摘要 針對(duì)目前自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的通用性設(shè)計(jì)，提出了一種基于PXI總線的測(cè)試平臺(tái)。文中對(duì)PXI測(cè)試系統(tǒng)、接口適配器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了說明；介紹了測(cè)試軟件和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；分析了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中面臨的通用性、故障診斷與定位等問題。其設(shè)計(jì)思想和方案對(duì)于機(jī)載計(jì)算機(jī)通用測(cè)試平臺(tái)的研制具有一定指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞 自動(dòng)測(cè)試設(shè)備；通用平臺(tái)；PXI；IVI；故障診斷

    隨著自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展，以及軍事領(lǐng)域強(qiáng)有力的需求牽引，自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(AutomaticTestEquipment，ATE)已成為機(jī)載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品測(cè)試、使用和維護(hù)的必要手段。由于對(duì)復(fù)雜機(jī)載計(jì)算機(jī)的測(cè)試要求越來越高，具有較強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性已成為測(cè)試設(shè)備性能的主要指標(biāo)。
    ATE通用性的實(shí)現(xiàn)涉及到接口與適配器的標(biāo)準(zhǔn)化、硬件平臺(tái)的模塊化、測(cè)試程序集與儀器資源的無關(guān)性設(shè)計(jì)等許多方面的內(nèi)容。本文提出了一種以PXI總線為基礎(chǔ)，采用虛擬儀器技術(shù)、故障診斷技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)載計(jì)算機(jī)的通用測(cè)試平臺(tái)。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    通用測(cè)試平臺(tái)以主控計(jì)算機(jī)為控制核心，由PXI測(cè)試設(shè)備構(gòu)成主要測(cè)試資源，接口適配器及開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成信號(hào)分配和變換單元，輔以測(cè)量?jī)x器和供電設(shè)備。
    主控計(jì)算機(jī)采用配置先進(jìn)的PC機(jī)。PXI測(cè)試設(shè)備內(nèi)部采用PXI標(biāo)準(zhǔn)總線，根據(jù)測(cè)試的最大需求，選用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試模塊進(jìn)行集成。測(cè)量?jī)x器包括：示波器、萬用表。供電設(shè)備包括：可調(diào)電壓信號(hào)源、115 V供電電源和28 V供電電源。
    測(cè)試平臺(tái)與PC機(jī)之間采用網(wǎng)卡通訊，PXI測(cè)試設(shè)備與示波器、萬用表和電源之間采用GPIB接口進(jìn)行通訊。測(cè)試平臺(tái)原理如圖1所示。

1．1 PXI測(cè)試系統(tǒng)
    PXI測(cè)試設(shè)備由零槽控制器、模擬量激勵(lì)／采集模塊、離散量輸入／輸出模塊、繼電器模塊、模擬量電阻模塊、電源開關(guān)模塊、CPIB接口卡組成。采用PXI結(jié)構(gòu)的模塊，具有體積小，穩(wěn)定可靠和便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。
    在機(jī)箱中的各功能模塊都是PXI總線的標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過PXI機(jī)箱的背板相互連接。PXI機(jī)箱中的測(cè)試模塊包括：零槽控制器(PXI-PCI-8355)模擬量激勵(lì)模塊(NI6704)、模擬量采集模塊(NI6031E)、離散量輸入／輸出模塊(NI6527)、多路繼電器模塊(NI2503)、通用繼電器模塊(NI25 65)、模擬量電阻模塊(Pickering290)、電源開關(guān)模塊(Pickering150)和GPIB接口卡(PXI—GPIB)。
1．2 接口適配器及開關(guān)網(wǎng)絡(luò)
    接口適配器是測(cè)試平臺(tái)和UUT之間的橋梁，將儀器資源分配給UUT的各個(gè)管腳，完成對(duì)其施加激勵(lì)和進(jìn)行測(cè)量的工作。接口適配器TUA(Test Unit Adapter)主要由前面板端口、箱體和接口測(cè)試適配器ITA(Interface Test Adapter)構(gòu)成。
    適配器設(shè)計(jì)采用無源器件，能夠防止環(huán)境影響，減少測(cè)試結(jié)果的不確定因素。在測(cè)試資源滿足測(cè)試要求的前提下，適配器以直接連線為主，選擇高質(zhì)量的線纜和連接器，盡量不使用開關(guān)器件。因?yàn)殚_關(guān)器件會(huì)降低資源利用率，而且多余的開關(guān)器件和連接線纜，也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性，引起信號(hào)頻帶損失、引入電磁干擾等問題。
    開關(guān)網(wǎng)絡(luò)擔(dān)負(fù)著控制信號(hào)流向的任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)UUT與系統(tǒng)資源間的信號(hào)轉(zhuǎn)接、分配與組合的關(guān)鍵。在ATE中，開關(guān)系統(tǒng)一般分為功率開關(guān)、矩陣開關(guān)、微波開關(guān)。功率開關(guān)常用于對(duì)系統(tǒng)的電源進(jìn)行切換，矩陣開關(guān)和微波開關(guān)主要用于信號(hào)切換，根據(jù)UUT的實(shí)際需求，靈活分配測(cè)試資源。
    本平臺(tái)采用矩陣開關(guān)對(duì)接的方式組成開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，比如4×16、4×32、4×64型矩陣開關(guān)可以把各自的4路信號(hào)掛接在總線上，形成任意兩路可互達(dá)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，測(cè)試平臺(tái)的連接能力大幅增強(qiáng)。測(cè)試資源和UUT的任意兩路信號(hào)可以互達(dá)，而測(cè)試平臺(tái)的資源由最大測(cè)試資源需求的UUT決定。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)把適配器的信號(hào)切換功能以測(cè)試資源的形式融入到平臺(tái)中，增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性。
1．3 通用性的實(shí)現(xiàn)
    對(duì)于ATE，信號(hào)分配單元、測(cè)試資源和主控計(jì)算機(jī)部分是通用的，不隨UUT的變化而改變，這也是測(cè)試平臺(tái)通用性的硬件基礎(chǔ)。在測(cè)試時(shí)，只需根據(jù)不同的UUT更換適配器就可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的重構(gòu)，完成相應(yīng)測(cè)試，滿足了機(jī)載計(jì)算機(jī)型號(hào)多、信號(hào)復(fù)雜、輸入輸出管腳數(shù)量多、接口各異的測(cè)試需求。
    測(cè)試平臺(tái)同時(shí)具備良好的擴(kuò)展機(jī)制。通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)具體的測(cè)試需求連接相應(yīng)的測(cè)試資源，例如：可以連接波形發(fā)生器或其他具備GPIB接口的測(cè)量?jī)x器等，作為擴(kuò)展模塊接入AIE，方便平臺(tái)的升級(jí)、擴(kuò)展。

