軍用測量/測試設備將向通用、靈活方向發(fā)

2004年11月A版

    目前，芯片與總線(xiàn)的尺寸越來(lái)越小、傳輸速度越來(lái)越快，這給軍事電子系統與裝備測試帶來(lái)不小的麻煩。為了與最新的亞微米電路技術(shù)保持同步，測試與測量設備技術(shù)面臨著(zhù)嚴峻的挑戰。
    在2003年3月美國總審計署(GAO)發(fā)表《美國國防部需要更好地管理自動(dòng)測試設備現代化》報告后，美國國防部更加重視通用及靈活測試設備的開(kāi)發(fā)與使用。為了降低成本，五角大樓計劃者正試圖通過(guò)采購通用、靈活的測試設備，取代目前正在使用的400多種不同類(lèi)型的軍事與航空測試設備。為盡快同時(shí)實(shí)現這兩個(gè)目標，測試設備制造商們正致力于PXI波形因數和綜合儀器等測試新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

亞微米電路給測量設備帶來(lái)嚴峻挑戰
    最近幾年，為了提高密度，芯片工藝已從130納米縮小到90納米、甚至65納米。隨著(zhù)集成電路尺寸的縮小，查找芯片故障也越來(lái)越困難。因為同大尺寸集成電路測試相比，工程人員必須多測試20~30次才能發(fā)現小尺寸芯片的故障，這既增加了成本，又浪費了時(shí)間；同時(shí)，這些復雜的芯片設計使門(mén)引線(xiàn)比更高，這樣，采用傳統的掃描測試方法進(jìn)行測試時(shí)，帶寬將受到限制。因此，制造商們正在努力開(kāi)發(fā)技術(shù)，以使測試和測量設備跟上時(shí)代的步伐。
    其中一個(gè)方案是明導國際公司的TestKompress嵌入式確定性測試工具。與現在的掃描和自動(dòng)化測試模式生成(ATPG)方法相比，它使用嵌入式確定性(EDT)與壓縮技術(shù)，既減小了測試數據量，又縮短了測試時(shí)間。其軟件還能為確定性ATGP生成壓縮測試模式。
明導國際公司認為：我們能夠壓縮該操作，因為我們的硬件、軟件的結合恰到好處。我們存儲的測試模式較少，僅為全部模式的1%。芯片上的硬件能夠生成其它測試模式，用于激勵和響應模式，然后在傳輸過(guò)程中再一次壓縮數據。硬件方面，系統將把該信號同預計的響應進(jìn)行比較。
    例如，在實(shí)速測試中，用戶(hù)要測試由于電線(xiàn)阻抗引起的微小速度變化。實(shí)速測試中最常見(jiàn)的類(lèi)型是躍遷模型，即慢上升和慢下降兩種類(lèi)型。在最新、最小尺寸芯片的躍遷模型中，用戶(hù)將測試到更多阻抗引起的故障。當芯片由180納米減少到130納米時(shí)，用戶(hù)會(huì )發(fā)現實(shí)速故障將增加12~20次，因為尺寸這么小的芯片將帶來(lái)以下三個(gè)問(wèn)題：互連密度太高；芯片材料出現故障；在10層以上電路中對位偏差時(shí)常發(fā)生。
    工程人員也進(jìn)行固定測試。與實(shí)速測試相比，這種測試要求更多的數據輸入和輸出芯片；對更高精度的測試來(lái)說(shuō)，帶寬比速度更重要。
    在芯片的其它地方，縮小特征尺寸也會(huì )導致嵌入式缺陷。采用常規的BIST(內建自測試)方法很難發(fā)現這些故障，因此，明導國際公司推出了MBIST(存儲器內建自測試)結構產(chǎn)品，用于測試90納米以下的芯片。

PXI技術(shù)優(yōu)勢明顯
    測試和測量技術(shù)的規則總是要求一些折衷方案。國家儀器公司PXI產(chǎn)品有關(guān)人士認為：現在，這些規則正在改變。國家儀器公司測試硬件采樣率-分辨率進(jìn)展圖表明：今天的用戶(hù)可以同時(shí)擁有更高的采樣速率及更準確的分辨率
    該公司的NI PXI-5670是一個(gè)2.7 GHz 射頻向量信號發(fā)生器，提供16位分辨率，100MS/s采樣速率，支持256MB內存以及22 MHz帶寬。
