分布式导弹测试系统设计

0 引言
    随着现代武器装备复杂性、综合化、智能化程度的不断提高，导弹测试设备的升级换代不断加快。而现有型号的导弹测试设备大多是自成一体的封闭式结构体系，而且每型导弹都要配备各自的导弹测试设备，使得目前部队导弹测试设备型号多、数量大、分布地点分散，测试资源没有得到充分利用，许多仪器、设备、模块、系统平台等重复配置，造成很大浪费。存在的不足主要表现在以下几个方面：
    (1)随着仪器总线经历了由GPIB、CAMAC到VX1、PXI总线的发展过程，导弹测试设备同样经历了这样的发展阶段，因此目前部队配备的导弹测试设备中各种仪器总线并存，结构复杂多样，相互之间不兼容，分布地点分散。
    (2)不同型号、不同维护级别的导弹测试设备间缺乏互操作性，系统可移植性差，更新升级困难，无法有效地与外部环境实现测试诊断信息的交互，阻碍了诊断信息的共享和重用，使得诊断效率和准确性低下，无法适应现代多兵种联合作战对多武器系统、多级维护的需要。
    (3)现有导弹测试设备广泛采用商业货架产品(COTS)，商业产品更新换代快(典型周期为5年)，而导弹武器系统的使用寿命往往超过10年，随着测试设备硬件的过时，系统的维护费用将不断攀升。
    (4)导弹测试设备型号多，装备技术支援保障所需操作人员也相应增加，不利于部队装备保障力量体系的优化。
    分布式测试系统可以通过局域网把分布于各测点、独立完成特定功能的测试设备和测试用计算机连接起来，以达到测试资源共享、分散操作、集中管理、协同工作、负载均衡、测试过程监控和设备故障诊断等目的。因此综合各种仪器总线的优势，以LXI总线为基础，构建多总线融合的分布式导弹测试系统成为军用测试领域的发展趋势之一。

1 分布式导弹测试系统总体结构
    由于不同型号导弹测试地点分散，测试流程复杂，测试手段多样，因此适合采用分布式导弹测试系统的体系结构，能够满足测试系统内部各组件间、不同测试系统之间、测试系统与外部环境间信息的共享与无缝交互能力。如果采用目前常用的VXI或者PXI总线结构组成分布式导弹测试系统，系统中每个节点都需要单独组建一套独立的测试系统，然后通过网络相互连接，每个节点都由计算机来控制，系统结构复杂，重复建设，造成资源浪费。
    采用LXI总线结构为主体组成分布式导弹测试系统，则可以简化系统配置，节约系统资源，增加系统的灵活性。系统以LXI总线连接各测量仪器模块，LXI设备或模块可以直接通过LXI总线实现对目标的测量与控制，每个LXI设备自带处理器、LAN连接、电源和触发端口，控制计算机与设备之间的通信通过网线传输，不需要重复配置终端计算机；原有的VXI，PXI，CAMAC和GPIB等总线结构的导弹测试设备作为系统的组成部分，通过接口转换器或零槽控制器与LXI总线网络相连接；计算机控制器在操作系统的控制下作为整个测试系统的指令执行器，操作系统为整个测试系统提供文件管理、内存管理、用户界面消息响应、测试结果输出与打印、系统I／O请求处理等服务。系统总体结构如图1所示。

    LXI总线结构平台将各种类型的现场仪器(包括GPIB，VXI，PXI，LXI等仪器)挂接在LAN上，打破了传统仪器平台中的测试仪器机箱和零槽控制器的限制，形成一种真正意义上的分布式开放的网络体系结构。

