李 姍，駱 培，安軍社

（1.中國科學(xué)院大學(xué)，100049北京；2.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，100190北京；3.波士頓大學(xué)電子與計算機工程系，02215波士頓，美國）

航天器綜合電子系統(tǒng)通用測試系統(tǒng)設(shè)計

李 姍1，2，駱 培3，安軍社2

（1.中國科學(xué)院大學(xué)，100049北京；2.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，100190北京；3.波士頓大學(xué)電子與計算機工程系，02215波士頓，美國）

提出了一種接口豐富、可重構(gòu)擴展的模塊化通用測試系統(tǒng)方案.引入開放式柔性測試系統(tǒng)設(shè)計方法，基礎(chǔ)測試模塊使用FPGA作為控制核心，以保證系統(tǒng)硬件柔性化；系統(tǒng)軟件采用分層模塊化方法設(shè)計，通過轉(zhuǎn)換層統(tǒng)一操作系統(tǒng)的接口，以保證系統(tǒng)軟件柔性化.并應(yīng)用PC／104 PLUS與以太網(wǎng)兩種總線技術(shù)，將測試模塊靈活組合成3種本地測試節(jié)點模型.本地測試設(shè)備以節(jié)點的形式通過光纖網(wǎng)絡(luò)接入測試系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，增強系統(tǒng)兼容性與應(yīng)用范圍，同時保證數(shù)據(jù)傳輸安全.真空罐測試和多設(shè)備聯(lián)合測試實驗表明該系統(tǒng)有能力適應(yīng)不同型號任務(wù)、不同階段、不同測試場景的綜合電子系統(tǒng)測試工作.

通用測試系統(tǒng)；開放式柔性測試系統(tǒng)；分布式系統(tǒng)；可重構(gòu)

航天器測試技術(shù)是指通過一系列技術(shù)手段和測試流程，全面檢驗航天器各個電系統(tǒng)（包括機電、光電、熱電）的正確性和兼容性，檢測航天器是否達到所要求的電性能指標(biāo)，檢驗系統(tǒng)經(jīng)受各種地面模擬環(huán)境考驗后，性能是否惡化.通過綜合測試，使不滿足技術(shù)條件的性能、不完善的功能、不匹配的電氣接口以及設(shè)計缺陷都得到暴露［1-2］.綜合電子系統(tǒng)是航天器中與姿軌控、熱控、能源、結(jié)構(gòu)與機構(gòu)系統(tǒng)并列的五大平臺系統(tǒng)之一，除了完成傳統(tǒng)的遙控、遙測、程控、星上自動控制、校時等任務(wù)外，還為其他平臺和載荷提供全面、綜合的調(diào)度服務(wù)和信息管理［3］.因此，綜合電子系統(tǒng)的測試系統(tǒng)開發(fā)在航天器研制、應(yīng)用中占有重要地位.傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)分為專用測試系統(tǒng)和通用測試系統(tǒng):專用測試系統(tǒng)針對的是孤立任務(wù)，實用性強，但無法重復(fù)利用，易造成大量資源浪費；傳統(tǒng)的通用測試系統(tǒng)是簡單的大量接口的堆疊，靈活性低，難以擴展，實用性較差.隨著航天任務(wù)數(shù)量、復(fù)雜度不斷提高，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)研發(fā)工作帶來的科研壓力越來越大.航天事業(yè)發(fā)展的新形勢對測試技術(shù)提出了更高的需求.

1 通用測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本文旨在面向航天器綜合電子系統(tǒng)提出一套通用測試系統(tǒng).該通用測試系統(tǒng)需要具備本地測試的功能，對單個設(shè)備進行功能測試；又需要具備網(wǎng)絡(luò)測試功能，實現(xiàn)整個系統(tǒng)異地聯(lián)合測試以及對測試過程的監(jiān)控、管理及數(shù)據(jù)處理.本地測試時需具備可靠性、通用性、穩(wěn)定性；聯(lián)網(wǎng)測試時需具備低延時，高速率以及合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).因此，采用開放式柔性測試系統(tǒng)設(shè)計方法進行本地測試系統(tǒng)設(shè)計；采用分布式系統(tǒng)設(shè)計思想將本地測試系統(tǒng)以節(jié)點的形式加入到以光纖網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的測試網(wǎng)絡(luò)中.

