火箭測發控系統有著較為復雜的結構，需要完成多個測試項目，并且不同測試項目信號類別及處理方法各不同，對數據有著較高的精度要求。基于此，通過LXI測控網絡設計，提高測試精度與效率，將系統匹配擴展能力與測試軟件高效性提高。

2.1 系統設計方案

原有的運載火箭飛行控制系統測試過程見圖1所示。

測控系統以主控計算機為中心工作是主要特點，依據主控計算機指令運行測試設備，優勢是可靠性較高，并且大部分為插卡式設備，對于測試儀器來說，有著較強的專業性對于儀器功能來說，但不足是點對點模式傳輸信息，信息量不足，且通用程度不高，并且占地面積大，受連接電纜的限制較大，對大型遠程測試網絡的構建造成阻礙。

基于網絡特點，而采用LXI模塊，形成了以下測控系統構建方案。

在該方案中，形成了混合總線體系結構，即VXI、GPIB為主、其他總線輔助的結構。在該網絡中，由LXI儀器完成大部分測試項目，因每個LXI儀器處理器是自帶的，可以直接在網絡中接入。并且對于一些測試項目，比起GPIB、VXI成熟的總線系統，考慮到成本與穩定性，在LXI總線系統中接入了LAN轉換器與O槽控制器。比起傳統的總線測試儀器，因為處理器、LAN連接、觸發輸入、電源都是自帶的，不再需要另外使用背板、電源、控制器、電纜等。在前面板上進行LXI模塊的信號輸入及輸出，后面板中是LAN連接器與AC電源。為保證LXI儀器更為方便的在標準機架上安裝，采用標準機架單位高度，對于LXI模塊高度來說，而在寬度上，采用的是半機架或全機架寬度，既方便了各種系統的使用，又具備模塊化優點，同時也能單獨適應。

LXI模塊將I/O接口限制突破了，儀器只需要將I/O接口部分更換，在使用新的I/O接口技術前，完全不需要改變其他功能部分。控制上不再使用過去的臺式儀器的按鍵與旋鈕，而是由計算機控制LXI模塊。并且，LXI儀器是自行封裝的，每一個LXI模塊都有各自單獨的電源、觸發、EMI屏蔽，并且供電使用的是普遍交流電源。

2.2 同步觸發機制

VXI儀器同步測試是通過背部總線觸發實現的，在同一個機箱內的模塊間更容易實現這種方法，但是不同機箱內的模塊間則不容易實現。提供了3種同步觸發機制，LXI儀器，分別為IEEE-1588精密時鐘同步觸發、網絡消息觸發及觸發總線。下面對這幾種方法分別說明。

（1）網絡消息觸發模式的觸發機制。多個LXI設備間的連接使用到交換機或者集成器，在網絡消息觸發模式中，可實現一點對多點觸發應用，通過計算機。觸發消息應用標準UDP協議，比起TCP/IP協議延遲更少。優勢是觸發更為靈活且限制更少，但不足是YDP協議傳輸穩定性較差，從而使傳輸準確性受到影響。（2）IEEE-1588精密時鐘同步觸發。結構為網絡拓撲結構，主時鐘儀器為LXI，其他為從時鐘儀器，主時鐘會發放一個同步信息包向所有從時鐘，從時鐘再將一個延遲響應信息包出發，在接受并發送主時鐘延遲請求信息包以后，將主、從時鐘間偏差通過計算公式求出，進而每個時鐘可對自己的時間校準。這種模式下，每一個器件啟動均在指定時間內，且網絡延遲不會影響到事件的觸發。不需要額外與接觸發電纜連接，不受距離影響。（3）觸發總線。在A級模板中配置LXI觸發總線，可以配置成觸發信號源或者接收器將LXI模塊，每一個LXI模塊都帶有輸入與輸出連接器，為模塊的矩形連接提供支持。VXI、PXI背板總線與LXI觸發總線有著相似性，可以配置成星形或者串行總線。充分將PXI與VXI觸發總線的優點利用起來，從而獲得更高的精度，而觸發總線的長度是決定精度的關鍵因素，約為5ns/m，即使是測試器件距離較遠也同樣適用。

