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技術文章

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航天測控：測試領域新技術的發展

　　測試是檢驗測試對象的功能、性能是否滿足使用要求并及時發現問題的重要而有效手段，一般而言，在產品的研制、生產和使用維護的全壽命過程中都離不開測試技術和測試裝備，它們是產品研制過程中的重要手段，是產品制造過程中的質量保證工具，同時也是產品維修保障體系的關鍵要素。測試技術是確保產品“可靠性、可維修性、可保障性”的重要支柱，是產品全壽命周期的測試、維護、維修保障的技術手段；測試儀器及由各種測試儀器組成的測試系統則是測試技術的*終體現。隨著測試需求的提高和應用的發展，尤其是軟硬件技術和測試技術手段的發展，近年來在測試領域中新的技術得到了快速的發展：如各種新型的儀器總線的相繼推出和應用，小型化、合成化和綜合化的儀器不斷涌現，綜合的、通用化的自動化測試系統和測試與診斷一體化系統的蓬勃發展，遠程測試與維修診斷技術、內裝自測試技術、綜合測試與診斷軟件平臺技術等在不斷地完善和應用。

　　測試儀器及先進的測試總線技術

　　根據行業的應用特點，測試儀器可以分為基礎測量儀器、合成儀器、微波/毫米波儀器等等。針對通用測試、故障診斷、綜合保障系統的需求，業內進一步開發并完善了基于VXI/PXI/LXI儀器總線的基礎測量儀器系列型譜，在機箱、控制器、高速數采、**示波器、高速I/O、邊緣掃描、微波儀器以及通訊測量儀器等方面得到進一步拓展并完善，在各種形式的**及綜合儀器產品研發上得到加強，重視儀器接口的標準化、網絡化和應用的網絡化；由可互換虛擬儀器(IVI)標準的引入所帶來的儀器驅動程序的標準化，滿足了儀器間可互換性的要求，并對通用化測試診斷軟件平臺的開發和應用提供了基礎保障；針對新一代雷達、通訊、電子偵察和電子干擾、**制導等應用的發展，并滿足對密集、復雜和狀態多變的電磁環境模擬仿真和高精度測量與分析的需求，合成儀器以及微波/毫米波測試儀器的相關技術得到了快速發展，如更寬頻率的捷變頻及非線性、多端口、高功率的測試儀器技術和儀器的出現，實現了更多參數綜合化、模塊化和一體化的測試。無線電及光通信網絡的測試技術、紅外測試技術、以及軟件無線電技術等的研究和應用也得到了較快推進。
　　測試系統的組成離不開測試總線，總線本身亦成為測試系統的主要組成部分，根據總線結構功能和性質的不同可以將測試總線分成內部總線和外部總線。業內流行的內部測試總線主要有VXI和PXI兩種總線，它們分別在VME和PCI兩種計算機總線的基礎上發展起來，盡管分別定義了很多種安裝結構和總線定義，但由于應用的事實標準，當前絕大部分的結構形式是：VXI使用的是C尺寸，而PXI使用的是A尺寸。在*新的版本中，VXI(V3.0)的總線速度可達到160MB/s，而PXI的總線速度更快，*高速度可達528MB/s，PXI的另一個提高傳輸速度的發展是支持PCIExpress，有人給它命名為PXIE總線，它在PXI總線的背板上再集成進PCIExpress總線，以滿足某些儀器模塊的快速數據傳送需求；就應用情況而言，兩種總線在測試領域都得到了較好的發展，VXI總線定義了更為嚴格的時鐘、供電電源、機箱和電磁兼容的指標要求，因此主要應用在**的測試領域，而PXI在要求小型化和儀器間快速數據傳送的場合發展很快。另外一個快速總線的發展是ATCA(AdvancedTCA)總線的推出和應用，支持*高可達40Gb/s的接口速度。以航天測控公司為代表的國內儀器廠家已**掌握了各類VXI/PXI總線模塊化測試儀器的開發技術，并形成了系列化的VXI/PXI總線基礎測量儀器貨架產品，大部分產品的指標與國外同類產品相當，部分指標還高于國外產品，同時可以滿足更寬的使用環境要求。
　　外部總線有GPIB、USB、1394和LXI等，當前發展和應用比較活躍的有USB和LXI總線，在小型化、便攜式或實驗室的應用中，以USB接口的儀器系統有快速發展之勢；在廣泛使用的Ethernet的基礎上發展而成的LXI總線，則被認為是**款真正意義上的外部儀器總線，它分為A、B、C三個級別，A級別要求*高，可以滿足**時鐘同步和同步觸發的功能要求，在分布式和大規模的測試系統中有獨到的應用空間，為測試技術的應用開辟了另一片天地。

