分布式導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)重復(fù)配置、測(cè)試資源無(wú)法得到充分利用的現(xiàn)狀，以LXI總線為基礎(chǔ)，綜合各種儀器總線的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了一種多總線融合的分布式導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)，在ATML(自動(dòng)測(cè)試標(biāo)記語(yǔ)言)基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，達(dá)到測(cè)試資源共享、分散操作、集中管理的目的。深入研究了不同總線儀器融合、不同接口模塊同步觸發(fā)的解決途徑，為實(shí)現(xiàn)儀器可互換性和可移植性奠定了基礎(chǔ)。系統(tǒng)較好地滿足了當(dāng)前導(dǎo)彈保障領(lǐng)域的需求，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：LXI總線；導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)；ATML；同步

0 引言
    隨著現(xiàn)代武器裝備復(fù)雜性、綜合化、智能化程度的不斷提高，導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備的升級(jí)換代不斷加快。而現(xiàn)有型號(hào)的導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備大多是自成一體的封閉式結(jié)構(gòu)體系，而且每型導(dǎo)彈都要配備各自的導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備，使得目前部隊(duì)導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備型號(hào)多、數(shù)量大、分布地點(diǎn)分散，測(cè)試資源沒(méi)有得到充分利用，許多儀器、設(shè)備、模塊、系統(tǒng)平臺(tái)等重復(fù)配置，造成很大浪費(fèi)。存在的不足主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
    (1)隨著儀器總線經(jīng)歷了由GPIB、CAMAC到VX1、PXI總線的發(fā)展過(guò)程，導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備同樣經(jīng)歷了這樣的發(fā)展階段，因此目前部隊(duì)配備的導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備中各種儀器總線并存，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，相互之間不兼容，分布地點(diǎn)分散。
    (2)不同型號(hào)、不同維護(hù)級(jí)別的導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備間缺乏互操作性，系統(tǒng)可移植性差，更新升級(jí)困難，無(wú)法有效地與外部環(huán)境實(shí)現(xiàn)測(cè)試診斷信息的交互，阻礙了診斷信息的共享和重用，使得診斷效率和準(zhǔn)確性低下，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)對(duì)多武器系統(tǒng)、多級(jí)維護(hù)的需要。
    (3)現(xiàn)有導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備廣泛采用商業(yè)貨架產(chǎn)品(COTS)，商業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代快(典型周期為5年)，而導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的使用壽命往往超過(guò)10年，隨著測(cè)試設(shè)備硬件的過(guò)時(shí)，系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用將不斷攀升。
    (4)導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備型號(hào)多，裝備技術(shù)支援保障所需操作人員也相應(yīng)增加，不利于部隊(duì)裝備保障力量體系的優(yōu)化。
    分布式測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)局域網(wǎng)把分布于各測(cè)點(diǎn)、獨(dú)立完成特定功能的測(cè)試設(shè)備和測(cè)試用計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，以達(dá)到測(cè)試資源共享、分散操作、集中管理、協(xié)同工作、負(fù)載均衡、測(cè)試過(guò)程監(jiān)控和設(shè)備故障診斷等目的。因此綜合各種儀器總線的優(yōu)勢(shì)，以LXI總線為基礎(chǔ)，構(gòu)建多總線融合的分布式導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)成為軍用測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)之一。