1.1 開放式柔性測試系統(tǒng)設(shè)計

開放式柔性測試系統(tǒng)（open flexible test system，OFTS）是一種能夠根據(jù)測試任務(wù)需求及測試環(huán)境的變化，快速改變系統(tǒng)的組織模式、硬件與軟件結(jié)構(gòu)，以迅速調(diào)節(jié)測試功能來適應(yīng)新任務(wù)和新環(huán)境的自動測試系統(tǒng)［4］.開放式柔性測試系統(tǒng)的3項關(guān)鍵技術(shù)為:總線技術(shù)，可重構(gòu)技術(shù)，儀器互換技術(shù).

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［5］.開放式柔性測試系統(tǒng)需要便捷的總線技術(shù)，使系統(tǒng)能夠快速改變構(gòu)型來適應(yīng)不同的任務(wù).同時為了保證系統(tǒng)可靠性，要求總線技術(shù)盡可能的簡單、高效.本系統(tǒng)使用PC／104 PLUS總線與以太網(wǎng)相結(jié)合的方式，結(jié)構(gòu)多樣，兼容性強［6-7］.

可重構(gòu)技術(shù)是實現(xiàn)開放式柔性測試系統(tǒng)通用性和靈活性的關(guān)鍵，也是構(gòu)建開放式柔性測試系統(tǒng)的一項重要技術(shù)，需由軟硬件共同保障［8-9］.可重構(gòu)系統(tǒng)的軟硬件模塊均能根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流或控制流，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法進行重新配置，匹配不同的任務(wù)需求.硬件電路可重構(gòu)的本質(zhì)是利用可編程器件邏輯狀態(tài)可配置的特性，根據(jù)不同任務(wù)配置不同的邏輯結(jié)構(gòu).本系統(tǒng)選用SRAM型的FPGA搭建硬件電路，SRAM型FPGA配置信息保存在PROM中，可通過修改PROM中信息修改FPGA配置實現(xiàn)系統(tǒng)可重構(gòu).軟件重構(gòu)是在一些原因（如提高效率與可維護性等）促使下，將一個面向?qū)ο蟮脑O(shè)計以不同的方式進行重新組織從而使設(shè)計更加靈活、重用性更強的過程［10-11］.本系統(tǒng)軟件采用分層模塊化方法進行軟件設(shè)計，并在應(yīng)用層與操作系統(tǒng)之間設(shè)計轉(zhuǎn)換層.系統(tǒng)軟件的開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€模塊的開發(fā)，測試過程轉(zhuǎn)換為按照測試項目選擇模塊、設(shè)置順序、多個測試任務(wù)獨立執(zhí)行的過程.軟件模塊從實際測試過程抽象而成，擁有實用、透明、可移植的特點.

儀器互換技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)測試模塊互換，充分發(fā)揮測試平臺的功能，更易于升級維護.硬件上，將測試接口分類模塊化，并且統(tǒng)一測試模塊的系統(tǒng)互連接口；軟件上，將測試項目分類模塊化，在各模塊與操作系統(tǒng)間加入轉(zhuǎn)換層，統(tǒng)一系統(tǒng)與功能模塊的交互接口；驅(qū)動層采用通用驅(qū)動設(shè)計，兼容多種硬件模塊.

