基于龍芯平臺的無源檢測裝置設計與實現

唐永學，朱桂梅，湯 浩

(1.北京軒宇空間科技有限公司，北京 100190；2.丹娜(天津)生物科技股份有限公司，天津 300467)

0 引言

隨著科學技術的發展，在航空、航天以及國防等重要領域，各種航空航天產品、國防武器得到了飛速發展。同時這些產品的復雜度越來越高，數據采集通路以及控制信號的發送通路數量逐漸增多，多芯電纜在這些產品中的應用越來越廣泛。多芯電纜在設備移動過程中容易受外界的不良因素影響，多芯電纜在脫插后是否連接可靠，都會影響裝備產品的正常工作。有統計數據研究表明，在航空、航天以及國防領域中由于電纜失效引起的系統故障高達20%[1]。可見，提升裝備產品整體可靠性的一個極為重要因素是避免多芯電纜發生故障，所以加強多芯電纜的檢測成為上述各領域很重要的測試環節。

某裝備產品在總裝測試過程中，需要對各設備之間電纜的可靠連接進行檢測，從而確保設備的加電安全，才能檢查信號傳輸的正確性。如果直接引入激勵信號進行測試，在設備故障或者狀態未知的情況下可能會導致若干意外結果，所以在加電前都要對設備進行無源檢測，即導通電阻和絕緣電阻測試。導通電阻反映出電路兩點之間的通斷關系，絕緣電阻則反映電路獨立回路之間的絕緣程度，導通電阻和絕緣電阻測量值的合格與否直接影響到裝備產品的可靠性及發射的成敗[2]。通過無源檢測可以發現端口的異常短路或者斷路，首先避免對設備或者測試人員造成危害；其次可以快速診斷故障點，快速排除問題，避免了人員與時間的浪費。但是目前多數無源測試是由測試人員手動操作獨立儀器完成，自動化程度較低，測試的規范性、穩定性不高，對測試結果的判別也因測試人員不同而有所差異，直接導致測試的誤判率難以控制[3]。針對人工定檢維護手段效率低下，急需自動測試系統為裝備可靠運行提供必要保障。應用表明，采用先進技術的自動化測試系統能使武器裝備的檢測效率提高10倍以上，故障診斷效率提高30倍以上[4]。

為滿足裝備產品的總裝測試，降低人工操作的影響，提高測試效率，保證裝備產品總裝階段的穩定性和可靠性，本文設計了一款具有通用性和可擴展性的無源檢測裝置。本裝置硬件采用龍芯平臺，操作系統采用中標麒麟，同時硬件基于CPCI總線模塊化設計，軟件具備可配置功能，具有良好的安全性、可靠性、通用性以及可擴展性。

1 系統結構及原理

近年來，由國家“核高基”(核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品)重大科技專項的帶動，國內研制出了一批自主可控的軟硬件產品，例如龍芯處理器、麒麟操作系統、人大金倉數據庫等。裝備產品的計算機安全性日益提升，需要做到自主可控，采用國產軟硬件產品的安全性可以得到較好的保障[5]，故無源檢測裝置硬件基于龍芯控制器，運行中標麒麟操作系統。

無源檢測裝置的主要功能是在裝備產品加電前，對裝備產品通路進行檢查，檢查各信號和信號回線之間的通路和信號之間斷路情況，檢查信號與殼之間的通斷情況，并對數據進行顯示和傳輸。系統的整體設計采用模塊化、通用化的思想進行方案設計，系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

無源檢測裝置具有標準的外設接口，包括：USB口、以太網口、VGA顯示接口及PS2接口。無源檢測裝置存儲有測試配置文件，測試配置文件可在通用計算機上編制，通過以太網或者USB接口傳輸至無源檢測裝置。無源檢測裝置軟件首先解析配置文件，確定被測通道以及測試量程范圍，然后控制矩陣開關卡相應的2個電磁繼電器吸合，其中一個繼電器將被測對象的正端(Y1)連接至數字多用表卡電阻測試正端，另一個繼電器將被測對象的負端(Y2)連接至數字多用表卡電阻測試負端，此時將被測通路與數字多用表卡電阻測試端連接在同一回路。在確保兩個繼電器穩定吸合后，測試軟件向數字多用表卡發送測試量程并啟動測試，通過數字多用表卡讀取測試電阻值并返回測試結果，測試軟件根據測試結果動態調整數字多用表卡的測試量程，以確保測試精度，測試完成后測試結果顯示在前面板顯示屏上。檢測裝置根據測試配置文件完成全部測試后，形成測試記錄報告存儲在檢測裝置內。