1 分布式導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    由于不同型號(hào)導(dǎo)彈測(cè)試地點(diǎn)分散，測(cè)試流程復(fù)雜，測(cè)試手段多樣，因此適合采用分布式導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，能夠滿足測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部各組件間、不同測(cè)試系統(tǒng)之間、測(cè)試系統(tǒng)與外部環(huán)境間信息的共享與無(wú)縫交互能力。如果采用目前常用的VXI或者PXI總線結(jié)構(gòu)組成分布式導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要單獨(dú)組建一套獨(dú)立的測(cè)試系統(tǒng)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由計(jì)算機(jī)來(lái)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重復(fù)建設(shè)，造成資源浪費(fèi)。
    采用LXI總線結(jié)構(gòu)為主體組成分布式導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)，則可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置，節(jié)約系統(tǒng)資源，增加系統(tǒng)的靈活性。系統(tǒng)以LXI總線連接各測(cè)量?jī)x器模塊，LXI設(shè)備或模塊可以直接通過(guò)LXI總線實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的測(cè)量與控制，每個(gè)LXI設(shè)備自帶處理器、LAN連接、電源和觸發(fā)端口，控制計(jì)算機(jī)與設(shè)備之間的通信通過(guò)網(wǎng)線傳輸，不需要重復(fù)配置終端計(jì)算機(jī)；原有的VXI，PXI，CAMAC和GPIB等總線結(jié)構(gòu)的導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備作為系統(tǒng)的組成部分，通過(guò)接口轉(zhuǎn)換器或零槽控制器與LXI總線網(wǎng)絡(luò)相連接；計(jì)算機(jī)控制器在操作系統(tǒng)的控制下作為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的指令執(zhí)行器，操作系統(tǒng)為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)提供文件管理、內(nèi)存管理、用戶界面消息響應(yīng)、測(cè)試結(jié)果輸出與打印、系統(tǒng)I／O請(qǐng)求處理等服務(wù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    LXI總線結(jié)構(gòu)平臺(tái)將各種類型的現(xiàn)場(chǎng)儀器(包括GPIB，VXI，PXI，LXI等儀器)掛接在LAN上，打破了傳統(tǒng)儀器平臺(tái)中的測(cè)試儀器機(jī)箱和零槽控制器的限制，形成一種真正意義上的分布式開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    為解決導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)通用性差、開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本高、系統(tǒng)間缺乏互操作性、應(yīng)用范圍有限等諸多不足，實(shí)現(xiàn)儀器可互換性和TPS(測(cè)試程序集)重用性、可移植性就成為了通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。研究開(kāi)發(fā)面向信號(hào)的測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)TPS重用性、可移植性和儀器可互換性，具有較大的意義。
    以XML標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的信息數(shù)據(jù)交換語(yǔ)言ATML(Automated Test Markup Language)是一種專用數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，滿足了共享ATE(自動(dòng)測(cè)試設(shè)備)和測(cè)試信息的需求，使系統(tǒng)之間信息交換更容易，包括測(cè)試結(jié)果、程序、儀器及測(cè)試工作站的功能、技術(shù)指標(biāo)及規(guī)范、待測(cè)件的規(guī)格、需求、診斷及維護(hù)信息等一些有價(jià)值的信息能夠共享、交換、互相操作。采用ATML表達(dá)測(cè)試診斷信息，將實(shí)現(xiàn)分布開(kāi)放環(huán)境中測(cè)試診斷信息的無(wú)縫交互。ATML繼承了XML適用于多種運(yùn)行環(huán)境、便于與各種編程語(yǔ)言交互的優(yōu)點(diǎn)，將實(shí)現(xiàn)測(cè)試診斷知識(shí)與測(cè)試過(guò)程的分離，便于測(cè)試診斷知識(shí)的共享和可移植。而在測(cè)試執(zhí)行過(guò)程中，還可以根據(jù)測(cè)試診斷知識(shí)來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)度測(cè)試運(yùn)行步驟，實(shí)現(xiàn)更有效的故障定位，從而縮短診斷排故時(shí)間。