2 测试系统软件设计与实现
    为解决导弹测试系统通用性差、开发和维护成本高、系统间缺乏互操作性、应用范围有限等诸多不足，实现仪器可互换性和TPS(测试程序集)重用性、可移植性就成为了通用自动测试系统的重要发展方向。研究开发面向信号的测试软件，实现TPS重用性、可移植性和仪器可互换性，具有较大的意义。
    以XML标准为基础开发的信息数据交换语言ATML(Automated Test Markup Language)是一种专用数据交换标准，满足了共享ATE(自动测试设备)和测试信息的需求，使系统之间信息交换更容易，包括测试结果、程序、仪器及测试工作站的功能、技术指标及规范、待测件的规格、需求、诊断及维护信息等一些有价值的信息能够共享、交换、互相操作。采用ATML表达测试诊断信息，将实现分布开放环境中测试诊断信息的无缝交互。ATML继承了XML适用于多种运行环境、便于与各种编程语言交互的优点，将实现测试诊断知识与测试过程的分离，便于测试诊断知识的共享和可移植。而在测试执行过程中，还可以根据测试诊断知识来动态地调度测试运行步骤，实现更有效的故障定位，从而缩短诊断排故时间。
    IEEE P1671就是能交换测试设备和测试信息的ATML标准，以XML的格式定义了自动测试系统软件接口，以提高通用自动测试系统软件组件的开放性，定义了在自动测试系统中广泛使用的9种接口，并为每种接口定义了XML格式的语法，以提高用户在特定的需求和应用中扩展ATML接口的灵活性，使测试结果的报告、测试的描述、仪器的描述、测试的结构布局、测试工作站以及待测件的数据等信息标准化。由于在文本文件中含有描述符，它可以在任何平台上操作，计算机程序可以根据模式很容易地解释和分析这些标记，也很容易读懂。基于ATML的应用软件具有灵活性和扩展性，能在系统间互相兼容。[page]

    图2所示系统中所有具有测试功能的仪器信息、矩阵开关的连接信息、适配器在被测单元和矩阵开关之间的转换信息均由测试系统集成开发环境实现，生成XML格式的测试策略。组件库实现了IEEE P1641对信号的描述，可以为基于COM的编程语言使用。实时引擎能够自动分配资源，计算开关路径，通过IVI信号驱动去控制仪器。XML TPS和IVI信号接口组件由COTS(商品货架产品)产品开发。IVI信号接口组件由系统方案设计时给出。

    XML TPS根据对被测单元的测试需求的描述，从实时引擎请求相应的信号对象。若系统测试能力允许，实时引擎开始查询从被测单元到仪器端口的连接信息，并对其进行验证。完成后实时引擎开始实例化IVI信号接口组件和XML描述的TPS信号组件，执行测试操作。IVI信号组件和矩阵开关驱动器通过IVI-COM驱动控制底层仪器，在TPS执行期间，实时引擎应自动完成测试资源的分配和信号路径的切换，最后将测试结果以XML文件的格式保存起来。
    综上所述，基于信号接口的导弹测试系统软件设计可描述为：通过XML语言将被测单元的测试需求标定为对激励／测量信号的需求，这个虚拟资源需求通过设备驱动器接口内部服务机制的解释和定位转换成真资源，再驱动仪器完成测试任务。

