曾振杰，朱曉菲，齊世舉，沈曉衛(wèi)，蔡尚君

(火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025)

0 引言

導(dǎo)引頭測試設(shè)備是測試雷達導(dǎo)引頭各項性能的測試系統(tǒng)。主要測試導(dǎo)引頭發(fā)射機、接收機和信號處理器的各項參數(shù)。它由工控機，VXI(VME bus extension for instrumentation)機箱和相關(guān)模塊儀器組成，用于導(dǎo)引頭出廠交付時的校驗測試以及使用前測試。

由于測試設(shè)備的重要性，對測試設(shè)備的計量檢定一直都是一項重要工作。目前對導(dǎo)引頭測試設(shè)備的計量檢定，主要是依據(jù)相關(guān)的檢定規(guī)程，利用分離儀器對設(shè)備的各指標逐項進行人工手動測量。這種測量方式，不僅效率低、耗時長，而且檢定過程非常繁瑣，人為疏忽等原因造成的錯誤在所難免，同時測量結(jié)果采用人工記錄，不能對數(shù)據(jù)進行有效的管理和回放，影響日后的數(shù)據(jù)分析和處理[1]。

面對飛速發(fā)展計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)，傳統(tǒng)的人工測量已不能滿足實際測量的需求[2-4]。本文在自動測試技術(shù)的基礎(chǔ)之上，設(shè)計一套自動計量檢定系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的手工檢定相比，本系統(tǒng)大大提高了檢定的效率，節(jié)省了人力資源和由于人為疏忽等原因造成的隨機性錯誤，利用Labwindows/CVI軟件平臺進行測控程序開發(fā)，保證了良好的人機交互，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的有效管理。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

待檢設(shè)備由一個C尺寸的VXI機箱和若干板卡組成，其包含的模塊化儀器有應(yīng)答模擬器、干擾模擬器、峰值功率計、數(shù)字示波器和數(shù)字多用表。測試設(shè)備主要用于測試導(dǎo)引頭的射頻部件的相關(guān)微波參數(shù)，主要由應(yīng)答模擬器、干擾模擬器、峰值功率計來完成，其次用于測量一些保障射頻部件正常工作的低頻電學(xué)參數(shù)，主要由數(shù)字多用表、數(shù)字示波器完成。因此本文設(shè)計的檢定系統(tǒng)主要用于這5個模塊儀器的檢定，主要檢定該測試設(shè)備應(yīng)答模擬器、干擾模擬器、峰值功率計的微波方面的相關(guān)參數(shù)是否合格，其次檢定數(shù)字示波器和數(shù)字多用表的儀器測量誤差是否在檢定規(guī)程規(guī)定的范圍以內(nèi)。檢定結(jié)束界定測試設(shè)備是否合格，能否繼續(xù)使用或需要進行維修。由于待檢的VXI儀器具有較高的穩(wěn)定性和測量精度，因此對其進行檢定，需要用更高精度的臺式儀器，以保證量值的可靠傳遞。

應(yīng)答模擬器主要是在測試中模擬導(dǎo)引頭的回波信號，因此需要對它輸入和輸出的波形功率、頻率進行測量，以確定它的回波延遲時間和功率衰減，可用一臺微波信號源和一臺微波功率計配合進行檢定；干擾模擬器在測試中用于提供射頻干擾信號，需要對其多組點頻以及頻譜進行測量，可用一臺頻譜儀和一臺功率計進行檢定；示波器檢定可采用比對的方式，利用精度更高的臺式數(shù)字存儲示波器，采用比對的方式進行檢定，此外還需一臺任意波形發(fā)生器提供信號和一臺通用計數(shù)器測量頻率，功率計同樣使用比對的方式，用一臺更高精度的功率計配合微波信號源進行檢定，多用表則可以用一臺多功能校準源進行檢定。

如圖1所示為整個自動檢定系統(tǒng)的組成，右側(cè)為需要檢定的VXI總線設(shè)備，左側(cè)為檢定所用計量標準設(shè)備，均為帶有GPIB(general purpose interface Bus)接口的程控儀器。系統(tǒng)上位機為專用測試計算機，它含有一塊1394卡，通過USB-GPIB轉(zhuǎn)接卡與計量標準儀器相連，通過1394-VXI總線與被檢設(shè)備相連。系統(tǒng)工作時，由測試計算機通過總線同步給標準設(shè)備和被測儀器發(fā)送控制命令，控制儀器按照設(shè)定工作步驟自動操作，完成各參數(shù)的測量。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