    新產(chǎn)品的設計將繼續縮小尺寸。用戶(hù)已經(jīng)越來(lái)越多地采用基于PXI的產(chǎn)品。PXI是儀器PCI extensions的縮寫(xiě)，是一個(gè)小型模塊化儀器平臺，比PCI尺寸更小、速度更快。PXI是由PXI系統聯(lián)盟管理的一種開(kāi)放式規范，其定義為加固型、基于Compact PCI平臺，使測試、測量及控制最優(yōu)化。PXI產(chǎn)品不僅與廣泛使用的CompactPCI工業(yè)計算機標準兼容，還有其他特性：環(huán)境規范、標準軟件、內部計時(shí)與同步。
    例如，洛克希德•馬丁航空公司的工程人員在F-35“聯(lián)合攻擊戰斗機”上進(jìn)行風(fēng)洞測試時(shí)，用基于PXI的測量硬件及軟件的數據采集工具取代基于VME的系統，結果，使通道密度增加一倍，測試速度提高80倍。
    在對F-35渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機進(jìn)行風(fēng)力測試時(shí)，測試人員使用國家儀器公司的LabVIEW實(shí)時(shí)軟件以及G系統公司16種基于PXI的信號采集模塊。在128個(gè)通道測量氣壓時(shí)，采樣速率2萬(wàn)次/秒，每50毫秒運行450000個(gè)浮點(diǎn)運算。
    另外，ManTech國際公司工程人員最近為美國空軍LANTIRN(夜間低空導航和紅外線(xiàn)瞄準)吊艙測試系統技術(shù)升級進(jìn)行了設計。擯棄了VME系統，采用基于PXI的計算，不僅使測試設備機架由7個(gè)減至3個(gè)，而且降低了成本和維護費用，還縮短了部署時(shí)間。
    目前，存儲器供應商Conduant公司也提供PXI數據采集的存儲器，支持多達8個(gè)串行ATA硬盤(pán)驅動(dòng)器。這樣，工程人員在進(jìn)行測試和測量時(shí)可以更好地記錄數據。使用Conduant公司的StreamStor PXI-808實(shí)時(shí)記錄與回放硬盤(pán)控制器以及Big River DM4 1U支架安裝底盤(pán)，臺式儀器能記錄200MB/s的數據。
    Conduant公司的生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)擴展，支持PXI總線(xiàn)結構，可以為用戶(hù)提供較高配置和可靠的解決方案，數據速率高達200MB/s，是目前最快的。這為32位產(chǎn)品用戶(hù)提供更高的性?xún)r(jià)比，而且性能明顯提高。
    Symmetricom公司也經(jīng)歷了從VXI到PCI或PXI的變化。該公司向自動(dòng)測試設備制造商出售時(shí)間和頻率基準。精確的定時(shí)對測試精度至關(guān)重要。因為定時(shí)能夠使工程師對雷達、通信、遙測、航空電子設備以及航線(xiàn)測試等設備中元器件保持同步。此外，還可利用定時(shí)測試每組元器件的性能，如放大器增益等。
    Symmetricom公司提供三種類(lèi)型的定時(shí)系統，都是從銫、銣或石英元素的原子振蕩中產(chǎn)生精確計時(shí)數據。銣是現在最流行的，因為其長(cháng)期穩定性?xún)?yōu)于石英，成本低于銫。由于它啟動(dòng)速度快(在30分鐘內達到指定性能)，穩定性好，所以更適合航母飛行甲板上使用的測試設備。Symmetricom公司設計人員將在一年內推出PCI產(chǎn)品，該產(chǎn)品將比VXI產(chǎn)品更快、更便宜、更靈活。

測試設備通用性需求
    GAO的《美國國防部需要更好地管理自動(dòng)測試設備現代化》報告對軍用測試設備的發(fā)展具有重要影響。
   GAO調查人員透露，美國國防部技術(shù)人員使用400多種不同類(lèi)型的測試設備，檢測在航空電子設備和武器系統元器件中存在的問(wèn)題。在1980年到1992年期間，美國國防部耗資500多億美元用于采購和支持測試設備，雖然測試設備種類(lèi)繁多，但每種儀器僅能測試一種設備。
