一種便攜式低成本通用并行測試設備研制

盧寧波,齊 亮,姜澤偉

(北京機電工程研究所 綜合保障技術研究中心，北京 100074)

0 引言

自動測試系統(ATS，automatic test system)作為各型裝備技術陣地保障系統，通常具備被測對象(unit under test，UUT)所需的全部儀器儀表資源、激勵信號，主要實現對UUT的自動測量與數據處理，包括狀態實時監測、性能考核、智能診斷、風險評估、數據回放與輸出等[1-3]。現行武器裝備測試系統尤其是批量生產線測試環節仍主要采用傳統一對一測試模式，僅能通過不斷增投測試設備以配合保障大批量復雜裝備的研制工作，該方式在導致成本大幅增加的同時，卻并不能顯著提升裝備研制效率，投入產出比難以適應當代國防領域對成本、效率、保障能力的高要求。

隨著信息化戰爭作戰強度大、消耗大、技術含量高、機動性強、速決性強等特點被逐漸認知，如何高效地完成保障任務、提高武器裝備戰備完好性，已成為近些年各國裝備建設中關注的重要問題。由于傳統測試設備一對一的測試模式直接限制了武器系統批量生產線、技術陣地保障的工作效率，已不能滿足當今高技術武器裝備規模的不斷擴大及裝備保障需求的持續快速增長，且機柜式的設計方案使得傳統測試設備在成本控制、機動性等方面毫無優勢可言[4]。因此，裝備保障體系對一種低成本、便攜、通用、多臺/套產品并行自動測試設備的需求變得迫在眉睫。

本文設計的基于CPCI總線便攜式并行測試設備在嚴格控制成本的前提下大幅提升了單機測試設備的便攜性能，令單兵操作批量維護保障成為可能，同時1～4臺裝備同步并行自動測試的實現從根本上解決傳統批量生產線、保障體系中測試環節成本高、效率低的問題，在各個試驗環節大幅提升測試效率的同時極大減少人力資源的投入。此外，由于資源種類、數量預留豐富，該設備亦具備多型裝備通用的突出優勢。

1 系統結構及原理

1.1 設計目標

測試設備作為武器系統二級維護設備，是軍事作戰及裝備綜合保障中的重要一環，在武器裝備研制、定型、部隊使用等各階段完成對裝備功能、性能測試以及其它技術準備任務，測試設備的可靠性、保障能力對于減少武器裝備檢測與維護時間、提高作戰機動性與靈活性、快速適應未來軍事斗爭的挑戰有著重要意義[5]。

為徹底解決傳統機柜式測試設備、測試模式的弊端，提升測試設備性能并滿足單兵操作、多型共用、靈活高效、價格低廉、保障能力突出等需求，本文設計的新型測試設備具備如下功能及特點：

1)三化程度高、資源豐富，測試覆蓋率高；

2)柔性設計，使用靈活、通用性強、具備一定擴展能力；

3)軟硬件支持多套裝備隔離并行測試，互不干擾；

4)測試數據實時智能判讀，故障診斷性能優越；

5)整機尺寸小、重量輕，配合高強度包裝箱，便于單兵操作；

6)總線架構成熟且成本低廉，執行效能優勢突出；

7)人機界面友好、使用便捷、質量穩定可靠、保障能力強。

1.2 總線選型

目前測試領域公認技術成熟且被廣泛使用的常見總線類型有VXI、PXI、CPCI。

VXI：基于VMEbus，利用通用接口實現各儀器儀表功能，提升系統集成度的同時促進了成本、系統體積在一定程度上的控制，曾在20世紀末與21世紀初得以推廣，但因其無法保障終端客戶對主流軟件的使用需求以及依舊高昂的成本與有限的性能，近年來逐漸在高端應用測試領域被PXI、CPCI總線替代。

CPCI：快速成長的工業總線架構之一，采用廣受歡迎的PCI接口，并且將這個接口涵蓋在一個較小且堅固的套件內。最顯著的改變就是Eurocard標準化裝置規格，可容納8個插槽，改善了現存的PCI技術，并為工業運算提供了更為堅固、更好執行效能的解決方案。

