劉書萌，吳 暉，馮國兵，周 林，張 鵬

(中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

多年來，國內(nèi)外儀器廠商推出了各種無線電綜合測試儀。國外典型的有HP公司的HP8920綜合測試儀、Rohde & Schwarz公司的CMS52綜合測試儀、Astronics公司的CTS-6000系列綜合測試儀。國內(nèi)典型的有成都766廠的AH-5403C綜合測試儀、中電41所的AV4945和AV4992A綜合測試儀[1]。上述這些綜合測試設(shè)備主要面向通信終端各參數(shù)的手動逐步測試，自動化程度較低，且大都不具備二次開發(fā)能力，個別型號雖然可以二次開發(fā)，但開發(fā)步驟繁瑣，實(shí)用性差，智能化、適應(yīng)性、深度測試診斷能力不足。

針對現(xiàn)代通信測試的新要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于PXI總線技術(shù)的便攜式電臺綜合測試儀，該設(shè)備綜合集成通用虛擬儀器、一鍵測試、流程開發(fā)與測試、裝備管理、故障診斷和故障預(yù)測等多種測試功能于一體，采用加固式一體機(jī)結(jié)構(gòu)，具備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組合化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對短波、超短波通信裝備的便攜式智能維修保障。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的綜合測試儀采用標(biāo)準(zhǔn)的PXI總線，PXI背板定制化設(shè)計(jì)為3行×6列共18槽位，根據(jù)應(yīng)用場合不同，測試平臺可搭配不同功能的模塊，實(shí)現(xiàn)頻率、功率、靈敏度等性能參數(shù)的測試測量[2]。

1.1 硬件架構(gòu)

綜合測試儀硬件方案主要由人機(jī)接口設(shè)備、PXI嵌入式控制器、儀器背板、測試功能模塊、電源、機(jī)箱等六部分組成，如圖1所示。

(1)人機(jī)接口設(shè)備：包含顯示屏、鍵盤/觸摸板和觸摸屏三部分。

(2)PXI嵌入式控制器：是綜合測試儀的核心，用于實(shí)現(xiàn)模塊資源的管理、工作流程的控制和測試數(shù)據(jù)的分析處理等。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

(3)儀器背板：實(shí)現(xiàn)綜合測試儀控制器和測試板卡的固定，并完成板卡之間的高速通信。

(4)測試功能模塊：是綜合測試儀各種測試功能的主要實(shí)現(xiàn)者。

(5)電源：為綜合測試儀提供所需電源。

(6)機(jī)箱：綜合測試儀的物理結(jié)構(gòu)。

1.2 便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)箱主要有顯示屏(帶觸摸屏)、風(fēng)扇、外部接口、PXI機(jī)籠、鍵盤(帶觸摸板)、框架、把手、底板等組成，如圖2所示。

圖2 機(jī)箱組成圖

PXI機(jī)箱采用一體化加固式筆記本結(jié)構(gòu)，風(fēng)道設(shè)計(jì)為左側(cè)入風(fēng)、右側(cè)出風(fēng)的形式。為減輕重量，機(jī)箱采用鋁制材料，并對非承重部位進(jìn)行銑薄處理，既保證輕便，又不影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。同時(shí)，盡可能地減小機(jī)箱體積，提高便攜性以適用于野外通信設(shè)備測控作業(yè)應(yīng)用場合。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合測試儀軟件在Visual Studio 2012下采用C#進(jìn)行開發(fā)，軟件運(yùn)行于嵌入式控制器中，可自動完成多種型號通信裝備的測試。

2.1 軟件架構(gòu)

考慮通信設(shè)備綜合測試和維修保障的實(shí)用性、便捷性要求，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組合化測試原理實(shí)現(xiàn)虛擬儀器、一鍵測試、流程測試、裝備管理等軟件功能模塊[3]。系統(tǒng)軟件架構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)框圖

首先是系統(tǒng)登錄，設(shè)置安全登錄功能，分角色設(shè)置用戶權(quán)限。用戶登錄成功后，主菜單設(shè)有系統(tǒng)平臺簡介、虛擬儀器、裝備管理、一鍵測試、流程測試與系統(tǒng)退出等功能。