    IEEE P1671就是能交換測(cè)試設(shè)備和測(cè)試信息的ATML標(biāo)準(zhǔn)，以XML的格式定義了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件接口，以提高通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件組件的開(kāi)放性，定義了在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中廣泛使用的9種接口，并為每種接口定義了XML格式的語(yǔ)法，以提高用戶在特定的需求和應(yīng)用中擴(kuò)展ATML接口的靈活性，使測(cè)試結(jié)果的報(bào)告、測(cè)試的描述、儀器的描述、測(cè)試的結(jié)構(gòu)布局、測(cè)試工作站以及待測(cè)件的數(shù)據(jù)等信息標(biāo)準(zhǔn)化。由于在文本文件中含有描述符，它可以在任何平臺(tái)上操作，計(jì)算機(jī)程序可以根據(jù)模式很容易地解釋和分析這些標(biāo)記，也很容易讀懂?；贏TML的應(yīng)用軟件具有靈活性和擴(kuò)展性，能在系統(tǒng)間互相兼容。
    圖2所示系統(tǒng)中所有具有測(cè)試功能的儀器信息、矩陣開(kāi)關(guān)的連接信息、適配器在被測(cè)單元和矩陣開(kāi)關(guān)之間的轉(zhuǎn)換信息均由測(cè)試系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)，生成XML格式的測(cè)試策略。組件庫(kù)實(shí)現(xiàn)了IEEE P1641對(duì)信號(hào)的描述，可以為基于COM的編程語(yǔ)言使用。實(shí)時(shí)引擎能夠自動(dòng)分配資源，計(jì)算開(kāi)關(guān)路徑，通過(guò)IVI信號(hào)驅(qū)動(dòng)去控制儀器。XML TPS和IVI信號(hào)接口組件由COTS(商品貨架產(chǎn)品)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。IVI信號(hào)接口組件由系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)給出。

    XML TPS根據(jù)對(duì)被測(cè)單元的測(cè)試需求的描述，從實(shí)時(shí)引擎請(qǐng)求相應(yīng)的信號(hào)對(duì)象。若系統(tǒng)測(cè)試能力允許，實(shí)時(shí)引擎開(kāi)始查詢從被測(cè)單元到儀器端口的連接信息，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。完成后實(shí)時(shí)引擎開(kāi)始實(shí)例化IVI信號(hào)接口組件和XML描述的TPS信號(hào)組件，執(zhí)行測(cè)試操作。IVI信號(hào)組件和矩陣開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)IVI-COM驅(qū)動(dòng)控制底層儀器，在TPS執(zhí)行期間，實(shí)時(shí)引擎應(yīng)自動(dòng)完成測(cè)試資源的分配和信號(hào)路徑的切換，最后將測(cè)試結(jié)果以XML文件的格式保存起來(lái)。
    綜上所述，基于信號(hào)接口的導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可描述為：通過(guò)XML語(yǔ)言將被測(cè)單元的測(cè)試需求標(biāo)定為對(duì)激勵(lì)／測(cè)量信號(hào)的需求，這個(gè)虛擬資源需求通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器接口內(nèi)部服務(wù)機(jī)制的解釋和定位轉(zhuǎn)換成真資源，再驅(qū)動(dòng)儀器完成測(cè)試任務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)
3．1 多總線機(jī)械與電氣相容實(shí)現(xiàn)方案
    為將不同測(cè)試總線模塊集成到LXI測(cè)試系統(tǒng)中，有兩種技術(shù)方案可供選擇：開(kāi)發(fā)橋轉(zhuǎn)接器和接口適配器。
    橋轉(zhuǎn)接器由LXI接口和特定總線接口組成。LXI接口端實(shí)現(xiàn)LXI接口的所有要求，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持、Web頁(yè)瀏覽與儀器控制、LAN配置初始化和IVI驅(qū)動(dòng)器。在橋轉(zhuǎn)接器的特定總線接口端，實(shí)現(xiàn)特定的硬件和軟件接口要求。例如，如果LXI橋轉(zhuǎn)接器連接GPIB儀器，橋轉(zhuǎn)接器不僅要支持LXI接口和GPIB接口，還需具備將軟件命令從LXI端映射到GPIB端的能力。