PXI：建立在CPCI核心規格上，定義了更多的機構、軟件以及電氣方面的需求，廣泛應用于測量及自動化工業領域中。PXI與CPCI批次之間具有交換兼容性，但PXI受制于工業應用要求，相對CPCI價格明顯昂貴許多。

綜上，PXI與CPCI均擁有較為明顯的性能優勢，但結合本并行測試設備低成本及各項使用需求的設計目標，本設備選用性價比更高的CPCI總線。

1.3 系統架構

本設備采用異構體系、標準底板與新研兩型多功能復合板卡相結合的設計思路，硬件資源集成度更高，同時可以保障設備的小型化、輕量化。加固機箱配專用接口板組成自動測試設備主機，該架構中主板、功能板及總線底板通過穩定性非常高的針孔連接器以及導軌結構固定，自身具有非常高的可靠性，在抗振動沖擊、防氧化等方面具有良好的效果，同時加固箱既是儀器設備箱又可兼顧一定程度包裝箱的作用，箱體由強化材料制成，配置減震機構，具有良好的減震和密封性能，搬運方便。整個測試設備非常容易展開和撤收，更便于運輸和機動保障。

測試設備前主機板選用凌華CPCI-6940，后主板選用凌華CPCI-R6002，為整套測試系統提供強有力的8核中央處理器及2個Gbe、1個COM、2個USB3.0接口。總線底板選用標準6U CPCI總線底板，1個系統插槽放置主機板，7個外設插槽放置兩型復合板卡。CPCI機箱供電電源選用1U模塊電源，額定功率為300W。兩型復合板從后走線板走線，機箱內通過線纜把板上信號接入機箱側壁航插上。機箱內提供4路電源模塊，同時設計一個繼電器板控制電源輸出，繼電器板接入主板RS232端口控制，主機結構關系如圖1所示。

圖1 設備主機結構關系圖

為達到裝備共用、資源豐富、測試覆蓋率高等目的，結合武器裝備測試領域實際需求，A、B兩型復合板卡應盡可能多地具備常見采集、激勵、數字通訊等資源，如DI、DO、AD、DA、CAN、1553B、RS422、LVDS、以太網等。

為實現設備各測試通道隔離、獨立的并行測試并規避某通道意外故障時導致的通道間相互干擾，設計采用的3塊A型復合板與4塊B型復合板進行了資源分組與組間物理隔離，所有硬件資源均等分配于4個獨立的測試通道。為便于客戶端的使用便捷并簡化軟件設計復雜度，此處引入“虛擬板卡”設計思路，即在4塊B型板卡自然分組并隔離提供給4個測試通道的同時，將3塊A型板卡虛擬為4塊板卡并通過底層軟件設計實現上位機軟件的無差別調用，如此實現4個并行測試通道軟硬件接口的使用一致性。

2 系統硬件設計

2.1 機箱結構

基于便攜性設計，嚴格控制主機箱體積并保證散熱性能，選用定制機箱，盡可能壓縮體積與重量。主機箱具備如下特點：

1)機箱主體采用鋁鎂合金型材,表面噴涂可自定義；

2)便攜機箱采用下翻鍵盤的設計,安裝17寸LCD顯示器；

3)CPCI背板垂直安裝在機箱內，板卡由機箱左側垂直插入機箱，板卡插入后利用外側安裝面板進行遮擋；

4)220V模塊電源及用戶電源依次安裝背板后部；

5)機箱右側設計電源輸入插座、開關和IO接口，并根據用戶的要求設計其他接口；

6)機箱內部安裝監控模塊，監控風扇和各路電壓的工作狀態，監控顯示屏顯示；

7)機箱上部兩側設計提手，方便搬運；

8)機箱的鍵盤設計橡膠包角，機箱整體安裝橡膠墊腳，有利于對機箱的減震和保護；機箱和背板支持后IO插卡。

主機箱外觀如圖2所示。

圖2 設備主機箱外觀示意圖

2.2 A型復合板卡

A型復合板卡采用Xilinx公司的A7系列芯片XC7A100T-2FGG484作為控制單元，主要完成測試設備主機和被檢對象之間的數據采集，實現了DI、DO、AD與DA等功能。各類型資源至少被分為隔離的2組，其中1組分配給第4塊A型“虛擬板卡”調用。A型復合板卡采用CPCI-6U板卡結構，其功能如圖3所示。