(1) 系統(tǒng)平臺簡介：對綜合測試儀的組成、功能特點(diǎn)以及使用說明進(jìn)行簡單介紹。

(2) 虛擬儀器：包括萬用表、示波器、功率計(jì)、頻率計(jì)、音頻儀、射頻信號源、射頻分析儀等。

(3) 裝備管理：多種型號通信裝備的完整測試流程封裝在其中，可進(jìn)行通信裝備的流程測試、故障診斷、故障預(yù)測、維修保障與數(shù)據(jù)管理。

(4) 一鍵測試：日常測試中個別收發(fā)終端發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的測試。

(5) 流程測試：提供基于函數(shù)解析的可視化流程開發(fā)及測試功能。

(6) 系統(tǒng)退出：退出軟件。

2.2 軟件設(shè)計(jì)思想

為實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)的同步性，提高軟件的可移植性，設(shè)計(jì)采用視圖、控制邏輯、模塊驅(qū)動等三類任務(wù)分離的思想[4]。視圖的任務(wù)一方面是將控制邏輯任務(wù)上傳的數(shù)據(jù)接收并呈現(xiàn)給用戶，另一方面接收用戶的請求，并把請求下發(fā)給控制邏輯任務(wù)進(jìn)行處理；控制邏輯的任務(wù)一方面是處理視圖任務(wù)下發(fā)的請求，控制驅(qū)動函數(shù)的執(zhí)行，另一方面把模塊驅(qū)動返回的測量信息發(fā)送給視圖任務(wù)進(jìn)行顯示；模塊驅(qū)動的任務(wù)是執(zhí)行控制驅(qū)動函數(shù)的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對功能模塊的控制和測量結(jié)果的上傳。三類任務(wù)間的接口通過在公共類中定義全局變量的方式實(shí)現(xiàn)。

2.3 關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)

流程測試和故障診斷與預(yù)測是本文設(shè)計(jì)的綜合測試儀的兩項(xiàng)關(guān)鍵功能，同時(shí)也是它有別于市場上同類產(chǎn)品的創(chuàng)新之處。流程測試功能滿足了用戶自主定制通信裝備測試流程進(jìn)而完成自動測試的需要。故障診斷與預(yù)測功能使裝備“視情維修”成為可能，大大提高了面向通信裝備的深度測試診斷能力和智能維修保障能力[5]。

2.3.1流程測試

流程測試是綜合測試儀的一項(xiàng)重要功能，包含流程開發(fā)和流程執(zhí)行兩種模式[6]。流程開發(fā)模式下，用戶可以針對新型裝備的特點(diǎn)自主開發(fā)設(shè)備測試項(xiàng)；流程執(zhí)行模式下，用戶可選擇需要的測試流程進(jìn)行測試，測試模式包括連續(xù)和單步兩種。對于全部測試項(xiàng)均合格的被測裝備，綜合測試儀會將故障預(yù)測算法生成的預(yù)測信息同步提示給用戶，以便用戶執(zhí)行后續(xù)預(yù)防操作；對于測試不合格的裝備，綜合測試儀會針對不合格項(xiàng)進(jìn)行自動故障隔離定位，并生成維修決策建議給用戶，提高裝備的維修效率。當(dāng)流程執(zhí)行結(jié)束時(shí)，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行的流程測試結(jié)果保存、報(bào)表生成及打印、將測試流程添加至裝備管理等操作。測試流程開發(fā)與執(zhí)行的具體流程圖如圖4所示。

圖4 流程開發(fā)與執(zhí)行

2.3.2故障診斷與預(yù)測

本文設(shè)計(jì)的綜合測試儀綜合運(yùn)用各種決策支持技術(shù)和人工智能技術(shù)，將通信設(shè)備的性能測試與故障診斷、故障預(yù)測結(jié)合起來，能夠及時(shí)、正確地對被測設(shè)備的健康狀況做出反映，提高裝備運(yùn)行的可靠性、安全性和有效性，把故障損失降低到最低水平[7]。這一功能不僅有利于把維護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)和知識加以系統(tǒng)化，形成故障診斷與預(yù)測專家系統(tǒng)的知識庫，也有利于故障診斷與預(yù)測知識的積累和擴(kuò)大，有利于更好地為各類通信設(shè)備提供作戰(zhàn)綜合保障。

