VXI總線(xiàn)在通用裝備測試系統中的應用及發(fā)展
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關(guān)鍵詞：測試系統 VXI總線(xiàn) 兵器測試
隨著(zhù)軍事裝備的發(fā)展，其功能越來(lái)越強大，設備越來(lái)越復雜，對測試系統的要求也越來(lái)越高。測試項目和范圍的不斷擴大，對測試速度和準確度的要求進(jìn)一步提高，對測試系統的可靠性、通用性、開(kāi)發(fā)時(shí)間等也提出了更高的要求。
VXI（VMEbus Extensions For Instrumentation）總線(xiàn)技術(shù)是當今計算機測控技術(shù)發(fā)展的主流，也是自動(dòng)檢測設備（ATE）標準化技術(shù)的核心。VXI總線(xiàn)是一種真正的世界范圍內完全開(kāi)放的總線(xiàn)標準，它具有標準開(kāi)放、結構緊湊、數據吞吐能力強、模塊化等特點(diǎn)。以VXI技術(shù)為核心組建通和裝備的測試系統不當前裝備測試的首要選擇。
1 測試系統硬件的組建
VXI總線(xiàn)測試系統是一種計算機控制的測試系統，一般由主計算機、VXI總線(xiàn)主機箱和VXI總線(xiàn)模塊組成。依據主計算機與系統的連接方式不同，系統可分為內嵌式和外掛式兩種。所謂內嵌式就是將一臺標準計算機集成在0槽模塊中，應用時(shí)只需接上鍵盤(pán)、顯示器、鼠標等設便可實(shí)現VXI控制。它具個(gè)有最小的物理尺寸，并與背板總線(xiàn)直接連接，可直接采用字串協(xié)議與VXI消息基設備進(jìn)行通信，充分發(fā)揮了VXI總線(xiàn)的性能，但不能跟蹤PC機技術(shù)的發(fā)展，通常用于數據傳輸速率高和對測試系統空間尺寸要求高的場(chǎng)合。而外掛式，主計算機采用GPIB（IEEE488）或者M(jìn)XI總線(xiàn)，通過(guò)安裝于計算機內部的GPIB或MXI接口卡，完成對VXI總線(xiàn)、GPIB總線(xiàn)中VME總線(xiàn)等儀器的控制。這種方式的優(yōu)勢在于能夠隨著(zhù)能愛(ài)畜計算機的發(fā)展而不斷更新控制平臺，還可以與GPIB、VME總線(xiàn)儀器方便地構成混合測試系統。
目前國內許多單位擁有大量的GPIB及VME總線(xiàn)儀器，而在某些領(lǐng)域內，面向被測對象還需用一些專(zhuān)用設備。所以考慮到經(jīng)費的限制，只要條件（如體積、速度等）允許，就應當充利用這些現有資源；同時(shí)有些測試領(lǐng)域（如微波）的VXI產(chǎn)品開(kāi)發(fā)種尚不夠多，還存在系統開(kāi)發(fā)的因循漸進(jìn)問(wèn)題，所以一般情況下，我們應選擇VXI總線(xiàn)混合式測試系統。系統組建可按圖1所示的流程進(jìn)行。
其中，測試需求分析和測試方法研究應在系統集成人員的協(xié)助下，由熟悉被測對象的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)完成。這兩項研究的結果，直接影響到整個(gè)系統的簡(jiǎn)繁程度和設計的合理性、先進(jìn)性。應當在滿(mǎn)足測試要求的前提下，盡量選擇性能價(jià)格比好的產(chǎn)品。例如，在采集很窄的脈沖時(shí)，如果信號是可重復的，就沒(méi)有必要對采集模塊的采樣速率做出很高的要求，使用采集速度不太高的數字示波器在多周期里對其進(jìn)行隨機采樣，就可以得到所需要的波形和各種參數。后面各項應由測試人員、專(zhuān)業(yè)人員配合系統集成人員共同完成。