圖3 A型復合板卡功能框圖

開關量信號輸入(DI)接口采用FAIRCHILD公司的HCPL0631作為主要芯片。HCPL0631光耦合器由一個AlGaAS LED組成的高速集成光檢測器邏輯門。HCPL0631輸出由CMOS工藝上的雙極晶體管組成，以降低功耗。溫度參數保證在-40～+85℃的溫度范圍內。最大輸入信號為5 mA將提供最小輸出接收電流為13 mA。內部噪聲屏蔽提供優越的共模抑制。

開關量信號輸出(DO)接口采用AXICON公司的IM03T作為主要芯片。采用微型雙刀雙擲繼電器，擁有較長的設計使用壽命，負載電流可達2 A，負載電壓可承受250 V交流、220 V直流，相比同類其他公司產品優勢明顯。

模擬量信號輸入采集(AD)主要芯片為AD7656(ADI公司16bit高精度ADC)，輸入采集頻率最高可達12 MHz、吞吐率可達250 ksps，可實現三路ADC的同步獨立采集，同時為各型MPU、DSP提供高速串口、并口以實現數據交互。

模擬量信號輸出接口(DA)主要芯片為AD5764(ADI公司16bit高精度DAC)，芯片供電電壓為±11.4～±16.5 V。四通道串行輸入、雙極性電壓輸出，滿量程標稱輸出電壓范圍±10 V，可通過串口進行編程控制。

電阻測量接口主要芯片為AD7610(ADI公司16bit高精度芯片)，采集范圍、工作模式串口可控。通過內部電路設計將采集的電阻信號轉為電壓信號，由芯片對電壓信號進行采集測量，最終根據測量結果通過軟件計算得出實際電阻值。

2.3 B型復合板卡

B型復合板卡采用Xilinx公司的K7系列芯片XC7K325T-FFG900作為控制單元，主要完成測試設備主機和被檢對象之間的通信，實現了CAN、RS422、1553B及LVDS功能，同時在板卡的空余位置額外擴展預留了一組DO作為備用資源。設備選用4塊B型復合板卡，每塊板卡單獨被各自測試通道調用。B型復合板卡同樣采用CPCI-6U板卡結構，其功能如圖4所示。

圖4 B型復合板卡功能框圖

開關量信號輸出(DO)與A型復合板卡設計方案一致，均采用AXICON公司的IM03T作為主要芯片，工作可靠穩定。

CAN總線采用PHILIPS公司的SJA1000T作為主要芯片。SJA1000T是一款獨立CAN總線控制器，多用于汽車和通用領域的局域網工業環境，其在BASIC CAN模式的基礎上，提供了一種新的操作模式-PeliCAN模式，支持CAN2.0B的新特性協議規范。支持11bit標識符和29bit標識符，位碼率高達1 Mbps，PeliCAN模式下支持讀寫介入的錯誤計數、可編程的錯誤警告門限、最新誤碼寄存器等功能。

RS422總線采用MAXIM公司的MAX3160EAP作為主要芯片。MAX3160是可編程的RS232/485/422多協議收發機，引腳可配置為2Tx/2Rx RS232接口或單個RS485/422收發器。斜率限制使EMI最小化并減少由不當端接的電纜引起的反射，允許高達250 kbps的無差錯數據傳輸，禁用旋轉速率限制，允許設備在RS485/422模式下以高達10 Mbps的數據速率傳輸，并具有1A關機特性模式、短路限制和熱停機防止過度損耗電纜。

1553B總線采用HOLT公司的HI-1573作為主要收發處理芯片。HI-1573是一款基于CMOS工藝設計的低功耗雙冗余MIL-STD-1553標準的收發處理器。每個通道的發射機部分采用互補的CMOS/TTL數字輸入數據，將其轉換為適于驅動總線隔離變壓器的雙曼徹斯特碼1553信號，為每個發射機提供獨立的發射機抑制控制信號。HI-1573系列數據傳送器包含差分源驅動發送器和差分接收器，被廣泛應用于MIL-STD-1553 A/B標準的數據總線，該器件在傳輸過程中產生梯形輸出波形。