以上幾種觸發方法，同步精度上最高的是網絡消息觸發，其次是IEEE-1588精密時鐘同步觸發，最后是觸發總線。因為受網絡傳輸延時影響，網絡消息觸發有著毫秒級的同步誤差，IEEE-1588精密時鐘同步觸發誤差在100ns以內，觸發總線是5ns/m。但是因為運載火箭測試有著非常高精度要求，由此，為將可靠性增強，系統中同步觸發采用IEEE-1588精密時鐘同步實現。

2.3 網絡延遲解決

因為LXI測試儀器網線與計算機有連接，會不可避免的受網絡延遲問題困擾，雖然突破了傳輸距離限制，但是該問題也不得不考慮，并且連接的儀器不斷增多、連接距離延長下，網絡延遲問題將日益嚴重。LXI測試系統通過以下方法將該問題解決。

（1）使用SCPI命令，通過該命令可以直接編程控制LXI儀器，將運行速率提高，上層驅動程序使用時，需要解析成SCPI命令將參數。（2）盡量應用大數據包，在網絡通訊中，并且將數據包傳遞次數減少，可以放在一起將一連串命令，發送到儀器內存儲要一次性發送完成，再使用一個命令對儀器驅動，從而立即對這個命令序列執行，可以最大限度的將多次發送帶來的延遲減少。

3 LXI在航空測試領域應用優勢及前景

LXI總線的出現，在一定程度上提高了測試功能，而縮小了測試模塊體積，小體積下將系統功能提高，并且因為專用接口減少了，減弱了電氣連接復雜程度，加快了系統構建速度，將由按鈕及開關組成的物理界面消除了，應用互動性更強的、更為直觀的、動態的圖形界面，通過軟件對各個硬件元件定義，并能夠對測試系統功能定義;在測試項目出現變化時，軟件專用、硬件通用系統模式下，通過調整部分模塊的方式，可以快速將新測試功能目的達到。

可將LXI總線看做是一種傳統測試系統構建創新成果，LXI測試系統更準確定義應該是LXI測試網絡。該網絡應用到服務器與客戶端網絡化模式，從而使整個測試流程更加的快速、流暢及高效，有利于將傳統測試系統模塊功能單一、測試項目分散等問題解決。并且由一臺主控計算機作為服務器，測試客戶端又各個測試項目構成，集中管理及協調各個測試客戶端，通過消息觸發模式，而各客戶端對服務器命令響應將測試項目獨立完成，由服務器集中統一處理測試數據。此外，LXI測試網絡提供了與PXI、VXI及GPIB等總線轉換裝置，使得LXI兼容性方面更顯著，發展空間更大。并且突破了測試系統連接距離限制，可將大型遠程測試網絡組建出來。

4 結語

總之，LXI作為新一代航空航天總線技術，開放性、兼容性強是該技術的優勢，不僅能夠容納LAN設備，還能容納GPIB、VXI、PXI設備，通過轉換器。雖然當前LXI并不是測試領域的標準技術，但是在今后，C類儀器將有可能將GPIB取代成為新的儀器標準，且B類儀器也會開拓出更廣闊空間，在遠程測量方面，A類儀器將有望成為無面板模塊最新標準。總之，LXI在航空航天中將有著更為廣闊的發展及應用空間，扮演日趨重要的角色，推進航空航天事業建設步伐。

參考文獻

[1] 劉飛，姚旺，歐連軍.新型航天器電氣綜合一體化架構研究[J].計算機測量與控制，2016（5）：263-266.

[2] 廖寅龍，田澤，趙強，等.PCIe總線物理層彈性緩沖設計與實現[J].計算機技術與發展，2016（6）：168-170.