劉恩凡，于洪濤

(1.中國人民解放軍駐航天科工集團公司第三研究院三十五所軍事代表室，北京 100013;2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

?

基于VxWorks的某裝備自動測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉恩凡1，于洪濤2

(1.中國人民解放軍駐航天科工集團公司第三研究院三十五所軍事代表室，北京 100013;2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

針對某裝備的實時性測試需求、測試系統(tǒng)通用性和可擴展的需求，設(shè)計并研制了一套基于VxWorks操作系統(tǒng)的自動測試系統(tǒng)；該自動測試系統(tǒng)以工控機作為人機交互操作的核心；PXI機箱內(nèi)置PXI儀器板卡和零槽控制器用于實現(xiàn)測試過程中激勵信號的施加和被測對象響應(yīng)信號的測量；系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器技術(shù)進行開發(fā)，虛擬儀器軟件可進行二次開發(fā)和參數(shù)配置，使系統(tǒng)具有通用性和可擴展性；系統(tǒng)采用通用標準化信號接口連接器，保證了系統(tǒng)的擴展能力。

自動測試系統(tǒng)；VxWorks操作系統(tǒng)；PXI總線；虛擬儀器技術(shù)

0 引言

為了保證軍隊維護保障工作的快速與高效率，節(jié)約空間與成本，通常要求自動測試系統(tǒng)具有通用性和可擴展性，某些裝備的導引頭等組件通常是高精度和高實時性部件，運算實時精確，測試還要求自動測試系統(tǒng)有較高的實時性。針對這些需求，本文設(shè)計并開發(fā)了一套自動測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)測試執(zhí)行軟件運行于實時操作系統(tǒng)VxWorks下，可滿足實時性的測試需求。系統(tǒng)采用通用標準化的接口適配器，使系統(tǒng)具有通用性。系統(tǒng)的測試執(zhí)行軟件采用虛擬儀器技術(shù)進行開發(fā)，自動測試系統(tǒng)的功能可進行靈活地重構(gòu)配置，使系統(tǒng)具有較強的通用性和擴展性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

自動測試系統(tǒng)是指能對被測對象進行自動化數(shù)據(jù)測量、處理、傳輸、存儲并進行故障診斷和顯示輸出的系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體設(shè)計采用模塊化、通用化的思想進行方案設(shè)計，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1。自動測試系統(tǒng)主要由自動測試設(shè)備(automatic test equipment，ATE)，測試程序集(test program set，TPS)和TPS軟件開發(fā)工具三大部分組成，其中ATE屬于測試系統(tǒng)的硬件設(shè)備，TPS和TPS開發(fā)工具屬于測試系統(tǒng)軟件部分[3]。

圖1 自動測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

如圖1中虛線框所示，ATE由工控計算機、程控電源、信號調(diào)理、激勵與測量儀器系統(tǒng)和適配器接口組成。其中，工控計算機是測試系統(tǒng)的人機交互和控制的核心，工控機和其他ATE硬件設(shè)備之間采用網(wǎng)絡(luò)接口進行連接，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)協(xié)議命令控制其他硬件單元協(xié)同完成測試工作。程控電源用于為被測對象提供測試所需的電壓源和電流源。激勵與測量儀器系統(tǒng)采用PXI技術(shù)，系統(tǒng)由嵌入式零槽控制器和多個儀器板卡組成，零槽控制器安裝VxWorks操作系統(tǒng)和實時運行引擎，操控PXI儀器板卡完成對被測對象進行激勵施加和響應(yīng)測量。信號調(diào)理部分用于對測試中的非標準信號進行變換調(diào)理。適配器接口是ATE硬件資源唯一的輸出接口，設(shè)計為通用接口，通過測試適配器實現(xiàn)與被測對象的對接。