無源檢測裝置還具備遠程測試功能，檢測裝置與上位機通過以太網口進行通訊，接收上位機發送的測試指令聯機工作。通過網口接收到上位機發送的測試指令后，可對被測對象進行通路和斷路測試。檢測裝置可根據上位機的數據發送指令將測試記錄報告上傳至上位機。

2 無源檢測裝置硬件平臺設計

無源檢測裝置硬件平臺由電路模塊和外圍組件兩部分組成。其中電路模塊包括CPCI總線中央處理控制卡、CPCI總線數字多用表卡、CPCI總線矩陣開關卡、自校準模塊及電源模塊。外圍組件主要由CPCI機箱和顯示器組成。

2.1 關鍵技術指標

1)中央處理控制卡技術指標:CPU主頻800 MHz以上；板載內存2 GB；具有VGA接口，分辨率支持最高1 600×1 200；4路100 Mbps/1 000 Mbps網絡接口；4路USB2.0接口；1路PS/2鍵盤/鼠標接口；操作系統支持：中標麒麟。

2)矩陣開關卡技術指標:測量點具有128點，任意兩點之間均能進行通路和斷路測量；每個通道指令響應時間約為6 ms；通道測量內阻約為0.05 Ω；繼電器壽命10萬次。

3)數字多用表卡技術指標:數字多用表卡用于測量被測端之間的電阻值。其中電阻測試有100 Ω、1 kΩ、10 kΩ、100 kΩ、1 MΩ、10 MΩ、10～30 MΩ共7個量程，量程可設置為手動檔或者自動檔。

2.2 硬件設計

無源檢測裝置基于分布式、模塊化的設計思想，采用CPCI總線機箱，提供1個CPCI系統槽與12個CPCI擴展插槽。其中CPCI系統槽(零槽)用于安裝中央處理控制卡，CPCI擴展插槽用于安裝數字多用表卡、矩陣開關卡、自校準模塊以及電源模塊，機箱布局如圖2所示。

圖2 機箱結構示意圖

CPCI總線機箱供電通過一個AC/DC模塊將220 V交流電轉換為系統工作所需的±12 V，+5 V，+3.3 V直流電壓，電源模塊采用2+1冗余電源供電，具備較高的可靠性。CPCI總線具有良好的模塊化特性，在工控行業的數據采集設備以及自動化測試領域得到了廣泛的應用。各模塊均選用CPCI總線模塊，提高了系統的靈活性，而且便于軟件開發，縮短了檢測裝置的研發周期。

2.2.1 中央處理控制卡

中央處理控制卡的CPU采用龍芯3A3000。龍芯3A3000是一個配置為單節點4核的處理器，工作主頻為1.2～1.5 GHz，主要技術特征為：片內集成4個64 位的四發射超標量GS464e高性能處理器核；片內集成8 MB的分體共享三級Cache；通過目錄協議維護多核及I/O DMA 訪問的Cache一致性；片內集成2個64位帶ECC，667 MHz 的DDR2/3 控制器；片內集成32位33 MHz PCI；片內集成1個LPC、2個UART、1個SPI、16路GPIO 接口[6]。中央處理控制卡集成了USB口、以太網口、VGA顯示接口、PS2接口。此中央處理控制卡可滿足技術指標。

