航天测控：测试领域新技术的发展

测试领域新技术的发展
航天测控中心 范佳平

 

　　测试是检验测试对象的功能、性能是否满足使用要求并及时发现问题的重要而有效手段，一般而言，在产品的研制、生产和使用维护的全寿命过程中都离不开测试技术和测试装备，它们是产品研制过程中的重要手段，是产品制造过程中的质量保证工具，同时也是产品维修保障体系的关键要素。测试技术是确保产品“可靠性、可维修性、可保障性”的重要支柱，是产品全寿命周期的测试、维护、维修保障的技术手段；测试仪器及由各种测试仪器组成的测试系统则是测试技术的最终体现。随着测试需求的提高和应用的发展，尤其是软硬件技术和测试技术手段的发展，近年来在测试领域中新的技术得到了快速的发展：如各种新型的仪器总线的相继推出和应用，小型化、合成化和综合化的仪器不断涌现，综合的、通用化的自动化测试系统和测试与诊断一体化系统的蓬勃发展，远程测试与维修诊断技术、内装自测试技术、综合测试与诊断软件平台技术等在不断地完善和应用。

 

　　测试仪器及先进的测试总线技术

 

　　根据行业的应用特点，测试仪器可以分为基础测量仪器、合成仪器、微波/毫米波仪器等等。针对通用测试、故障诊断、综合保障系统的需求，业内进一步开发并完善了基于VXI/PXI/LXI仪器总线的基础测量仪器系列型谱，在机箱、控制器、高速数采、高端示波器、高速I/O、边缘扫描、微波仪器以及通讯测量仪器等方面得到进一步拓展并完善，在各种形式的高端及综合仪器产品研发上得到加强，重视仪器接口的标准化、网络化和应用的网络化；由可互换虚拟仪器(IVI)标准的引入所带来的仪器驱动程序的标准化，满足了仪器间可互换性的要求，并对通用化测试诊断软件平台的开发和应用提供了基础保障；针对新一代雷达、通讯、电子侦察和电子干扰、精确制导等应用的发展，并满足对密集、复杂和状态多变的电磁环境模拟仿真和高精度测量与分析的需求，合成仪器以及微波/毫米波测试仪器的相关技术得到了快速发展，如更宽频率的捷变频及非线性、多端口、高功率的测试仪器技术和仪器的出现，实现了更多参数综合化、模块化和一体化的测试。无线电及光通信网络的测试技术、红外测试技术、以及软件无线电技术等的研究和应用也得到了较快推进。

　　测试系统的组成离不开测试总线，总线本身亦成为测试系统的主要组成部分，根据总线结构功能和性质的不同可以将测试总线分成内部总线和外部总线。业内流行的内部测试总线主要有VXI和PXI两种总线，它们分别在VME和PCI两种计算机总线的基础上发展起来，尽管分别定义了很多种安装结构和总线定义，但由于应用的事实标准，当前绝大部分的结构形式是：VXI使用的是C尺寸，而PXI使用的是A尺寸。在最新的版本中，VXI(V3.0)的总线速度可达到160MB/s，而PXI的总线速度更快，最高速度可达528MB/s，PXI的另一个提高传输速度的发展是支持PCI Express，有人给它命名为PXIE总线，它在PXI总线的背板上再集成进PCI Express总线，以满足某些仪器模块的快速数据传送需求；就应用情况而言，两种总线在测试领域都得到了较好的发展，VXI总线定义了更为严格的时钟、供电电源、机箱和电磁兼容的指标要求，因此主要应用在高端的测试领域，而PXI在要求小型化和仪器间快速数据传送的场合发展很快。另外一个快速总线的发展是ATCA(AdvancedTCA)总线的推出和应用，支持最高可达40Gb/s的接口速度。以航天测控公司为代表的国内仪器厂家已全面掌握了各类VXI/PXI总线模块化测试仪器的开发技术，并形成了系列化的VXI/PXI总线基础测量仪器货架产品，大部分产品的指标与国外同类产品相当，部分指标还高于国外产品，同时可以满足更宽的使用环境要求。
　　外部总线有GPIB、USB、1394和LXI等，当前发展和应用比较活跃的有USB和LXI总线，在小型化、便携式或实验室的应用中，以USB接口的仪器系统有快速发展之势；在广泛使用的Ethernet的基础上发展而成的LXI总线，则被认为是第一款真正意义上的外部仪器总线，它分为A、B、C三个级别，A级别要求最高，可以满足精确时钟同步和同步触发的功能要求，在分布式和大规模的测试系统中有独到的应用空间，为测试技术的应用开辟了另一片天地。

 

　　自动化测试及综合测试技术

 

　　伴随着世界新技术的发展，信息化技术和信息化装备的应用已成为提升装备能力的关键途径，无论是民用还是军用领域的水陆空装备、通信系统、自动化生产装置等等，其电磁探测、自动化控制、数据分析、数据传输、网络通信等一系列功能在不断地增加，所承载的电子设备也在不断地增加，为保证装备的正常工作，对这些先进而复杂的电子设备的测试和故障诊断就显得格外之重要，面对这样测试及诊断任务越来越繁重和复杂的局面，多年来，业内在注重单项测试技术突破的同时，力求使测试设备实现自动化、通用化和综合化，以满足通用的模拟、数字、射频和光电等系统的全面测试能力。

