基于PXI總線的通用導(dǎo)航設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王傳剛，王珍珍，張慶磊，楊 亮

（1.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島266041）

基于PXI總線的通用導(dǎo)航設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王傳剛1，2，王珍珍1，張慶磊1，楊 亮1

（1.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島266041）

本文基于實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)對(duì)空導(dǎo)航裝備主要戰(zhàn)技指標(biāo)自動(dòng)測(cè)試這一目的，采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于PXI總線技術(shù)的通用對(duì)空導(dǎo)航裝備自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)。通過(guò)對(duì)其測(cè)試需求分析、總體方案設(shè)計(jì)以及軟硬件設(shè)計(jì)等方面的詳細(xì)論述描述了該平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念及軟硬件調(diào)試方法，并最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)三型典型對(duì)空導(dǎo)航設(shè)備主要戰(zhàn)技指標(biāo)快速準(zhǔn)確的自動(dòng)測(cè)試。文章最后對(duì)機(jī)場(chǎng)對(duì)空導(dǎo)航裝備自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)研制的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

虛擬儀器；PXI；自動(dòng)測(cè)試；導(dǎo)航

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子類設(shè)備的測(cè)試技術(shù)發(fā)生了日新月異的變化，其智能化、小型化、自動(dòng)化和高速化是成為目前發(fā)展的主流方向。如今的測(cè)試設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是一堆儀器簡(jiǎn)單堆列。在經(jīng)歷了從分立儀器、GPIB、VME、VXI的變革后，目前，成熟的總線有VXI總線、PXI總線、USB總線以及LXI總線等。而隨著電子設(shè)備的不斷更新、功能不斷強(qiáng)大，必然會(huì)推動(dòng)測(cè)試技術(shù)不停的向前發(fā)展，未來(lái)的測(cè)試系統(tǒng)一方面很難利用單一總線構(gòu)成，而應(yīng)發(fā)揮各種總線的優(yōu)勢(shì)，采用復(fù)合總線的方法；另一方面也向著遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。目前，機(jī)場(chǎng)對(duì)空導(dǎo)航裝備的測(cè)試主要利用隨機(jī)配套的專用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速度較慢，對(duì)人員要求較高，嚴(yán)重制約了裝備的保障能力，而雖然基于VXI總線的測(cè)試技術(shù)在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但其仍然是主要應(yīng)用在對(duì)性能要求比較高的大型電子設(shè)備的測(cè)試過(guò)程中，成本昂貴成為其應(yīng)用的主要制約因素，尤其對(duì)于小型電子設(shè)備來(lái)說(shuō)更是如此[1]。同時(shí)，對(duì)空導(dǎo)航裝備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的需求也越來(lái)越急迫，因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程復(fù)雜、測(cè)試周期較長(zhǎng)已嚴(yán)重影響到對(duì)空導(dǎo)航的保障能力。隨著PXI總線技術(shù)的發(fā)展，PXI測(cè)量模塊的性能也得到了長(zhǎng)足的改進(jìn)，其性價(jià)比高、易開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)成為許多小型設(shè)備自動(dòng)測(cè)試的首選。文中主要介紹了一種基于PXI總線的導(dǎo)航設(shè)備通用檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)。

1 測(cè)試需求分析

要設(shè)計(jì)一個(gè)通用自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，首先要進(jìn)行測(cè)試需求分析，只有對(duì)要測(cè)試的設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的分析，梳理出要測(cè)試的參數(shù)及參數(shù)的有關(guān)特性，然后根據(jù)分析的結(jié)果選擇相應(yīng)的測(cè)試模塊或者對(duì)應(yīng)的臺(tái)式測(cè)試儀器。本通用檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)是能同時(shí)滿足測(cè)試多型導(dǎo)航設(shè)備，主要參數(shù)包括各型設(shè)備的工作頻率、功率、頻率穩(wěn)定度、脈沖間隔等，并且工作頻段跨度較大，有的工作于中波頻段，有的工作于微波階段，最低頻率只有幾百千赫茲，最高頻率達(dá)到將近10 GHz，因此測(cè)試模塊的選取顯得尤為重要。

