一种专用测试系统校准装置的设计与实现

2020-09-10高峰

环境技术 2020年4期

高峰

（海军驻广州第三军事代表室，广州 510265）

引言

现代化军队中配备了大量的专用以及通用的测试系统，用于各类军用设备及其附件的检测。这些专用测试系统需要定期校准确保其性能的可靠性，但是通常这些专用测试装备结构复杂，参数种类繁多，工作量大，传统仪器仪表校准装置，虽然测试精度高，但机动性差，校准效率低，仪器成本较高，一些标准设备精度高、不适合频繁颠簸，长途运输后经常出问题。基于此本文提出了一种基于PXI和虚拟仪器的专用测试系统校准装置，PXI模块分别包含射频信号源、频谱仪、数字化仪、任意波形发生器、精密源测量板卡与音频分析板卡等功能模块。通过定制的程序开发手段，满足对多种被测设备校准要求，并且硬件部件易于装卸，成本较低，提供测试数据自动记录和自动保存功能，能够导出标准格式的证书报告，实现无纸化操作，相较于传统仪器仪表校准装置更加高效便捷。

1 硬件设计

校准装置硬件拟采用PXI模块，以保证校准系统的方便易用性。主系统采用模块式结构，进行分布式控制，各模块之间的控制和数据传输通过USB、PXI/PXIe总线与数据处理模块通信。校准装置组成框图如图1所示。

硬件主要包括校准单元、主控单元、接口适配器单元。其中校准单元是核心单元，包括射频信号源模块、射频分析仪模块、精密源测量模块、音频分析模块、音频激励模块等。主控单元主要实现系统控制，对各硬件、PXI级联卡、键盘、显示屏、USB接口等输入输出进行控制。接口适配器单元在主控单元的控制下，完成信号路由和通道的切换，主要实现校准信号输入和输出的配置，通过校准电缆完成校准设备和检测设备的通道对接，同时实现各类信号输入输出配置。

1.1 校准单元设计

校准单元主要由PXI模块组成，主要实现频率测试，功率测试，频谱分析；信号解调；频率源输出；功率输出，直流源输出、音频分析与音频激励。校准单元主要包括PXI频谱仪板卡9214B、信号源板卡、任意波形发生器板卡、数字化仪板卡、USB功率传感器U2004A、标准源功率测量板卡PXIe-4137、音频分析板卡PXI-4461与高稳晶振。

1.2 主控单元设计

主控单元是校准平台的控制组件，主要完成人机对话、数据处理和显示、总线控制和驱动、供电电源控制等功能。主控单元由PXIe机箱、嵌入式控制器、PXIe背板、PXI级联卡PXI-8570、人机交互设备组成，主控单元工作原理如图2所示。

主控单元核心部分为PXIe机箱部分，包含PXIe背板和嵌入式控制器。通过PXI总线、LAN/RS232总线实现与其他单元模块的交互控制、数据传输及处理功能。

1.3 专用接口适配器单元设计

专用接口适配器单元主要包括接口模块、电源模块。主要实现各个模块资源、遥控接口到被测设备的无缝适配和通道的自动切换，方便用户进行快速的连接和自动化测试。专用接口适配器原理框如图3所示。

图1 校准装置组成框图

图2 主控单元工作原理图

图3 专用接口适配器工作原理图

2 软件设计

2.1 软件层次架构

校准装置软件采用分层体系结构，从上至下分别是框架层、程序组件层、业务操作层、数据处理层、驱动及数据实体层、操作系统层。软件体系架构如图4所示。

软件开发以模块化、结构化的方式进行编程，形成许多模块化的子程序，校准装置搭配不同功能的子程序完成相应的测试、校准源工作。通过上位机控制面板，使用鼠标及键盘进行人机交流，将测量结果直观显示出来，并存入检测结果数据库。

2.2 软件功能设计

校准装置软件主要由校准功能模块和后台服务系统模块组成，校准模块功能包括自检与自校准、自动检定校准、手动检定校准，可实现校准功能设置、模式调用、流程控制、参数测量与记录显示等功能；后台服务系统模块可进行快速二次开发、综合数据管理、仪器资源管理与系统信息管理。软件功能框图如图5所示。

