張 倩，張 碩，侯燕春

基于PXI平臺的環(huán)境試驗并行測試系統(tǒng)設(shè)計

張 倩1，張 碩2，侯燕春1

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京，100048）

為提高測試的通用化、自動化、智能化，縮短試驗時間，節(jié)省試驗成本,提出了一種基于面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展（PCI Extensions for Instrumentation，PXI）平臺的自動流程執(zhí)行架構(gòu)，以及柔性測試流程配置的環(huán)境試驗并行測試系統(tǒng)，該并行測試系統(tǒng)在換流器等產(chǎn)品環(huán)境試驗中得到了應(yīng)用，并實踐驗證取得的效果良好。

環(huán)境試驗；PXI總線；LabVIEW狀態(tài)機(jī)；自動測試系統(tǒng)

0 引 言

環(huán)境試驗廣泛開展于航空航天、軍工、電子、通信、機(jī)械等領(lǐng)域，用于保證電子產(chǎn)品使用過程中的安全性、可靠性和可行性[1]。在環(huán)境試驗實施的過程中要實時監(jiān)測電子產(chǎn)品的性能指標(biāo)，電子產(chǎn)品種類數(shù)量多、測試數(shù)據(jù)量大、測試時間長，依賴傳統(tǒng)的監(jiān)測方法和監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)很難適應(yīng)一鍵測試、自動判讀、高效率、高擴(kuò)展度等要求，而采用虛擬儀器技術(shù)，基于PXI平臺的測試系統(tǒng)具有測試效率高、定位故障快速、自動化水平高、可靠度高及操作柔性化等特點，該技術(shù)在電子產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、測試和檢驗中得到了大范圍的應(yīng)用[2]。因此基于面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展（PCI Extensions for Instrumentation，PXI）平臺的測試系統(tǒng)是實現(xiàn)環(huán)境試驗并行測試的有效解決方案。

本文設(shè)計的并行測試系統(tǒng)以自動測試系統(tǒng)（Auto Test System，ATS）技術(shù)為核心，采用的虛擬儀器技術(shù)在各種測量與控制、電子行業(yè)工程設(shè)計和應(yīng)用的用戶中應(yīng)用頗廣[3]。在環(huán)境試驗并行測試系統(tǒng)的研制中，貫徹“軟件即儀器”的思想，運(yùn)用基于PXI平臺的虛擬儀器技術(shù)，采用面向信號的開發(fā)方法，實現(xiàn)了一套硬件平臺滿足多種產(chǎn)品的通用電信號監(jiān)測需求[4]。

本文運(yùn)用自動測試和判讀技術(shù)，通過LabVIEW開發(fā)軟件創(chuàng)建自定義的測試流程，選用通用化的PXI總線模塊集成系統(tǒng)硬件平臺，Access數(shù)據(jù)庫配置針對不同電子產(chǎn)品測試需求的自動測試流程，建立一種面向信號、以LabVIEW狀態(tài)機(jī)為基礎(chǔ)架構(gòu)，完成交直流電壓、電流、阻值、頻率、數(shù)字量、指令等信號的實時監(jiān)測，并實現(xiàn)測試的自動判讀和超差報警等功能。

1 系統(tǒng)原理及架構(gòu)

環(huán)境試驗中對電子產(chǎn)品性能指標(biāo)檢測過程主要為測試系統(tǒng)發(fā)出激勵信號給被測產(chǎn)品，同時采集被測產(chǎn)品響應(yīng)信號。以運(yùn)載火箭測量系統(tǒng)的換流轉(zhuǎn)接器為例，換流轉(zhuǎn)接器的主要功能為將配電器提供的28 V輸入一次電源變換為二次電源5 V和3 V的直流電壓信號，二次電源輸出為多路信號，然后分別供電給箭上傳感器、變換器，參加環(huán)境試驗時傳統(tǒng)的測試臺只能串行完成監(jiān)測任務(wù)，測試臺的主要功能為：

a）向換流轉(zhuǎn)接器供電；

b）采集換流轉(zhuǎn)接器輸出電壓、電流信號，具有多路電壓信號檢測通道和多路電流信號檢測通道。檢測的電壓范圍為-16～+1 V，檢測的電流范圍為0～2 A；

c）采集換流轉(zhuǎn)接器工作正常信號，回采換流轉(zhuǎn)接器的供電電壓和工作電流。

采用Simulink仿真工具搭建換流轉(zhuǎn)接器工作原理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對電壓信號的輸出模擬，可以動態(tài)觀察仿真數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果。圖1為Simulink仿真曲線，從曲線中可以看出，換流轉(zhuǎn)接器按照要求輸出的直流電壓接近3 V。