其中一個(gè)多型設(shè)備共有的指標(biāo)——調(diào)幅度為例來(lái)進(jìn)行分析。調(diào)幅度是指對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制的載波的幅度，同時(shí)被調(diào)幅的信號(hào)的包絡(luò)線的幅度也等于調(diào)幅度。調(diào)幅度的測(cè)量對(duì)許多設(shè)備來(lái)說(shuō)是非常重要的，如何精確的測(cè)量調(diào)幅度很大程度上直接關(guān)系到設(shè)備通信的性能以及通信距離的大小等，而要精確的測(cè)量調(diào)幅度首先就要選擇適當(dāng)?shù)腜XI測(cè)試模塊，通常選擇此類模塊應(yīng)該首先從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：帶寬、采樣速率、采樣模式、動(dòng)態(tài)范圍以及分辨率等。一是帶寬，一般情況下，模塊帶寬應(yīng)至少為被測(cè)信號(hào)最高頻率的2倍，否則信號(hào)就會(huì)失真，導(dǎo)致信號(hào)測(cè)量不準(zhǔn)確；二是采樣速率，所謂采樣速率就是模塊化儀器將采樣信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換 （ADC）時(shí)的時(shí)鐘頻率，雖然采樣速率同上面分析的指標(biāo)—帶寬，沒(méi)有直接的關(guān)系，但為了使信號(hào)不失真，根據(jù)奈奎斯特定理規(guī)定，為了使信號(hào)不重疊，采樣速率至少為帶寬的兩倍，在實(shí)際應(yīng)用中通常遵循這樣一種關(guān)系，采樣速率等于3～4倍帶寬，具體采樣速率的大小對(duì)采樣后的信號(hào)影響效果如圖1所示，從圖1可以明顯看出，對(duì)于相同的被測(cè)信號(hào)，采樣速率越大，效果越好，當(dāng)然也要考慮資源及成本問(wèn)題。3是分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，由ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)后返回的比特?cái)?shù)就是分辨率，測(cè)量信號(hào)幅度越小需要的模塊分辨率就越高[2]，也就是說(shuō)，高分辨率的儀器模塊適合測(cè)量小幅度信號(hào)，當(dāng)信號(hào)同時(shí)具有大信號(hào)和小信號(hào)分量時(shí)，這時(shí)對(duì)儀器的動(dòng)態(tài)范圍就有了要求，因此，對(duì)于涉及到動(dòng)態(tài)信號(hào)應(yīng)用就需要較高的動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率。其它指標(biāo)依據(jù)上述分析思路進(jìn)行需求分析即可，這里不再贅述。

圖1 采樣速率對(duì)信號(hào)影響效果示意圖

2 檢測(cè)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)通常由自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 （ATE）、測(cè)試程序（TPS）和檢測(cè)環(huán)境（TE）3部分組成。通過(guò)三者的配合自動(dòng)完成設(shè)備測(cè)試功能。其中，軟件起到核心作用，并且有著“軟件即儀器”的說(shuō)法。在具備相同的硬件測(cè)試模塊的情況下，改變軟件的設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試功能，從而搭建出對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行測(cè)試的檢測(cè)平臺(tái)，極大的縮短了檢測(cè)平臺(tái)的研制周期，降低了開發(fā)成本，尤其對(duì)于更新?lián)Q代比較快的設(shè)備顯得優(yōu)勢(shì)更加明顯。具體到不同設(shè)備的測(cè)試需求不同，尤其是要設(shè)計(jì)出可以同時(shí)滿足多種型號(hào)的設(shè)備測(cè)試時(shí)，針對(duì)一些不同設(shè)備的參數(shù)指標(biāo)，有時(shí)現(xiàn)有PXI模塊很難滿足要求，針對(duì)設(shè)備高頻率、大功率等參數(shù)的測(cè)試需求，我們選取了配套的高性能臺(tái)式儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，也就是采用混合的測(cè)試總線技術(shù)進(jìn)行集成。

本測(cè)試平臺(tái)測(cè)試軟件采用了由NI公司開發(fā)的圖形化編程開發(fā)平臺(tái)Labview[3-4]，又稱G語(yǔ)言。該軟件具有與滿足GPIB、RS-232、VXI和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣，并可產(chǎn)生可獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行性文件。尤其對(duì)于非專業(yè)的編程技術(shù)人員，大大縮短了開發(fā)周期，提高了工作效率。