除必不可少的專(zhuān)用設備外，所選設備應盡量通用化、標準化。主機箱和0槽模塊以及通用儀器模塊應以知名公司的成熟產(chǎn)品為主，這樣可以保證質(zhì)量，性能價(jià)格比適中。對于主機箱，一般情況下應選擇普通主機箱；在對電磁兼容要求高的測試場(chǎng)合，應考慮選擇微波主機箱；車(chē)載、艦載等場(chǎng)合應當考慮選擇加固機箱。其它模塊可以在優(yōu)先考慮適用、成熟而對信譽(yù)良好的VXI產(chǎn)品的前提下，根據實(shí)際情況，盡量利用原有的儀器資源。在將GPIB儀器更換為VXI模件時(shí)，應選易后難、循序漸進(jìn)。當系統測試有特殊要求時(shí)，為了降低價(jià)格、提高性能，也可自行設計模塊。
2 測試系統軟件平臺的選擇
測試軟件是為有效地運用硬件系統資源、實(shí)現各種測控功能而提供的程序系統及有關(guān)資料的集合。測試軟件分為系統軟件和應用軟件。
系統軟件是指為充分發(fā)揮或擴充硬件交通而配置的軟件。VXI系統軟件按其層可分為與儀器打交道的底層軟件、中間層的儀器驅動(dòng)軟件以及最高層的“軟面板”軟件；除此之外，屬消息基模塊的儀器還有相應的駐機軟件。這些軟件通常是由廠(chǎng)家提供的。由于VXI總線(xiàn)規范只規定了機械和總線(xiàn)的規范，沒(méi)有對軟件和語(yǔ)言作出規定，為了提高儀器驅動(dòng)程序質(zhì)量和兼容性，世界上主要的儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家成立了VXIplug&play聯(lián)盟，規定了VXI軟件規范，即VPP規范，增加了系統的開(kāi)放性和多個(gè)廠(chǎng)家的互換性?，F在廠(chǎng)家提供的驅動(dòng)器一般都是符合VPP規范的。
應用軟件是指用戶(hù)為解決采集、測試和控制等具體問(wèn)題而編制的軟件。用戶(hù)在開(kāi)發(fā)應用軟件時(shí)，軟件平臺的合理選擇對于包括VXI產(chǎn)品在內通用設備的應用開(kāi)發(fā)具有重要的影響。除了Windows下通用的編程環(huán)境外，目前比較流行的開(kāi)發(fā)平臺有以下三種：
（1）NI公司的LabWindows/CVI，它提供ANSI C編程環(huán)境，支持有圖形用戶(hù)接口的開(kāi)發(fā)應用工作，支持VPP儀器驅動(dòng)器。圖形用戶(hù)接口專(zhuān)門(mén)用于儀器控制器的設計，支持儀器驅動(dòng)呂的交互式控制、軟件的操作執行等，用它開(kāi)發(fā)符合VPP規范的儀器驅動(dòng)器比較方便。
（2）NI公司的LabView，它雖然不使用C語(yǔ)言，但有使用儀器驅動(dòng)器DLL的能力，支持VPP儀器驅動(dòng)器。它支持圖形用戶(hù)接口的開(kāi)發(fā)，是一種圖形化編程語(yǔ)言。
（3）HP公司的HP VEE，它提供的儀器控制方式比較多，如使用SCPI命令的Direct I/O方式和使用VPP儀器驅動(dòng)器等；對于HP公司的儀器，還可以使用它提供的面板驅動(dòng)器（Panel Driver）。編程時(shí)它和LabView相似，使用圖形化的編程工具，測試人員只需調出所使用儀器的圖標，輸入相關(guān)的條件和參數，并按測試流程將儀器連接起來(lái)就可完成編程工作。
此外，美國的Tektronix、ManTech和Racal公司都已研制出基于圖形的軟件開(kāi)發(fā)平臺。具體使用哪種軟件平臺，用戶(hù)可根據自己的需要和對軟件的熟悉程序來(lái)決定。如果采用的是混合式測試系統，應用于較簡(jiǎn)單的測試任務(wù)、對測試速度要求不高時(shí)，可根據產(chǎn)品的廠(chǎng)家選用其中一種，采用相應的圖形編程，或者形和傳統編程語(yǔ)言混合編程；當測試任務(wù)較為復雜、對測試速度要求較高時(shí)，則可選用語(yǔ)言編程，如LabWindows/CVI，或者選擇一種通用的WINDOWS平臺，如采用Visual Basic或Visual C++等語(yǔ)言編程開(kāi)發(fā)。
3 專(zhuān)用模塊的開(kāi)發(fā)
