海軍艦艇信息裝備通用測試平臺設計

張 波，李艷青，閆曉萍

(海軍青島雷達聲納修理廠，山東 青島 266100)

0 引言

隨著海軍新型主戰艦艇的列裝，艦艇信息裝備使用保障需求發生了根本性變化，艦艇信息裝備各項性能指標和信息化程度大大超過了前十年裝備，作戰性能、技術先進性及信息化水平有了質的飛躍，總體作戰能力有了長足進步。但是，伴隨遠航任務的不斷增加和微電子、通信、網絡、計算機等新技術在信息裝備中的廣泛應用，艦艇信息裝備保障的困難隨之而來，其遠離岸基、系統龐大、設備密集、安裝分散、技術復雜、接口多樣的特殊性，急需綜合性自動化的通用測試診斷系統[1-4]。如何提供有效、通用、經濟的測試診斷系統，保證艦艇信息裝備有效性和完好性，在裝備發生故障時提高其現場測試效率(高效)，縮短其診斷維修時間(快速)，降低其維修成本(經濟)，成為艦艇信息裝備技術保障的難點和重點。

從艦艇信息裝備系統化、體系化發展要求出發，以信息裝備保障能力建設為中心，基于開放式綜合診斷系統工程方法，從能力需求、功能、結構、技術、接口和標準等方面進行綜合論證，提出艦艇信息裝備通用測試平臺[5]的總體思路、軟硬件結構框架、技術途徑，最終實現提升艦艇信息裝備維修保障能力的目標。

1 硬件平臺設計

1.1 硬件體系結構

艦艇信息裝備通用測試平臺硬件平臺圍繞著通用化、系列化、組合化的設計原則來進行設計。硬件平臺利用軟件無線電技術[6-7]構建，采用合成儀器，收發一體綜合測試技術，硬件利用率高，集成度高。硬件平臺采用“標準總線+測試設備”的開放式、可靈活擴展/剪裁可重構的整體架構，以PXI/PXIe總線為平臺的核心總線。艦艇信息裝備通用測試平臺硬件平臺由基本測試資源和擴展測試資源兩大部分組成。

硬件平臺中的基本測試資源共由兩個功能單元組成，分別為數字模擬測試單元、射頻微波單元。這兩個單元里主要集成了測控資源、總線測試資源、數字與模擬測試資源、開關測試資源、射頻微波資源等五類測試資源，用以支持平臺完成整體控制、總線測試、數字模擬量測試、通道管理、射頻微波測試等相應的測試工作。硬件平臺中的擴展資源是由3個單元組成，分別為射頻微波擴展單元、特殊測試單元、擴展測試單元單元。這3個單元主要集成了射頻微波測試資源和特殊測試模擬器資源、大功率供電電源資源，用以支持平臺完成更復雜射頻微波參數測試及實現各種特殊測試功能。硬件平臺的每個單元都安裝于一個10U、19英寸標準軍用組裝箱內，多個軍用組裝箱可以根據測試需求靈活拼裝實現不同的測試功能，如圖 1所示。平臺測試附件包括：為系統整體供電的交流配電箱，自檢適配器、計量校準適配器、微波附件等。

圖1 通用測試平臺硬件平臺架構圖

1.2 硬件設計方案

在艦艇信息裝備通用測試平臺硬件設計中，硬件資源與控制總線體系的選擇，以PXI總線為艦艇信息裝備通用測試平臺的核心總線，以LAN總線和GPIB總線臺式測試設備為輔進行系統構建，并保留GPIB、LAN、USB等總線的對外擴展接口，實現系統的擴展性和靈活性。艦艇信息裝備通用測試平臺硬件組成如圖 2所示。

圖2 艦艇信息裝備通用測試平臺硬件方案框圖

艦艇信息裝備通用測試平臺配置了1臺工業控制計算機(以下簡稱TCC)、12種模塊化儀器(裝入3個PXI機箱內)、2種臺式儀器，以及測試附件等組成，其中2個PXI機箱留有充裕的可擴展槽位，確保艦艇信息裝備通用測試平臺具有模塊化儀器資源的擴展能力；臺式儀器主要包括供電電源類，采用LAN總線與主控計算機進行通信。系統中共配置了三臺PXI機箱，為了實現對PXI總線模塊儀器的控制，在工控機中配置了兩套PCI-PXI擴展控制套件，在PXI機箱中安裝有橋接控制卡，實現對PXI機箱內設備的控制，大幅提升系統對PXI儀器的兼容性，提升互換性。