    接口適配器將非LXI總線接口完全轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)XI接口。通過(guò)接口適配器，主機(jī)可以利用儀器驅(qū)動(dòng)器和Web頁(yè)直接訪問(wèn)和控制非LXI儀器，在接口適配器和非LXI儀器之間不需要控制與通信機(jī)制的映射和VISA資源的映射。
    在多總線融合的測(cè)試系統(tǒng)中，為不使原有VXI，PXI，GPIB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大幅度的變動(dòng)，基于LXI的多總線融合的測(cè)試系統(tǒng)采用橋轉(zhuǎn)接器機(jī)制將現(xiàn)存總線儀器無(wú)縫融入到其中。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，原有的VXI測(cè)試系統(tǒng)作為系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，只需在接口配置處做少量更改，而系統(tǒng)的硬件和測(cè)試軟件不需做任何變動(dòng)就可繼續(xù)使用。
3．2 同步測(cè)試的實(shí)現(xiàn)策略
    在多激勵(lì)多目標(biāo)的分布式導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)中，不同總線儀器問(wèn)的同步與觸發(fā)是其基本要求。VXI儀器可以通過(guò)背板總線觸發(fā)實(shí)現(xiàn)同步測(cè)試，但只限于同一機(jī)箱內(nèi)的模塊之間可行，對(duì)于不同機(jī)箱之間就難以實(shí)現(xiàn)同步。LXI儀器提供了三種同步觸發(fā)機(jī)制：網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)、IEEE-1588時(shí)鐘同步觸發(fā)和觸發(fā)總線。三種同步精度依次遞增，網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)由于受到網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的影響，同步誤差在毫秒級(jí)，IEEK-1588同步精度小于100 ns，觸發(fā)總線則為3 ns／m。下面將分析這三種機(jī)制的實(shí)現(xiàn)機(jī)理并提出分布式導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)的同步實(shí)現(xiàn)策略。
3．2．1 網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)
    實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是多個(gè)LXI設(shè)備之間通過(guò)交換機(jī)或集線器連接在一起，網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)消息可以由計(jì)算機(jī)發(fā)給所有設(shè)備，或者由其中一個(gè)設(shè)備發(fā)給其他所有設(shè)備，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的觸發(fā)應(yīng)用，因?yàn)橛|發(fā)消息在網(wǎng)絡(luò)間的傳遞是采用標(biāo)準(zhǔn)UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不需要網(wǎng)絡(luò)握手，所以網(wǎng)絡(luò)延時(shí)比采用TCP／IP協(xié)議小得多；另外，觸發(fā)消息也可以由其中一個(gè)設(shè)備發(fā)給同一網(wǎng)段中的另一個(gè)設(shè)備，這是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的觸發(fā)方式。采用網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)如下：
    (1)比通過(guò)軟件觸發(fā)有更大的靈活性；
    (2)不需要專門(mén)的觸發(fā)線；
    (3)沒(méi)有距離的限制；
    (4)LXI模塊之間可以相互協(xié)調(diào)，排除了計(jì)算機(jī)處理速度的瓶頸影響，從而減小了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。
3．2．2 IEEE-1588時(shí)鐘同步觸發(fā)