1.2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)根據(jù)測試過程中的具體需求，設(shè)計實現(xiàn)多種基礎(chǔ)模塊，使用FPGA實現(xiàn)模塊控制核心，集成常用的綜合電子系統(tǒng)測試接口.基礎(chǔ)模塊通過PC／104 PLUS總線或以太網(wǎng)互聯(lián)，可構(gòu)成適用于不同需求、不同場景的本地測試節(jié)點.節(jié)點既可以單獨承擔(dān)測試任務(wù)，也可將若干節(jié)點通過光纖網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心連接，組成分布式測試網(wǎng)絡(luò).

1.2.1 基礎(chǔ)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

基礎(chǔ)模塊分為三類，分別為基礎(chǔ)測試模塊（A類）、輔助測試模塊（B類）和高速數(shù)據(jù)模塊（C類）.A類模塊為航天器綜合電子系統(tǒng)常用接口功能子模塊，通過總線與主控計算機相連，搭建本地測試系統(tǒng).B類輔助測試模塊，具備LED、液晶顯示、按鍵輸入等基本交互功能，通過自定義接口與A類測試模塊相連.C類高速總線接口模塊用于本地測試節(jié)點與測試網(wǎng)絡(luò)的連接.各類模塊具體介紹見表1.

A類低速基礎(chǔ)接口模塊主要用于低速通訊接口的測試.航天常用接口為:RS232、RS422、RS485.由于RS485與RS422可兼容，只使用RS232、RS485芯片.RS232接口采用UART通訊協(xié)議，RS485接口即可采用UART通訊協(xié)議進行異步傳輸，又可采用時鐘+n路數(shù)據(jù)+選通信號的方式進行同步傳輸.UART波特率、奇偶校驗位、起始終止位，同步通訊數(shù)據(jù)位寬，速率均可通過無源模塊或由軟件通過PC／104 PLUS總線或者工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)模塊在線配置.

A類高速基礎(chǔ)接口模塊主要用于高速通訊接口的測試，包含80路LVDS收發(fā)接口.航天中多用LVDS接口采用同步傳輸方式傳輸圖像、視頻.軟件通過工業(yè)以太網(wǎng)和PC／104 PLUS總線進行配置及數(shù)據(jù)采集.

表1 模塊分類信息表

A類模擬量模塊包含采集范圍、精度可變的AD，DA芯片，數(shù)字電阻器，OC門以及施密特芯片，主要用于遙測量測試，如模擬量、開關(guān)量.模擬量采集范圍為-10～+10 V，0～+10 V，-10～0 V，0～+5 V，-5～0 V，-5～+5 V可設(shè)，采集精度為16／12／8位可設(shè).模擬量輸出范圍為-10～+10 V，0～+10 V，-10～0 V，0～+5 V，-5～0 V，-5～+5 V可設(shè)，轉(zhuǎn)換精度為12／8／4位可設(shè).OC門芯片輸出開關(guān)量，施密特芯片用于優(yōu)化OC門輸入信號以便FPGA檢測脈沖信號.軟件通過PC／104 PLUS總線或工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)模塊在線配置及數(shù)據(jù)收發(fā).

A類低速總線模塊包含航天綜合電子系統(tǒng)中常用的MIL-STD-1553B與CAN總線接口各3個，主要用于被測設(shè)備的低速總線功能測試. MIL-STD-1553B接口使用我單位自主研發(fā)的IP核控制.IP核有三種工作模式:總線控制器（BC）、遠程終端（RT）、總線監(jiān)控器（MT）.CAN總線使用XILINX公司的CAN總線IP核控制.FPGA中加入軟路由算法，6個接口的數(shù)據(jù)流向可控.軟件通過PC／104 PLUS總線或工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)模塊在線配置及數(shù)據(jù)收發(fā).