測試系統(tǒng)軟件用于管理測試系統(tǒng)資源，其中測試管理軟件安裝在工控計算機上，測試管理軟件調(diào)配系統(tǒng)硬件資源完成測試工作，并提供測試結(jié)果的顯示、存儲、查詢和打印等功能?；赩xWorks操作系統(tǒng)的實時執(zhí)行引擎軟件駐留在激勵與測量儀器系統(tǒng)的嵌入式零槽控制器中，在工控計算機上的測試管理軟件的調(diào)配下控制板卡儀器操作，并將測量結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)接口返回至工控計算機。

2 測試系統(tǒng)硬件平臺

自動測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是ATE的機體設(shè)計和適配器設(shè)計，根據(jù)測試資源的需求，選取成熟的貨架產(chǎn)品進行系統(tǒng)集成。

2.1 人機接口

人機接口是測試系統(tǒng)的操作接口，自動測試系統(tǒng)的人機接口主要包含一體化鍵盤顯示器和打印機，操作人員使用鍵盤輸入測試操作和參數(shù)，測試系統(tǒng)將測試執(zhí)行狀態(tài)和測試結(jié)果等信息送到顯示器，操作人員可對過往測試結(jié)果進行查詢和打印操作。

滔滔江水，滋潤廣袤的華夏大地，萬物生長，生機勃發(fā)。每個人都在這場偉大革命中“發(fā)現(xiàn)”了自己。中國的今天，就是這樣，由中國人自己干出來的！

2.2 適配器接口

適配器接口作為測試系統(tǒng)的資源輸出接口，為了提高系統(tǒng)的通用性和擴展性。適配器接口按照VPC公司的VPC9025標準進行設(shè)計。測試接口的標準化也使得測試系統(tǒng)間的測試一致性提高，便于實現(xiàn)測試系統(tǒng)間的互操作，及測試對象的擴展，從結(jié)構(gòu)和功能上保證擴展性。信號接口連接器定義的標準結(jié)構(gòu)、電氣特性接口，保證了系統(tǒng)的擴展能力。

2.3 拓撲結(jié)構(gòu)

基于分布式，模塊化的設(shè)計思想，ATE各個組件均配備網(wǎng)絡(luò)接口，如圖1所示，ATE各個組件之間采用星形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行交聯(lián)。對于分布式系統(tǒng), 節(jié)點之間的互聯(lián)是構(gòu)成分布式系統(tǒng)和決定其系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，此處采用以太網(wǎng)更易于系統(tǒng)的擴展和管理維護。這種星形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)控制容易、便于擴充、可靠性好，當系統(tǒng)中某個組件發(fā)生故障時可進行快速替換，不影響其他組件的工作。系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式工作機制，工控計算機是整個系統(tǒng)的客戶端，其他各個組件節(jié)點是分布式的服務(wù)器，測試工作由客戶端發(fā)起，通過訪問服務(wù)器程序，調(diào)配各個組件協(xié)同完成測試工作。

2.4 儀器系統(tǒng)

采用PXI總線模塊構(gòu)建儀器系統(tǒng)，PXI 總線是一種模塊化儀器儀表總線，主要用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集、自動化測試等領(lǐng)域。PXI 總線增加了儀器測量所特別需要的機械、電氣和軟件方面等方面的性能特點，同時為了滿足數(shù)據(jù)通信、高精度的信號同步、與定時等要求，專門增加了星形觸發(fā)線、高精度系統(tǒng)參考時鐘和模塊間的局部總線，性價比較高[4]。選用PXI 總線模塊，使得系統(tǒng)靈活性好，程序開發(fā)方便，可縮短整個自動測試系統(tǒng)的開發(fā)周期。

如圖2所示，儀器系統(tǒng)包含PXI嵌入式零槽控制器和PXI儀器模塊。PXI嵌入式零槽控制器通過網(wǎng)絡(luò)接口與工控計算機連接，控制器安裝VxWorks實時操作系統(tǒng)，通過PXI總線對各個PXI儀器模塊進行控制和數(shù)據(jù)交換。根據(jù)被測對象的測試需求，PXI儀器模塊包含數(shù)字多用表，數(shù)字IO模塊，脈沖計數(shù)器，模擬輸出DA，掃描AD和1553B總線通訊模塊。數(shù)字多用表模塊用于測量交流或者直流信號電壓、兩線電阻等信號；數(shù)字IO模塊用于產(chǎn)生數(shù)字IO狀態(tài)置位；脈沖計數(shù)器模塊用于對脈沖和時序信號的測量；模擬輸出DA模塊用于給被測對象提供模擬電壓信號；掃描AD模塊用于對瞬態(tài)模擬信號的采集；1553B總線通訊模塊用于與被測對象進行1553B總線通信。