設(shè)備的檢定項目繁多，比如一個示波器板卡，要將其完整的檢定下來，需要對其4個通道的信號幅度、頻率、信號脈寬等進行多組測量，重復(fù)操作非常繁瑣，且操作設(shè)備多，人為操作極易出錯。因此，系統(tǒng)將操作步驟編寫入程序，用計算機代替人來執(zhí)行繁瑣重復(fù)的操作，而一旦需要人工參與時，采用聲音報警和彈窗提示的方式提醒檢定人員操作，如“示波器通道1檢定完畢，請連接通道2后，按開始按鈕繼續(xù)檢定通2”。

檢定過程中測得的結(jié)果均保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理和后期處理，包括對數(shù)據(jù)的查詢、分析，系統(tǒng)還能自動生成并打印檢定證書，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工出具檢定證書。

2 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)包含的硬件主要一臺專用測試計算機(含1394卡)、一塊USB-GPIB轉(zhuǎn)接卡、一個C尺寸的4槽VXI機箱(含零槽控制器)、一臺打印機和相關(guān)計量標準設(shè)備，分別為多功能校準源、通用計數(shù)器、頻譜分析儀、微波功率計、任意波形發(fā)生器、數(shù)字示波器、微波信號源。這幾類儀器均具有GPIB接口和串口，優(yōu)先使用GPIB接口進行通信，在GPIB接口不可用的情況下也可用串口進行通信。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

計算機為整個系統(tǒng)的核心，它既是控制中心，又是人機交互的平臺。它能夠代替人工控制儀器動作，又能夠?qū)崟r采集測試數(shù)據(jù)并進行顯示，檢定員不再對儀器進行任何操作，只需要對計算機鼠標鍵盤進行簡單的操作即可完成繁瑣的檢定工作。

右側(cè)為待檢設(shè)備，采用VXI總線連接。VXI總線是VME(versa module eurocard)總線在儀器領(lǐng)域的擴展，它以測試速度快、可靠性好、抗干擾能力強、人機交互友好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于軍工行業(yè)，因此對VXI設(shè)備的計量檢定也非常的普遍[5]。本系統(tǒng)使用一個4槽的C尺寸VXI機箱(帶零槽控制器)為待檢儀器提供一個連接條件，檢定時只需將待檢儀器從設(shè)備上取下來裝入機箱即可進行自動檢定。計算機(帶1394卡)與VXI零槽控制器則通過一根1394線連接。

左側(cè)為計量標準儀器，所有儀器均采用串型連接的方式通過GPIB電纜連成一個整體，這種連接方式的典型優(yōu)點是連接方便、配置靈活、通信穩(wěn)定可靠。GPIB通用接口總線是并行總線，最多可同時連接15個GPIB設(shè)備，被聯(lián)的各個單元之間能夠直接通信，而不需要通過中介單元[5-6]。對于本測試系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蠓浅８?，GPIB能夠滿足要求，但它不是PC(personal computer)的標準接口，需要安裝一塊GPIB擴展卡后才能與GPIB設(shè)備建立連接，系統(tǒng)使用一塊USB-GPIB轉(zhuǎn)接卡轉(zhuǎn)接后通過USB線纜連接計算機。系統(tǒng)中的各具體儀器均為可程控的儀器，可在計算機的控制下協(xié)調(diào)工作。其中微波信號源、多功能校準源與任意波形發(fā)生器主要提供標準的信號，而其他儀器則用于測量待檢設(shè)備的信號或測量信號源發(fā)出的信號作為比對的標準。

圖2 系統(tǒng)硬件組成Fig.2 System hardware components

此外，計算機還連接有一臺打印機，用于打印測試數(shù)據(jù)、波形圖像和檢定證書等。

3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

在整個檢定系統(tǒng)中軟件是系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)能否正常工作，完成檢定任務(wù)并出具檢定證書，就看軟件是否能實現(xiàn)相應(yīng)的功能[7]。

3.1 儀器控制

要實現(xiàn)導(dǎo)引頭測試設(shè)備的自動化檢定，軟件設(shè)計首先要解決的問題就是對眾多儀器的控制，包括計量標準儀器和VXI模塊化儀器(被檢儀器)。實現(xiàn)儀器控制可以分為2個步驟[8]；第1步是要實現(xiàn)測試儀器同計算機之間的通信；第2步是計算機給儀器發(fā)送“儀器語言”，控制儀器進行初始化和相關(guān)測試。整個測試過程可以簡單的描述為這兩步[8]。