檢測(cè)環(huán)境采用的是接口適配器，由于測(cè)試對(duì)象沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的接口，針對(duì)每型設(shè)備不同的特點(diǎn)，為每型導(dǎo)航設(shè)備自主設(shè)計(jì)配套的接口適配器。從而使被測(cè)設(shè)備和測(cè)試平臺(tái)之間可以進(jìn)行信號(hào)的鉸鏈，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。

硬件平臺(tái)采用便攜式平臺(tái)、擴(kuò)展功能模塊（如數(shù)字化儀、微波開關(guān)模塊、數(shù)字萬(wàn)用表模塊、任意波形發(fā)生器模塊、示波器模塊等）實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換、通斷控制、信號(hào)采集等功能。該平臺(tái)采用PXI總線技術(shù)[5-6]實(shí)現(xiàn)硬件資源的控制與管理，以軍用貨架產(chǎn)品（MOTS）為設(shè)計(jì)理念，并針對(duì)設(shè)備所處的使用環(huán)境和儲(chǔ)運(yùn)條件。在機(jī)械性能、散熱性、EMC/EMI性以及三防等方面作出了特別的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件模塊組成

該通用檢測(cè)平臺(tái)采用加固型下翻式一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)箱內(nèi)置LCD顯示屏、鍵盤及觸摸板并集成一體化。機(jī)箱內(nèi)提供3U標(biāo)準(zhǔn)型PXI結(jié)構(gòu)安裝方式，預(yù)留有較大空間裝配衰減器、適配器等通過(guò)航插測(cè)試信號(hào)接口，整體機(jī)箱美觀、實(shí)用、可靠，具體組成示意圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)平臺(tái)組成示意圖

3.2 主要模塊功能

1）控制器：采用了符合PXI規(guī)范的3UPXI系統(tǒng)控制器，該控制器基于集成Intel CoreI3/I5/I7處理器，實(shí)現(xiàn)PXI總線控制與訪問(wèn)，能夠滿足PXI設(shè)備模塊所需要系統(tǒng)控制器的要求。

2）數(shù)字化儀：采用標(biāo)準(zhǔn)3U PXI模塊PXI-5122，具有100 MS/s最大實(shí)時(shí)采樣率，高達(dá)2.0 GS/s等效時(shí)間采樣，可采集2 mV至100 V范圍的波形信號(hào)，用于測(cè)量調(diào)幅信號(hào)等有關(guān)參數(shù)。

3）數(shù)字萬(wàn)用表模塊：采用了基于PXI總線的五位半數(shù)字萬(wàn)用表模塊，可對(duì)電壓、電流、電阻、頻率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，且有自動(dòng)量程、過(guò)載保護(hù)等功能。與矩陣模塊配合使用，可以完成多個(gè)通道信號(hào)測(cè)試。

4）微波開關(guān)模塊：采用了一個(gè)18 GHz的微波開關(guān)模塊。具有射頻通道切換功能，具有損耗小、通道駐波比小、開關(guān)承受功率大、軟件驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)。

5）示波器模塊：采用8通道3UPXI標(biāo)準(zhǔn)模塊，具有并行同步數(shù)據(jù)采集功能，該模塊采用DMA設(shè)計(jì)，可以高速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，大大縮短測(cè)試時(shí)間。

6）任意信號(hào)發(fā)生器模塊：模塊設(shè)計(jì)最大輸出頻率可達(dá)10 MHz，可輸出正弦波、方波、三角波和其它任意波形。最大可存儲(chǔ)波形數(shù)2×107.可支持單次、連續(xù)和任意波形序列輸出。

7）機(jī)箱：采用了12槽PXI便攜式一體化機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)安裝12槽背板與電源模塊，提供1個(gè)系統(tǒng)槽和11個(gè)外圍卡槽，250 W電源，可為系統(tǒng)提供可靠的電源。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 開發(fā)環(huán)境