圖2 PXI儀器系統(tǒng)組成

2.5 測試適配器

測試適配器是ATE設(shè)備與被測對象連接的橋梁，它把ATE設(shè)備提供的信號和電源等資源轉(zhuǎn)接至被測對象，完成對被測對象的激勵施加和測量工作。測試適配器采用符合VPC9025標準的接口與適配器接口對接，適配器面向被測對象的輸出接口根據(jù)被測對象的不同而選用不同的接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

虛擬儀器技術(shù)[4]的核心是軟件，硬件是基礎(chǔ)，軟件就是儀器。自動測試系統(tǒng)采用虛擬儀器軟件架構(gòu)的思想設(shè)計測試軟件, 測試軟件是一個虛擬儀器軟件平臺，使用者可以通過添加并配置虛擬儀器參數(shù)的方法，方便地改變、增減系統(tǒng)的功能與規(guī)模。

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)軟件的設(shè)計采用模塊化和分層設(shè)計技術(shù)，模塊化的思想是將應(yīng)用程序拆分為各個獨立的軟件單元，頂層設(shè)計各個模塊單元間的接口，然后分別設(shè)計開發(fā)各個單元，將軟件開發(fā)過程轉(zhuǎn)變?yōu)椤按罘e木”的過程。

軟件采用分層遞進式程序結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)，軟件分為測試管理層、執(zhí)行程序?qū)雍万?qū)動程序?qū)?，軟件基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.2 測試管理層

測試管理層包含用戶權(quán)限管理，TPS開發(fā)平臺，測試流程數(shù)據(jù)庫，測試任務(wù)管理和數(shù)據(jù)管理與報表5個模塊單元組成。用戶管理模塊主要完成與操作用戶的交互工作，管理和記錄用戶操作情況。根據(jù)被測對象測試需求，用戶可使用TPS開發(fā)平臺進行測試流程開發(fā)。測試流程數(shù)據(jù)庫模塊用戶存儲用于編輯開發(fā)好的測試流程，并提供接口供測試任務(wù)調(diào)用。測試任務(wù)管理模塊根據(jù)用戶設(shè)定任務(wù)需求，提取測試流程文件，并調(diào)用測試執(zhí)行程序進行測試工作。數(shù)據(jù)管理與報表模塊用于處理測試返回的數(shù)據(jù)，對返回的測試結(jié)果進行顯示、存儲等操作，同時具備過往數(shù)據(jù)查詢和測試結(jié)果打印功能。

3.3 執(zhí)行程序?qū)?/p>

執(zhí)行程序?qū)佑蓽y試管理層激活并調(diào)用，主要完成測試任務(wù)中測試流程的動作分解，根據(jù)軟件系統(tǒng)內(nèi)部接口協(xié)議對測試動作進行解析，分解出對應(yīng)的各個分機組件操作，根據(jù)解析結(jié)果調(diào)用驅(qū)動程序?qū)拥母鱾€分機組件的驅(qū)動程序進行激勵施加和響應(yīng)測量，并將測量數(shù)據(jù)返回至測試管理層軟件。

3.4 VxWorks執(zhí)行引擎

系統(tǒng)分機組件中的程控電源和信號調(diào)理模塊功能比較簡單，驅(qū)動程序以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模式運行，響應(yīng)執(zhí)行層軟件的訪問動作，本文不做詳介紹。激勵與測量儀器系統(tǒng)組成則比較復雜，嵌入式零槽控制器運行Vxworks操作系統(tǒng)和實時執(zhí)行引擎，儀器系統(tǒng)驅(qū)動可以視為一個小型軟件系統(tǒng)。VxWorks是由美國風河公司開發(fā)的微內(nèi)核高性能可裁剪的嵌入式實時操作系統(tǒng)[6], 它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)領(lǐng)域中。