    報告指出，美國海軍在1990年至2002年間用于采購測試設備的資金為15億美元，計劃2007年以前經(jīng)費還要增加，其中，4.3億美元用于采購測試設備，3.84億美元用于設備維護和升級，3.84億美元用于新型武器系統測試設備。
    1994年，美國防部頒布有關(guān)法令，要求未來(lái)測試設備必須使用商用現貨元器件，而且不能只測試一種平臺，應該與整體測試設備協(xié)同工作。
    美國海軍制定了加固自動(dòng)化支持系統(CASS)計劃。該系統用一個(gè)標準化系統代替25部測試儀器，支持2458種武器元器件的測試。預算的削減推遲了本應在2000年完成的計劃。到2000年底，計劃人員僅全部替換了25種測試儀中的4種，另有8種以上的測試儀被部分替換?，F在該計劃最快也要在2008年完成。
    另一個(gè)計劃是ARGCS(敏捷快速作戰支援系統)。這項計劃的目的是研制美國國防部各軍種及其盟國都能使用的通用測試軟件。例如，該系統必須在美國海軍及海軍陸戰隊F/A-18戰斗機、E-2戰斗機、陸軍“帕拉丁”自行榴彈炮、陸軍及海軍陸戰隊“復仇者”導彈發(fā)射架以及美空軍平臺、英國和西班牙部隊中都能使用。預計在2004~2006年進(jìn)行系統樣品開(kāi)發(fā)，2006~2008年進(jìn)行測試并裝備部隊。
    在美國總審計署報告的刺激下，五角大樓計劃人員匆忙削減經(jīng)費。但他們面臨著(zhù)挑戰：如果替換過(guò)時(shí)的測試設備，他們必須保留測試程序集(TPS)。但如果新、舊測試設備不兼容，那么TPS將毫無(wú)用處。
    一種解決方案是使用綜合儀器，綜合儀器與現在使用的標準支架解決方案截然不同。綜合儀器內含軟件算法和硬件模塊，可將其分成三種類(lèi)型：信號調節器(如上/下變頻器)、數字轉換器(如波形發(fā)生器)以及處理器。此方法類(lèi)似于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。這種方法可以節省政府開(kāi)支，鼓勵不同測試產(chǎn)品之間的競爭，還為系統集成商提供更大的靈活性。
    綜合儀器不僅能在美國和北約各軍種使用，而且減少了測試設備的體積和重量，易于在遠方基地部署。同時(shí)，在新型武器系統建好之前，設計人員就可以開(kāi)發(fā)測試設備。
綜合儀器還能解決五角大樓長(cháng)期的測試設備老化問(wèn)題。按照當前標準，基于VME總線(xiàn)技術(shù)的VXI型設備不但速度慢，而且笨重，因此，許多測試設備制造商推出基于CompactPCI總線(xiàn)技術(shù)的PXI型設備。不久的將來(lái)，這些產(chǎn)品將升級到PCI Express，然后再到另一個(gè)平臺。綜合儀器將與簡(jiǎn)單的軟件升級保持同步。
    另一個(gè)維持過(guò)時(shí)測試系統的方案是在舊設備市場(chǎng)購貨，美國安捷倫公司的工程人員通過(guò)對用過(guò)測試儀器的認證來(lái)支持這種方案。當經(jīng)濟蕭條時(shí)，來(lái)自電信公司、縮小規模公司以及破產(chǎn)dot.com公司的大量設備就會(huì )涌入舊設備市場(chǎng)。在一個(gè)新的計劃中，安捷倫公司通過(guò)對改進(jìn)設備的認證，支持150個(gè)最普通型號產(chǎn)品。公司技術(shù)人員也將對舊設備進(jìn)行校準并提供認證，而且為舊設備提供軟件和固件的升級。
    安捷倫公司還與在線(xiàn)拍賣(mài)網(wǎng)站eBay簽署一個(gè)協(xié)議，為在線(xiàn)購買(mǎi)的過(guò)時(shí)測試設備提供擔保。這是一筆大買(mǎi)賣(mài)，因為在線(xiàn)購買(mǎi)測試設備年銷(xiāo)售額約5000萬(wàn)美元。