該檢測(cè)平臺(tái)開發(fā)系統(tǒng)為Windows XP。選用的開發(fā)工具是Labview軟件，Labview軟件具有良好的人機(jī)交互界面[2]。此軟件最早就是為了測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)開發(fā)的，因而該軟件也最廣泛的應(yīng)用在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域。目前，大多數(shù)主流的測(cè)試測(cè)量?jī)x器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備針對(duì)Labview都擁有專門的驅(qū)動(dòng)程序，使用它可以非常方便的控制這類硬件設(shè)備，并且在測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中不用專門的寫通信協(xié)議語(yǔ)句。軟件中攜帶的工具包幾乎滿足用戶所需的全部功能，用戶以這些工具包為依托進(jìn)行程序開發(fā)就事半功倍了，一般情況下，只要簡(jiǎn)單調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，就可以完成一個(gè)測(cè)試應(yīng)用程序的編寫工作。

4.2 底層驅(qū)動(dòng)與接口通訊

從邏輯結(jié)構(gòu)分，此平臺(tái)軟件共分為三層，分別為設(shè)備層、接口層、應(yīng)用層。如圖3所示。

圖3 軟件的邏輯結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備為硬件設(shè)計(jì)中所提到的各PXI模塊，該層提供一組訪問(wèn)接口，以用于對(duì)各硬件設(shè)備的識(shí)別與控制，還可提供上層軟件的可移植性。

接口層介于設(shè)備與軟件層之間，主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與設(shè)備層間接口通訊，通過(guò)這些接口，可靈活配置系統(tǒng)規(guī)模。

應(yīng)用層為軟件功能，包括硬件設(shè)置、參數(shù)設(shè)置與存儲(chǔ)、流程模擬狀態(tài)顯示等功能。

4.3 典型參數(shù)調(diào)幅度測(cè)量舉例

PXI-5122是用于測(cè)量調(diào)幅度的核心硬件模塊，本文中采用的是單通道即時(shí)觸發(fā)模式，以便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)采樣，具體采集示意圖如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集示意圖

5結(jié) 論

文中從測(cè)試需求、總體硬件和軟件設(shè)計(jì)等方面描述了基于PXI總線技術(shù)的通用導(dǎo)航設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了多型導(dǎo)航設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試功能。該測(cè)試平臺(tái)還充分利用了復(fù)合總線技術(shù)，對(duì)有特殊要求的參數(shù)測(cè)量通過(guò)GPIB總線和USB總線等技術(shù)外掛了相應(yīng)的高性能獨(dú)立臺(tái)式儀器，取得了較好的測(cè)試效果[7]。但該平臺(tái)也存在一些問(wèn)題，如不具備遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)測(cè)試功能、對(duì)于性能要求比較高的參數(shù)測(cè)量，考慮到成本等因素，沒(méi)有通過(guò)PXI模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)GPIB總線技術(shù)控制臺(tái)式儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的，該平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)不夠徹底，測(cè)試實(shí)時(shí)性受到一定程度的限制。未來(lái)，一方面我們可以針對(duì)許多設(shè)備位置相對(duì)固定且距離比較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，可以考慮依托固有網(wǎng)絡(luò)對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程在線測(cè)試，也就是充分利用LXI總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化。另一方面，可以采用目前PXI技術(shù)新的研究成果，使該通用檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)一步模塊化設(shè)計(jì)，提高自動(dòng)測(cè)試的速度和測(cè)試數(shù)據(jù)精度。

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A design of testing platform of general navigation equipment based on PXI

WANG Chuan-gang1，2，WANG Zhen-zhen1，ZHANG Qing-lei1，YANG Liang1
（1.Institute of Electronics Engineering，Xi′an Univercity of Electronic Sicence and Technology，Xi'an 710075，China；2.Qingdao Campus，Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao 266041，China）

In this paper，a universal airport to air navigation equipment testing platform is designed with using virtual instrument technology for the purpose of testing the main technical indexes of the air navigation equipment at the airport Automatically.Through the detailed analysis of test requirement，the overall design and hardware and software design，this paper describes the design idea and the method of the debug of the Software and hardware.And an automatic testing platform of the main technical indexes of the three typical airport navigation equipment is designed successfully.Finally，the development direction of the airport navigation equipment testing platform are discussed.

virtual instrument；PXI；automatic test；navigation

TN98

A

1674－6236（2016）18-0069-03

2015-09-07 稿件編號(hào)：201509054

王傳剛（1979—），男，山東臨沭人，碩士研究生，講師。研究方向：通信與導(dǎo)航、嵌入式技術(shù)。