一種專用測試系統校準裝置的設計與實現

高峰

（海軍駐廣州第三軍事代表室，廣州 510265）

引言

現代化軍隊中配備了大量的專用以及通用的測試系統，用于各類軍用設備及其附件的檢測。這些專用測試系統需要定期校準確保其性能的可靠性，但是通常這些專用測試裝備結構復雜，參數種類繁多，工作量大，傳統儀器儀表校準裝置，雖然測試精度高，但機動性差，校準效率低，儀器成本較高，一些標準設備精度高、不適合頻繁顛簸，長途運輸后經常出問題。基于此本文提出了一種基于PXI和虛擬儀器的專用測試系統校準裝置，PXI模塊分別包含射頻信號源、頻譜儀、數字化儀、任意波形發生器、精密源測量板卡與音頻分析板卡等功能模塊。通過定制的程序開發手段，滿足對多種被測設備校準要求，并且硬件部件易于裝卸，成本較低，提供測試數據自動記錄和自動保存功能，能夠導出標準格式的證書報告，實現無紙化操作，相較于傳統儀器儀表校準裝置更加高效便捷。

1 硬件設計

校準裝置硬件擬采用PXI模塊，以保證校準系統的方便易用性。主系統采用模塊式結構，進行分布式控制，各模塊之間的控制和數據傳輸通過USB、PXI/PXIe總線與數據處理模塊通信。校準裝置組成框圖如圖1所示。

硬件主要包括校準單元、主控單元、接口適配器單元。其中校準單元是核心單元，包括射頻信號源模塊、射頻分析儀模塊、精密源測量模塊、音頻分析模塊、音頻激勵模塊等。主控單元主要實現系統控制，對各硬件、PXI級聯卡、鍵盤、顯示屏、USB接口等輸入輸出進行控制。接口適配器單元在主控單元的控制下，完成信號路由和通道的切換，主要實現校準信號輸入和輸出的配置，通過校準電纜完成校準設備和檢測設備的通道對接，同時實現各類信號輸入輸出配置。

1.1 校準單元設計

校準單元主要由PXI模塊組成，主要實現頻率測試，功率測試，頻譜分析；信號解調；頻率源輸出；功率輸出，直流源輸出、音頻分析與音頻激勵。校準單元主要包括PXI頻譜儀板卡9214B、信號源板卡、任意波形發生器板卡、數字化儀板卡、USB功率傳感器U2004A、標準源功率測量板卡PXIe-4137、音頻分析板卡PXI-4461與高穩晶振。

1.2 主控單元設計

主控單元是校準平臺的控制組件，主要完成人機對話、數據處理和顯示、總線控制和驅動、供電電源控制等功能。主控單元由PXIe機箱、嵌入式控制器、PXIe背板、PXI級聯卡PXI-8570、人機交互設備組成，主控單元工作原理如圖2所示。

主控單元核心部分為PXIe機箱部分，包含PXIe背板和嵌入式控制器。通過PXI總線、LAN/RS232總線實現與其他單元模塊的交互控制、數據傳輸及處理功能。

1.3 專用接口適配器單元設計

專用接口適配器單元主要包括接口模塊、電源模塊。主要實現各個模塊資源、遙控接口到被測設備的無縫適配和通道的自動切換，方便用戶進行快速的連接和自動化測試。專用接口適配器原理框如圖3所示。

圖1 校準裝置組成框圖

圖2 主控單元工作原理圖

圖3 專用接口適配器工作原理圖

2 軟件設計

2.1 軟件層次架構

校準裝置軟件采用分層體系結構，從上至下分別是框架層、程序組件層、業務操作層、數據處理層、驅動及數據實體層、操作系統層。軟件體系架構如圖4所示。

軟件開發以模塊化、結構化的方式進行編程，形成許多模塊化的子程序，校準裝置搭配不同功能的子程序完成相應的測試、校準源工作。通過上位機控制面板，使用鼠標及鍵盤進行人機交流，將測量結果直觀顯示出來，并存入檢測結果數據庫。

2.2 軟件功能設計

校準裝置軟件主要由校準功能模塊和后臺服務系統模塊組成，校準模塊功能包括自檢與自校準、自動檢定校準、手動檢定校準，可實現校準功能設置、模式調用、流程控制、參數測量與記錄顯示等功能；后臺服務系統模塊可進行快速二次開發、綜合數據管理、儀器資源管理與系統信息管理。軟件功能框圖如圖5所示。