圖1 A類模塊結(jié)構(gòu)

B類輔助測試模塊用于輔助測試，包含可變電位器、按鍵、液晶屏、LED.可變電位器，旋鈕旋轉(zhuǎn)度數(shù)為3600°，精度為±5%.可通過旋鈕改變電位器阻值，搭建精度極高的模擬量采集電路，以彌補A類模擬量模塊中DA轉(zhuǎn)換精度有限的缺陷.模塊中有10組模擬量輸出電路，每組由100Ω、500Ω、1 kΩ、10 kΩ、50 kΩ的5個可變電位器串聯(lián)構(gòu)成，電位器擁有對應(yīng)的并聯(lián)通路開關(guān).通過調(diào)整外加電壓幅值，以及通過開關(guān)控制接入電路中可變電位器的數(shù)量，來改變電路輸出精度.按鍵可用于控制模塊工作，液晶屏及LED用于顯示基本工作信息.

C類高速總線模塊主要用于測試網(wǎng)絡(luò)的連接，包含3個PC／104 PLUS接口和3個工業(yè)以太網(wǎng)接口.PC／104 PLUS接口和工業(yè)以太網(wǎng)接口用于與A類測試模塊交互，而以太網(wǎng)光纖接口用于與數(shù)據(jù)中心交互.PC／104 PLUS接口使用XILINX公司的PCI IP核實現(xiàn)，可配置為Target或Initiator模式.以太網(wǎng)MAC層使用XILINX公司三態(tài)MAC IP核.MAC IP CORE有1 000 Mbps、100 Mbps和10 Mbps 3種工作模式，且支持半／全雙工操作，可根據(jù)測試場景進行切換.工業(yè)以太網(wǎng)接口的物理層芯片為88E1111.光纖接口使用XILINX公司的RocketIOGTP Transceiver IP核實現(xiàn)對光信號收發(fā)模塊的控制，傳輸速率高達2.5 Gbps.模塊中使用DDR2 SDRAM作為數(shù)據(jù)緩沖，解決接口間速率不匹配的問題.為了靈活配置數(shù)據(jù)流向，加入軟路由算法. 1.2.2 本地測試節(jié)點模型

基礎(chǔ)測試模塊與輔助測試模塊組成本地測試節(jié)點模型，根據(jù)使用總線類型及功能可分為:PC／104 PLUS總線完全組合，PC／104 PLUS總線簡易組合，以太網(wǎng)組合.

PC／104 PLUS總線完全組合使用PC／104 PLUS總線連接A類模塊與PC／104 PLUS主板并根據(jù)需求搭配B類模塊，最多可容納4個A類模塊.PC／104 PLUS主板上運行基礎(chǔ)測試軟件，與其棧接的模塊中配置出測試所需邏輯與待測設(shè)備相連.測試中，基礎(chǔ)測試軟件可通過PC／104 PLUS總線實現(xiàn)對各模塊的配置，傳輸測試數(shù)據(jù).B類測模塊通過自定義總線與A類測試模塊相連，輔助測試.組合可通過PC／104 PLUS主板外接顯示器，鍵盤鼠標(biāo)完成測試工作.組合結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定，適合現(xiàn)場測試、環(huán)境模擬測試及出差時隨身攜帶.

PC／104 PLUS總線簡易組合使用PC／104 PLUS總線連接至多4個A類模塊，測試過程無需主板或者計算機參與，完全由FPGA內(nèi)置邏輯控制及使用PC／104 PLUS總線實現(xiàn)模塊間數(shù)據(jù)傳遞.可根據(jù)任務(wù)需要選用B類模塊，實現(xiàn)模塊與測試人員的基本交互.組合高度自動化，能耗少，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適于無人監(jiān)管測試，野外測試等對能耗要求較高的場景及出差時隨身攜帶.

以太網(wǎng)組合通過工業(yè)以太網(wǎng)連接各測試模塊或者以上兩種組合，由各模塊配合測試計算機實現(xiàn)完成測試.此組合中測試計算機可為一臺或多臺計算機，配合軟件實現(xiàn)測試流程控制，測試模塊配置，數(shù)據(jù)處理等功能.組合可承載更多測試模塊，結(jié)構(gòu)靈活多變，測試覆蓋面廣適合本地測試中的多種測試場景.