艦艇信息裝備通用測試平臺硬件儀器資源放置原則：性能最佳性、使用方便性、系統可靠性、成本經濟性、方便維修性等方面考慮組合放置。艦艇信息裝備通用測試平臺硬件資源主要由工控機、KVM一體機、交換機、智能電源管理單元、高速數字向量儀、邊界掃描[8-9]控制器、數字化儀、模擬量輸出、模擬量輸入、數字多用表、任意波形發生器、信號收發儀、上變頻器、下變頻器、開關矩陣、程控直流電源等組成。這些測試資源分別安裝于兩個10U、19英寸標準軍用組裝箱內，分別編號為1號軍用組裝箱和2號軍用組裝箱。

其中，1號組裝箱內安裝的主要是數字測試資源和模擬測試資源，主要集成了數字多用表、數字化儀模塊、模擬量輸出、模擬量測量、高速數字向量儀、邊界掃描控制器等，用于支持系統完成通道管理、數字與模擬量測試、邊界掃描測試等；2號組裝箱內安裝的主要是測控資源和微波資源，主要集成了測控計算機、KVM一體機、智能電源管理單元、開關矩陣、信號收發儀、上變頻器、下變頻器等。

1.2.1 1號組裝箱設計

1號軍用組裝箱實現數字矢量信號的產生與接收、模擬信號的基本參數測量、波形參數測量、模擬信號的產生、邊界掃描功能測試等方面的功能。1號軍用組裝箱由：前面板、組裝箱內部、后面板三部分。組裝箱內部，配備兩臺18槽PXI機箱，安裝有高速數字向量模塊、模擬量輸出模塊、模擬量測量模塊、數字化儀模塊、任意波形發生器模塊、數字多用表模塊，在1號軍用組裝箱內還配備有邊界掃描控制器，實現邊界掃描方面的測試；后面板配備智能電源管理單元從機2，實現電源通斷控制；配備4個風機于內側上方，并從通風口排風。

圖3 1號軍用組裝箱布局圖

組裝箱內部，1號PXI機箱位于組裝箱最上方，安裝有PXI橋接卡模塊、模擬量測量模塊、模擬量輸出模塊、任意波形發生器模塊、數字化儀模塊、數字多用表模塊等PXI模塊，實現模擬信號的產生和測試。邊界掃描控制器是標準1U高，位于2號PXI機箱的下方，通過USB接口與工控機連接，實現邊界掃描測試的功能。3號PXI機箱位于機柜最下方，內安裝PXI橋接卡模塊、高速數字矢量儀模塊，實現數字矢量信號的信號產生、分析能力。

1.2.2 2號軍用組裝箱設計

2號軍用組裝箱集工控機、KVM一體機、智能電源管理單元、18槽PXI機箱、PCI橋接卡、信號收發儀、上變頻器、下變頻器、交換機、程控直流電源等測控資源于一體，實現系統的測試控制、電源管理與微波參數測試功能，布局如圖 4所示。

圖4 2號軍用組裝箱布局圖

2號軍用組裝箱內部共分為：前面板、組裝箱內部、后面板三部分。前面板下側為微波面板，前面板上側集成智能電源管理單元主機；組裝箱內部集成工控機(配有PCI-橋接卡、以太網口、USB口、RS-232)、KVM一體機、交換機、18槽PXI機箱、PXI橋接卡、信號收發儀模塊、上變頻器模塊、下變頻器模塊、開關矩陣模塊、程控直流電源；后面板集成智能電源管理單元從機1，外側開通風口。智能電源管理單元主機，通過RS-232接口與工控機通訊；通過RS-485通訊接口控制從機動作、采集從機信息。智能電源管理單元從機1位于后面板，實現電源通斷控制、頻率、電壓、電流監控；配備4個風機于內側上方，并從通風口排風。

組裝箱內部，KVM一體機采用標準1U上架結構，位于組裝箱最上方，距離地面約1.3 m，方便測試人員進行觀察和操作，并配有電磁屏蔽腔，有效防止電磁泄漏。工控機采用標準4U上架結構形式，位于KVM一體機的下方，內部配有兩塊PCI-橋接卡(遠控3臺PXI機箱)、以太網卡(通過交換機遠控LAN總線設備)、USB接口(通過USB集線器實現USB口拓展)。程控直流電源位于工控機的下方，PXI機箱位于機柜最下方，內安裝PXI橋接卡模塊、信號收發儀模塊、上變頻器模塊、下變頻器模塊、開關矩陣模塊，實現微波參數的信號產生、頻譜分析等方面的測試。