图4 软件体系架构

图5 软件功能框图

1）系统自检与自校准

启动系统软件后，系统首先自动检查各个设备模块是否工作正常，并以列表的形式给出自检结果。系统自检主要是通过控制命令启动模块的自检程序，对各个硬件模块的功能进行自检查，包括射频信号源模块、射频分析仪模块、任意波形发生器模块、功率计模块、适配器模块等的自检。自检与自校准界面如图6所示。

同时系统提供自校准功能，可以对射频输入通道、射频输出通道连接线缆插损值进行校准且提供自校准数据管理功能，可以对自校准数据进行保存与查看，保证测试数据的准确性。流程图如图7所示。

2）自动检定校准

校准装置通过集成PXI级联卡或者后台服务程序实现对被测设备内板卡的自动控制。自动检定校准功能主要完成对射频信号源、频谱分析仪、频率计、任意波形发生器、万用表、示波器和音频分析仪的自动检定校准。自动检定校准软件界面设计如图8所示。

图6 软件界面

图7 自校准连接图

图8 自动检定校准软件界面

本软件采用通用自动测试软件架构实现自动化检定校准，从功能上包括自动测试组件和自动检定校准管理界面两部分组成，即采用通用的自动检定校准软件调用、管理组件化的专用测试模块，从而实现设备的自动化测试，同时具有被测设备扩展功能。流程图如图9所示。

3）手动检定校准

本装置也可进行手动检定校准，提供射频信号源、频谱分析仪、频率计、任意波形发生器、万用表、示波器和音频分析仪的专用手动检定校准面板。手动检定校准面板包括标准资源参数、校准信息输入栏、被校测试项目选择栏、测试参数栏、测试结果。

4）后台服务系统

后台服务系统模块的功能包括快速二次开发、综合数据管理、仪器资源管理与系统信息管理。快速二次开发主要实现以型号为单位的测试数据包的开发，包括检定流程编辑功能、被测设备信息开发、驱动安装与更新、证书模板信息开发和程序包快速导入导出；综合数据管理包括自动检定校准数据管理、手动检定校准数据管理和自校准数据管理。提供校准结果的查询、统计、删除功能；仪器资源管理可以对校准装置本身的硬件模块资源进行配置和管理，如测试模块名称、编号、程控地址、仪器驱动等，可更改各个硬件资源的信息。

3 可靠性、安全性、维修性、测试性、保障性设计

校准装置的优劣不仅仅是考量它的功能，更重要是评价其性能，可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性既是其重要质量属性，也是产品应用的保障，更是装备优劣的关键评价标准。

3.1 可靠性

在本次样机研制过程中，将根据设计的需要，从硬件和软件采取必要的可靠性设计措施来保证满足对整机的可靠性要求。

硬件可靠性主要从降额，散热，耐冲击振动，可维修，装置研制过程简化五个方面进行设计。研制中都将参考GJB/Z 35-93《元器件降额准则》中的要求进行降额设计，降额等级原则上选用Ⅱ级，保证得到最佳的降额效果，又不会影响产品性能；在散热设计方面，设备采取风机散热方式；为适用使用环境，本设备结构上提高电子设备自身抗振能力；通过故障警告，功能模块化以及对零部件编号等措施提高设备的可维修性；设备在研制过程中，尽可能用数字电路实现模拟电路的功能，在保证必要的功能、性能前提下，尽可能压缩元器件、零件的品种、规格对设备进行简化设计。

软件可靠性主要从软件结构复杂度、避错性、冗余、健壮性、容错率、错误恢复性以及程序简化七个方面进行设计。软件系统以功能模块划分，采用高耦合低内聚的结构设计，最大程度的减少模块内部结构及子模块的复杂度，同时确保所有代码块内部无错；数据库依照第三范式设计，降低数据冗余；通过输入验证，代码分层编写，封装逻辑层，确保程序健壮；在代码块的组合运用时，全面考虑各种状态并完成相应的异常处理措施，增强软件的容错性；主要数据项/数据流均采用缓冲设计，最大程度的保留发生错误之前的进程状态，用于错误恢复；对通用函数封装入工具函数库，编写实体类，全局变量在配置文件中集中定义，由各模块调用，最大程度减少由功能需求改动导致的代码修改工作，同时也使软件的后续升级更加简易。