VxWorks支持多任務(wù)并行執(zhí)行，為了提高測試系統(tǒng)的實時性，實時運行引擎采用多任務(wù)模式設(shè)計，實時運行引擎程序流程圖如圖4所示。執(zhí)行引擎并行運行多個程序任務(wù)，其

中主任務(wù)是執(zhí)行引擎的管理任務(wù)，它提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模式供客戶端訪問，并根據(jù)客戶端的訪問命令調(diào)用相應(yīng)的儀器任務(wù)控制PXI儀器的激勵和采集動作。根據(jù)測試需求和PXI儀器板卡硬件配置，系統(tǒng)中由多個儀器任務(wù)，在儀器任務(wù)中既可實現(xiàn)單個儀器操作，也可實現(xiàn)多個儀器協(xié)同工作，完成復雜測試操作。

圖4 實時執(zhí)行引擎程序流程圖

4 結(jié)論

論文依據(jù)實際工作中某裝備的測試需求，采用網(wǎng)絡(luò)分布式技術(shù)、PXI技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了一個通用自動測試系統(tǒng)。采用通用設(shè)備搭建硬件系統(tǒng)，通過軟件開發(fā)來虛擬出多個功能儀器。系統(tǒng)硬件設(shè)備的搭建采用模塊化分布式的思想構(gòu)建，提高了系統(tǒng)的通用性、擴展性和可維護性。軟件設(shè)計采用分層和模塊的思想設(shè)計，結(jié)構(gòu)清晰，便于后期擴展和故障排查。針對系統(tǒng)的實時性測試需求，儀器系統(tǒng)采用VxWorks操作系統(tǒng)，并開發(fā)了多任務(wù)執(zhí)行引擎，保證了系統(tǒng)儀器操作的快速、實時性。

[1] 于勁松，李行善.下一代自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 計算機測量與控制，2005, 13(1): 1-3.

[2] 杜 里，張齊善.電子裝備自動測試系統(tǒng)發(fā)展綜述[J]. 計算機測量與控制，2009, 17(6): 1019-1021.

[3] 王石記，潘安君. 新一代綜合自動測試標準體系研究[J]. 計算機測量與控制，2011, 19(4): 746-749.

[4] 彭順堂，耿向衛(wèi),等. 基于PXI 總線的某裝備自動測試系統(tǒng)[J]. 四川兵工學報，2008, 29(5): 6-8.

[5] 高志華. 基于虛擬儀器技術(shù)的自動控制系統(tǒng)綜合測試系統(tǒng)的研制[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2005 ( 23): 57-59.

[6] 程敬原. VxWorks軟件開發(fā)項目實例完全解析[M]. 北京: 中國電力出版社, 2005.

Design and Implementation of Automatic Test System Based on VxWorks

Liu Enfan1，Yu Hongtao2

(1.The PLA Representative office in 35th institute of CASIC, Beijing 100013, China;2.Beijing Aerospace Measurement & Control Corp.Ltd, Beijing 100041, China)

A automatic test system based on the VxWorks operating system is designed to meet the requirements for the real-time testing, universality and extensibility of the test system . The automatic test system is developed with industrial computer as the core of human-computer interaction operation. In the automatic test system, PXI chassis with PXI instrument board and zero slot controller is used to implement the testing process of signal exerting excitation and the measurement of the response signal. The system software that developed with virtual instrument technology is support for secondary development and parameters configuration. Standardized signal interface connector is used to guarantee the extensibility of the automatic test system.

automatic test system；Vxworks；PXI bus；virtual instrument

2015-08-09；

2016-01-19。

劉恩凡(1975-)，男，主要從事裝備測試技術(shù)、自動化測試設(shè)備、綜合保障等方向的研究。

1671-4598(2016)03-0106-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.029

TP3

A