　　自動化測試及綜合測試技術

　　伴隨著世界新技術的發展，信息化技術和信息化裝備的應用已成為提升裝備能力的關鍵途徑，無論是民用還是**領域的水陸空裝備、通信系統、自動化生產裝置等等，其電磁探測、自動化控制、數據分析、數據傳輸、網絡通信等一系列功能在不斷地增加，所承載的電子設備也在不斷地增加，為保證裝備的正常工作，對這些先進而復雜的電子設備的測試和故障診斷就顯得格外之重要，面對這樣測試及診斷任務越來越繁重和復雜的局面，多年來，業內在注重單項測試技術突破的同時，力求使測試設備實現自動化、通用化和綜合化，以滿足通用的模擬、數字、射頻和光電等系統的**測試能力。
　　通用化的測試系統本身的特點體現在測試儀器的通用、軟件平臺的通用和接口適配器的通用上，在以自動測試系統(ATS)為基礎的通用化、綜合化的發展過程中，之前由于投資和管理的分散，造成了ATS品種繁多、體系結構不統一以及軟硬件接口的專用化的格局，使得很難實現真正意義上的通用化，要實現測試設備的通用化、綜合化，就得對ATS進行集中管理和規劃，以美國為例，他們采取的措施之一是把ATS納入國防部聯合技術體系結構，以加強ATS的標準化；措施之二就是啟動下一代測試計劃(NxTest），統一三軍的ATS的體系結構，實現測試設備的通用化和綜合化，通過以IEEE－1226標準作為系統的主體信息框架，使得測試系統內部、測試系統之間、測試過程與外部環境(包括產品設計、生產到維修的各個環節)之間實現信息資源的共享和交互，實現共享TPS和ATS，共享診斷基礎結構，改善TPS開發環境，便于TPS移植；同時結合IEEE－1232標準使診斷推理系統能相互兼容和獨立于測試過程，達到測試診斷知識可移植、重用和共享；這些措施的目標就是要使得測試設備的硬件減少2/3，工程費用減少2/3，TPS開發時間和成本減少50～70%。*后的效果非常明顯，在很大程度上減少了測試設備的規模和投資。經過“十五”的發展，國內一些專業測控廠家充分利用成熟的模塊化儀器技術、標準總線技術、通用軟件平臺技術和自動化測試系統技術，開發出了滿足**和民用需要的通用化和綜合化的測試系統設備，在航天、航空、船舶、車輛等測試領域中得到了較好的應用。
　　研究并規范多層次自動測試的開放式體系結構，消化吸收NxTest體系結構設計思想，實現裝備全壽命周期測試及跨平臺測試的要求，實現信息與系統的資源共享、互連、互換、互操作、可擴展以及滿足縱向集成測試等通用化測試的需求。通過解決統一的規范和標準，在軟件平臺、系統接口、安裝結構上實現ATS的相互兼容，就能進一步提高資源的利用率，實現更加通用化和綜合化的測試目的。