第1步與儀器建立通信鏈路，現(xiàn)在使用最多的方法是通過調(diào)用VISA(virtual instrument software architecture)庫函數(shù)[8]。VISA被稱為虛擬儀器軟件架構(gòu)，是為開發(fā)虛擬儀器而制定的軟件規(guī)范[9-10]，VISA庫通過自底向上的設(shè)計模型設(shè)計，具有金字塔形的分層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部分為5個層次，自下而上依次為資源管理層、I/O資源層、儀器資源層、用戶定義資源層和用戶層，如圖3所示。在VISA中所有的儀器和接口都當做資源來進行管理，最下面是資源管理層，統(tǒng)一分配和管理其內(nèi)部的所有資源，一般情況下不需要該部分的操作，只需要打開資源層即可。其他的4個資源層都是由與儀器功能有關(guān)的函數(shù)組成，I/O資源層為在它之上的3個資源層的基礎(chǔ)，它涉及所有的與I/O有關(guān)的操作，如RS232，GPIB，VXI等，幾乎囊括了現(xiàn)今所有的儀器總線I/O，并且它還可以不斷的擴充。

圖3 VISA的分層結(jié)構(gòu)Fig.3 Hierarchical structure of VISA

VISA在儀器I/O接口層做了統(tǒng)一，使得測控程序不再針對具體的接口編寫，基于VISA編寫的測控程序能夠應(yīng)用于幾乎所有的接口，本文設(shè)計的系統(tǒng)主要用到的接口為GPIB和VXI，對于GPIB設(shè)備和VXI設(shè)備的控制在I/O這一層的程序是沒有任何區(qū)別的，這大大簡化了編程，減輕了編程工作量。

第2步控制儀器操作最常用的底層儀器控制方式有2種，分別是基于寄存器的編程和基于字符串的編程。使用寄存器的編程方式盡管靈活高效，但是對程序員的要求較高，程序員必須非常熟悉硬件結(jié)構(gòu)和儀器工作原理才能編寫程序。因此本文采用編程難度較低的字符串的編程方式即SCPI(standard commands for programmable instrumentation)，這種編程方式將與儀器操作相關(guān)的底層操作進行了封裝，使得編程人員無需了解儀器的硬件就可以編程控制儀器[11]，并且字符串非常的直觀和具體，容易理解和掌握，比如在多用表的檢定中計算機給多功能校準源發(fā)送字符串“OUT 1 V”，表示控制其輸出1 V的電壓。SCPI的出現(xiàn)有利于儀器控制方式的統(tǒng)一和標準化，使用SCPI語句編寫的程序具有很好的通用性，比如系統(tǒng)中使用的校準源無論是哪個廠家哪個型號的校準源，都可以用同樣的SCPI字符串進行控制。

3.2 LabWindows/CVI及多線程技術(shù)

在測控領(lǐng)域，LabWindows/CVI和LabVIEW一直是最活躍的兩大虛擬儀器開發(fā)平臺，與LabVIEW相比，LabWindows/CVI的功能更加靈活、效率更高、穩(wěn)定性更好，適合中、大型測控軟件的開發(fā)，主要應(yīng)用在對穩(wěn)定性和可靠性要求較高的領(lǐng)域，如軍工行業(yè)[12-13]，因此本文選用LabWindows/CVI開發(fā)軟件。

LabWindows/CVI是一個完全的ANSI C的編程環(huán)境，擁有簡單直觀的圖形用戶界面，采用函數(shù)面板上輸入函數(shù)參數(shù)的形式，利用事件驅(qū)動和回調(diào)函數(shù)方式的編程技術(shù)，使得工程設(shè)計不僅效率高而且穩(wěn)定可靠。它面向?qū)ο蟮木幊趟枷?、豐富的控件和按鈕以及功能強大的函數(shù)庫，如信號處理函數(shù)庫、接口函數(shù)庫、Windows SDK(software development kit)等，使得它在儀器控制、自動檢測和數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用廣泛，除此之外它還附加了很多的工具包，如本文中用到的SQL(structured query language) Toolkit工具包能夠使得LabWindows/CVI可以對數(shù)據(jù)庫進行訪問和操作。

