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技術(shù)文章

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航天測控：測試領域新技術(shù)的發(fā)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(fā)現(xiàn)問題的重要而有效手段，一般而言，在產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)和使用維護的全壽命過程中都離不開測試技術(shù)和測試裝備，它們是產(chǎn)品研制過程中的重要手段，是產(chǎn)品制造過程中的質(zhì)量保證工具，同時也是產(chǎn)品維修保障體系的關鍵要素。測試技術(shù)是確保產(chǎn)品“可靠性、可維修性、可保障性”的重要支柱，是產(chǎn)品全壽命周期的測試、維護、維修保障的技術(shù)手段；測試儀器及由各種測試儀器組成的測試系統(tǒng)則是測試技術(shù)的*終體現(xiàn)。隨著測試需求的提高和應用的發(fā)展，尤其是軟硬件技術(shù)和測試技術(shù)手段的發(fā)展，近年來在測試領域中新的技術(shù)得到了快速的發(fā)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(xiàn)，綜合的、通用化的自動化測試系統(tǒng)和測試與診斷一體化系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，遠程測試與維修診斷技術(shù)、內(nèi)裝自測試技術(shù)、綜合測試與診斷軟件平臺技術(shù)等在不斷地完善和應用。

　　測試儀器及先進的測試總線技術(shù)

　　根據(jù)行業(yè)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(tǒng)的需求，業(yè)內(nèi)進一步開發(fā)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(shù)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(chǎn)品研發(fā)上得到加強，重視儀器接口的標準化、網(wǎng)絡化和應用的網(wǎng)絡化；由可互換虛擬儀器(IVI)標準的引入所帶來的儀器驅(qū)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(fā)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(fā)展，并滿足對密集、復雜和狀態(tài)多變的電磁環(huán)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(shù)得到了快速發(fā)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(shù)和儀器的出現(xiàn)，實現(xiàn)了更多參數(shù)綜合化、模塊化和一體化的測試。無線電及光通信網(wǎng)絡的測試技術(shù)、紅外測試技術(shù)、以及軟件無線電技術(shù)等的研究和應用也得到了較快推進。
　　測試系統(tǒng)的組成離不開測試總線，總線本身亦成為測試系統(tǒng)的主要組成部分，根據(jù)總線結(jié)構(gòu)功能和性質(zhì)的不同可以將測試總線分成內(nèi)部總線和外部總線。業(yè)內(nèi)流行的內(nèi)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(fā)展起來，盡管分別定義了很多種安裝結(jié)構(gòu)和總線定義，但由于應用的事實標準，當前絕大部分的結(jié)構(gòu)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(fā)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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)傳送的場合發(fā)展很快。另外一個快速總線的發(fā)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(nèi)儀器廠家已**掌握了各類VXI/PXI總線模塊化測試儀器的開發(fā)技術(shù)，并形成了系列化的VXI/PXI總線基礎測量儀器貨架產(chǎn)品，大部分產(chǎn)品的指標與國外同類產(chǎn)品相當，部分指標還高于國外產(chǎn)品，同時可以滿足更寬的使用環(huán)境要求。
　　外部總線有GPIB、USB、1394和LXI等，當前發(fā)展和應用比較活躍的有USB和LXI總線，在小型化、便攜式或?qū)嶒炇业膽弥校訳SB接口的儀器系統(tǒng)有快速發(fā)展之勢；在廣泛使用的Ethernet的基礎上發(fā)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(fā)的功能要求，在分布式和大規(guī)模的測試系統(tǒng)中有獨到的應用空間，為測試技術(shù)的應用開辟了另一片天地。

　　自動化測試及綜合測試技術(shù)

　　伴隨著世界新技術(shù)的發(fā)展，信息化技術(shù)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(tǒng)、自動化生產(chǎn)裝置等等，其電磁探測、自動化控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)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(yè)內(nèi)在注重單項測試技術(shù)突破的同時，力求使測試設備實現(xiàn)自動化、通用化和綜合化，以滿足通用的模擬、數(shù)字、射頻和光電等系統(tǒng)的**測試能力。
　　通用化的測試系統(tǒng)本身的特點體現(xiàn)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(tǒng)(ATS)為基礎的通用化、綜合化的發(fā)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(jié)構(gòu)不統(tǒng)一以及軟硬件接口的專用化的格局，使得很難實現(xiàn)真正意義上的通用化，要實現(xiàn)測試設備的通用化、綜合化，就得對ATS進行集中管理和規(guī)劃，以美國為例，他們采取的措施之一是把ATS納入國防部聯(lián)合技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，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(tǒng)一三軍的ATS的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)測試設備的通用化和綜合化，通過以IEEE－1226標準作為系統(tǒng)的主體信息框架，使得測試系統(tǒng)內(nèi)部、測試系統(tǒng)之間、測試過程與外部環(huán)境(包括產(chǎn)品設計、生產(chǎn)到維修的各個環(huán)節(jié))之間實現(xiàn)信息資源的共享和交互，實現(xiàn)共享TPS和ATS，共享診斷基礎結(jié)構(gòu)，改善TPS開發(fā)環(huán)境，便于TPS移植；同時結(jié)合IEEE－1232標準使診斷推理系統(tǒng)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(fā)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(guī)模和投資。經(jīng)過“十五”的發(fā)展，國內(nèi)一些專業(yè)測控廠家充分利用成熟的模塊化儀器技術(shù)、標準總線技術(shù)、通用軟件平臺技術(shù)和自動化測試系統(tǒng)技術(shù)，開發(fā)出了滿足**和民用需要的通用化和綜合化的測試系統(tǒng)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(guī)范多層次自動測試的開放式體系結(jié)構(gòu)，消化吸收NxTest體系結(jié)構(gòu)設計思想，實現(xiàn)裝備全壽命周期測試及跨平臺測試的要求，實現(xiàn)信息與系統(tǒng)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(tǒng)一的規(guī)范和標準，在軟件平臺、系統(tǒng)接口、安裝結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)ATS的相互兼容，就能進一步提高資源的利用率，實現(xiàn)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(shù)