1.2.3 分布式測試系統(tǒng)設(shè)計

分布式系統(tǒng)由若干個節(jié)點通過通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接集合而成，每個節(jié)點都擁有完整的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng).節(jié)點軟件使用通用的系統(tǒng)編程接口，節(jié)點與節(jié)點間可以通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，共同完成單一或多項任務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能［12-14］.分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，容錯性增強，每個節(jié)點對外可以視作黑箱，軟件程序面向通信，脫離對硬件的依賴，各測試模塊間相互獨立，軟硬件開發(fā)均可獨立進行，工作時相互依賴性較小.與開放式柔性設(shè)計相輔相成，進一步增強了系統(tǒng)擴展性，通用性.

分布式測試網(wǎng)絡(luò)以光纖網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)采用易更改維護、容錯性好的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單層網(wǎng)絡(luò)，可容納多個節(jié)點.光纖網(wǎng)絡(luò)延時小、速率高、容錯性強，可根據(jù)傳輸距離選擇線纜有效控制成本又可防止被分接偷聽或者輻射波竊聽.本地測試節(jié)點中指示模塊負(fù)責(zé)顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)，高速總線模塊負(fù)責(zé)將各本地節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)，其余模塊負(fù)責(zé)模擬待對接設(shè)備進行測試數(shù)據(jù)收發(fā).數(shù)據(jù)中心通過光纖交換機實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的管理、監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)同步進行顯示，供專家團隊分析判斷.數(shù)據(jù)庫管理軟件設(shè)計中將判斷條件、配置數(shù)據(jù)抽取出來獨立于測試過程，判斷條件、配置數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)分別存儲在數(shù)據(jù)中心的配置信息數(shù)據(jù)庫和測試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中.系統(tǒng)分布式測試網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示.

1.3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件開發(fā)包含驅(qū)動程序與應(yīng)用層測試程序兩部分.驅(qū)動程序直接管理控制硬件并提供上層軟件所需的支持；應(yīng)用層測試程序負(fù)責(zé)分類顯示、處理數(shù)據(jù)以及與操作系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互.兩者都使用了分層模塊化的設(shè)計方法，并遵循數(shù)據(jù)和過程分離的原則.軟件由相對獨立且具有單一功能的模塊組成，具有“模塊內(nèi)高內(nèi)聚，模塊間低耦合”的特點［15］.應(yīng)用層的各模塊均通過轉(zhuǎn)換層與操作系統(tǒng)交互，保證軟件的持續(xù)增長性與靈活性，隨著任務(wù)的變換及技術(shù)的更新，交互接口關(guān)系不變，軟件可便捷地進行維護，更新.

圖2 系統(tǒng)分布式測試網(wǎng)絡(luò)模型

測試程序根據(jù)運行平臺不同分為基礎(chǔ)測試軟件與高級管理軟件.基礎(chǔ)測試軟件基于Vxworks開發(fā)，用于PC／104 PLUS主板上，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)收發(fā)等基本測試功能；高級測試軟件基于WINDOWSXP運行在測試計算機上，完成系統(tǒng)通訊，數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)管理等功能.

1.3.1 基礎(chǔ)測試軟件

在PC／104 PLUS主板上移植嵌入式實時操作系統(tǒng)Vxworks.Vxworks是一種嵌入式實時操作系統(tǒng)，屬于占先式實時內(nèi)核，適合小型系統(tǒng).基礎(chǔ)測試軟件在多任務(wù)實時系統(tǒng)Vxworks基礎(chǔ)上，自主開發(fā)應(yīng)用層、設(shè)備驅(qū)動層程序.具體模塊包括RS485收發(fā)模塊、RS232收發(fā)模塊、PCI收發(fā)模塊、模擬量收發(fā)模塊、數(shù)字量收發(fā)模塊、LVDS收發(fā)模塊、MIL-STD-1553B收發(fā)模塊、CAN總線收發(fā)模塊、門控信號測試模塊及校時模塊等.以上各模塊在操作系統(tǒng)應(yīng)用層開發(fā)，并經(jīng)由轉(zhuǎn)換層與操作系統(tǒng)進行交互.設(shè)備驅(qū)動層包含PC／104 PLUS驅(qū)動可實現(xiàn)PC／104 PLUS主板與各模塊間的底層通訊.

