一種通用的電磁兼容試驗測控軟件設計

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

目前，自動化的測控軟件已成熟應用于電磁兼容試驗中，通過軟件控制硬件設備，按照標準要求的流程和方法進行測試，經計算機采集和處理數據，最終生成測試報告。國外成熟的產品有R&S公司的EMC32和TESEQ公司的Compliance 5，國內也有部分電磁兼容試驗單位研發了自己的測控軟件。綜合來看，目前業內主流的電磁兼容測控軟件仍有一些不足[1-4]：

1)國外軟件的封閉性太強。國外軟件一般只適應于特定硬件公司的產品，設備驅動接口不開放或開放功能受限，給二次開發和軟件控制帶了很大的困難；

2)國產軟件的專用性太強。國產軟件研制的出發點多為滿足自身試驗室的測試需求，測控軟件與硬件緊耦合，不具有通用性；

3)可擴展性差。目前市面上無論是國外軟件還是國產軟件，基本是已滿足電磁兼容試驗測試為唯一目標，較少考慮與試驗室其他基礎設施的聯動功能，不利于智慧電磁兼容試驗室的建設；

4)試驗數據管理效率低。部分軟件電磁兼容試驗數據格式封閉，無法與其他試驗數據庫進行數據無縫對接，導致無法高效對試驗數據進行分析和挖掘；

5)試驗報告自動生成能力不足。目前部分軟件雖然有自動生成報告等功能，但不滿足不同實驗室的報告模板需求，導致該功能無法發揮作用。

針對上述情況，本文設計了一種通用的電磁兼容試驗測控軟件，該軟件可對電磁兼容試驗設備和試驗室基礎設施進行綜合的控制和管理，通過圖形化的流程編輯與執行、試驗報告的自動生成和試驗數據的有效管理，大幅提高試驗的效率，通過采用網絡化中間件封裝技術，降低軟硬件的耦合程度，大幅提高軟件的通用性。

1 系統架構設計

1.1 硬件架構

電磁兼容試驗系統硬件如圖1所示，主要包含：信號源、接收機、功放、功率計、場監、開關、天線和探頭等，其工作原理是在屏蔽暗室內布置天線或探頭，通過主控計算機控制測試設備，遵循標準中要求進行測試參數的設置，同時按照測試流程有序進行協同工作，回采測試數據進行判讀，存儲在數據服務器。

圖1 系統硬件架構

軟件服務部署在主控計算機中，主控計算機與測試設備通過GPIB或以太網連接，主控計算機與數據庫服務器通過以太網連接。

1.2 軟件架構

測控軟件的架構如圖2所示。分為四層：表現層、應用層、服務層、數據層。表現層通過終端適配以及權限控制，呈現出不同角色的對應功能界面；應用層同樣根據權限的不同提供對應的應用功能；服務層負責設備間接口通訊以及程序調度，邏輯判斷與數據解析等工作；數據層負責把配置數據，過程數據，異常數據進行相應的存儲[5]。

圖2 軟件架構

軟件采用B/S架構，軟件界面采用HTML5+CSS3提供豐富的效果，服務程序采用java開發，跨平臺并且支持國產操作系統中標麒麟，儀器驅動二次封裝采用C語言開發，所有軟件均部署在主控計算機中。軟件通過瀏覽器界面進行操作，通過對儀器驅動二次網絡化封裝與其他測試設備進行交互，意義在于對平臺軟件來說接口只有網絡協議，減少了軟件平臺與硬件測試設備的耦合，便于日后擴展新的測試設備。

1.3 技術架構

從軟件的技術架構而言，表現層利用Java的filter框架進行權限的限制，未經登陸授權的用戶無法訪問軟件功能，html5的bootstrap-ace框架是負責界面呈現的主框架，js的jQuery負責數據有效性校驗等工作，highcharts負責繪制各類圖表，CSS3負責界面特效樣式的控制。業務層，ThreadPoolExecutor負責Java線程的管理，接口技術主要采用restful、UDP、WebSocket。數據解析判斷采用expression框架，文檔管理采用POI框架，接口數據格式采用fastjson解析，數據庫連接池采用proxool。數據層，數據首先調用Kafka接口，然后再分別存儲到mysql數據庫以及具備與Hadoop大數據平臺對接的能力。

軟件采用MyEclipse8.5作為開發環境，利用面向對象的開發方式，用Java實現用戶界面顯示和人機交互功能，可以兼容大量同時在線的人員。操作系統平臺可選用windows或中標麒麟操作系統。

2 關鍵軟件功能設計

電磁兼容試驗測控軟件功能豐富，既包含對眾多電磁兼容試驗儀器設備的控制、試驗室各類裝置的控制、試驗流程的編輯與執行，還包含試驗資源管理、數據管理等功能。下文僅對影響測控軟件通用性、可擴展性和試驗自動化程度等一些關鍵技術和功能模塊的設計進行介紹。