2 軟件平臺設計

2.1 軟件體系結構

故障診斷是信息裝備自動測試中一個重要的功能，用于配合自動測試進行故障定位。目前應用較多也較為成熟的故障診斷方法主要包括故障字典方法、引導探筆方法、專家系統故障診斷方法、神經網絡故障診斷方法、故障樹故障診斷方法、邊界掃描方法[10-12]。經過對幾種故障診斷方法進行分析研究，本技術方案采用IEEE 1232標準[13-14]基于故障樹的故障診斷方法。

為滿足項目功能要求，保證軟件的通用性和先進性，艦艇信息裝備通用測試平臺中的軟件平臺將采用模塊化、可擴展和層次化的設計思路。從功能內聚的角度，將軟件平臺劃分為集成開發環境、通用運行環境以及系統維護工具三大功能模塊，如圖5所示。

圖5 軟件平臺體系結構功能劃分圖

集成開發環境：為用戶提供系統集成、面向信號的ATML TPS 開發[15-18]、測試程序調試、系統資源管理、TPS 移植管理等功能，支持IEEE 1445國際標準的數字測試交換格式[19]。通用運行環境：為用戶提供TPS 運行引擎管理、TPS 運行控制、ATML和ATLAS程序運行、歷程記錄、操作權限管理、測試程序管理、測試數據管理等功能。系統維護工具：為用戶提供信息交互、系統恢復等功能。

從軟件功能可擴展的角度，軟件平臺采用了“基礎平臺+擴展模塊+二次開發接口”的可擴展體系結構。其中“基礎平臺”內置自動測試系統軟件通用功能，包括用戶管理、資源管理、測試開發和測試執行等?！皵U展模塊”是符合軟件平臺擴展接口的軟件功能模塊。在開發平臺通過組裝不同的軟件模塊，可快速開發出滿足用戶特定需求的測試程序。

從層次化的角度軟件平臺體系結構一共分為5層：用戶接口層、核心層、組件層、數據層和驅動層。每一層為上層提供服務，同時又是下一層的客戶，層次間服務與信息交互的規范有明確的定義。通過層次化設計降低了軟件的復雜性、提高了軟件的規范性、支持功能模塊的重用和升級。

2.2 軟件設計方案

通用測試平臺軟件是指運行在項目規范規定的操作系統之上，結合通用測試平臺硬件平臺完成海軍艦艇電子裝備的功能檢查、性能測試、參數調整、故障診斷等任務的一系列應用程序和軟件模塊的集合。

通用測試平臺軟件具備系統集成支持能力、面向信號的ATML TPS 開發、測試程序調試、系統資源管理、TPS 移植管理等開發功能；具備TPS 運行引擎管理、TPS 運行控制、ATML和ATLAS程序運行、歷程記錄、操作權限管理、測試程序管理、測試數據管理等運行功能；具備信息交互、系統恢復等高級功能。同時還具備良好的安全性和可擴展能力。

為了滿足上述功能，提出如下通用測試平臺軟件技術方案的基本思路：以ATML測試信息模型(包含信號模型，以下簡稱ATML模型)為核心，采用開放、通用、可擴展的軟件體系架構，提供基于ATML的測試信息建模環境，提供面向信號的TPS開發和運行環境，實現測試數據的共享和測試信息的融合，使得通用測試平臺所有研發環節所產生的程序、文件，以及軟件模塊接口相互兼容，同時為通用測試平臺提供自我維護的能力。因此，本技術方案將通用測試平臺軟件設計為主要由集成開發環境、通用運行環境以及系統維護工具3個部分組成，如圖 6所示。

圖6 通用測試平臺軟件主要組成框圖

集成開發環境是通用測試平臺軟件的核心，涵蓋了信號建模、系統資源管理、測試程序開發和調試、診斷程序開發以及測試程序的移植和發布功能。集成開發環境利用統一簡約的界面為開發自動測試系統軟件各要素提供完整視圖，方便用戶對系統資源、測試程序等進行統一的組織管理。集成開發環境所開發出的軟件制品通過測試工程的方式進行組織，包括信號模型、儀器模型、資源配置、測試程序、故障診斷程序等。測試工程文件可以理解為測試配置，記錄了測試程序運行所需要的完整的軟件配置信息。集成開發環境支持將測試程序導出為符合ATML標準的測試描述文件，同時可以將符合ATML標準的測試描述文件導入為測試程序，從而實現測試程序的移植。集成開發環境可以將測試程序發布出去，發布的測試程序對外暴露統一的接口，使得通用運行環境可以對測試工程完成安裝、卸載、打開、執行等操作。