VXI總線(xiàn)模塊設計主要包括寄存器基模塊設計和消息基模塊設計。對于一些功能簡(jiǎn)單而通信速度高的模塊，可設計成寄存器基器件；對一些復雜的具有本地智能的模塊，應設計成消息基器件。無(wú)論是消息基還是寄存器基，VXI總線(xiàn)模塊的電路都由總線(xiàn)接口電路和功能電路兩部分組成。其中，功能電路部分需要根據本模塊要完成的測試測量功能來(lái)進(jìn)行具體的電路設計。由于當今電子儀器種類(lèi)繁多，各類(lèi)儀器采用的測試測量方法各不相同，并且同一種電子測試測量功能也可以采用不同的方法實(shí)現，因此，一般儀器的功能電路最好由對該儀器有一定經(jīng)驗的工程師設計完成。VXI接口電路設計的依據是兩個(gè)國際標準IEEE 1014和IEEE 1155，即VME計算機總線(xiàn)標準和VXI總線(xiàn)儀器標準，因而VXI總線(xiàn)接口儀器電路具有很強的共性。下面主要對接口電路的設計作出說(shuō)明。
對于寄存器基的模塊，它只支持VXI總線(xiàn)寄存器配置，不支持VXI總線(xiàn)的通信協(xié)議。所以VXI寄存器基模塊接口的主要功能是監視總線(xiàn)上由主模塊啟動(dòng)數據傳輸總線(xiàn)的DTB周期，并且在DTB周期指向它們時(shí)作出響應。當模塊需要中斷服務(wù)中，它還應當有中斷模塊。
消息基器件不僅具有通訊能力和本地智能，而且還具有DTB主模塊能力。與寄存器基模塊相比，它不僅有上述的VXI總線(xiàn)從者接口，而且還具有本地智能，以支持由CPU模塊通過(guò)器件配置寄存器的通訊寄存器實(shí)現字串行通訊協(xié)議。
設計VXI總線(xiàn)的接口電路時(shí)，器件的配置可以用雙端口RAM實(shí)現，也可以使用可編程邏輯陣列（PLA）技術(shù)或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)。如果用戶(hù)不想自行設計接口電路，可采用一些儀器公司的專(zhuān)用接口芯片，如Interface公司的IT9010和IT9010M。前者是寄存器基接口芯片，后者是消息基接口芯片。
在完成硬件的制作以后，應當為模塊編寫(xiě)符合VPP規范的驅動(dòng)器。目前比較流行的開(kāi)發(fā)儀器驅動(dòng)器軟件是LabWindows/CVI。CVI為用戶(hù)開(kāi)發(fā)儀器驅動(dòng)器提供了Create IVI Instrument Driver工具。用戶(hù)在開(kāi)發(fā)儀器驅器時(shí)，一般可以采用兩種方法：一是在Create INI Instrument Driver工具中選擇Create New Driver，這個(gè)工具根據用戶(hù)選擇的儀器接口類(lèi)型和儀器的種類(lèi)，自動(dòng)生成IVI規范所要示訴所有模板函數框架的代碼，用戶(hù)根據自己開(kāi)發(fā)模塊的實(shí)際情況填充代碼，也可以在此基礎上增加其它函數。另一種方法就是根據已有的具有類(lèi)似儀器功能的儀器驅動(dòng)器進(jìn)行改造，在Create IVI Instru ment Driver工具中選擇 Create Driver Based on Existing Driver，然后輸入已存在的驅動(dòng)器，CVI會(huì )自動(dòng)對此驅動(dòng)器代碼的儀器前綴等進(jìn)行修改，用戶(hù)在此基礎上再修改驅動(dòng)器代碼，實(shí)現對自己開(kāi)發(fā)儀器的控制。當然，用戶(hù)也可以在Windows通用軟件平臺上開(kāi)發(fā)儀器驅動(dòng)器，如Visual C++。一般情況下，它們比使用CVI軟件開(kāi)要困難一些。
VPP規定廠(chǎng)家為用戶(hù)提供儀器驅動(dòng)器的同時(shí)，必須提供儀器的軟面板。儀器的軟面板是不依賴(lài)于任何開(kāi)發(fā)環(huán)境的可執行程序。它取代了傳統的臺式儀器的前面板，在計算機屏幕上顯示用于控制儀器的各種按鍵、旋鈕和儀器輸出信息等。軟面板有兩個(gè)作用，一是幫助用戶(hù)檢測系統的通訊接口和儀器是不確配置和正常工作；二是幫助用戶(hù)熟悉儀器的主要功能。