LVDS總線采用MAXIM公司的MAX9218作為接收芯片，采用MAX9247作為發送芯片。MAX9218是數字視頻串并轉換器，在數據階段，LVDS串行輸入被轉換為18位并行視頻數據，相位輸入被轉換為9位并行控制數據，MAX9247為數字視頻并行并串轉換器，對串行接口進行編碼和多路復用。與MAX9218搭配使用，完成對視頻數據的串并轉換、并串轉換。兩款芯片的ESD靜電放電容限均為±10 KV接觸放電與±30 KV空氣放電。

2.4 程控電源

采用內置機箱結構形式，位于測試設備主機內后部，電源輸入為標準AC 220V，輸出4路直流電壓值可通過軟件調節，程控電源前后面板分別如圖5、6所示。

圖5 程控電源前面板示意圖

圖6 程控電源后面板示意圖

程控電源4路直流電壓輸出通過供電控制繼電器被分為8路，每2路為1組供一個測試通道使用，4組8路輸出電壓組間隔離、組內不隔離，由主機板通過RS232程序控制每路通斷狀態。

為滿足不同被測對象對直流供電的特殊需求(如特殊額定電壓、電流等)，本便攜式低成本通用并行測試設備航插側壁設計有直流供電輸入接口，可通過供電控制繼電器板將提供給被測對象的直流供電由測試設備內部電源轉為來自測試設備外部輸入接口的供電。控制板選用SONGLE繼電器，型號SLA-24VDC-C-30A，繼電器典型電壓為24 V，供電為28 V，可通過10 A電流，其原理如圖7所示。

圖7 供電控制繼電器板原理圖

2.5 接口方案

從圖1的設備主機連接關系可知，本便攜式低成本通用并行測試設備主機設置12個對外連接插座，分別定義為X1～X12，各連接器型號及功能分配如表1所示。

表1 便攜式測試設備主機對外接口

3 系統軟件設計

3.1 軟件結構

圖8 軟件結構示意圖

隨著單核處理器功耗、散熱缺陷的日益突出，僅靠提升主頻來提升CPU性能的方式逐步被Intel、AMD等供應商拋棄[6]，處理器的專項研發重點由高頻逐漸轉向多核。多核處理器可以實現單位時間內處理性能明顯提升的同時，保持在相對低功耗與低散熱狀態，其應用環境也愈加廣泛[7-8]。

通過分析對比處理器高頻與多核的優缺點、結合當前處理器發展現狀，并依據武器裝備快速檢測需求開展并行測試軟件設計，開發基于多核CPU的新型多線程并行檢測技術。通過專用并行測試軟件設計，合理分配CPU“核”與線程的綁定關系，在減少系統資源時空開銷的同時，提高cache利用率，更好地實現程序靜態負載平衡，保證程序多線程間并發進行，建立高加速系數并行測試平臺，研發多核多線程并行管理技術并形成新型并行測試專用函數模塊，同時將并行測試過程中常見的線程starvation、cache撲空、convoying效應、線程阻塞、時間片強制等待[9-11]等問題一并徹底解決，保證了產品軟件設計質量，并成功避免并行測試設備實際使用過程中由于上述問題導致的研產任務中斷。上下位機軟件結構如圖8所示。

3.2 新型并行測試通用軟件平臺

通用平臺軟件開發于中文版WINDOWS 7操作系統，以VC6.0作為開發平臺，采用測試流程與軟件程序分離的方式開發，平臺具有與被測對象無關的特點，只有裝備測試流程庫直接與被測對象相關，軟件設計時根據測試流程填寫專用測試流程庫，可由不同的開發人員根據同一規則同時填寫。

并行測試通用軟件平臺對傳統的通用軟件平臺架構完成重新搭建，為實現高效、并行、多型裝備混合編制測試任務，新研平臺綁定四個不同的測試流程庫，分別執行對應的測試序列，通過線程綁定與WINDOWS動態分配相結合的策略規避并行測試過程中常見的平臺資源搶占與數據篡改問題。

3.3 專用函數模塊

測試流程為測試軟件設計的核心內容，每一個測試任務對應一組測試流程。在通用并行測試軟件平臺基礎上進行二次開發，加載專用的測試序列及相應的函數庫，就能完成對相關測試任務，實現測試程序與測試任務的分離，如圖9所示。