圖4 軟件體系架構

圖5 軟件功能框圖

1）系統自檢與自校準

啟動系統軟件后，系統首先自動檢查各個設備模塊是否工作正常，并以列表的形式給出自檢結果。系統自檢主要是通過控制命令啟動模塊的自檢程序，對各個硬件模塊的功能進行自檢查，包括射頻信號源模塊、射頻分析儀模塊、任意波形發生器模塊、功率計模塊、適配器模塊等的自檢。自檢與自校準界面如圖6所示。

同時系統提供自校準功能，可以對射頻輸入通道、射頻輸出通道連接線纜插損值進行校準且提供自校準數據管理功能，可以對自校準數據進行保存與查看，保證測試數據的準確性。流程圖如圖7所示。

2）自動檢定校準

校準裝置通過集成PXI級聯卡或者后臺服務程序實現對被測設備內板卡的自動控制。自動檢定校準功能主要完成對射頻信號源、頻譜分析儀、頻率計、任意波形發生器、萬用表、示波器和音頻分析儀的自動檢定校準。自動檢定校準軟件界面設計如圖8所示。

圖6 軟件界面

圖7 自校準連接圖

圖8 自動檢定校準軟件界面

本軟件采用通用自動測試軟件架構實現自動化檢定校準，從功能上包括自動測試組件和自動檢定校準管理界面兩部分組成，即采用通用的自動檢定校準軟件調用、管理組件化的專用測試模塊，從而實現設備的自動化測試，同時具有被測設備擴展功能。流程圖如圖9所示。

3）手動檢定校準

本裝置也可進行手動檢定校準，提供射頻信號源、頻譜分析儀、頻率計、任意波形發生器、萬用表、示波器和音頻分析儀的專用手動檢定校準面板。手動檢定校準面板包括標準資源參數、校準信息輸入欄、被校測試項目選擇欄、測試參數欄、測試結果。

4）后臺服務系統

后臺服務系統模塊的功能包括快速二次開發、綜合數據管理、儀器資源管理與系統信息管理。快速二次開發主要實現以型號為單位的測試數據包的開發，包括檢定流程編輯功能、被測設備信息開發、驅動安裝與更新、證書模板信息開發和程序包快速導入導出；綜合數據管理包括自動檢定校準數據管理、手動檢定校準數據管理和自校準數據管理。提供校準結果的查詢、統計、刪除功能；儀器資源管理可以對校準裝置本身的硬件模塊資源進行配置和管理，如測試模塊名稱、編號、程控地址、儀器驅動等，可更改各個硬件資源的信息。

3 可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性設計

校準裝置的優劣不僅僅是考量它的功能，更重要是評價其性能，可靠性、維修性、測試性、保障性和安全性既是其重要質量屬性，也是產品應用的保障，更是裝備優劣的關鍵評價標準。

3.1 可靠性

在本次樣機研制過程中，將根據設計的需要，從硬件和軟件采取必要的可靠性設計措施來保證滿足對整機的可靠性要求。

硬件可靠性主要從降額，散熱，耐沖擊振動，可維修，裝置研制過程簡化五個方面進行設計。研制中都將參考GJB/Z 35-93《元器件降額準則》中的要求進行降額設計，降額等級原則上選用Ⅱ級，保證得到最佳的降額效果，又不會影響產品性能；在散熱設計方面，設備采取風機散熱方式；為適用使用環境，本設備結構上提高電子設備自身抗振能力；通過故障警告，功能模塊化以及對零部件編號等措施提高設備的可維修性；設備在研制過程中，盡可能用數字電路實現模擬電路的功能，在保證必要的功能、性能前提下，盡可能壓縮元器件、零件的品種、規格對設備進行簡化設計。

軟件可靠性主要從軟件結構復雜度、避錯性、冗余、健壯性、容錯率、錯誤恢復性以及程序簡化七個方面進行設計。軟件系統以功能模塊劃分，采用高耦合低內聚的結構設計，最大程度的減少模塊內部結構及子模塊的復雜度，同時確保所有代碼塊內部無錯；數據庫依照第三范式設計，降低數據冗余；通過輸入驗證，代碼分層編寫，封裝邏輯層，確保程序健壯；在代碼塊的組合運用時，全面考慮各種狀態并完成相應的異常處理措施，增強軟件的容錯性；主要數據項/數據流均采用緩沖設計，最大程度的保留發生錯誤之前的進程狀態，用于錯誤恢復；對通用函數封裝入工具函數庫，編寫實體類，全局變量在配置文件中集中定義，由各模塊調用，最大程度減少由功能需求改動導致的代碼修改工作，同時也使軟件的后續升級更加簡易。

