面向基地级和野战级的下一代测试系统结构综述

摘要：30多年以来，自动测试设备（ATE）已经成为电子系统维修和保障的主要方法和工具，它广泛应用于军用航天系统的系统级及电路板级测试中。航空设备、武器系统和通信系统中集成电子设备的维修和保障主要依赖于ATE。另外，后勤维修以及“提速（up-time）”要求自动测试系统能够满足保障与维修策略中关于缩短维修周期的要求。美国海军陆战队需要大幅度缩短维修周期，因此他们的维修和保障策略要求野外或战地要具备和基地级相同的测试和维修能力。本文讨论了下一代自动测试系统应具有何种结构，能够同时满足基地和野战对于便携性、测试能力以及成本效益的要求。

关键词：基地级测试 数字化测试 TETS Viper/T 野战级测试 自动测试设备 TPS移植 PXI总线 LXI总线

1 背景

美国海军陆战队在90年代中期就制定了电子化的保障战略，战略要求美国海军陆战队在基地及野外两种环境下都要具备维修、测试及故障诊断的能力。根据上述要求，在美国海军制造计划（ManTech）中，研制了第三代测试系统，它是一种在修理车间和野外都能使用的便携式电子测试系统。随着美国海军陆战队对其电子系统维修保障能力需求的增长，太空电子设备生产部门（Astronics DME）设计、生产了基于虚拟仪器和VXI总线的便携式维修测试系统（VIPER/T）。

2 下一代（自动测试系统）结构需求分析

美国海军陆战队始终要求要在基地级和野战级两个方面，提升对集成电子设备的维修、诊断和保障能力。而且下一代测试系统还要支持现有的测试程序集。因此，下一代自动测试系统需求如下：

显著减小的体积、相应减少的重量；

更高的可靠性以及更低的整体能耗；

拥有TETS和VIPER/T的测试能力，并满足新的下一代的测试需要。

另外，下一代测试平台应当可以满足最新的和未来的电子系统和通信技术的需求。例如，现代通信系统要求测试设备和系统不仅能够支持传统模拟信号和数字信号的调制技术，而且能够测试新的通信系统，新通信系统已经将通信频率上调至26GHz。这些都要求一种更加灵活、能耗更低的测试仪器解决方案出现。

下一代测试系统必须降低整个运行周期中的消耗。并在消耗减少的同时实现部队内部的信息传输，以及提高测试系统的效能和效率，这些都是所有新型测试平台的关键特性。可以帮助降低运行周期消耗的关键因素有：

减少测试程序集（TPS）的运行时间：特定的TPS设计和实现形式，对其运行时间有着显著影响。当然，测试设备和测试系统的仪器控制总线也对整个测试程序运行时间有明显影响。

系统的可用性以及可用时间（up time）。系统的可靠性以及可用性越高，它需要的复用系统和备件就越少，测试系统整个运行周期内的成本也就越低。

对原有测试系统TPS的支持和移植。下一代测试平台中最主要的成本因素就是对原有测试程序的支持和移植，他远超过了系统硬件的购置成本。因此，新的测试平台或者结构不但要支持原有TPS，而并必须提供有效且高效的移植。用最小的人力成本达到这些目标对于有效降低成本是十分必要的。

3 面向基地级和战地级下一代自动测试系统结构的实现

当今测试平台或仪器都应该具备满足上述要求的能力。最早的TETS系统以及后面的VIPER/T大多是基于VXI采集卡的模块化结构。这些系统在10年前投入使用时，为基地级测试和战地级测试提供了必要的测试灵活性和测试功能。

然而，在面对像VIPER/T这种复杂测试系统的需求时，现在的和下一代测试系统所使用的模块化PXI采集卡标准，具有若干重要特征和优点。同VXI标准及其他仪器标准相比，PXI标准具有的优点有：“功能密度”高；结构紧凑；具有更宽的基带频率；具备发射模拟信号和无线射频信号的能力；并包括高性能数字化系统。

“功能密度”指的是在所规定的空间或者体积内完成特定的仪器功能。这已经被VXI以及后来的PXI实现了，采集卡生产商已经证明能够将仪器的高级功能集成到一块卡内，这相比于“盒式”的安装结构具有更高的“功能密度”。

PXI的高“功能密度”特性使得基于PXI采集卡的模块化结构能够减少测试系统的整体大小。最大的19英寸机架具有20个PXI卡槽（一个主控卡和19个外围卡），这就构成了一个紧凑的系统。另外，可以在一个机架内灵活地使用3U和6U的PXI采集卡（图1），系统设计者可以选择使用6U采集卡开发这些功能，并依然保持一个小的系统。