3.2 安全性

为保障测试系统的安全性，在方案阶段选择适用的安全性设计规范、指南、准则等，并在设计中贯彻执行。在产品研制中根据安全性分析信息，对所采用的安全性设计准则及所进行的设计作必要的补充完善。首先在设备研制过程中尽可能选择无危险或在寿命周期内风险最小的材料；其次避免使工作人员在系统使用、保养、维护、修理等过程中暴露于危险环境，或将其风险降低到可接受水平的设计；最后设计软件控制或监测的功能，当各种可行的安全性设计措施都未能消除危险，或不能将其风险降低到可接受水平时，触发报警装置并标出醒目的标志，以确保人员和设备的安全。

3.3 维修性

在研制过程中考虑采取可达性设计、简化设计、标准化模块化设计和防差错设计四个措施保证产品的维修性。可达性设计即为在整体设计时统筹安排，合理布局，尽量做到检查或维修任一部分时，不拆卸、不移动或少拆卸、少移动其他部分；在满足功能需要的前提下减少零部件的品种和规格，面板、盖板、后板采用可拆装结构设计，紧固件尽可能少，简化后续安装及维修；标准化、模块化设计则是优先选用标准件，提高互换性和通用化程度。采用模块化结构，便于寻找故障和更换，接插式联接，不用焊接连接，从而缩短维修时间。防差错设计主要从标记外形相近而功能不同的零件、重要的连接件以及产品单元板、接插件、器件和线缆等，便于查找故障和维修更换。

3.4 测试性

为提高测试系统的战备完好性，减少对维修人力和其他资源的需求，在研制过程中充分考虑了设备的测试性。设备研制过程中将各部分相对独立，以便拆卸测试；将印制电路板上重要的、需进行检测的器件放置于容易测试的位置。需要重点监测的器件留有足够的空间，允许插入测试夹子和测试探针。功能模块、电路板均设计有测试点，并标示清晰、直观的标志；通过维护管理软件对各单元进行检测、数据下载和软件升级等功能；通过测试软件，测试所属设备状态监测功能。

3.5 保障性

只有形成良好的保障系统，才能更好地保障测试系统达到规定的系统战备完好性要求。为确保设备的保障性，采取相应的保障措施，规划保障设施所需的信息主要包括保障设施的约束条件、现有保障设施清单及功能说明、规划使用保障和规划维修的结果等。在论证阶段，收集现有保障设施的有关信息，明确约束条件；在方案阶段，已明确保障设施的初步需求；在工程研制阶段，明确保障设施需求，提出建造和改造计划，已进行设计建造和改造。

4 关键技术解决途径

4.1 专用校准适配器的实现

通过对被测设备的工作原理、性能指标进行分析，信号接口主要包括通用接口与专用接口，通用接口主要为SMA、BNC类型接头，可以通过线缆实现校准装置与被校设备的驳接，专用接口接口为航插，主要进行音频信号输入与输出，课题组研制专用校准适配器实现校准装置与被测设备的驳接，从而满足测试系统校准的要求。

4.2 测试误差精密补偿技术

校准装置进行射频信号功率校准时需要通过射频线缆或者转接头连接。由于射频转接头、射频线缆对射频信号有衰减作用。为了消除由于射频转接头、射频线缆带来的校准误差，校准装置提供通道误差修正功能。校准装置以高精度的USB功率传感器为基准，首先，不连接射频线缆时，直接用USB功率传感器测量射频输出通道电平值记为L0，连接射频线缆时，再次使用USB功率传感器测量信号经过射频线缆后的电平值记为L1，插损值为：L0-L1。在进行射频校准时测试结果等于测试值减去线缆带来的插损值，通过这种方法消除了射频连接线缆、转接头带来的误差，最大程度的可以保证校准数据的准确。