2 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)
2．1 軟件的通用性設(shè)計(jì)原則
    對(duì)基于虛擬儀器技術(shù)的通用平臺(tái)來說，軟件是整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的關(guān)鍵。因此，軟件系統(tǒng)構(gòu)建的好壞直接影響測(cè)試平臺(tái)的整體性能。通用是一個(gè)相對(duì)概念，通用平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：(1)開放式、標(biāo)準(zhǔn)化的軟件體系結(jié)構(gòu)。(2)基于IVI技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器的可互換性。(3)TPS(測(cè)試程序集)具備可移植性。
    可交換虛擬儀器技術(shù)規(guī)范(IVI)是1998年在VXI即插即用軟件技術(shù)規(guī)范(VPP)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一項(xiàng)技術(shù)規(guī)范，它在擴(kuò)展VPP標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，增加了儀器的可互換性、仿真和狀態(tài)緩存等特點(diǎn)。IVI由類驅(qū)動(dòng)器、具體儀器驅(qū)動(dòng)器、引擎和配置文件組成。當(dāng)儀器更換后，只需修改配置文件中的信息，使測(cè)試程序指向新的IVI儀器和儀器驅(qū)動(dòng)器即可，從而實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的可互換性。
    測(cè)試程序開發(fā)模式存在兩種：一是面向儀器的測(cè)試；二是面向信號(hào)的測(cè)試。面向儀器的測(cè)試由測(cè)試程序直接控制儀器動(dòng)作來完成測(cè)試；面向信號(hào)的測(cè)試將對(duì)測(cè)試資源的需求映射成對(duì)信號(hào)激勵(lì)／采集的需求，通過內(nèi)部服務(wù)機(jī)制解釋、定位和驅(qū)動(dòng)測(cè)試儀器完成測(cè)試任務(wù)。前者的缺點(diǎn)是系統(tǒng)往往不能涵蓋所有儀器和新的功能，從而使TPS的可移植性和儀器互換性受到限制。而信號(hào)的類型是有限的，理論上可以涵蓋所有儀器，這是后者的優(yōu)勢(shì)所在。
    IVI技術(shù)可以從硬件兼容的層面上解決儀器的互操作問題，但不足以解決儀器內(nèi)部由于工作原理不同而造成測(cè)試結(jié)果差異。IVI—MSS(Me asurement StimulusSubsystem)規(guī)范可以為TPS可移植性的實(shí)現(xiàn)建立一定技術(shù)基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過設(shè)計(jì)具有復(fù)位、建立、變化和捕捉等基本信號(hào)操作功能的IVI—MSS信號(hào)接口，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試程序?qū)y(cè)量信號(hào)的控制和調(diào)用。利用IVI信號(hào)接口調(diào)用虛擬儀器資源完成對(duì)UUT的測(cè)試，既使測(cè)試軟件獨(dú)立于測(cè)試平臺(tái)，又具有良好的可移植性。