1.3.2 高級測試軟件

高級測試軟件在WINDOWSXP基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用層程序，應(yīng)用層模塊根據(jù)功能分為基礎(chǔ)測試和高級管理兩類模塊，基礎(chǔ)測試模塊和基礎(chǔ)測試軟件中應(yīng)用層模塊相同，高級管理模塊種類較多根據(jù)功能大致分為:1）根據(jù)接口、數(shù)據(jù)流向分類顯示數(shù)據(jù)；2）對數(shù)據(jù)進行進一步處理，如編碼，解碼，壓縮，解壓縮等；3）自動判讀數(shù)據(jù)、篩選條件設(shè)置；4）更改測試流程.設(shè)備驅(qū)動層包含以太網(wǎng)驅(qū)動實現(xiàn)模塊與測試計算機、數(shù)據(jù)中心間的底層通訊.

1.4 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合測試

航天器電子系統(tǒng)中多個設(shè)備通常由不同單位研制，為了驗證系統(tǒng)的正確性需要進行多次局部、整體的聯(lián)合測試.聯(lián)合測試時多家單位攜帶設(shè)備前往統(tǒng)一測試地點進行對接，每次聯(lián)合測試不僅耗費大量資源，而且無法保存管理寶貴的測試數(shù)據(jù).使用分布式測試網(wǎng)絡(luò)，將多個待測設(shè)備通過光纖網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心連接，實現(xiàn)遠程聯(lián)合測試，監(jiān)控測試過程.基于測試網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備測試可為3個階段:獨立測試、遠程單機測試、遠程聯(lián)合測試.

1）獨立測試:測試人員根據(jù)測試需求調(diào)整本地測試節(jié)點模型，使其能夠充分模擬待對接設(shè)備.使用該模型對待測設(shè)備進行功能測試，并通過光纖網(wǎng)絡(luò)將測試數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，供日后對比、查錯.

2）遠程單機測試:本地測試節(jié)點模型使用遠程數(shù)據(jù)庫中待對接設(shè)備測試時產(chǎn)生的真實數(shù)據(jù)，對待測設(shè)備功能進行進一步驗證.首先，由測試單位向遠程數(shù)據(jù)中心提出測試申請，由遠程控制中心在數(shù)據(jù)庫中搜尋所需數(shù)據(jù)并將其下傳至申請者.

3）遠程聯(lián)合測試:將多個待測設(shè)備同時接入測試網(wǎng)絡(luò)模擬現(xiàn)場聯(lián)合測試，完成對待測設(shè)備間匹配度及系統(tǒng)功能的測試.測試前，本地測試設(shè)備接受遠程傳來的配置數(shù)據(jù)完成軟硬件的配置，模擬遠程設(shè)備與待測設(shè)備相連接.測試時，本地測試設(shè)備接收傳來的測試數(shù)據(jù)將其發(fā)送給待測設(shè)備，實時模擬遠程設(shè)備與待測設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸.遠程待測設(shè)備的測試與此相仿.

2 測試方案示例

2.1 本地測試節(jié)點應(yīng)用示例（示例一）

航天設(shè)備測試有多種特殊環(huán)境模擬測試，如熱循環(huán)實驗.熱循環(huán)試驗時待測設(shè)備需置于熱循環(huán)罐中，測試設(shè)備置于罐外，內(nèi)外通過信號線纜連接.測試線纜經(jīng)過錦綸加固等工藝后，單根線纜直徑大于1 cm，而引線口直徑只有6 cm，信號線纜較多時無法全部引出.測試時測試人員需與設(shè)備保持一定距離，信號的衰減、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性都影響著最終的測試結(jié)果.