考慮到通過GPIB總線通信時，計算機發(fā)送或接收數(shù)據(jù)往往需要等待較長時間，例如接收來自示波器的4k的字節(jié)可能需要1～2 s的時間；以及計算機和儀器間進行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理、保存需要同步進行，且不能影響用戶對面板的操作，因此本軟件采用多線程技術(shù)進行設(shè)計。

相比單線程而言，多線程雖然不及單線程的處理速度，但是多線程可以使得芯片同時處理多個事件，大大縮短了CPU的等待(閑置)時間，提高了CPU的使用率進而提高程序運行效率[12-13]。在測控軟件中恰當?shù)氖褂枚嗑€程，可以極大地提高軟件的效率，本文中主線程由于創(chuàng)建運行人機界面，創(chuàng)建2個次線程分別用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集線程和數(shù)據(jù)存儲、處理線程。LabWindows/CVI提供了異步定時器和線程池2種創(chuàng)建線程的高級機制，線程池一般用于循環(huán)執(zhí)行的任務(wù)，而異步定時器一般用于定期執(zhí)行的任務(wù)，本文中使用函數(shù)CmtScheduleThreadPoolFunction()來創(chuàng)建各個線程函數(shù)，使用NewAsyncTimer()創(chuàng)建異步定時器用于數(shù)據(jù)采集等。

3.3 軟件模塊劃分

軟件采用模塊化設(shè)計的思想，各個模塊完成各自的功能。如圖4所示。

由于檢定信息不可以隨便改動，需具備一定的安全性，因此設(shè)計了用戶權(quán)限管理模塊。該模塊用于管理用戶信息和權(quán)限，權(quán)限分為普通用戶和管理員，并設(shè)置密碼保護。主界面是人機交互的主要界面，主要用于基本信息(檢定對象和檢定人員)錄入和實時測試數(shù)據(jù)的顯示。此外還有5個界面，分別對應(yīng)于任務(wù)管理的5個模塊，新建測試任務(wù)用于檢定相關(guān)信息的錄入、歷史任務(wù)查詢?yōu)閷σ酝鶞y試數(shù)據(jù)庫的查詢操作、數(shù)據(jù)處理模塊提供一些方便的處理工具、證書管理主要保存和查看證書模板、幫助模塊可以查看相關(guān)的檢定規(guī)程。檢定模塊主要為針對不同檢定對象編寫的測控程序。

圖4 軟件模塊劃分Fig.4 Software module division

其中，軟件的主體部分為5個檢定模塊，對待檢儀器和計量標準儀器的控制以及數(shù)據(jù)的采集均在這5個模塊中實現(xiàn)。以應(yīng)答模擬器延遲時間檢定為例，開始檢定時，按照軟件的操作提示，將硬件按照圖5所示連接，微波信號發(fā)生器輸出端輸出的信號經(jīng)微波三通器件分成2路，一路給示波器通道1，一路給應(yīng)答模擬器輸入端，應(yīng)答模擬器輸出端則經(jīng)過微波線纜連接示波器通道2。

圖5 應(yīng)答模擬器檢定圖Fig.5 Answer simulator verification graph

硬件連接好之后啟動軟件進行測試，計算機通過1394-VXI總線給應(yīng)模擬器發(fā)送控制命令，控制其供電開機并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；爾后通過GPIB總線給微波信號發(fā)生器發(fā)送控制命令使其輸出信號，通過GPIB總線給示波器發(fā)送命令，控制其對兩路信號同時進行測試；最后計算機采集測試數(shù)據(jù)，通過對比雙通道所測數(shù)據(jù)，計算出延遲時間并自動判斷是否合格，顯示在人機界面上，就完成了延遲時間的測量。

3.4 軟件工作流程

如圖6所示，為軟件進行檢定的工作流程，第1步為用戶登錄，之后軟件創(chuàng)建2個次線程，先介紹測試線程的工作流程。用戶在界面中選擇需要檢定對象并輸入設(shè)備編號和測試人員，點擊“保存”按鈕后信息保存，點擊“測試”按鈕后調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備檢定模塊進行檢定；測試階段均為自動進行，無需人為干預(yù)，分為4個步驟：依次為初始化儀器、開始測試、測試完成、斷開儀器連接。主線程主要用于軟件界面的運行，多線程的設(shè)計使得主線程的運行不會中斷，任何時候都可以很好地進行人機交互(信息鍵入和輸出顯示)，在進行一個項目的檢定測試時，就可以同步進行下一項目的信息錄入，節(jié)約了等待時間，提高了效率。數(shù)據(jù)保存和報表生成線程主要用于數(shù)據(jù)的實時保存，保存均為自動進行，