 
2．2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    測(cè)試軟件根據(jù)需求設(shè)計(jì)其測(cè)試策略，描述測(cè)試數(shù)據(jù)及故障診斷知識(shí)，針對(duì)測(cè)試策略開發(fā)面向信號(hào)、針對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試程序，同時(shí)根據(jù)硬件資源配置進(jìn)行測(cè)試儀器資源描述、測(cè)試通道配置描述、適配器信號(hào)映射關(guān)系描述，由編譯器編譯后形成可以直接運(yùn)行的測(cè)試模塊。測(cè)試軟件通過用戶界面，由測(cè)試信息管理程序調(diào)用測(cè)試模塊及故障診斷組件，完成測(cè)試及故障診斷過程。主測(cè)試程序在LabView軟件平臺(tái)上編寫，用于完成數(shù)據(jù)庫讀寫、儀器驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用等功能。測(cè)試流程和結(jié)果數(shù)據(jù)由TestStand以及Microsoft Access管理，所有測(cè)試參數(shù)、程控指令、測(cè)試結(jié)果都放在數(shù)據(jù)庫中，主程序依次讀取其中的相應(yīng)記錄進(jìn)行分析處理，執(zhí)行相應(yīng)操作完成測(cè)試任務(wù)。
    針對(duì)不同的UUT，測(cè)試軟件只是流程和任務(wù)數(shù)據(jù)不同，而軟件框架中的其它部分不變。在軟件設(shè)計(jì)中，通過建立通用軟件框架，滿足各UUT測(cè)試程序的設(shè)計(jì)要求。通用功能接口通過調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)各種儀器資源的功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義和封裝，以實(shí)現(xiàn)測(cè)試程序中要求的測(cè)量與激勵(lì)功能標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)接，避免了操作系統(tǒng)和測(cè)試程序直接控制儀器，實(shí)現(xiàn)了儀器的互換性。采用上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的軟件應(yīng)用于另一個(gè)UUT時(shí)，軟件基本不必重新編寫，只需修改數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容即可。

3 故障診斷及定位
    故障診斷是根據(jù)UUT的正常特征信號(hào)、異常信號(hào)和其它診斷信息，查明導(dǎo)致UUT發(fā)生故障的部件或聯(lián)系，并找到其初始原因。通用測(cè)試平臺(tái)結(jié)合故障診斷技術(shù)和專家系統(tǒng)，對(duì)故障的部位、產(chǎn)生原因、性質(zhì)和程度進(jìn)行判斷。故障診斷系統(tǒng)以專家系統(tǒng)為主要診斷依據(jù)，由測(cè)試數(shù)據(jù)入口、故障信息庫、系統(tǒng)知識(shí)庫和推理機(jī)制組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    故障信息庫用于記錄檢測(cè)過程中的各種故障信息，依據(jù)故障樹模型，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，為故障定位存儲(chǔ)數(shù)據(jù)資料。專家知識(shí)庫用于根據(jù)操作中遇到的故障和專家系統(tǒng)，為故障定位和推理機(jī)制提供參考信息。采用與推理機(jī)制相互獨(dú)立的平臺(tái)式結(jié)構(gòu)，便于專家知識(shí)的擴(kuò)充與完善。
    推理機(jī)制內(nèi)部包含3個(gè)推理引擎：模糊邏輯推理引擎、專家規(guī)則推理引擎和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理引擎。利用規(guī)則推理的方法，對(duì)故障信息庫和系統(tǒng)知識(shí)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和分析推理，并為解釋程序提供推理機(jī)制。當(dāng)讀取UUT測(cè)試數(shù)據(jù)后，推理引擎根據(jù)專家知識(shí)、故障信息庫資料與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行并行診斷，其中基于相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)采用模糊推理算法，基于規(guī)則的系統(tǒng)采用規(guī)則轉(zhuǎn)換算法，基于事件的系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

    測(cè)試平臺(tái)的故障定位主要是采用故障決策樹方法。故障樹以征兆或測(cè)試結(jié)果作為起始點(diǎn)，緊接著是一組由活動(dòng)及決策組成的分叉決策樹，最終實(shí)現(xiàn)故障定位并獲得維修建議。故障樹的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 結(jié)束語
    對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了介紹，提出了一種基于PXI總線的通用測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)具有資源高度共享、儀器設(shè)備可互換、測(cè)試程序可移植、接口和適配器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，是一種通用性測(cè)試系統(tǒng)。PXI模塊資源豐富，結(jié)合面向信號(hào)的測(cè)試軟件，可以根據(jù)UUT的不同和用戶的需求擴(kuò)充其測(cè)試功能和項(xiàng)目。因此，可用于各類機(jī)載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的自動(dòng)測(cè)試和故障檢測(cè)。