測試采用以太網(wǎng)組合的本地測試節(jié)點，將PC／104 PLUS總線完全組合放入罐內(nèi)模擬對接設(shè)備，通過以太網(wǎng)電纜、交換機與罐外測試計算機連接.PC／104 PLUS主板中運行測試程序，測試計算機進行數(shù)據(jù)處理、判讀.以某型號載荷電控箱測試為例，其對外接口有:2路1553B接口，三路RS422接口，OC門指令發(fā)送接口10個，LVDS接收28路發(fā)送4路，遙測7路.選取低速基礎(chǔ)接口模塊，高速基礎(chǔ)接口模塊，模擬量模塊以及低速總線模塊各一個與PC／104 PLUS主板連接組成罐內(nèi)測試部分.具體方案連接如圖3所示.

圖3 熱循環(huán)實驗方案連接簡圖

測試軟件主界面如圖4，界面上方的選項卡為具體使用模塊的名稱.圖中中間界面為LVDS數(shù)據(jù)輸入界面，測試數(shù)據(jù)可以以txt或者excel的格式導(dǎo)入軟件，并在軟件中設(shè)置發(fā)送方式.圖中左邊為參數(shù)狀態(tài)監(jiān)視欄，監(jiān)視此時數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài).監(jiān)視欄內(nèi)項目可手動關(guān)聯(lián)參數(shù)，編輯名稱，設(shè)置正常閾值范圍.圖中下方兩個小窗口，左邊是中斷狀態(tài)監(jiān)視窗口，該模塊用于監(jiān)視脈沖量的時間以及個數(shù).右邊為參數(shù)的曲線圖，根據(jù)參數(shù)值實時繪制，時間軸范圍、精度可調(diào).

測試中AD采集模塊監(jiān)控±3.3 V遙測、±5 V遙測、15 V遙測以及28 V遙測量，實際監(jiān)測到的值與設(shè)計值對比如表2，可知設(shè)計與實測值相符.

測試系統(tǒng)通過LVDS發(fā)送接口、RS422模擬載荷向待測設(shè)備發(fā)送圖像數(shù)據(jù)、工程參數(shù)，由待測設(shè)備進行壓縮后由LVDS接收接口傳回測試系統(tǒng).測試軟件使用解碼模塊解碼后與原始數(shù)據(jù)進行比對，數(shù)據(jù)一致，滿足應(yīng)用需求.

PC／104 PLUS主板完全能夠滿足測試需求，以太網(wǎng)良好的隔離性能及高傳輸速率保證高質(zhì)量的信號傳輸.測試軟件中模塊多樣，參數(shù)可靈活配置，可滿足測試需求.此測試系統(tǒng)可通過更換模塊的方式滿足更多型號任務(wù)的測試，良好的滿足了本地測試的需求.

2.2 聯(lián)合測試應(yīng)用方案（示例二）

以某型號載荷電控箱與載荷對接命令接口為例，設(shè)計遠程聯(lián)合測試流程.命令接口對接需要檢驗的內(nèi)容有:開關(guān)機指令，數(shù)據(jù)發(fā)送指令.首先搭建測試平臺，分別將測試設(shè)備與待測設(shè)備相連并設(shè)置工作模式搭建本地測試節(jié)點.將兩端的本地測試節(jié)點通過高速總線模塊接入分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使數(shù)據(jù)中心可監(jiān)控測試設(shè)備.具體測試流程如圖5所示，出現(xiàn)測試終止故障時先由本地測試人員進行故障排查，如無法解決則申請遠程協(xié)助，由遠程專家群根據(jù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)協(xié)助解決.測試成功后，分別由兩端將目前的配置數(shù)據(jù)通過高速總線模塊傳輸至數(shù)據(jù)中心.

