混合总线的飞行器测试系统设计*

2019-03-12郝大力彭涛李金波潘泽华

现代防御技术 2019年1期

郝大力，彭涛，李金波，潘泽华

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

飞行器综合测试系统用于在地面完成对飞行器功能和性能检测、验证，随着被测飞行器的复杂性的不断提升，对测试系统的要求也随之不断提高。

仪器总线连接着测试系统内的设备，承担着测试系统数据传输和控制的重要功能[1-2]，目前飞行器测试系统使用主要的仪器总线包括VXI(VMEbus extension for instrumentation)，PXI(PCI extension for instrumentation)，LXI(LAN extension for instrumentation)等总线。

混合总线测试系统，就是在一个测试系统中集成多种仪器总线的设备。采用混合总线测试系统，可发挥不同总线测试平台的优点，节约经费，提供系统的灵活性，缩短测试系统开发时间。

1 相关测试系统简介

1.1 单一总线测试系统

VXI总线[3]和PXI总线分别由VME(versa module eurocard)总线和PCI(peripheral component interconnect)总线扩展而来[4]，采用VXI/PXI总线作为仪器总线测试系统的优点：由于共用机箱，相比于堆叠式仪器组成的测试系统，VXI/PXI总线测试系统集成度更高，占用的机柜空间体积小；由于共用机箱内的背板，使用触发和同步功能较方便；由于是前插拔、模块化的形式，VXI/PXI总线系统的使用和维护很方便。VXI/PXI单一总线测试系统缺点：对于模块化仪器无法实现的，如采样率较高、存储深度较大的示波器，以及一些飞行器专用测试设备，还需要增加台式仪器，新增的台式仪器与VXI/PXI模块之间不容易进行同步、触发；扩展能力受限于所用机箱的槽数，一旦机箱插满模块，即使系统只需再增加一块插卡，也需要再增加另一台机箱[5]。

LXI总线是一种基于以太网(ethernet)技术的测试系统体系结构，借助了网络技术的快速发展和交换机、TCP/IP协议等的广泛应用，取得了快速发展。采用LXI总线作为仪器总线的测试系统线的优点：易于使用，具有LAN口的测试设备开发和测试系统集成都较为方便；数据传输速率高，若采用百兆网,传输速度可达11.9 MB/s；若采用LXI标准推荐的千兆网,可达119 MB/s；易于建立分布式系统，以太网连接可以跨越100 m对等层，使用路由器可以覆盖200 m的半径，或者使用光纤接口可以延伸到数千公里。LXI单一总线测试系统缺点：占用的机柜空间体积较大；无法使用已有的总线模块[6]。

1.2 混合总线测试系统

采用LXI-VXI混合总线测试系统，在VXI机箱中选择具有LAN口的零槽控制器，把VXI总线设备通过路由器或交换机接入LAN，可以方便地组成混合总线，如图1所示，同时发挥VXI总线集成度高和电磁兼容性好，LXI总线系统集成方便、数据吞吐率高的特点，可以选用已有的VXI总线模块，降低测试系统的开发时间和风险[7]。

图1 LXI-VXI混合总线系统Fig.1 LXI-VX hybrid bus test system

2 测试仪系统设计

2.1 测试系统总体框架设计

测试系统采用网络连接主控计算机和各测试设备，主控计算机、VXI机箱(内置VXI模块)、数字多用表、示波器、运动激励设备、能源激励设备、微波激励设备、光电激励设备通过交换机接入测试系统的网络中。主控计算机是测试设备的控制部分，主要是控制系统内部测试设备，运行测试软件，完成测试流程的控制，测试数据的判断、存储、显示和处理。主控计算机选用了工控机。VXI机箱选用安捷伦13槽机箱E8403A，零槽控制器选用VTI公司的EX2500，数字多用表选用安捷伦公司的L4411A，示波器选用安捷伦公司的DSO6054L，电源选用安捷伦N8737A。测试系统如图2所示。

测试系统包括以下部分：

(1) 网络层：采用标准以太网口和TCP/IP协议，将测试计算机、测试仪器、激励设备统一连接到以太网中。

(2) 仪器层：通过EX2500零槽控制器，VXI总线的仪器设备接到了网络层，货架仪器及包括运动激励、能源激励、微波激励和广电激励设备直接接到网络层。

(3) 任务层：包括与被测飞行器的软硬件接口、通讯协议、激励方式。

测试系统采用通用接口加专用适配器的形式，对应不同型号的被测飞行器，采用不同的专用适配器和电缆[8-10]。被测信号通过固定在信号适配组合上的信号适配器，连接综合测试系统中的各种测试资源，形成适应不同测试对象的通用接口，如图3所示。信号适配器负责将不同型号飞行器的信号按照统一的规范接入信号适配组合中，并接入继电器开关、数字多用表、A/D模块、示波器等测试设备。