    IEEE-1588的時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在網(wǎng)絡(luò)中選擇其中一個(gè)LXI儀器作為主時(shí)鐘儀器，其他儀器為從時(shí)鐘儀器。主時(shí)鐘向所有從時(shí)鐘發(fā)出一個(gè)同步信息包，而且這個(gè)信息包中包含有信息發(fā)出的精確時(shí)間，從時(shí)鐘接收同步信息包；然后從時(shí)鐘發(fā)出延時(shí)請(qǐng)求信息包，主時(shí)鐘收到這個(gè)信息包。主時(shí)鐘最后給從時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)延時(shí)響應(yīng)信息包。假設(shè)主、從時(shí)鐘之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是對(duì)等的，可以計(jì)算出從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的偏差，從而每個(gè)從時(shí)鐘校準(zhǔn)自己的時(shí)間。
    測(cè)試?yán)?588時(shí)鐘同步時(shí)，觸發(fā)信號(hào)是告訴各個(gè)器件何時(shí)啟動(dòng)輸出它的信號(hào)，因?yàn)槊總€(gè)器件根據(jù)指定的時(shí)間啟動(dòng)，而不是根據(jù)何時(shí)接收到以太網(wǎng)發(fā)出的命令來(lái)啟動(dòng)，所以以太網(wǎng)的開(kāi)銷或延遲時(shí)間對(duì)被觸發(fā)器件沒(méi)有影響。IEEE-1588時(shí)鐘同步觸發(fā)方式特別適用于分布式遠(yuǎn)距離同步數(shù)據(jù)采集等測(cè)試任務(wù)，不用單獨(dú)連接觸發(fā)電纜，且不受距離的限制。
3．2．3 LXI觸發(fā)總線
    LXI觸發(fā)總線配置在A級(jí)模塊，可將LXI模塊配置成為觸發(fā)信號(hào)源或接收器，觸發(fā)總線接口亦可設(shè)置成“線或”邏輯。每個(gè)LXI模塊都裝有輸入輸出連接器，可供模塊作菊形鏈接。LXI觸發(fā)總線與VXI和PXI的背板總線十分相似，可配置成串行總線或星形總線，這種觸發(fā)同步方法充分利用了VXI和PXI觸發(fā)總線的優(yōu)點(diǎn)，同步精度很高，主要取決于觸發(fā)總線的長(zhǎng)度，適用于測(cè)試相互靠得很近的應(yīng)用系統(tǒng)。
3．3 測(cè)試軟件的互操作性
    實(shí)現(xiàn)測(cè)試軟件可移植與互操作的兩個(gè)基本條件是：
    (1)測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)接口的標(biāo)準(zhǔn)化；
    (2)測(cè)試程序與具體測(cè)試資源硬件無(wú)關(guān)。
    測(cè)試軟件從結(jié)構(gòu)上可分為面向儀器、面向應(yīng)用和面向信號(hào)三種形式，而面向信號(hào)的開(kāi)發(fā)是測(cè)試軟件互操作的前提。面向信號(hào)的開(kāi)發(fā)使測(cè)試需求反映為針對(duì)UUT端口的測(cè)量／激勵(lì)信號(hào)要求，TPS中不包含任何針對(duì)真實(shí)物理資源的控制操作。當(dāng)測(cè)試資源模型也是圍繞“信號(hào)”而建立時(shí)，則只要通過(guò)建立虛擬信號(hào)資源向真實(shí)信號(hào)資源的映射機(jī)制，就可以實(shí)現(xiàn)TPS在不同配置的測(cè)試系統(tǒng)上運(yùn)行。
3．4 測(cè)試儀器的可互換性
    采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的動(dòng)態(tài)加載技術(shù)和顯示鏈接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)儀器的可互換性，軟件平臺(tái)中類驅(qū)動(dòng)程序與物理儀器驅(qū)動(dòng)程序都是DLL，TPS與類儀器驅(qū)動(dòng)程序的鏈接為隱含鏈接方式，而類儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)ξ锢韮x器驅(qū)動(dòng)程序?qū)С龊瘮?shù)的調(diào)用方式為顯式鏈接。類驅(qū)動(dòng)程序及物理驅(qū)動(dòng)程序以注冊(cè)的方式記錄在資源控制器模型中，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核儀器可更換特性的開(kāi)放性。類驅(qū)動(dòng)程序及物理驅(qū)動(dòng)程序?qū)С龅暮瘮?shù)分為公共函數(shù)和功能函數(shù)兩類，其中公共函數(shù)為各類儀器所共有的，如儀器初始化、關(guān)閉等，功能函數(shù)是與各類儀器有關(guān)的。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文針對(duì)目前導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)存在的結(jié)構(gòu)封閉、通用性差、開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本高、系統(tǒng)間缺乏互操作性、應(yīng)用范圍有限等諸多不足，以LXI總線為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一種多總線融合的分布式導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)儀器可互換性和TPS的重用性、可移植性奠定了基礎(chǔ)，能夠較好地滿足當(dāng)前導(dǎo)彈維護(hù)保障領(lǐng)域的需求，降低維修保障費(fèi)用，優(yōu)化裝備保障力量體系，具有顯著的軍事、經(jīng)濟(jì)效益。