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图1 搭载6U和3U PXI采集卡的紧凑PXI机架（Compact PXI Chassis for 6U&3U PXI Cards）

当今有60个厂家生产的超过1400种PXI产品，它们具备了对所有武器系统、通信系统和电子航空产品进行测试所需的电路调理和测试能力。这些产品为下一代VIPER/T平台提供了所需的所有功能，包括对原有测试程序的支持和未来测试的需求。

4 样例系统——COBRA/T平台

一个标准化系统，使用通用化的现有的机架迅速构建高级测试设备（COBRA/T），并被开发为IR&D。这成功地说明了现在的VIPER/T和TETS平台是如何进行缩小的，并依然保留、拓展现有VIPER/T的功能。系统拥有现在VIPER/T的所有功能，使用CPCI、PXI、PXI Express 和LXI仪器标准，可以提供下面这些功能：

①基于PXI的数字I/O卡，支持50MHz的数据采集频率，每帧可以提供144个采集通道。这个数字测试系统具有与TETS和VIPER/T相同的功能，并且能耗更低、发热更少。

②拥有可以调理26.5GHz信号的LXI调理子系统，完全兼容VIPER/T和TETS。

③LXI数字万用表可以提供与VIPER/T和TETS系统完全相同的测试能力。

④基于CPCI的任意波形产生器具有更广泛的能力，能够兼容VIPER/T和TETS系统。

⑤基于CPCI的数字示波器具有更强的性能，依然可以兼容VIPER/T和TETS系统。

⑥基于PXI的无线射频测量设备可以兼容VIPER/T和TETS系统，并具备在26.5GHz频率下运行的能力，并支持对数字和模拟信号进行调制。

⑦支持最新计算机的总线接入，例如：10千兆以太网和USB 3.0。

⑧多种直流电源为被测单元（UUT）供电。8种可编程的电源可以兼容VIPER/T和TETS系统所需的电压和电流。

同现在的TETS和VIPER/T系统相比，新的平台具有下述特征：

①更加紧凑的结构。系统拥有比TETS更小的空间和重量。新系统是两个转换箱、一个存储箱，而TETS是3或4个转换箱、两个存储箱。它的体积和重量减少了如此之多，得益于广泛应用CPCI、PXI和LXI测试设备代替了VXI测试设备。

②综合集成测试设备可以产生和分析频率为26.5GHz的无线射频信号，支持CW信号、脉冲信号、调理模拟及数字信号。另外在160MHz的IF带宽范围内，无线射频测试设备可以支持最新一代的通信技术，像是跳频技术、扩频数据、蓝牙技术、正交频分多路复用技术（OFDM）。使用集成化的无线射频测试设备是减少测试设备体积的关键因素，且可以增加对下一代无线射频通信技术的测试能力。

③提高了数字I/O信号的性能：现有的TETS数字信号测试子系统是基于VXI标准的，能够提供25MHz的数据速率，每条通道32kb的存储空间，可编程的数字信号范围为-2V到+5V。而对于COBRA/T则是基于PXI标准的高性能数字信号测试子系统，它将速率从25MHz提升至50MHz，每条通道更大的存储空间（256kb），范围更大的数字信号范围（-11V至+15V），在具备与现有数字信号测试子系统相同功能的同时，使TPS的移植和测试程序的重组更加简单。

④低能耗的数字信号测试设备结构：相比于现有的数字信号子系统，新的数字信号子系统具有能耗更低、热量产生更少的优势。这点在Manor 于2010年Autotestcon上发表的论文“Implementing a High Performance Digital Sub-System Using the PXI Architecture”中进行了详细论述。他指出通过有效控制数字电路板上的正工作电压（VCC）和负工作电压（VEE），有可能得到能耗最小的数字信号测试子系统，并得到了由高到低的一系列可编程的能耗等级。另外，通过适当地构建数字信号子系统，有可能完全摒弃对于电路板管脚的电气性设计，且在显著降低能耗和热能耗的同时，依然保持原有的数字信号功能。相比于浪费600瓦的VXI数字信号测试子系统而言，一个没有进行管脚电气性设计、并拥有144个通道的PXI系统只消耗不到150瓦的能量。

⑤PXI和PXI Express标准给测试设备提供了更快的总线速度，使其具备了足够的总线带宽去构建一个综合集成测试仪器结构，进一步改进了测试系统性能和TPS的可执行性。