图2 测试系统组成框图Fig.2 Architecture of test system

图3 接收器布局图Fig.3 Architecture of receiver

2.2 零槽控制器的应用

混合总线测试系统的零槽控制器需要满足LXI规范，同时对VXI系统提供资源管理。EX2500零槽控制器是第1款基于满足LXI规范的VXI零槽控制器，除了可以完成传统的VXI零槽控制器的功能外，还将LXI的关键特征引入VXI总线设备，如：以太网接口，IEEE-1588 PTP精密时钟协议，LXI硬件触发总线，Web页面等。提供了将已有VXI设备与新的LXI技术相结合的手段，通过LAN网将VXI总线扩展到一个外部主机上。该零槽控制器，有2个对外的触发接口，一个是以8通道多点LVDS(multipoint-low voltage differential signaling)信号系统为基础的LXI触发总线接口，另一个是VXI总线触发总线的接口，可以将背板VXI标准的8条并行TTL(transistor transistor logic)触发线通过前面板扩展到多个机箱。板上载有高精度时钟(TCXO和OCXO)，支持IEEE 1588(percision time protocol,PTP)同步，也可从外部输入时钟和触发信号。软件遵循VXI 3.0及LXI A类规范，兼容NI及Agilent VISA[11]。

在使用EX2500零槽控制器后，VXI通讯模块出现数据写入寄存器后丢失，经过排查，发现安捷伦零槽控制器EX8491和VTI零槽控制器EX2500A的数据总线均有抖动现象，但EX2500A的总线抖动幅度更大，宽度更宽，为解决该问题，在FPGA中对数据总线进行了数字滤波，采用数字滤波后，未再出现数据丢失。

2.3 软件设计与应用特点

测试软件采用框架+插件模式实现。框架在运行时动态地载入插件，负责插件的加载和管理，是插件的容器；插件是一种结构化组件，是为一组满足特定功能的组件集合，插件是功能的实现和扩展，可以与宿主程序交互并为其提供特定的功能[12-13]。通过该方式软件在框架了预留了功能扩展点(extension point)，具体功能实现在插件中，开发人员遵循扩展点定义的规范，创建各种不同的功能插件，实现整个软件的扩展功能。

测试系统软件结构如图4所示。整个测试软件分为2个部分，测试流程配置部分和测试操作部分。测试流程负责配置测试仪器的操作配置和数据处理方式配置；测试操作负责执行仪器操作和数据处理操作及数据显示和存储。

图4 软件结构图Fig.4 Architecture of software

通过动态链接库(dynamic link library,DLL)和组件对象模型(component object model，COM)2种方式可实现插件。DLL是一种具有一定功能的可执行软件模块,虽然它本身不能独立运行,但是它可以输出函数或类,通过其他能独立的程序(宿主程序)可以调用它的内部功能。亦是在Windows系统中实现软件组件重用的方法,在DLL中,集中实现插件,只需用户花少量的时间熟练有关插件的调用规则及编程规则,就可进行插件设计与开发。COM是一种以组件为发布单元的对象模型,这种模型使各软件组件可以用一种统一的方式进行交互。COM既提供了组件之间进行交互的规范,也提供了实现交互的环境，由于同类插件一般有统一的调用接口，因此也要使用COM技术作为开发插件的基础。在本测试系统中，采用了DLL方案。

EX2500的驱动函数使用了安捷伦VISA(agilent VISA)编写，对于用Agilent VISA开发VXI总线模块驱动的系统，需要安装安捷伦VISA并将其设为主要VISA(primary VISA)，对于用NI VISA开发VXI总线模块驱动的系统，需要安装Agilent VISA,NI VISA，并将Agilent VISA设置为次要的VISA[2]。在完成EX2500驱动安装后，通过EX2500连接到LAN的VXI模块显示在VXI0下，其他LXI总线设备显示在LAN下，如图5所示[14]。

3 改进方向

购置的安捷伦N8737A电源为LXI C类设备、研制的目标模拟器，具备LAN接口，不具备物理触发和IEEE 1588 精密时间协议(PTP)同步的功能。在测试系统使用中需要同步控制不同的设备，目前采取的方法是将对相关设备的控制封装在一个动态链接库中，在使用中调用动态链接库，同步精度可以达到毫秒级，但这种控制方式不灵活，实现的同步精度有限。后续考虑采用安捷伦的E5818A LXI B类触发盒，可以通过PTP同步，为LXI C类仪器增加B类仪器的定时能力，使同步精度可以达到13～100 ns[15]。

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

测试系统中选用的货架产品电压表、示波器、电源等支持IVI(interchangeable virtual instrument)驱动，受到设备厂家驱动开发能力的限制，研制的设备如通讯板、目标模拟器等没有开发IVI驱动，不同厂家开发仪器的软件可移植性不好，通讯板、目标模拟器类的设备有待进一步开发IXI驱动。