　　故障診斷及綜合保障技術

　　測試和診斷就是在獲取被測對象的各類參數、感知其特性和功能的基礎上，進行分析和評定，及時而準確地確定其工作或性能狀態，并隔離其內部故障的手段，同時為維修提供判斷的依據。故障診斷是測試任務的*高境界，通過系統級和板級的故障診斷技術，可將故障定位到部件、插板、甚至元器件，實現準確定位并及時修復，從而可以大幅度減少系統或設備的平均維修時間。
　　在綜合保障技術體系中，包括了可靠性技術、測試技術和現場維修技術。其中的可靠性、可測試性和可維修性等跟產品的設計過程息息相關，而為可靠性建模、可靠性分析以及維修性建模提供基本數據的又是測試和診斷，同時，在可靠性分配、可靠性預計和維修性預計上又會對測試和診斷提出要求。因此，處理好它們之間的關系就非常重要，為滿足產品全壽命周期的綜合保障的需要，一些機構在可靠性、可測性和可維性的設計方面，在試驗與評估技術方面，已實現了從定性向定量分析的過渡，并推出了大量的保障性設計分析與評估的工具軟件，并以數字化設計平臺為基礎來實現裝備研制過程保障性與性能的有機結合，以多學科設計優化技術為基礎來實現各種設計特性的綜合。在維修技術方面，利用信息技術、先進的傳感器技術、自動測試技術、故障診斷和預測技術、人工智能技術等手段發展電子維修、虛擬維修和仿真等技術，進行綜合檢測、預測與評估，以提高維修的快速性和**性。在測試與診斷技術方面，進一步發展和完善了綜合測試與故障診斷一體化技術，建立起規范的綜合診斷與維修保障系統的體系結構，兼容IEEE-1445標準，應用更為有效的故障建模、推理診斷方法、測試診斷與信息融合等基礎技術，為系統級、板級和芯片級的故障診斷提供技術手段，為裝備綜合維修保障提供更加完善的技術和產品支持。隨著信息技術的發展，模糊理論、神經網絡、遺傳算法、小波變換的*新理論都先后應用到故障診斷領域，并取得了一定的成效；另外，模糊故障樹、模糊神經網絡、基于模糊規則的專家系統和基于遺傳算法的診斷方法等等均在深入研究之中。在維修設備產品方面，多家單位運用專家系統、人工智能方法開發了板級和系統級的故障綜合診斷系統產品并得到應用，典型的設備有泰瑞達公司的LASER系統，法宇航的ATECSeries6系統，以色列的ARIS2000系統和航天測控公司的“華佗電子診所”HTEDS8000系統等。
　　新一代裝備由于具有高度智能化、數字化、總線化的特點，傳統的外部測試和診斷逐步由內部BIT功能所替代，這已成為當前測試技術發展的重要趨勢。說起BIT技術可以追溯到上世紀五十年代初，美國就開始研究BIT測試技術，并于五十年代末在機載雷達上成功地裝備了常規的BIT裝置。隨后又在其戰機F/A-18上應用；為改善和提高BIT性能，國外將人工智能技術、計算機技術和半導體技術綜合應用于元器件、電路板和系統等各個BIT層次之中；八十年代后期，出現了基于邊界掃描技術的新型BIT技術，并逐步成為新型航空電子設備BIT的主要測試和測試性設計技術，在F-22、RAH-66、波音777等系統中得到成功應用。新型BIT技術主要以IEEE-1149系列標準為基礎，其中主要包括定義了板級、模塊級網絡化測試和維修總線，可實現數字和模擬電路的板級和子系統級(單元設備)的BIT。目前，一些儀器公司(如NI、Corelis等)也已經開發出符合IEEEStd1149標準相關的開發工具軟件和系統，國內的很多科研單位也在開展這方面的工作，取得了一定的成果并推出了一些軟硬件的產品。

　　結語

　　測試領域的需求和應用非常之廣泛，所應用的技術從模擬到數字、從低頻到高頻/微波、從測試到診斷、從維修到保障，方方面面都在快速發展，展現在我們面前的專業詞匯，如儀器、虛擬儀器、測試、虛擬測試、虛擬試驗、診斷與維修、預測與評估、BIT等等，它們都是測試領域新技術發展和應用的載體。我們欣喜地看到國內測試領域的主管部門、院所、廠家等都非常重視測試技術發展的規劃和技術的**，這必將對測試技術和測試裝備上水平產生很大的促進作用。(航天測控中心范佳平)

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