⑥相对于VXI、MXI、Express Card I/O这样的传统总线解决方案，标准总线通信协议（例如USB3.0和10G以太网）的使用对测试仪器的控制更加高效，仪器的连接耗能更低。

5 TPS的移植

能够支持现有的测试程序和硬件结构，对任何一个替代原有测试系统的新系统或者平台都是至关重要的要求。Carey和Dewey在他们于2010年Autotestcon上发表的论文“Modernizing Legacy Automated Test Systems for DoD Depots”中详细论述了TPS转换所带来的消耗远超过新建一个新系统。但如果能使更换系统的功能尽量接近需移植的系统，再加之移植工具可以进行程序快速转换，就能有效地降低测试程序升级所带来的消耗。优秀的TPS移植工具使调整或重写程序的需要变得最小，并提供一种理想的解决方案使得完全自动的、无代码改变地进行程序转换。

下一代TETS、VIPER/T平台已经构建了支持现有测试程序和硬件的结构。COBRA/T平台的测试接口兼容现有的测试结构，具备代替现有测试仪器的能力。

多数的TETS和VIPER/T测试程序都包括对数字信号测试资源的使用。逻辑自动激励与响应软件（LASAR）是一款主流的数字电路测试程序，它能够进行单步仿真，并指导用户使用探针进行故障诊断。测试程序的有效移植要求工具能够方便地转换现有的数字信号测试向量，并能够兼容COBRA/T数字子系统所带来的数字信号突发。作为IR&D发展成就的一部分，一套软件工具被开发了出来，它为移植现有的数字突发或LASAR.tap文件到PXI数字子系统提供一种方法。

移植工具具备将二进制数字文件（.dtb文件）转化成二进制格式的功能，他通过使用XML中介文件的方式使其完全兼容于COBRA/T数字子系统。另外，移植工具已经具备能够将LASAR.tap文件转化为新数字系统数据突发（digital bursts）的能力。由于探针的应用，越新的方法就是越好的方法。

为了证明移植工具的有效性以及COBRA/T系统的功能，开发了一种基于现有TPS的测试方案，这个TPS原本是为测试“时间空间矩阵CCA”（Time Space Matrix CCA）所开发的。

UUT要求102个动态数字通道，以及动态双向读写序列。使用dtb转换工具，可以将数据突发转化为一个可以进行单步仿真测试的UUT系统。数字测试程序的转换结果应该没有人为地转换。为了证实转换过程的正确性，应该设计UUT的额外测试系统。结果表明与PXI数字子系统功能相结合的转换方法，可以设计一个与原有数字测试系统功能相同的数字子系统，因此是一个有效的TPS转换过程。

6 结论

上面举例的测试平台的开发过程，即COBRA/T系统，采用现代T&M仪器标准。它是可以在基地和野战部署的测试系统，具有以下主要好处：

①更小的系统体积和重量：相比于VIPER/T系统，新的平台可以减少大约50%的体积和重量。这是系统的主要优点，使得它能够方便运输并部署在战地。

②类似于综合集成仪器结构这样的下一代测试设备和结构，可以为现有及未来的通信技术和标准测试，提供更好的灵活性和更低的能耗。

③更低的能耗：在待机状态时，目前的VIPER/T系统，可以减少超过50%的系统耗能，这些能量不仅源于更少的系统运行能耗，而且还来自于更低的系统运行温度，这还能使系统更加稳定、运行速度更快。

④更低的重复采集消耗：PXI结构的使用能够显著地降低测试系统的采集系统消耗。对于相似的仪器功能，PXI测试设备比相同类型的VXI测试系统能耗低50%。类似于数字采集卡这样的高能耗终端设备，PXI采集卡比VXI采集卡每条通道能耗降低60%。另外对于结构性消耗，像PXI这样的结构也比VXI低。显然，PXI的使用是降低测试系统采集消耗的主要原因。

建立在PXI的技术和经济优势之上，再结合能够保护现有测试设备中TPS的移植工具，下一代“TETS/ VIPER/T”平台，将拥有更好的功能和更低的全寿命消耗，并为现有测试程序和产品提供良好的支持。

参考文献：

[1]D.Carey and M.Dewey，"Modernizing Legacy Automated Test Systems for DoD Depots"， Autotestcon，2010.

[2]D.Manor，"Implementing a High Performance Digital Sub-System Using the PXI Architecture"，Autotestcon，2010.

[3]王炳辉.舰载电子装备综合测试诊断体系结构研究[J].指挥控制与仿真，2009（04）.

作者简介：韩斌（1989-），男，山西汾阳人，装甲兵工程学院，在读研究生，研究方向：导航制导与控制。

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