　　測試和診斷就是在獲取被測對象的各類參數(shù)、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(tài)，并隔離其內(nèi)部故障的手段，同時為維修提供判斷的依據(jù)。故障診斷是測試任務的*高境界，通過系統(tǒng)級和板級的故障診斷技術(shù)，可將故障定位到部件、插板、甚至元器件，實現(xiàn)準確定位并及時修復，從而可以大幅度減少系統(tǒng)或設備的平均維修時間。
　　在綜合保障技術(shù)體系中，包括了可靠性技術(shù)、測試技術(shù)和現(xiàn)場維修技術(shù)。其中的可靠性、可測試性和可維修性等跟產(chǎn)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(shù)據(jù)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(chǎn)品全壽命周期的綜合保障的需要，一些機構(gòu)在可靠性、可測性和可維性的設計方面，在試驗與評估技術(shù)方面，已實現(xiàn)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(shù)字化設計平臺為基礎來實現(xiàn)裝備研制過程保障性與性能的有機結(jié)合，以多學科設計優(yōu)化技術(shù)為基礎來實現(xiàn)各種設計特性的綜合。在維修技術(shù)方面，利用信息技術(shù)、先進的傳感器技術(shù)、自動測試技術(shù)、故障診斷和預測技術(shù)、人工智能技術(shù)等手段發(fā)展電子維修、虛擬維修和仿真等技術(shù)，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(shù)方面，進一步發(fā)展和完善了綜合測試與故障診斷一體化技術(shù)，建立起規(guī)范的綜合診斷與維修保障系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，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(shù)，為系統(tǒng)級、板級和芯片級的故障診斷提供技術(shù)手段，為裝備綜合維修保障提供更加完善的技術(shù)和產(chǎn)品支持。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)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(jīng)網(wǎng)絡、基于模糊規(guī)則的專家系統(tǒng)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(chǎn)品方面，多家單位運用專家系統(tǒng)、人工智能方法開發(fā)了板級和系統(tǒng)級的故障綜合診斷系統(tǒng)產(chǎn)品并得到應用，典型的設備有泰瑞達公司的LASER系統(tǒng)，法宇航的ATECSeries6系統(tǒng)，以色列的ARIS2000系統(tǒng)和航天測控公司的“華佗電子診所”HTEDS8000系統(tǒng)等。
　　新一代裝備由于具有高度智能化、數(shù)字化、總線化的特點，傳統(tǒng)的外部測試和診斷逐步由內(nèi)部BIT功能所替代，這已成為當前測試技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。說起B(yǎng)IT技術(shù)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(shù)，并于五十年代末在機載雷達上成功地裝備了常規(guī)的BIT裝置。隨后又在其戰(zhàn)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(shù)、計算機技術(shù)和半導體技術(shù)綜合應用于元器件、電路板和系統(tǒng)等各個BIT層次之中；八十年代后期，出現(xiàn)了基于邊界掃描技術(shù)的新型BIT技術(shù)，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(shù)，在F-22、RAH-66、波音777等系統(tǒng)中得到成功應用。新型BIT技術(shù)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(wǎng)絡化測試和維修總線，可實現(xiàn)數(shù)字和模擬電路的板級和子系統(tǒng)級(單元設備)的BIT。目前，一些儀器公司(如NI、Corelis等)也已經(jīng)開發(fā)出符合IEEEStd1149標準相關的開發(fā)工具軟件和系統(tǒng)，國內(nèi)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(chǎn)品。

　　結(jié)語

　　測試領域的需求和應用非常之廣泛，所應用的技術(shù)從模擬到數(shù)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(fā)展，展現(xiàn)在我們面前的專業(yè)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(shù)發(fā)展和應用的載體。我們欣喜地看到國內(nèi)測試領域的主管部門、院所、廠家等都非常重視測試技術(shù)發(fā)展的規(guī)劃和技術(shù)的**，這必將對測試技術(shù)和測試裝備上水平產(chǎn)生很大的促進作用。(航天測控中心范佳平)

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