3.2 安全性

為保障測試系統的安全性，在方案階段選擇適用的安全性設計規范、指南、準則等，并在設計中貫徹執行。在產品研制中根據安全性分析信息，對所采用的安全性設計準則及所進行的設計作必要的補充完善。首先在設備研制過程中盡可能選擇無危險或在壽命周期內風險最小的材料；其次避免使工作人員在系統使用、保養、維護、修理等過程中暴露于危險環境，或將其風險降低到可接受水平的設計；最后設計軟件控制或監測的功能，當各種可行的安全性設計措施都未能消除危險，或不能將其風險降低到可接受水平時，觸發報警裝置并標出醒目的標志，以確保人員和設備的安全。

3.3 維修性

在研制過程中考慮采取可達性設計、簡化設計、標準化模塊化設計和防差錯設計四個措施保證產品的維修性。可達性設計即為在整體設計時統籌安排，合理布局，盡量做到檢查或維修任一部分時，不拆卸、不移動或少拆卸、少移動其他部分；在滿足功能需要的前提下減少零部件的品種和規格，面板、蓋板、后板采用可拆裝結構設計，緊固件盡可能少，簡化后續安裝及維修；標準化、模塊化設計則是優先選用標準件，提高互換性和通用化程度。采用模塊化結構，便于尋找故障和更換，接插式聯接，不用焊接連接，從而縮短維修時間。防差錯設計主要從標記外形相近而功能不同的零件、重要的連接件以及產品單元板、接插件、器件和線纜等，便于查找故障和維修更換。

3.4 測試性

為提高測試系統的戰備完好性，減少對維修人力和其他資源的需求，在研制過程中充分考慮了設備的測試性。設備研制過程中將各部分相對獨立，以便拆卸測試；將印制電路板上重要的、需進行檢測的器件放置于容易測試的位置。需要重點監測的器件留有足夠的空間，允許插入測試夾子和測試探針。功能模塊、電路板均設計有測試點，并標示清晰、直觀的標志；通過維護管理軟件對各單元進行檢測、數據下載和軟件升級等功能；通過測試軟件，測試所屬設備狀態監測功能。

3.5 保障性

只有形成良好的保障系統，才能更好地保障測試系統達到規定的系統戰備完好性要求。為確保設備的保障性，采取相應的保障措施，規劃保障設施所需的信息主要包括保障設施的約束條件、現有保障設施清單及功能說明、規劃使用保障和規劃維修的結果等。在論證階段，收集現有保障設施的有關信息，明確約束條件；在方案階段，已明確保障設施的初步需求；在工程研制階段，明確保障設施需求，提出建造和改造計劃，已進行設計建造和改造。

4 關鍵技術解決途徑

4.1 專用校準適配器的實現

通過對被測設備的工作原理、性能指標進行分析，信號接口主要包括通用接口與專用接口，通用接口主要為SMA、BNC類型接頭，可以通過線纜實現校準裝置與被校設備的駁接，專用接口接口為航插，主要進行音頻信號輸入與輸出，課題組研制專用校準適配器實現校準裝置與被測設備的駁接，從而滿足測試系統校準的要求。

4.2 測試誤差精密補償技術

校準裝置進行射頻信號功率校準時需要通過射頻線纜或者轉接頭連接。由于射頻轉接頭、射頻線纜對射頻信號有衰減作用。為了消除由于射頻轉接頭、射頻線纜帶來的校準誤差，校準裝置提供通道誤差修正功能。校準裝置以高精度的USB功率傳感器為基準，首先，不連接射頻線纜時，直接用USB功率傳感器測量射頻輸出通道電平值記為L0，連接射頻線纜時，再次使用USB功率傳感器測量信號經過射頻線纜后的電平值記為L1，插損值為：L0-L1。在進行射頻校準時測試結果等于測試值減去線纜帶來的插損值，通過這種方法消除了射頻連接線纜、轉接頭帶來的誤差，最大程度的可以保證校準數據的準確。

5 結束語

本文對專用測試系統校準裝置的硬件設計、軟件設計以及測試系統的五性設計進行了詳細介紹，該測試系統可實現對專用測試系統等技術保障裝備的現場計量與主要指標的量值傳遞。具有技術先進、小型便攜，集成度高等突出優點，更加符合部隊裝備多樣化計量保障需求。