圖9 測試程序開發模式示意圖

測試執行時，測試執行程序根據讀取測試流程庫中的內容進行測試動作，測試序列執行完畢就表征完成一項測試任務。

測試流程庫中各專用函數功能模塊的開發將依據被測對象的有關測試項目、技術參數和測試保障深度等內容進行。

3.4 多核多線程并行管理技術

多核多線程并行管理技術的核心在于，將多核處理器處理的并行測試任務分解，利用SetThreadAffinityMask函數開發“核綁定”技術并將處理器的1-N個核心與多組并行執行的測試任務主線程分別物理綁定，綁定的處理器核心數N可以由多項并行測試任務均分，也可以根據各項測試任務的復雜程度進行自由支配，即指定圖9測試程序開發模式中的專用測試流程庫主線程分別關聯特定的處理器核心，并按照相應的測試序列完成對多個被測單元的隔離、獨立并行測試。

多核多線程并行管理技術工作原理為：

1)線程創建、“核綁定”、統一初始化待使用儀器資源；

2)同步并行測試時利用信號量完成多線程統一觸發；

3)并行測試任務按既定流程完成對被測對象的通訊、激勵、采集、數據整理、實時判讀；

4)利用臨界段、內核變量實現共享數據的訪問互斥；

5)測試結束后多線程軟硬件資源完全釋放。

該管理技術在“核綁定”的同時，對資源消耗相對隨機、不固定的任務采用WINDOWS動態自適應分配策略。由此可見，該管理技術的關鍵為測試任務的靜態分解、硬件資源的合理分配與綁定。多任務并行同步測試原理如圖10所示。

針對多線程并行測試最常見的共享數據篡改問題，合理采取互鎖函數(InterlockedExchangeAdd等)、臨界段(EnterCriticalSection、LeaveCriticalSection等)、互斥量(CreateMutex、WaitForSingleObject、ReleaseMutex)等策略完成互斥訪問與數據保護，同時應減少用戶態程序對內核態對象訪問時產生的時空開銷、系統開銷。

4 實驗結果與分析

本文研制的便攜式低成本通用并行測試設備配備底部帶滑輪的防水、防塵、抗摔、防腐蝕、耐高溫聚丙烯復合樹脂材料包裝箱后，為二級維護技術陣地單兵便攜操作提供了有力條件。針對某被測裝備開發專用測試函數模塊，并依托新研通用并行測試軟件平臺灌裝于本設備，完成1-4臺被測裝備大量總裝對接并行測試驗證后交付該被測裝備批量生產線，經過生產線長期、充分、頻繁實際使用考核，測試設備功能、性能穩定可靠。

歷次試驗的正確執行充分證明：

1)采用CPCI總線架構在大幅壓縮設備成本的條件下仍然能夠提供優異的執行效能；

2)異構體系與8槽標準6U CPCI總線底板結合，通過合理布局、元器件選型嚴格控制設備體積與重量，實現便攜性單兵操作；

3)軟件平臺與被測對象無關、硬件平臺資源豐富可擴展，僅通過更換測試電纜即可實現多型被測對象通用，靈活性強；

圖10 多任務并行測試工作原理圖

4)多核多線程并行管理技術實現了多臺/套被測產品的真并行測試，測試通道隔離、獨立、互不影響，工作效率顯著提升；

5)與被測對象通訊數據及被測產品內總線通訊數據的實時記錄與智能判讀凸顯設備優異的保障性能，故障診斷精準可靠。

5 結束語

本文針對現代戰爭特點及國防領域對成本、效率、保障能力等方面不斷的追求，提出研制一種便攜式低成本通用并行測試設備。圍繞總線選型與系統架構對該測試設備的總體方案開展詳盡設計，以體系結構、A型復合板卡“3仿4”、兩型復合板卡功能與性能、供電控制與接口方案為核心完成設備硬件平臺開發，研發新型通用并行測試軟件平臺、新型多核多線程并行管理技術、新型并行策略與組合數據保護機制完成對本并行測試設備的軟件支持，最終投產、總裝、調試交付后的設備經歷批量生產線長期、嚴酷的實際使用考核，有力證明了其相比于傳統地面測試設備在效率、成本、共用、機動性、保障性等方面的突出優勢，同時也為測試領域儲備了一套成熟可靠的并行測試系統方案。