圖1 換流轉(zhuǎn)接器輸出信號仿真

針對換流轉(zhuǎn)接器搭建的仿真模型可以為并行測試系統(tǒng)開發(fā)提供驗證手段，通過測試平臺監(jiān)測換流轉(zhuǎn)接器輸出電壓信號，驗證了換流轉(zhuǎn)接器工作是否正常，同時也驗證了并行測試系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性和正確性。

環(huán)境試驗并行測試平臺要滿足換流轉(zhuǎn)接器測試臺的基本功能，能夠?qū)崟r并行采集多路信號，平臺設(shè)計基于信號種類多、信號數(shù)量大、自動化檢測、可拓展性等特點，利用PXI虛擬儀器技術(shù)，采用面向信號的系統(tǒng)建模方法，建立一套多功能的自動化閉環(huán)測試平臺，該測試平臺可以完成模擬量、數(shù)字量、脈沖、阻值、頻率等信號的測試，以及激勵信號的輸出，并可實現(xiàn)測試的自動化判讀。

并行測試系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，以換流轉(zhuǎn)接器為例，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，可以實現(xiàn)對電子產(chǎn)品的動態(tài)監(jiān)測，能夠模擬產(chǎn)生符合各種測試條件的激勵信號，對響應(yīng)的信號進(jìn)行采集與測量，實時同步顯示測試結(jié)果便于觀察，實時判讀和處理測試結(jié)果，并進(jìn)行超差判斷和故障定位，測試流程結(jié)束后自動生成測試報表，存儲測試數(shù)據(jù)等。硬件部分采用通用化集成設(shè)備，由主控制器、模塊化儀器、信號轉(zhuǎn)接適配器以及測試電纜組成。軟件部分作為測試系統(tǒng)的核心，選擇LabVIEW開發(fā)工具進(jìn)行開放式的測試流程設(shè)計，實現(xiàn)對硬件平臺的控制。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件設(shè)計

PXI是美國國家儀器公司NI推出的一種開放式開發(fā)工具，具有極高的性價比、驅(qū)動程序豐富可支持多種開發(fā)平臺、易于升級和維護(hù)等優(yōu)點。基于上述優(yōu)點，環(huán)境試驗并行測試系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計將基于PXI總線架構(gòu)實現(xiàn)。

PXI硬件由電源、電源測控組合、接口適配器、激勵信號輸出模塊和信號采集模塊。電源測控組合是硬件核心，主要由PXI機(jī)箱、PXI總線模塊和外設(shè)設(shè)備組成，PXI核心平臺集成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出與采集模塊，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)信號的輸出與信號監(jiān)測；信號接口適配器可以滿足通用化需求，是匹配不同的被測信號接口的一個適配環(huán)節(jié)，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)信號與箭上所需信號的調(diào)理轉(zhuǎn)換及接口匹配；激勵信號輸出模塊采用多功能板卡可以實現(xiàn)數(shù)字量、模擬量等信號輸出，作為被測設(shè)備的激勵輸出，信號采集模塊及數(shù)字式萬用表，實現(xiàn)對各類信號的采集。

環(huán)境試驗并行測試系統(tǒng)對火箭系統(tǒng)的多種電子產(chǎn)品均適用，包括配電器、換流轉(zhuǎn)接器、模擬量變換器、數(shù)字量變換器、指令變換器、脈沖變換器以及環(huán)境參數(shù)傳感器、變換器等。硬件平臺設(shè)計如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計

在虛擬儀器的用戶測試應(yīng)用界面設(shè)計中，取代了傳統(tǒng)的儀器設(shè)備操作界面，由設(shè)計開發(fā)人員自定義設(shè)計界面，通過軟件界面實現(xiàn)對硬件設(shè)備的控制[5]。系統(tǒng)軟件開發(fā)的要點：底層硬件板卡兼容、測試流程通用、數(shù)據(jù)庫文件有效管理、用戶界面?zhèn)€性化設(shè)計、測試判讀自動化等，系統(tǒng)選擇LabVIEW作為軟件開發(fā)工具[6]。并行測試系統(tǒng)軟件設(shè)計共分為7個模塊，軟件架構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意