為其單獨開辟一個線程，使得它的運行不會影響到主線程的運行，使得整個軟件的運行更加的流暢。

3.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

開放式數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術(shù)即ODBC(open database connectivity)，是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序開發(fā)的強大工具，它是一個函數(shù)庫，提供了一個連接到底層數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的公共應(yīng)用程序接口[14-16]。利用結(jié)構(gòu)化的查詢語句SQL和開放式的ODBC可以實現(xiàn)通用數(shù)據(jù)庫的程序開發(fā)。在Labwindows/CVI環(huán)境下開發(fā)和使用數(shù)據(jù)庫，必須要安裝Labwindows SQL工具包(在NI的官網(wǎng)可以免費下載)，安裝成功之后，工具包會在計算機上自動注冊一個ODBC數(shù)據(jù)源，將sql_db驅(qū)動器擴展成Labwindows/CVI的標準函數(shù)庫，一共包含有11個子類函數(shù)庫供使用者進行調(diào)用。本文利用Access數(shù)據(jù)庫作為操作對象，實現(xiàn)在Labwindows/CVI平臺下的數(shù)據(jù)庫編程。

圖6 軟件工作流程Fig.6 Software workflow

利用Labwindows SQL工具包對數(shù)據(jù)庫的操作分5步進行;第1步連接ODBC數(shù)據(jù)源;第2步激活SQL檢索語句；第3步處理SQL語句；第4步斷開SQL連接；第5步斷開與數(shù)據(jù)源的連接。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

如圖7所示為系統(tǒng)測試軟件的測試界面，當要進行峰值功率計檢定時，在新建測試任務(wù)欄填寫好檢定的相關(guān)信息之后，保存進相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，就可以打開檢定界面對設(shè)備進行自動檢定了。將檢定對象選擇為“峰值功率計檢定”，點擊“連接設(shè)備”，設(shè)備連接成功后“連接成功”LED被點亮，如果連接不成功，會彈出錯誤提示框。連接成功之后點擊開始測試，測試過程以及采集得到的數(shù)據(jù)會實時顯示到文本框中，測試完成之后右側(cè)“測試完成”LED被點亮，提醒用戶可以進行下一步操作，此時數(shù)據(jù)被保存到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中。在測試之前，需要選用標準儀器并在被檢設(shè)備和標準儀器之間搭建測試通道，相關(guān)的連接步驟和注意事項可以打開幫助欄查看，方便用戶使用該檢定系統(tǒng)。

圖7 軟件“檢定”欄界面Fig.7 Software “verification” field

如圖8所示為運用系統(tǒng)對峰值功率計進行檢定的試驗現(xiàn)場。功率計使用比對的方式進行檢定，用一臺更高精度的峰值功率計Agilent E4417A配合微波信號源Agilent 83732B進行檢定，將待檢峰值功率計插入到系統(tǒng)的VXI機箱中，通過GPIB總線連接E4417A、83732B和計算機，就可以打開軟件進行自動化檢定了，其他模塊的檢定與功率計檢定類似。

圖8 檢定峰值功率計實物圖Fig.8 Verification of peak power meter physical map

5 結(jié)束語

本文在自動測試技術(shù)的基礎(chǔ)之上，設(shè)計一套自動計量檢定系統(tǒng)，使用Labwindows/CVI作為軟件開發(fā)平臺，使用VISA庫函數(shù)使得軟件在I/O層實現(xiàn)統(tǒng)一，使用SCPI語言控制儀器加強測控程序的通用性，使用Labwindows SQL工具包訪問ODBC數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和查詢。與傳統(tǒng)的手工檢定相比，本系統(tǒng)大大提高了檢定的效率，節(jié)省了人力資源和由于人為疏忽等原因造成的隨機性錯誤，良好的人機交互使用戶具有良好的用戶體驗，在導(dǎo)引頭測試設(shè)備計量檢定上有很好的應(yīng)用前景，也為其他設(shè)備的自動檢定系統(tǒng)設(shè)計提供了參考和借鑒。