(1) 故障診斷模塊

智能故障診斷系統(tǒng)是一種新型的結(jié)構(gòu)化專家系統(tǒng)，采用了人工智能技術(shù)，集成了規(guī)則與模型兩種知識表達(dá)方法，包含知識管理、推理機(jī)以及狀態(tài)顯示與發(fā)布等部分，程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 故障診斷程序結(jié)構(gòu)

其中，知識管理工具以歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)、專家知識以及規(guī)則等創(chuàng)建適應(yīng)通信裝備測試參數(shù)的故障規(guī)則庫和模型庫。軟件以實(shí)時(shí)不合格測試項(xiàng)的數(shù)據(jù)為激勵信號，啟動推理過程后，根據(jù)不同數(shù)據(jù)源由算法控制程序選擇加載規(guī)則診斷推理流程或者模型診斷推理流程。推理引擎通過推理導(dǎo)出的診斷結(jié)果經(jīng)解釋器解釋后，一方面在人機(jī)界面展示并定位到裝備故障位置，另一方面保存到歷史數(shù)據(jù)庫中。

(2) 故障預(yù)測模塊

對于所有測試項(xiàng)均合格的通信裝備，軟件可進(jìn)一步結(jié)合設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，建立被測通信設(shè)備的性能衰退評估模型，完成剩余壽命預(yù)測，提出預(yù)測性維修報(bào)告顯示給用戶以供參考，該模塊程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

在接收測試數(shù)據(jù)之前，用戶可以對預(yù)測程序的信息進(jìn)行配置，并通過定時(shí)或人工的方式對預(yù)測方法模型進(jìn)行訓(xùn)練修正。之后軟件開始接收實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)或歷史測試數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除野值，或提供特定時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)。下一步根據(jù)預(yù)測模型進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，并參照國軍標(biāo)中的要求，形成設(shè)備的健康度評估和壽命評估，最后將預(yù)測信息提示實(shí)時(shí)顯示給用戶，并將預(yù)測關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)日志存儲到文件中。本文設(shè)計(jì)的故障預(yù)測方法包括：一是經(jīng)過訓(xùn)練的對象外掛預(yù)測模型；二是基于時(shí)間序列平滑預(yù)測的AR、ARMA模型；三是基于趨勢外推的曲線擬合、最近鄰等[8]。

圖6 故障預(yù)測程序結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)與分析

通過上述軟硬件設(shè)計(jì)，研制出的便攜式電臺綜合測試儀具備通用虛擬儀器、一鍵測試、流程開發(fā)與測試、裝備管理、故障診斷與預(yù)測等多種測試功能，且結(jié)構(gòu)輕便，是一套非常適合于野外通信裝備測試作業(yè)和多種復(fù)雜設(shè)備混裝測試的智能化儀器。該綜合測試儀在電子六所內(nèi)完成了所有指標(biāo)的驗(yàn)收測試，其性能指標(biāo)和Rohde & Schwarz公司的CMS52綜合測試儀的對照如表1所示[9]。

表1 本產(chǎn)品和R&S? CMS52比較

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的便攜式電臺綜合測試儀，是針對現(xiàn)代通信裝備測試需求提出的一種綜合性的智能維修保障設(shè)備。通過對設(shè)備軟硬件系統(tǒng)和便攜結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，使該設(shè)計(jì)方案有整體小型化、易于升級和可重新配置等特點(diǎn)的同時(shí)，集成了通用虛擬儀器、一鍵測試、流程開發(fā)與測試、裝備管理、故障診斷和故障預(yù)測等多種測試功能，解決了目前測試中需要多臺測試儀器、測試成本高、攜帶和使用不方便、無法快速進(jìn)行故障查找和測試等缺陷。研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可檢測頻率范圍為1 MHz～3 GHz，各項(xiàng)功能及性能指標(biāo)經(jīng)測試均滿足要求，在通信裝備的測試維修領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。