3.1 數(shù)據(jù)模型設(shè)計

3.1.1 硬件連接配置設(shè)計

硬件的連接包含：被測對象的電氣接口端與信號轉(zhuǎn)接裝置輸入端，信號轉(zhuǎn)接裝置輸入端與信號轉(zhuǎn)接裝置輸出端，信號轉(zhuǎn)接裝置輸出端與多路復(fù)用開關(guān)輸入模塊，多路復(fù)用開關(guān)輸入模塊與測試系統(tǒng)端口。根據(jù)硬件的連接關(guān)系應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型。

系統(tǒng)硬件的連接關(guān)系：

3.1.2 狀態(tài)機(jī)設(shè)計

有限狀態(tài)機(jī)在集成電路軟件設(shè)計中廣泛應(yīng)用[7]，狀態(tài)機(jī)執(zhí)行的是一種固定式的流程，對于用戶來說需要根據(jù)實際功能需要動態(tài)地改變執(zhí)行的順序。集成電路中常使用的三段式狀態(tài)機(jī)由狀態(tài)轉(zhuǎn)移和具體狀態(tài)中的邏輯組成，狀態(tài)信號按照預(yù)先的功能設(shè)定可以在各個狀態(tài)之間進(jìn)行切換。狀態(tài)機(jī)的主要用途是將控制邏輯分解成功能需求中要求的狀態(tài)，在進(jìn)行狀態(tài)切換時無狀態(tài)沖突、功能實現(xiàn)獨立，同時將用戶預(yù)期設(shè)計的功能分布在具體狀態(tài)中進(jìn)行實現(xiàn)。狀態(tài)機(jī)由一個功能主循環(huán)和一個狀態(tài)選擇結(jié)構(gòu)組成，通過寄存器數(shù)值的變化來實現(xiàn)狀態(tài)切換。三段式狀態(tài)機(jī)的框架的結(jié)構(gòu)清晰，方便進(jìn)行功能拓展和功能修改[8]。

自動測試的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換邏輯關(guān)系如圖5所示。

圖5 狀態(tài)機(jī)邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)上電后首先通過復(fù)位進(jìn)入initial狀態(tài)，對狀態(tài)轉(zhuǎn)移寄存器及相關(guān)功能寄存器進(jìn)行初始賦值，直接進(jìn)入idle空閑狀態(tài)，在啟動自動執(zhí)行條件后進(jìn)入自動測試流程，順序讀取測試步驟，按序執(zhí)行“信號準(zhǔn)備”“信號產(chǎn)生”“反饋信號等待”“信號采樣”“判讀分析”，根據(jù)判讀結(jié)果確定“終止”的狀態(tài)或“暫?！钡臓顟B(tài)來決定下一步進(jìn)入的測試步驟，分別是停止測試、繼續(xù)執(zhí)行下一步測試步驟或者暫停測試。

3.1.3 自動化測試技術(shù)設(shè)計

環(huán)境試驗中對電子產(chǎn)品性能指標(biāo)的傳統(tǒng)測試是由人工手動完成。人工手動測試不僅繁瑣、時間成本高，且易出錯。自動化測試的實現(xiàn)能很大程度地提升測試效率，自動判讀和超差報警功能更是能有效地提高測試的準(zhǔn)確性。

除硬件上采用PXI總線設(shè)計外，想要進(jìn)一步實現(xiàn)自動化判讀，還要對連接端口的數(shù)據(jù)模型和試驗信息的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