    對于一臺已經(jīng)使用8年或10年的過(guò)時(shí)測試設備，舊設備市場(chǎng)是唯一能夠買(mǎi)到它的地方。好在安捷倫公司為購買(mǎi)的設備提供認證，否則，用戶(hù)將冒一定的風(fēng)險。
    隨著(zhù)一些公司的復蘇，測試設備價(jià)格也開(kāi)始緩慢攀升，不過(guò)，安捷倫公司計劃人員相信舊設備市場(chǎng)仍將受到歡迎。因為美國軍事預算壓力尤存，何況還有50000億美元的赤字。

測試設備靈活性需求
    軍民技術(shù)結合要求測試儀器更靈活
    商用和軍事航空電子設備之間的界限越來(lái)越模糊，因為軍事設備設計人員采用商用現貨產(chǎn)品越來(lái)越多。例如，空中客車(chē)公司的A380旅客噴氣式客機和波音公司的C-17軍用運輸機現在都使用ARINC 429數據總線(xiàn)，而該數據總線(xiàn)最初是為民品開(kāi)發(fā)的。另一個(gè)趨勢是：民品采用軍用技術(shù)。例如，許多商用飛機使用了軍事技術(shù)，如MIL-STD 1553數據總線(xiàn)。
    如果一個(gè)技術(shù)人員要測試并測量機器，則需要在兩種標準之間進(jìn)行轉換。一種解決方案是采用巴拉德公司的新型Omnibus卡，它支持兩種協(xié)議。該卡有若干數字信號處理器處理數據，并利用PowerPC微處理器管理系統。此卡包括2GB閃存，驅動(dòng)器可運行巴拉德公司的CoPilot 4.0軟件。這樣該卡可以解決信號產(chǎn)生和處理問(wèn)題，就不再需要主機。因為該卡能獨立地運行一臺主機，它必須解決自身通信問(wèn)題，所以有以太網(wǎng)接口和具體IP地址。這樣，用戶(hù)能從他的辦公室或者實(shí)驗室聯(lián)網(wǎng)此卡并遙控使用。
    新型彈藥對測試設備靈活性需求更高
    測試和測量?jì)x器面臨的另一個(gè)挑戰是擁有足夠靈活性，保持與新型設備同步。長(cháng)期以來(lái)，各軍種測試智能彈藥的需求不斷?，F在需要為新型“迷你”武器、尤其是小口徑炸彈，提供測試系統。但這種需求難度很大，因為測試儀器必須與原來(lái)的武器保持后向兼容，既要增加威力又要保證密封性能。
    不論在空軍基地還是航母飛行甲板上，技術(shù)人員必須在彈藥裝載飛機之前測試其能力。這意味著(zhù)他們要為每件武器通電測試，以確保其電路和最新軟件運行良好；同時(shí)，還要測試模塊化武器的部件，如“聯(lián)合制導攻擊武器”(JDAM)尾翼，確保其正常工作。
這項工作使用的一個(gè)設備是ATK公司的通用彈藥自檢測和重新編程(CMBRE)設備，是一種測試智能武器的加固型便攜式計算機。該系統已經(jīng)使用多年，現在需要升級，以用于新型平臺。
    由于聯(lián)邦計劃人員仍然為小型智能武器協(xié)議選擇通用標準，因此測試儀制造商在2~4年內不會(huì )投產(chǎn)最新產(chǎn)品。
    同時(shí)，測試儀器性能必須有所提高。我們需要更多的軟件、更快的數據傳輸速率和新的通信協(xié)議。因為新型武器將使用新的數據總線(xiàn)，如小口徑炸彈使用EBR(增強比特速率)1553總線(xiàn)。在后續產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，ATK公司工程師將設計帶有寫(xiě)保護內存的CMBRE設備，防止病毒入侵，提高安全性，使之與Windows XP和標準DOS操作系統相兼容。
    從長(cháng)遠觀(guān)點(diǎn)看，CMBRE設備將具有足夠的靈活性，在各種武器中都能發(fā)揮作用，因為用戶(hù)能將PCMCIA卡輕松地插入到武器的主承包商提供的武器專(zhuān)用軟件中。這些卡還擁有大量?jì)却?，使CMBRE容易脫密，因為CMBRE不存儲任何機密數據。其面臨的挑戰仍是減少重量，成為便攜式產(chǎn)品，同時(shí)保留其環(huán)境屏蔽，尤其是屏蔽航母甲板上強烈的電磁干擾信號。