混合總線的飛行器測試系統設計*

郝大力，彭濤，李金波，潘澤華

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

飛行器綜合測試系統用于在地面完成對飛行器功能和性能檢測、驗證，隨著被測飛行器的復雜性的不斷提升，對測試系統的要求也隨之不斷提高。

儀器總線連接著測試系統內的設備，承擔著測試系統數據傳輸和控制的重要功能[1-2]，目前飛行器測試系統使用主要的儀器總線包括VXI(VMEbus extension for instrumentation)，PXI(PCI extension for instrumentation)，LXI(LAN extension for instrumentation)等總線。

混合總線測試系統，就是在一個測試系統中集成多種儀器總線的設備。采用混合總線測試系統，可發揮不同總線測試平臺的優點，節約經費，提供系統的靈活性，縮短測試系統開發時間。

1 相關測試系統簡介

1.1 單一總線測試系統

VXI總線[3]和PXI總線分別由VME(versa module eurocard)總線和PCI(peripheral component interconnect)總線擴展而來[4]，采用VXI/PXI總線作為儀器總線測試系統的優點：由于共用機箱，相比于堆疊式儀器組成的測試系統，VXI/PXI總線測試系統集成度更高，占用的機柜空間體積小；由于共用機箱內的背板，使用觸發和同步功能較方便；由于是前插拔、模塊化的形式，VXI/PXI總線系統的使用和維護很方便。VXI/PXI單一總線測試系統缺點：對于模塊化儀器無法實現的，如采樣率較高、存儲深度較大的示波器，以及一些飛行器專用測試設備，還需要增加臺式儀器，新增的臺式儀器與VXI/PXI模塊之間不容易進行同步、觸發；擴展能力受限于所用機箱的槽數，一旦機箱插滿模塊，即使系統只需再增加一塊插卡，也需要再增加另一臺機箱[5]。

LXI總線是一種基于以太網(ethernet)技術的測試系統體系結構，借助了網絡技術的快速發展和交換機、TCP/IP協議等的廣泛應用，取得了快速發展。采用LXI總線作為儀器總線的測試系統線的優點：易于使用，具有LAN口的測試設備開發和測試系統集成都較為方便；數據傳輸速率高，若采用百兆網,傳輸速度可達11.9 MB/s；若采用LXI標準推薦的千兆網,可達119 MB/s；易于建立分布式系統，以太網連接可以跨越100 m對等層，使用路由器可以覆蓋200 m的半徑，或者使用光纖接口可以延伸到數千公里。LXI單一總線測試系統缺點：占用的機柜空間體積較大；無法使用已有的總線模塊[6]。

1.2 混合總線測試系統

采用LXI-VXI混合總線測試系統，在VXI機箱中選擇具有LAN口的零槽控制器，把VXI總線設備通過路由器或交換機接入LAN，可以方便地組成混合總線，如圖1所示，同時發揮VXI總線集成度高和電磁兼容性好，LXI總線系統集成方便、數據吞吐率高的特點，可以選用已有的VXI總線模塊，降低測試系統的開發時間和風險[7]。

圖1 LXI-VXI混合總線系統Fig.1 LXI-VX hybrid bus test system

2 測試儀系統設計

2.1 測試系統總體框架設計

測試系統采用網絡連接主控計算機和各測試設備，主控計算機、VXI機箱(內置VXI模塊)、數字多用表、示波器、運動激勵設備、能源激勵設備、微波激勵設備、光電激勵設備通過交換機接入測試系統的網絡中。主控計算機是測試設備的控制部分，主要是控制系統內部測試設備，運行測試軟件，完成測試流程的控制，測試數據的判斷、存儲、顯示和處理。主控計算機選用了工控機。VXI機箱選用安捷倫13槽機箱E8403A，零槽控制器選用VTI公司的EX2500，數字多用表選用安捷倫公司的L4411A，示波器選用安捷倫公司的DSO6054L，電源選用安捷倫N8737A。測試系統如圖2所示。

測試系統包括以下部分：

(1) 網絡層：采用標準以太網口和TCP/IP協議，將測試計算機、測試儀器、激勵設備統一連接到以太網中。

(2) 儀器層：通過EX2500零槽控制器，VXI總線的儀器設備接到了網絡層，貨架儀器及包括運動激勵、能源激勵、微波激勵和廣電激勵設備直接接到網絡層。

(3) 任務層：包括與被測飛行器的軟硬件接口、通訊協議、激勵方式。

測試系統采用通用接口加專用適配器的形式，對應不同型號的被測飛行器，采用不同的專用適配器和電纜[8-10]。被測信號通過固定在信號適配組合上的信號適配器，連接綜合測試系統中的各種測試資源，形成適應不同測試對象的通用接口，如圖3所示。信號適配器負責將不同型號飛行器的信號按照統一的規范接入信號適配組合中，并接入繼電器開關、數字多用表、A/D模塊、示波器等測試設備。