接口數(shù)據(jù)模型反映了硬件端口對應(yīng)聯(lián)系，即被測對象端口、轉(zhuǎn)接裝置端口和儀器設(shè)備端口的關(guān)系信息。接口數(shù)據(jù)模型由被測端口信息UTOC、轉(zhuǎn)接端口信息CTOC、儀器端口信息CTOS組成，數(shù)據(jù)模型的索引關(guān)系如圖6所示，試驗信息數(shù)據(jù)模型TESTNAME定義了被測端口和判據(jù)信息，接口數(shù)據(jù)模型和試驗信息數(shù)據(jù)模型通過試驗表單模型TESTLIST的索引獲得試驗的全面信息，更改其任意一個數(shù)據(jù)表內(nèi)容可以自動反應(yīng)到測試配置信息中。在實際測試時，只需選擇相應(yīng)的測試項目，即可按照數(shù)據(jù)表信息自動控制多路復(fù)用器和數(shù)字萬用表完成相應(yīng)的測試工作。

圖6 數(shù)據(jù)模型的索引關(guān)系示意

3.1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

LabVIEW訪問數(shù)據(jù)庫的方式很多，LabSQL利用Microsoft ADO以及SQL語言來完成數(shù)據(jù)庫訪問，簡單易用[9]。它支持Windows操作系中任何基于OBDC的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計中可采用Microsoft的Access數(shù)據(jù)庫，建立基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的硬件配置和流程配置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的通用性。

數(shù)據(jù)庫可由兩部分構(gòu)成：試驗配置數(shù)據(jù)庫與試驗結(jié)果數(shù)據(jù)庫。試驗配置數(shù)據(jù)模型如圖6所示，試驗結(jié)果數(shù)據(jù)庫分為試驗結(jié)果、報警信息和操作日志3部分。

3.2 用戶層設(shè)計

LabVIEW用戶層設(shè)計可以按實際需求出發(fā)，進(jìn)行個性化的界面設(shè)計，所具備的功能有：

a）用戶登錄窗口，包括測試產(chǎn)品類型選擇、操作流程選擇、用戶口令等管理。測試產(chǎn)品類型選擇，可任意選擇配電器、換流轉(zhuǎn)接器、直流信號變換器、交直流信號變換器、數(shù)字量變換器、指令變換器中的一種進(jìn)行測試，在界面中可圖形化設(shè)置測試參數(shù)以及操作；操作流程選擇，在測試主界面中可以手動操作指令，選擇信號、設(shè)置信號參數(shù)并控制信號輸出，也可編輯自動操作流程配置文件，自動讀取操作步驟。

b）權(quán)限管理功能，對測試流程TPS編輯，包括自動測試和手動測試。

c）Access數(shù)據(jù)庫設(shè)計功能，對測試配置和測試數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。

d）發(fā)送自動測試、暫停、停止等指令，實時控制PXI板卡。

e）人機(jī)界面中自動判讀和報警功能。

人機(jī)界面采用文本框、表格、按鈕、指示燈等控件元素組成，自動測試界面如圖7所示，首先選擇“自動測試”選項，進(jìn)行自動測試流程，選擇相應(yīng)的測試配置，自動讀取全部的測試信息，在測試界面會顯示接口數(shù)據(jù)模型中原始節(jié)點配置關(guān)系，在“試驗信息”會顯示定義后的節(jié)點配置信息，在“實時數(shù)據(jù)”會顯示測試內(nèi)容、參考值和回采的信號值，選擇合適的萬用表工作模式和量程。在執(zhí)行自動測試流程時，“自動測試”方式下可執(zhí)行“開始測試”“停止測試”“暫停測試”或“導(dǎo)出結(jié)果”，判讀合格自動順序執(zhí)行，判讀不合格報警燈亮起，測試流程自動停止。

圖7 換流轉(zhuǎn)接器自動測試人機(jī)界面

4 結(jié) 論

以計算機(jī)技術(shù)為核心的自動化測試系統(tǒng)是實現(xiàn)電子設(shè)備功能和性能自動測試的重要手段[10]，本文詳細(xì)介紹了電子產(chǎn)品環(huán)境試驗并行測試系統(tǒng)的自動化設(shè)計方法，即采用PXI總線作為硬件平臺，采用LabVIEW狀態(tài)機(jī)作為軟件平臺，完成自動測試功能，實現(xiàn)了對航天電氣系統(tǒng)換流轉(zhuǎn)接器、傳感器、變換器等產(chǎn)品在環(huán)境試驗中的自動化測試與判讀功能，測試效率大幅提升，平臺具有很強(qiáng)的通用性，利用同一套硬件平臺可完成不同產(chǎn)品測試任務(wù)的需求，該方法可為類似測試需求的系統(tǒng)設(shè)計作參考。

[1] 董常. 環(huán)境試驗箱集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 重慶: 重慶郵電大學(xué), 2008.