　　通用化的测试系统本身的特点体现在测试仪器的通用、软件平台的通用和接口适配器的通用上，在以自动测试系统(ATS)为基础的通用化、综合化的发展过程中，之前由于投资和管理的分散，造成了ATS品种繁多、体系结构不统一以及软硬件接口的专用化的格局，使得很难实现真正意义上的通用化，要实现测试设备的通用化、综合化，就得对ATS进行集中管理和规划，以美国为例，他们采取的措施之一是把ATS纳入国防部联合技术体系结构，以加强ATS的标准化；措施之二就是启动下一代测试计划(NxTest），统一三军的ATS的体系结构，实现测试设备的通用化和综合化，通过以IEEE－1226标准作为系统的主体信息框架，使得测试系统内部、测试系统之间、测试过程与外部环境(包括产品设计、生产到维修的各个环节)之间实现信息资源的共享和交互，实现共享TPS和ATS，共享诊断基础结构，改善TPS开发环境，便于TPS移植；同时结合IEEE－1232标准使诊断推理系统能相互兼容和独立于测试过程，达到测试诊断知识可移植、重用和共享；这些措施的目标就是要使得测试设备的硬件减少2/3，工程费用减少2/3，TPS开发时间和成本减少50～70%。最后的效果非常明显，在很大程度上减少了测试设备的规模和投资。经过“十五”的发展，国内一些专业测控厂家充分利用成熟的模块化仪器技术、标准总线技术、通用软件平台技术和自动化测试系统技术，开发出了满足军用和民用需要的通用化和综合化的测试系统设备，在航天、航空、船舶、车辆等测试领域中得到了较好的应用。

　　研究并规范多层次自动测试的开放式体系结构，消化吸收NxTest体系结构设计思想，实现装备全寿命周期测试及跨平台测试的要求，实现信息与系统的资源共享、互连、互换、互操作、可扩展以及满足纵向集成测试等通用化测试的需求。通过解决统一的规范和标准，在软件平台、系统接口、安装结构上实现ATS的相互兼容，就能进一步提高资源的利用率，实现更加通用化和综合化的测试目的。

 

　　故障诊断及综合保障技术

 

　　测试和诊断就是在获取被测对象的各类参数、感知其特性和功能的基础上，进行分析和评定，及时而准确地确定其工作或性能状态，并隔离其内部故障的手段，同时为维修提供判断的依据。故障诊断是测试任务的最高境界，通过系统级和板级的故障诊断技术，可将故障定位到部件、插板、甚至元器件，实现准确定位并及时修复，从而可以大幅度减少系统或设备的平均维修时间。

　　在综合保障技术体系中，包括了可靠性技术、测试技术和现场维修技术。其中的可靠性、可测试性和可维修性等跟产品的设计过程息息相关，而为可靠性建模、可靠性分析以及维修性建模提供基本数据的又是测试和诊断，同时，在可靠性分配、可靠性预计和维修性预计上又会对测试和诊断提出要求。因此，处理好它们之间的关系就非常重要，为满足产品全寿命周期的综合保障的需要，一些机构在可靠性、可测性和可维性的设计方面，在试验与评估技术方面，已实现了从定性向定量分析的过渡，并推出了大量的保障性设计分析与评估的工具软件，并以数字化设计平台为基础来实现装备研制过程保障性与性能的有机结合，以多学科设计优化技术为基础来实现各种设计特性的综合。在维修技术方面，利用信息技术、先进的传感器技术、自动测试技术、故障诊断和预测技术、人工智能技术等手段发展电子维修、虚拟维修和仿真等技术，进行综合检测、预测与评估，以提高维修的快速性和精确性。在测试与诊断技术方面，进一步发展和完善了综合测试与故障诊断一体化技术，建立起规范的综合诊断与维修保障系统的体系结构，兼容IEEE-1445标准，应用更为有效的故障建模、推理诊断方法、测试诊断与信息融合等基础技术，为系统级、板级和芯片级的故障诊断提供技术手段，为装备综合维修保障提供更加完善的技术和产品支持。随着信息技术的发展，模糊理论、神经网络、遗传算法、小波变换的最新理论都先后应用到故障诊断领域，并取得了一定的成效；另外，模糊故障树、模糊神经网络、基于模糊规则的专家系统和基于遗传算法的诊断方法等等均在深入研究之中。在维修设备产品方面，多家单位运用专家系统、人工智能方法开发了板级和系统级的故障综合诊断系统产品并得到应用，典型的设备有泰瑞达公司的LASER系统，法宇航的ATEC Series6系统，以色列的ARIS2000系统和航天测控公司的“华佗电子诊所”HTEDS8000系统等。

　　新一代装备由于具有高度智能化、数字化、总线化的特点，传统的外部测试和诊断逐步由内部BIT功能所替代，这已成为当前测试技术发展的重要趋势。说起BIT技术可以追溯到上世纪五十年