3 关键技术
3．1 多总线机械与电气相容实现方案
    为将不同测试总线模块集成到LXI测试系统中，有两种技术方案可供选择：开发桥转接器和接口适配器。
    桥转接器由LXI接口和特定总线接口组成。LXI接口端实现LXI接口的所有要求，包括网络协议支持、Web页浏览与仪器控制、LAN配置初始化和IVI驱动器。在桥转接器的特定总线接口端，实现特定的硬件和软件接口要求。例如，如果LXI桥转接器连接GPIB仪器，桥转接器不仅要支持LXI接口和GPIB接口，还需具备将软件命令从LXI端映射到GPIB端的能力。
    接口适配器将非LXI总线接口完全转化为LXI接口。通过接口适配器，主机可以利用仪器驱动器和Web页直接访问和控制非LXI仪器，在接口适配器和非LXI仪器之间不需要控制与通信机制的映射和VISA资源的映射。
    在多总线融合的测试系统中，为不使原有VXI，PXI，GPIB系统结构产生较大幅度的变动，基于LXI的多总线融合的测试系统采用桥转接器机制将现存总线仪器无缝融入到其中。通过这种结构，原有的VXI测试系统作为系统的一个子系统，只需在接口配置处做少量更改，而系统的硬件和测试软件不需做任何变动就可继续使用。
3．2 同步测试的实现策略
    在多激励多目标的分布式导弹测试系统中，不同总线仪器问的同步与触发是其基本要求。VXI仪器可以通过背板总线触发实现同步测试，但只限于同一机箱内的模块之间可行，对于不同机箱之间就难以实现同步。LXI仪器提供了三种同步触发机制：网络消息触发、IEEE-1588时钟同步触发和触发总线。三种同步精度依次递增，网络消息触发由于受到网络传输延迟的影响，同步误差在毫秒级，IEEK-1588同步精度小于100 ns，触发总线则为3 ns／m。下面将分析这三种机制的实现机理并提出分布式导弹测试系统的同步实现策略。
3．2．1 网络消息触发
    实现网络消息触发的系统结构是多个LXI设备之间通过交换机或集线器连接在一起，网络触发消息可以由计算机发给所有设备，或者由其中一个设备发给其他所有设备，这样就可以实现一点对多点的触发应用，因为触发消息在网络间的传递是采用标准UDP网络协议，不需要网络握手，所以网络延时比采用TCP／IP协议小得多；另外，触发消息也可以由其中一个设备发给同一网段中的另一个设备，这是点对点的触发方式。采用网络消息触发的优点如下：
    (1)比通过软件触发有更大的灵活性；
    (2)不需要专门的触发线；
    (3)没有距离的限制；
    (4)LXI模块之间可以相互协调，排除了计算机处理速度的瓶颈影响，从而减小了网络延时。
3．2．2 IEEE-1588时钟同步触发
    IEEE-1588的时钟同步网络拓扑结构是在网络中选择其中一个LXI仪器作为主时钟仪器，其他仪器为从时钟仪器。主时钟向所有从时钟发出一个同步信息包，而且这个信息包中包含有信息发出的精确时间，从时钟接收同步信息包；然后从时钟发出延时请求信息包，主时钟收到这个信息包。主时钟最后给从时钟发送一个延时响应信息包。假设主、从时钟之间的网络延时是对等的，可以计算出从时钟与主时钟之间的偏差，从而每个从时钟校准自己的时间。
    测试利用1588时钟同步时，触发信号是告诉各个器件何时启动输出它的信号，因为每个器件根据指定的时间启动，而不是根据何时接收到以太网发出的命令来启动，所以以太网的开销或延迟时间对被触发器件没有影响。IEEE-1588时钟同步触发方式特别适用于分布式远距离同步数据采集等测试任务，不用单独连接触发电缆，且不受距离的限制。
3．2．3 LXI触发总线
    LXI触发总线配置在A级模块，可将LXI模块配置成为触发信号源或接收器，触发总线接口亦可设置成“线或”逻辑。每个LXI模块都装有输入输出连接器，可供模块作菊形链接。LXI触发总线与VXI和PXI的背板总线十分相似，可配置成串行总线或星形总线，这种触发同步方法充分利用了VXI和PXI触发总线的优点，同步精度很高，主要取决于触发总线的长度，适用于测试相互靠得很近的应用系统。
3．3 测试软件的互操作性
    实现测试软件可移植与互操作的两个基本条件是：
    (1)测试系统信号接口的标准化；
    (2)测试程序与具体测试资源硬件无关。
    测试软件从结构上可分为面向仪器、面向应用和面向信号三种形式，而面向信号的开发是测试软件互操作的前提。面向信号的开发使测试需求反映为针对UUT端口的测量／激励信号要求，TPS中不包含任何针对真实物理资源的控制操作。当测试资源模型也是围绕“信号”而建立时，则只要通过建立虚拟信号资源向真实信号资源的映射机制，就可以实现TPS在不同配置的测试系统上运行。
3．4 测试仪器的可互换性
    采用动态链接库的动态加载技术和显示链接技术可以实现平台仪器的可互换性，软件平台中类驱动程序与物理仪器驱动程序都是DLL，TPS与类仪器驱动程序的链接为隐含链接方式，而类仪器驱动程序对物理仪器驱动程序导出函数的调用方式为显式链接。类驱动程序及物理驱动程序以注册的方式记录在资源控制器模型中，实现了内核仪器可更换特性的开放性。类驱动程序及物理驱动程序导出的函数分为公共函数和功能函数两类，其中公共函数为各类仪器所共有的，如仪器初始化、关闭等，功能函数是与各类仪器有关的。

4 结语
    本文针对目前导弹测试系统存在的结构封闭、通用性差、开发和维护成本高、系统间缺乏互操作性、应用范围有限等诸多不足，以LXI总线为基础，构建了一种多总线融合的分布式导弹测试系统，为实现仪器可互换性和TPS的重用性、可移植性奠定了基础，能够较好地满足当前导弹维护保障领域的需求，降低维修保障费用，优化装备保障力量体系，具有显著的军事、经济效益。