通用運行環境不僅是通用測試平臺軟件集成開發環境開發出的測試程序的運行軟件，還是接納符合項目規范規定的標準的其他軟件平臺開發出的測試程序的門戶。通用運行環境涵蓋了用戶權限管理、運行環境管理、測試結果輸出、測試數據管理、運行歷程記錄、信息交互和系統恢復功能。通用運行環境通過用戶權限管理為不同級別用戶分配相適應的操作權限，從而保證用戶訪問的合法性；測試管理包括運行引擎管理和面向被測對象的測試程序和診斷模型的管理。通用運行環境通過裝載并執行已開發好的測試程序和故障診斷程序對被測對象進行功能、性能測試和故障診斷，產生測試結果，并把結果展示給用戶；測試數據管理向操作人員提供不同范圍和方式的測試數據瀏覽、檢索、回放、導出、顯示和打印等功能；運行歷程記錄能夠自動記錄通用測試平臺軟件的運行歷程，并能由具備相關權限的操作人員查看；通用運行環境能夠接入部隊維修機構和基地修理機構的信息系統，進行信息交互；通用運行環境軟件因故障不能工作時，可通過“一鍵恢復”功能將系統恢復到交付狀態或最近一次可工作的狀態。

系統維護工具包括開機自檢、計量校準和在線幫助。通用測試平臺軟件提供自檢程序用以保證系統自身的完整及可靠性。計量校準是通過將標準量值連接到通用測試平臺硬件平臺的輸入、輸出端口，在通用測試平臺主機上運行計量校準程序來實現。幫助功能用來提供測試操作幫助、功能提示、操作演示的圖片、版本信息和聯系地址等。

2.2.1 操作系統

通用測試平臺軟件可以運行在Windows XP、Windows 7和Windows 8等多個操作系統之上。同時，借助MicroSoft.NET的跨平臺支持，通用測試平臺軟件還可以移植到MicroSoft Windows之外的系統平臺，如國產系統、Linux等。

2.2.2 集成開發環境

集成開發環境是測試程序開發平臺，支持面向信號的ATML測試程序開發、故障診斷程序開發、信號模型開發、UUT/環境監控程序開發、異常處理程序開發功能，具備系統資源集成、測試程序調試、測試程序移植和發布功能。集成開發環境提供了高度融合的一體化開發環境，同時提供非編碼、模塊組裝式現代開發方式，主界面如圖 7所示。

圖7 通用測試平臺軟件集成開發環境主界面

根據功能要求，本技術方案將集成開發環境劃分為七個功能模塊：1)信號模型開發模塊；2)系統資源集成模塊；3)測試程序開發模塊；4)測試程序調試模塊；5)故障診斷程序開發模塊；6)測試程序移植模塊；7)測試程序發布模塊。如圖 8所示。

圖8 集成開發環境技術方案圖

3 實驗結果與分析

以某型艦載雷達為開發對象，重點以編碼分選模塊作技術驗證。 模塊中有FPGA(2片)主要完成視頻采集、自適應均衡控制、門線比較、參數測量、統計和排序等功能；DSP(4片)主要完成信號脈沖串的分選和信號脈沖串特征的統計；CPLD主要完成故障檢測。原理框圖見圖9。

圖9 原理框圖

驗證內容包括：

1)系統運行檢查發現異常的能力；

2)系統或設備BIT 檢測和隔離故障的能力；

3)被測單元與所選擇的測試設備的兼容性；

4)測試設備和相應的測試接口組合檢測和隔離故障的能力；

5)有關故障字典、探測步驟、人工查找故障程序和工作原理等方面的技術文件的充分性；

6)BIT故障檢測和故障隔離指示與脫機測試結果之間的符合程度；

7)用于預計測試性指標的模型的有效性；

通過測試表明，測試平臺硬件設計指標滿足了信息裝備的功能檢查、性能測試、參數調整、故障診斷等任務，軟件模塊測試程序開發、執行和發布移植等運行穩定，驗證板故障覆蓋率和隔離率達到95%以上，實現了較高的電路測試覆蓋率和故障器件定位，滿足相關軍標要求。

4 結束語

結合目前海軍新型艦載信息裝備保障需求，提出了艦艇信息裝備通用測試平臺的總體思路、軟硬件結構框架、技術途徑。硬件平臺利用軟件無線電技術構建，采用合成儀器，收發一體綜合測試技術，硬件利用率高，集成度高。軟件平臺采用基于信號的測試資源智能管理技術，采用先進故障診斷技術，支持國際標準的數字測試交換格式。實現了提升艦艇信息裝備維修保障能力的目標。為其他測試平臺的設計提供了新的思路與途徑，具有很大的借鑒意義。