2.1 網絡化中間件封裝設計

電磁兼容試驗設備儀器種類繁多，部分儀器尤其是早期的一些儀器設備不支持以太網通訊。網絡化中間件封裝設計負責把GPIB、RS232、RS485等總線通訊接口轉換成支持以太網通訊的接口，與測控軟件平臺進行交互。網絡化中間件封裝原理如圖3所示。

圖3 網絡化中間件封裝原理

對于GPIB、RS232、RS485等總線接口設備，對驅動進行網絡化封裝；對于具備以太網通訊能力的設備，也對協議進行二次封裝。驅動網絡接口中間件目的是為了把原本接口方式不同，協議格式不同的設備，做一個規范化的設計，通過這種方式，把設備與測控軟件間的耦合度降低，只通過協議文件進行軟件的關聯，便于日后擴展新設備，測控軟件部分可以不用二次開發。

驅動層儀器設備的控制方法是將儀器的驅動網絡化，成為計算機可控制的程序。在驅動層通過對儀器驅動的封裝，應用層通過向驅動層發送指定的指令，實現對儀器開環的控制或者閉環數據的反饋[6]。儀器可以完成GJB151B-2013《軍用設備和分系統 電磁發射和敏感度要求與測量》等標準規定的項目，包括CE101、CE102、CS101、CS114、RE102、RS101、RS103等項目。

儀器驅動使用CVI軟件編寫，使用XML協議通過UDP通訊方式與上位機進行通訊。XML協議總共3級，包括：根節點、子節點1和子節點2。子節點1為儀器節點，子節點2為儀器的功能節點。

通訊方式為上位機為主，驅動為從。驅動不會主動發數據給上位機，一切通訊都是上位機發起。針對子節點2，上位機無論是發數據(命令)或讀數據，驅動針對子節點2的每一項返回相應的應答。

儀器驅動軟件結構如圖4所示。

圖4 驅動邏輯流程圖

傳統儀器設備提供IEEE488.2(GPIB)接口，驅動層的物理組成可以是一套PC或IPC。市場上提供了專用的GPIB模塊，支持USB、PCI等局部總線集成到驅動層的物理設備當中。為更好地實現集成效果，采取PCI總線的GPIB模塊；儀器與驅動層的物理設備通過GPIB線纜連接，可以實現驅動層與測試儀器的程控交互工作。

應用層方面會與驅動層達成一種內部協議，旨在應用層可以通過以太網的方式，向下發送指定指令給驅動層物理設備，驅動層會做出相應的驅動調用控制測試設備。協議的傳輸格式使用XML(可擴展標記語言)。

2.2 測試序列配置設計

測試序列設計主要是為用戶提供對測試設備的函數進行封裝后的圖元，用戶通過實際的測試需求，拖拽圖元組成測試序列，通過運行測試序列程控硬件從而達到完成測試任務的目的[7]，測試序列配置如圖5。

圖5 測試序列配置流程圖

圖元是測試設備的函數封裝結果，在創建測試序列時，用戶需要根據當前圖元所代表的函數，進行函數參數的設置，系統會將用戶設置的所有函數參數的值進行入庫存儲。當測試序列運行時，系統會自動運行該測試序列的每一個圖元；執行的過程是系統會自動將每一個圖元的參數取值，根據該設備的驅動程序通訊協議進行通信內容的拼裝；并將拼裝好的通訊內容發送給驅動中間件，驅動中間件會根據接收到的內容進行解析，并程控硬件執行相應的功能和動作。當驅動中間件接收到系統發送的通訊包之后進行程控硬件，會返回給軟件一個程控的狀態。

測試序列搭建如圖6所示，頁面左側為系統封裝好的儀器以及儀器相應的函數圖元，頁面右側為測試序列的搭建界面；用戶通過拖拽左側的儀器函數圖元到右側的搭建測試序列的畫布上，并且通過有向箭頭連接表示流程執行的順序；用戶可通過雙擊儀器函數圖元配置其相關屬性參數；在圖元屬性參數配置完成操作之后，輸入測試序列的名稱點擊保存即可。至此整個測試序列創建完畢，在測試序列的執行界面即刻便可看到此測試序列，進行測試序列的執行操作。

圖6 測試序列搭建界面圖

軟件的測試序列配置菜單是有權限控制的，只有具有此權限的用戶在登錄系統時才可看到測試序列配置菜單，才可進行相應的操作；而不具備此權限的用戶登錄之后只可看到其具備權限的菜單。

圖形化測試序列主要用于提供友好的人機界面，建立和維護控制指令、采集數據映射關系庫，圖形化建立和維護測試流程，根據人工輸入的測試流程圖生成調度軟件能夠識別的測試流程描述文件，并能夠輸出經過編輯的測試報告模板。

2.3 測試任務執行設計

測試任務執行功能，是電磁兼容試驗測控軟件的核心功能模塊；用戶在測試序列配置功能中創建相應的測試序列，創建測試序列之后系統會將創建的測試序列保存到數據庫做持久化保存；根據用戶的實際需求，在執行測試序列之前用戶需要進行一系列的操作，包括試驗信息錄入、測試儀器選擇、參數設置等操作。