2.2.2 矩陣開關卡

矩陣開關卡采用CPCI總線結構設計，完成了2×128路的切換工作，其切換如圖3所示。X軸的1～128路中的任何一個接點均可和Y軸的任意一個接點互通，完成矩陣切換工作。矩陣板卡由PCI9054，CPLD，128個繼電器及2個對外接口構成，主要性能特點：繼電器差錯率不大于10-7；觸點最大允許電流1 A；繼電器動作時間<1 ms,恢復時間<1 ms; 觸點電阻<10 mΩ；機械壽命5 000萬次以上，電氣壽命在10萬次以上，滿足設計要求。本裝置中預留了CPCI插槽，可以擴展矩陣開關卡，快捷高效地增加測試通路個數。

圖3 矩陣開關卡切換示意圖

2.2.3 數字多用表卡

數字多用表卡采用北京航天測控技術有限公司研制的AMC4311E板卡。此板卡為五位半數字多用表卡，主要應用于CPCI平臺的電阻信號測量，可提供0～30 MΩ的阻值檢測能力，滿足技術指標要求。數字多用表卡提供自校準功能，通過軟件模塊可以在不使用特定人力情況下實現采集測量的自校準，糾正測量誤差，方便生產，提高生產效率。

2.2.4 自檢及校準模塊

無源檢測裝置接口中留有自檢接口，通過此功能可以進行無源檢測裝置的自檢操作。自檢功能主要有：

1)檢測矩陣開關卡的各個繼電器的閉合與斷開功能是否正常；

2)完成無源檢測裝置自校準，主要是消除線阻或者溫度等對測量結果的干擾。

自校準模塊在無源檢測裝置內部安裝精密電阻，阻值分別為100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ和1 MΩ。在進行自校準檢測時通過控制矩陣開關卡將上述精密電阻連接至多用表卡的測量回路中，由測試軟件讀取測量值后計算出誤差值。

3 系統軟件設計

中標麒麟桌面操作系統軟件(龍芯版)是國內首款支持龍芯64位平臺并規模化應用部署的自主操作系統。中標軟件和龍芯中科深入合作實現系統內核及核心參數等優化適配，充分發揮中標麒麟操作系統和龍芯3A3000整機平臺的整體性能。該系統以用戶為導向的桌面環境設計，提供全新、經典的系統界面，使整個操作體驗更加高效、便捷和易用，已先后在電子政務、航天科工商密網、廣東云浮核高基應用示范等重大項目中大量部署和成功應用。中標麒麟桌面操作系統在自身完善的同時，結合國產芯片的特性，發揮國產平臺的優勢，在性能、安全等方面均有很大提高。目前，中標麒麟桌面操作系統已成為國產芯片平臺的首選操作系統[7]。故本無源檢測裝置操作系統選用中標麒麟桌面操作系統，無源檢測裝置軟件使用Qt4.8集成開發環境開發。

3.1 軟件系統架構

為了提高系統的可維護性，易于調試，本軟件采用層次化的設計思想，將整個軟件分成3層來設計：第一層是用戶界面層，提供給用戶操作界面；第二層中間層，負責操作流程的控制；第三層是硬件相關層，該層和硬件結構相對應。層與層之間通過函數調用和事件來進行通信。為減少層與層之間的耦合，規定上層可以調用底層提供的函數，而底層不能調用上層的函數，但是可以發出事件來激活上層的操作，軟件系統如圖4所示。

圖4 軟件流層系統框圖

無源檢測裝置操作軟件采用面向對象的編程技術，生成如下模塊：

1)系統自檢模塊；

2)導通檢測模塊；

3)通斷檢測模塊；

4)遠程控制模塊。

軟件模塊如圖5所示。

圖5 軟件模塊框圖

3.2 應用軟件設計

無源檢測裝置的應用軟件主界面如圖6所示。本文采用QWidget類創建主界面，QDialog類創建子界面。在子界面中使用QTableWidget作為測試結果的顯示框，分別顯示測試的點號、測試阻值和測試結果，同時選取QProgressbar顯示測試進度[8-9]。

圖6 軟件模塊框圖

待測試電纜連接后，無源檢測裝置開機后運行主界面程序，首先完成數字萬用表卡初始化、矩陣開關卡初始化，以及網絡初始化。開機初始化正常后等待用戶指令開始測試，如主界面所示，用戶可選系統自檢、導通檢測、通斷檢測、遠程通訊。