測試前，先將兩端設(shè)備接入光纖網(wǎng)絡(luò)，待數(shù)據(jù)中心檢測到兩端設(shè)備后開始進入正式測試流程.測試時，為保證兩端傳輸?shù)膶崟r性，由數(shù)據(jù)中心在總線上每隔2 s廣播時間碼.圖6為總線監(jiān)視模塊實驗時監(jiān)測實況.

圖4 測試軟件主界面

表2 AD遙測量比對表

圖5 遠程聯(lián)合測試流程

圖6 總線監(jiān)視模塊監(jiān)測實況圖

目前光纖網(wǎng)絡(luò)單根理論傳輸速率為2.5 Gbps，傳輸距離達百公里.實測時，兩個設(shè)備相距2 km，光纖上的最大峰值速率為1.932 Gbps.載荷電控箱與載荷間多使用低速總線進行通訊，如:CAN總線，1553B總線等.這些總線的傳輸速率不超過1 Mbps.目前星上設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸常用接口為LVDS，瞬時最大速率不超過200 Mbps.因此光纖網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足現(xiàn)階段以及未來一段時間內(nèi)的綜合電子系統(tǒng)聯(lián)合測試需求.

3 結(jié) 語

傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)開發(fā)周期長、靈活性差，越來越不能夠滿足日益增多空間探測任務(wù)的研發(fā)需求.本文應(yīng)用開放式柔性測試系統(tǒng)設(shè)計方法，提出一種集成豐富接口、可重構(gòu)、兼容性強的分布式測試系統(tǒng).硬件基礎(chǔ)模塊通過PC／104 PLUS總線或以太網(wǎng)，可組成三種本地測試節(jié)點模型，按需求靈活搭建測試系統(tǒng)；軟件模塊化、層次化設(shè)計，利用轉(zhuǎn)換層降低模塊間耦合性，可快速適應(yīng)不同需求和硬件架構(gòu).特殊場景測試和聯(lián)合測試表明本系統(tǒng)通用性、拓展性、可靠性強，實現(xiàn)了“一機多型”和“一機多用”，可應(yīng)用于不同型號任務(wù)、不同階段、不同測試場景的綜合電子系統(tǒng)測試工作，有效減少開發(fā)周期，極大的節(jié)約人力物力成本.

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，空間探測技術(shù)不斷革新，將會對測試系統(tǒng)提出更高的要求.本文的后續(xù)工作將致力于緊隨空間探測技術(shù)的前沿研發(fā)更多的功能模塊以支持更多的任務(wù)需求.

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（編輯張 宏）

Universal test system design for the spacecraft electronic system

LIShan1，2，LUO Pei3，AN Junshe2

（1.University of Chinese Academy of Sciences，100049 Beijing，China；2.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，100190 Beijing，China；3.Electrical＆Computer Engineering，Boston University，02215 Boston，USA）

This paper proposes a scalable，reconfigurable，general test system design oriented the spacecraft electronic system.The design employs open flexible test system design method.Common test interfaces are integrated into classified modules with FPGA as control core，which ensures the reconfigurability of hardware. Software utilizesmodularized pattern.Application program interacts with the operating system through transfer layer which ensures reusability of software.All modules can be combined into three local testing machine models using the PC／104 PLUS and Ethernet.The optical fiber transmission technology is employed to combine all the local testing machine models into a distributed testing system.This system is compatible，universal，and secure.Vacuum tank test and multi-device joint test show that the system is competent for all kinds of electronic system testing in different scenarios.

universal test system；open flexible test system；distributed systems；reconfigurability

TP 274

A

0367-6234（2014）09-0092-08

2013-09-03.

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項資助項目（XDA04060300）.

李 姍（1989—），女，博士研究生.

李 姍，lishanmg＠gmail.com.