Dong Chang. Design of environmental monitoring box centralized monitoring system and its key technology research[D]. Chongqing: Chongqing University of Posts and Telecommunications, 2008.

[2] 何遠(yuǎn)輝, 譚業(yè)雙. 基于PXI 總線某型裝備自動測試系統(tǒng)[J]. 四川兵工學(xué)報, 2009, 5(30): 83-85.

He Yuanhui, Tan Yeshuang. Automatic test system for a certain type of equipment based on PXI bus[J]. Journal of Sichuan Ordnance Engineering, 2009, 5(30) : 83-85.

[3] 趙鵬, 李曉明, 鄭直. 某型飛機(jī)發(fā)動機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機(jī)測量與控制, 2014, 22(12): 11-15.

Zhao Peng, Li Xiaoming, Zheng Zhi. Design of an expert system for aircraft engine fault diagnosis[J]. Computer Measurement and Control, 2014, 22(12): 11-15.

[4] 陳錫輝. LabVIEW8.20 程序設(shè)計從入門到精通[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2007.

Chen Xihui. LabVIEW 8.20 programming from entry to master[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2007.

[5] 趙麗. 某型號雷達(dá)導(dǎo)引頭測試控制系統(tǒng)的設(shè)計[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2008.

Zhao Li. Design of a radar seeker test control system for a model[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2008.

[6] 王瑞, 張彥軍, 于曉光. 基于PXI 總線的遙測信號測試平臺的設(shè)計[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2010(3): 11-16.

Wang Rui, Zhang Yanjun, Yu Xiaoguang. Design of telemetry signal test platform based on PXI bus[J]. Microcomputer and Application, 2010(3): 11-16.

[7] 聶影, 馮向軍, 廖瑛, 李磊. 基于LabVIEW的狀態(tài)機(jī)模型研究[J]. 計算機(jī)測量與控制, 2007(9): 1166-1169.

Nie Ying, Feng Xiangjun, Liao Ying, Li Lei. Research on state machine model based on LabVIEW[J]. Computer Measurement and Control, 2007(9): 1166-1169.

[8] 葉楓樺, 周新聰, 白秀琴, 郭智威, 袁成清. 基于LabVIEW隊列狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010(4): 204-209.

Ye Fenghua, Zhou Xincong, Bai Xiuqin, Guo Zhiwei, Yuan Chengqing. Design of data acquisition system based on LabVIEW queue state machine[J]. Modern Electronic Technology, 2010(4): 204-209.

[9] 周歡, 莫軍, 李代生, 梁文錚. 基于LabSQL的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問功能研究[C]. 哈爾濱: 2009中國儀器儀表與測控技術(shù)大會論文集, 2009.

Zhou Huan, Mo Jun, Li Daisheng, Liang Wenzheng. Research on LabVIEW database access function based on LabSQL[C]. Harbin: 2009 China Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2009.

[10] 劉兆慶, 喬立巖. 基于ATML的分布式ATS架構(gòu)研究[J]. 宇航總體技術(shù), 2018(3): 38-45.

Liu Zhaoqing, Qiao Liyan. Research on distributed ATS architecture based on ATML[J]. Overall Technology of Aerospace, 2018(3): 38-45.

Design of Parallel Test System of Environment Experiment based onPXI Platform

Zhang Qian1, Zhang Shuo2, Hou Yan-chun1

(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076;2. China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing, 100048)

In order to improve the universality, automation and intelligence of tests, an automatic process execution architecture based on PXI platform and an environmental test parallel testing system with flexible test process configuration are processed. The engineering application proves that this design method has good effect.

environmental test; PXI bus; LabVIEW state machine; auto test system

TP2

A

1004-7182(2020)02-0122-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20200223

張 倩（1988-），女，工程師，主要研究方向為運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)自動測試技術(shù)。

張 碩（1987-），男，工程師，主要研究方向為運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)軟件開發(fā)和測評技術(shù)。

侯燕春（1984-），女，高級工程師，主要研究方向為運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計。

2019-02-18；

2019-10-09