圖2 測試系統組成框圖Fig.2 Architecture of test system

圖3 接收器布局圖Fig.3 Architecture of receiver

2.2 零槽控制器的應用

混合總線測試系統的零槽控制器需要滿足LXI規范，同時對VXI系統提供資源管理。EX2500零槽控制器是第1款基于滿足LXI規范的VXI零槽控制器，除了可以完成傳統的VXI零槽控制器的功能外，還將LXI的關鍵特征引入VXI總線設備，如：以太網接口，IEEE-1588 PTP精密時鐘協議，LXI硬件觸發總線，Web頁面等。提供了將已有VXI設備與新的LXI技術相結合的手段，通過LAN網將VXI總線擴展到一個外部主機上。該零槽控制器，有2個對外的觸發接口，一個是以8通道多點LVDS(multipoint-low voltage differential signaling)信號系統為基礎的LXI觸發總線接口，另一個是VXI總線觸發總線的接口，可以將背板VXI標準的8條并行TTL(transistor transistor logic)觸發線通過前面板擴展到多個機箱。板上載有高精度時鐘(TCXO和OCXO)，支持IEEE 1588(percision time protocol,PTP)同步，也可從外部輸入時鐘和觸發信號。軟件遵循VXI 3.0及LXI A類規范，兼容NI及Agilent VISA[11]。

在使用EX2500零槽控制器后，VXI通訊模塊出現數據寫入寄存器后丟失，經過排查，發現安捷倫零槽控制器EX8491和VTI零槽控制器EX2500A的數據總線均有抖動現象，但EX2500A的總線抖動幅度更大，寬度更寬，為解決該問題，在FPGA中對數據總線進行了數字濾波，采用數字濾波后，未再出現數據丟失。

2.3 軟件設計與應用特點

測試軟件采用框架+插件模式實現。框架在運行時動態地載入插件，負責插件的加載和管理，是插件的容器；插件是一種結構化組件，是為一組滿足特定功能的組件集合，插件是功能的實現和擴展，可以與宿主程序交互并為其提供特定的功能[12-13]。通過該方式軟件在框架了預留了功能擴展點(extension point)，具體功能實現在插件中，開發人員遵循擴展點定義的規范，創建各種不同的功能插件，實現整個軟件的擴展功能。

測試系統軟件結構如圖4所示。整個測試軟件分為2個部分，測試流程配置部分和測試操作部分。測試流程負責配置測試儀器的操作配置和數據處理方式配置；測試操作負責執行儀器操作和數據處理操作及數據顯示和存儲。

圖4 軟件結構圖Fig.4 Architecture of software

通過動態鏈接庫(dynamic link library,DLL)和組件對象模型(component object model，COM)2種方式可實現插件。DLL是一種具有一定功能的可執行軟件模塊,雖然它本身不能獨立運行,但是它可以輸出函數或類,通過其他能獨立的程序(宿主程序)可以調用它的內部功能。亦是在Windows系統中實現軟件組件重用的方法,在DLL中,集中實現插件,只需用戶花少量的時間熟練有關插件的調用規則及編程規則,就可進行插件設計與開發。COM是一種以組件為發布單元的對象模型,這種模型使各軟件組件可以用一種統一的方式進行交互。COM既提供了組件之間進行交互的規范,也提供了實現交互的環境，由于同類插件一般有統一的調用接口，因此也要使用COM技術作為開發插件的基礎。在本測試系統中，采用了DLL方案。

EX2500的驅動函數使用了安捷倫VISA(agilent VISA)編寫，對于用Agilent VISA開發VXI總線模塊驅動的系統，需要安裝安捷倫VISA并將其設為主要VISA(primary VISA)，對于用NI VISA開發VXI總線模塊驅動的系統，需要安裝Agilent VISA,NI VISA，并將Agilent VISA設置為次要的VISA[2]。在完成EX2500驅動安裝后，通過EX2500連接到LAN的VXI模塊顯示在VXI0下，其他LXI總線設備顯示在LAN下，如圖5所示[14]。

3 改進方向

購置的安捷倫N8737A電源為LXI C類設備、研制的目標模擬器，具備LAN接口，不具備物理觸發和IEEE 1588 精密時間協議(PTP)同步的功能。在測試系統使用中需要同步控制不同的設備，目前采取的方法是將對相關設備的控制封裝在一個動態鏈接庫中，在使用中調用動態鏈接庫，同步精度可以達到毫秒級，但這種控制方式不靈活，實現的同步精度有限。后續考慮采用安捷倫的E5818A LXI B類觸發盒，可以通過PTP同步，為LXI C類儀器增加B類儀器的定時能力，使同步精度可以達到13～100 ns[15]。

圖5 EX2500配置界面Fig.5 Configuration interface of EX2500

測試系統中選用的貨架產品電壓表、示波器、電源等支持IVI(interchangeable virtual instrument)驅動，受到設備廠家驅動開發能力的限制，研制的設備如通訊板、目標模擬器等沒有開發IVI驅動，不同廠家開發儀器的軟件可移植性不好，通訊板、目標模擬器類的設備有待進一步開發IXI驅動。

4 結束語

通過對飛行器的測試，證明本測試系統穩定可靠，可以滿足飛行器測試的需要。相關設計可以為飛行器測試系統設計提供參考，并在測試系統設計中進行應用和推廣。在今后改進同步控制方式和驅動后，可以更好地完成對飛行器的測試。