在所有可設置的參數設置完成之后，系統會根據用戶選擇的執行方式進行測試序列的執行，系統執行測試序列時會與已經封裝好的網絡中間件進行通訊。通訊的格式就是與網絡中間件協商好的協議，系統會自動將用戶設置的參數按照協商好的通訊協議進行拼裝；同時系統會將拼裝好的協議傳輸到網絡中間件，中間件根據接收到的協議對其進行解析；并根據解析到的函數以及參數內容進行對硬件設備的程控；在程控硬件設備成功時設備會返回給其一個控制狀態值，網絡中間件會將此控制狀態的值返回給測試軟件平臺[8]。

軟件接收到控制狀態以及其他返回值時系統會在執行結果界面進行展示告知用戶程控結果以及執行指令狀態。具體流程如圖7所示。

圖7 測試任務執行流程圖

趨勢控制是本系統具備的一項重要能力，測試序列執行之前用戶需設置多項參數值；其中也包括某項參數的目標值或者趨向步進值的設置，系統會將用戶設置的所有參數與相應的測試序列進行關聯；當測試序列運行時，系統會對用戶已設置的需要實時監測的參數進行監控、記錄數值。

當測試任務運行時，系統會實時采集相應的設備產生的數據，根據采集的數據系統會根據用戶設置的參數值判斷是否達標或是否在安全區間之內。當系統監測到設備未達到目標值的時候，系統會自動將用戶已設置的目標值發送給網絡中間件，由網絡中間件對硬件儀器進行調控使其達到目標值；若用戶設置了步進值，系統會依據目標值、儀器當前實際參數值、步進值進行相應的計算，在通過與網絡中間件通信以此來達到調節硬件儀器到指定目標值。

2.4 報告管理與生成設計

電磁兼容試驗報告的編寫在整個電磁兼容試驗流程中占有較大的工作量，受制于當前國內外同類軟件在報告模板管理和自動報告生成上的局限性，還有不少電磁兼容試驗室采用的是試驗數據導出，人工編寫。

為了進一步提高電磁兼容試驗的效率和報告自動生成的靈活性，測控軟件的報告管理功能支持用戶按照產品名稱和編號等信息自定義試驗報告模板，能夠直接利用Office進行報告模板的編輯，并具備報告模板庫管理功能，可以實現報告模板管理及版本管理。軟件也具備提供試驗報告輔助生成功能，可以直接從模板庫中選擇相關的報告模板，并自動進行數據替換，生成最終的報告。具備報告的在線預覽、在線打印、在線編輯、報告導出等應用功能。

測控軟件的報告模板管理彈性大，多元化。用戶可根據自行需求進模板編輯，模板編輯系統為用戶提供兩種方式可進行模板編輯、保存入庫：

1)用戶根據實際需求自行用Word/Excel等Office文檔整理成模板，然后由軟件提供的導入功能導入到軟件數據庫中。軟件提供導入功能采用的是Apache POI技術，此工具庫是現有主流的對Microsoft Office讀取和寫入的技術，Apache POI，Apache POI是Apache軟件基金會的開放源碼函式庫，POI提供API給Java程序對Microsoft Office格式檔案讀和寫的功能；此技術我們多個項目中使用比較成熟，功能比較豐富。

2)經由軟件提供的在線Office編輯工具進行模板編輯，編輯完畢之后將模板的各項數據與數據源進行綁定，最后保存入模板庫做持久化保存。

軟件提供的在線Office編輯器是主流在線編輯插件，采用基于Web方式的Microsoft Office網絡文檔中間件管理方案。該插件能夠在瀏覽器窗口中直接編輯Word、Excel等文檔并保存到Web服務器上，實現文檔、電子表格和數據庫的統一管理，采用標準HTTP協議，支持任意后臺Web服務器。

3 軟件實現結果分析

該電磁兼容測控軟件能夠按照GJB151B-2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》等電磁兼容標準要求，制定相應的圖元序列，并根據用戶需求執行測試流程，完成某電磁兼容項目的測試，同時生成報告，具有一定的電磁兼容測試開放性、通用性與高效性。與常用商業電磁兼容測控軟件對比情況如表1所示。

表1 電磁兼容測控軟件對比

4 結論

為了提高電磁兼容試驗測控軟件的通用性和可擴展性，測控軟件在設計時采用跨平臺技術開發，支持國產中標麒麟系統。該軟件通過儀器驅動網絡化中間件封裝設計，大幅降低系統軟硬件的耦合度，對儀器設備與試驗設施具有良好的兼容性和可擴展性；通過圖形化快速構建測試序列、報告自動生成等手段提高試驗效率；通過與私有云大數據平臺的接口，有利于試驗數據的分析挖掘、智慧電磁實驗室的建設。