在CVI環(huán)境中，使用用戶(hù)界面文件（.uir）來(lái)制作軟面板。開(kāi)發(fā)軟面板時(shí)先直接在用戶(hù)界面上生成所需的各種按鍵、旋鈕和輸出信息框，然后再用事件驅動(dòng)的方式編程。在制作用戶(hù)界面時(shí)要符合VPP-7規范，如軟面板主窗口的右上部標顯示VXIplug&play標識，左上部標明廠(chǎng)家，窗口上部標明儀器名稱(chēng)和模塊號等。軟面板制作完成后，對應按鍵、旋鈕等用戶(hù)控制部件的功能生成相應的回調函數。函數的實(shí)現方法與制作驅動(dòng)器的方法是相似的，不過(guò)需要將顯示給用戶(hù)的結果顯示到軟面板的合適位置上。
4 測試系統的發(fā)展
隨著(zhù)微電子、計算機及數字信號處理（DSP）等先進(jìn)技術(shù)越來(lái)越多地應用到測試技術(shù)中，未來(lái)測試系統發(fā)展有如下兩種趨勢。
4.1 集成儀器
儀器與計算機技術(shù)的深層次結合將產(chǎn)生全新的儀器結構概念，包括現有的虛擬儀器、卡式儀器及VXI總線(xiàn)和MMS為基礎的模塊式儀器和新出現的集成儀器。集成儀器將基于“信息的數據采集（ADC）、信號的分析與處理（DSP）、輸出（DAC）及顯示”的結構模式。利用這個(gè)通用的硬件平臺，調用不同的測試軟件就可構成不同功能的儀器，因此“軟件就是儀器”。由于硬件平臺是通用的，故可非常方便地將多種測試功能集成集于一體，實(shí)現多功能集成儀器。例如，一臺基于高速數據采集的數字化儀，如果對采集的數據通過(guò)分析軟件進(jìn)行定標和數據點(diǎn)的顯示，就構成一臺數據存儲的示波器；如果對采集的數據利用軟件進(jìn)行FFT變換，則構成一臺頻譜儀。在系統構成上，將廢除由硬件積木單元實(shí)現的激勵和響應的監測，而采用由測試系統中的計算機從數學(xué)上合成所希望的激勵波形。響應信號則利用高速數據采集技術(shù)進(jìn)行采集，然后將采集的數據由計算機進(jìn)行數字處理和分析，從而得到測試結果。
4.2 集成測試環(huán)境
測試軟件不管是對單臺儀器還是對測試系統都是十分重要的，而且也是未來(lái)發(fā)展競爭的焦點(diǎn)。國外專(zhuān)家預言“測試設備的未來(lái)屬于軟件”。未來(lái)的測試軟件能根據某種規范和屏幕上的某種圖形進(jìn)行測試，將描述與測試生成模塊和數據提取自動(dòng)化工具相結合，并將工具納入文件編制中。未來(lái)的測試環(huán)境除生成測試程序外，還將應用其它領(lǐng)域的技術(shù)，如人工智能測試技術(shù)。人工智能專(zhuān)家系統的應用，將充分利用計算機的“智能”，把最優(yōu)秀的測試專(zhuān)家的思維過(guò)程固化到測試程序的軟件中，把某種復雜的程序與計算機修正程序結合起來(lái)，從而大大提高測試系統的能力。人工智能測試技術(shù)除大量用于復雜測試的修正因子處理外，還將應用于現代裝備系統的故障檢測與維修。
充分利用通用集成測試儀器和集成測試環(huán)境，建立通用的儀器平臺和測試系統平臺，為各種功能的測試儀器和測試系統的二次開(kāi)發(fā)將打下硬件和系統軟件的基礎。最終用戶(hù)只需在這個(gè)高水平平臺的基礎上開(kāi)發(fā)一定的應用軟件就能構成實(shí)用儀器和實(shí)用測試系統，從而加快研制周期，降低研制成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。其中，高速、高分辨率的數據采集和數字信號處理技術(shù)是未來(lái)測試儀器平臺和測試系統平臺的關(guān)鍵技術(shù)。
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