3.2.1 系統自檢模塊

系統自檢模塊完成以下功能：繼電器開路自檢、繼電器短路自檢、精度自檢3個工作項目。其中，繼電器開路自檢功能是在CPCI矩陣開關板卡上的指定繼電器不閉合的狀態下測試其是否為開路狀態；繼電器短路自檢功能是在CPCI矩陣開關板卡上的指定繼電器閉合狀態下測試其是否為短路狀態；精度自檢是測試檢測裝置內置的高精度電阻的阻值，并與其標準值進行比較，以測試多用表的測試精度，以及裝置內部自身線阻或溫度干擾引起的誤差。

在每個自檢功能結束后，都對測試結果進行保存，并輸出測試報告。自檢模塊流程如圖7所示。

圖7 自檢模塊流程圖

3.2.2 導通檢測模塊

接收到導通測試命令之后，程序進入到導通檢測模塊，用戶可以選擇不同的導通測試輸入文件，進行相應的導通測試。程序根據輸入的配置文件選取相應的測試點，通過矩陣開關卡的驅動控制相應的繼電器閉合，讀取萬用表值，逐次逼近最佳測量范圍，獲取到最終的測量結果，測試完畢后顯示測試結果，同時記錄測試數據后生成測試報告。無源檢測裝置導通檢測模塊流程如圖8所示。

圖8 導通測試模塊流程圖

3.2.3 通斷檢測模塊

接收到通斷測試命令之后，程序進入到通斷檢測模塊，用戶可以選擇不同的通斷測試輸入文件，進行相應的通斷測試，測試原理與導通類似。

3.2.4 遠程通訊模塊

無源檢測裝置軟件既可以本地化操作，完成系統自檢，通斷或導通測試，又可以通過以太網口，接收測試主控計算機發出的各項指令，完成各項本地化操作，同時將測試結果遠程傳輸給主控計算機，整個遠程操作無需本地人員操作干預。程序開始運行后，在主頁面可以選擇本地或者遠程操作，參數設置以后軟件保存在配置文件中，在下一次啟動時默認選擇配置的參數。這樣的優點是無源檢測裝置加電啟動后無需人員在本地操作，直接在遠程即可進行相應測試，帶來極大的便利性。

4 實驗結果與分析

為驗證無源檢測裝置的測量快速性與測量精度，選取了50個測試點進行測試。由人工使用手持萬用表的方式測量其兩兩之間的絕緣電阻，結果用時為15分鐘，采用本測試裝置僅使用了2分鐘，而且人工檢測沒有做測試數據的記錄，自動檢測完成后會將測試數據記錄下來，故自動檢測裝置具有良好的快速性。

為驗證檢測精度，外接100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，1 MΩ和10 MΩ精密電阻進行測量，每組分別測試10次，然后將測試結果進行平均計算，測試結果見表1，由測試結果可看出測量誤差在1%以內，滿足測試需求。

表1 精度測量結果

5 結束語

隨著航空航天、國防領域科學技術的不斷進步，相應的裝備產品及其測試設備的功能也逐步變得復雜。在地面測試系統中使用的核心元器件、軟件產品長期依賴于進口，由于中美貿易摩擦導致這些元器件及軟件的價格、訂貨周期以及貨源供應都變得不可靠，極大地影響了我國在航空航天、國防等領域的發展，所以本文設計了一種基于國產的龍芯平臺以及中標麒麟操作系統的無源檢測裝置。

在裝備產品電纜的導通、絕緣測試時，人工測試存在效率低下、耗時較多、可靠性差等問題。為解決以上痛點，本文設計了一款無源檢測裝置，測試軟件通過讀取配置文件，自動運行已配置的測試項，將測試過程簡化，提升了測試效率，提高了測試的可靠性。同時本裝置具有遠程操作功能，有效地提升測試系統的靈活性。經過試驗表明，本無源檢測裝置在軟硬件方面不僅做到了自主可控，而且在使用過程中界面友好、易于操作，同時具有快速性、可靠性及可擴展性的優點。目前該裝置已在多個型號中使用，達到了設計的預期效果，得到了客戶的一致好評，具有很好的使用價值。