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航天測控:測試領(lǐng)域新技術(shù)的發(fā)展

http://mamafrist.com 2015年09月19日        

    測試是檢驗(yàn)測試對象的功能、性能是否滿足使用要求并及時(shí)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(hù)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(shí)也是產(chǎn)品維修保障體系的關(guān)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(hù)、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)的最終體現(xiàn)。隨著測試需求的提高和應(yīng)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(lǐng)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(yīng)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(dòng)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(yuǎn)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(tái)技術(shù)等在不斷地完善和應(yīng)用。
 
  測試儀器及先進(jìn)的測試總線技術(shù)
 
  根據(jù)行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn),測試儀器可以分為基礎(chǔ)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(jìn)一步開發(fā)并完善了基于VXI/PXI/LXI儀器總線的基礎(chǔ)測量儀器系列型譜,在機(jī)箱、控制器、高速數(shù)采、高端示波器、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(jìn)一步拓展并完善,在各種形式的高端及綜合儀器產(chǎn)品研發(fā)上得到加強(qiáng),重視儀器接口的標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化和應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化;由可互換虛擬儀器(IVI)標(biāo)準(zhǔn)的引入所帶來的儀器驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)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(tái)的開發(fā)和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)保障;針對新一代雷達(dá)、通訊、電子偵察和電子干擾、精確制導(dǎo)等應(yīng)用的發(fā)展,并滿足對密集、復(fù)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(guān)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(shí)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(luò)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(yīng)用也得到了較快推進(jìn)。

  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(jì)算機(jī)總線的基礎(chǔ)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(yīng)用的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)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。在最新的版本中,VXI(V3.0)的總線速度可達(dá)到160MB/s,而PXI的總線速度更快,最高速度可達(dá)528MB/s,PXI的另一個(gè)提高傳輸速度的發(fā)展是支持PCI Express,有人給它命名為PXIE總線,它在PXI總線的背板上再集成進(jìn)PCI Express總線,以滿足某些儀器模塊的快速數(shù)據(jù)傳送需求;就應(yīng)用情況而言,兩種總線在測試領(lǐng)域都得到了較好的發(fā)展,VXI總線定義了更為嚴(yán)格的時(shí)鐘、供電電源、機(jī)箱和電磁兼容的指標(biāo)要求,因此主要應(yīng)用在高端的測試領(lǐng)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(gè)快速總線的發(fā)展是ATCA(AdvancedTCA)總線的推出和應(yīng)用,支持最高可達(dá)40Gb/s的接口速度。以航天測控公司為代表的國內(nèi)儀器廠家已全面掌握了各類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(chǔ)測量儀器貨架產(chǎn)品,大部分產(chǎn)品的指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品相當(dāng),部分指標(biāo)還高于國外產(chǎn)品,同時(shí)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(dāng)前發(fā)展和應(yīng)用比較活躍的有USB和LXI總線,在小型化、便攜式或?qū)嶒?yàn)室的應(yīng)用中,以USB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(chǔ)上發(fā)展而成的LXI總線,則被認(rèn)為是第一款真正意義上的外部儀器總線,它分為A、B、C三個(gè)級別,A級別要求最高,可以滿足精確時(shí)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(dú)到的應(yīng)用空間,為測試技術(shù)的應(yīng)用開辟了另一片天地。
 
  自動(dòng)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(yīng)用已成為提升裝備能力的關(guān)鍵途徑,無論是民用還是軍用領(lǐng)域的水陸空裝備、通信系統(tǒng)、自動(dòng)化生產(chǎn)裝置等等,其電磁探測、自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信等一系列功能在不斷地增加,所承載的電子設(shè)備也在不斷地增加,為保證裝備的正常工作,對這些先進(jìn)而復(fù)雜的電子設(shè)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(wù)越來越繁重和復(fù)雜的局面,多年來,業(yè)內(nèi)在注重單項(xiàng)測試技術(shù)突破的同時(shí),力求使測試設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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)的全面測試能力。

  通用化的測試系統(tǒng)本身的特點(diǎn)體現(xiàn)在測試儀器的通用、軟件平臺(tái)的通用和接口適配器的通用上,在以自動(dòng)測試系統(tǒng)(ATS)為基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)真正意義上的通用化,要實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備的通用化、綜合化,就得對ATS進(jìn)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(qiáng)ATS的標(biāo)準(zhǔn)化;措施之二就是啟動(dòng)下一代測試計(jì)劃(NxTest),統(tǒng)一三軍的ATS的體系結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備的通用化和綜合化,通過以IEEE-1226標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)、生產(chǎn)到維修的各個(gè)環(huán)節(jié))之間實(shí)現(xiàn)信息資源的共享和交互,實(shí)現(xiàn)共享TPS和ATS,共享診斷基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),改善TPS開發(fā)環(huán)境,便于TPS移植;同時(shí)結(jié)合IEEE-1232標(biāo)準(zhǔn)使診斷推理系統(tǒng)能相互兼容和獨(dú)立于測試過程,達(dá)到測試診斷知識可移植、重用和共享;這些措施的目標(biāo)就是要使得測試設(shè)備的硬件減少2/3,工程費(fèi)用減少2/3,TPS開發(fā)時(shí)間和成本減少50~70%。最后的效果非常明顯,在很大程度上減少了測試設(shè)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(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)、通用軟件平臺(tái)技術(shù)和自動(dòng)化測試系統(tǒng)技術(shù),開發(fā)出了滿足軍用和民用需要的通用化和綜合化的測試系統(tǒng)設(shè)備,在航天、航空、船舶、車輛等測試領(lǐng)域中得到了較好的應(yīng)用。

  研究并規(guī)范多層次自動(dòng)測試的開放式體系結(jié)構(gòu),消化吸收NxTest體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想,實(shí)現(xiàn)裝備全壽命周期測試及跨平臺(tái)測試的要求,實(shí)現(xiàn)信息與系統(tǒng)的資源共享、互連、互換、互操作、可擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn),在軟件平臺(tái)、系統(tǒng)接口、安裝結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)ATS的相互兼容,就能進(jìn)一步提高資源的利用率,實(shí)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(chǔ)上,進(jìn)行分析和評定,及時(shí)而準(zhǔn)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(shí)為維修提供判斷的依據(jù)。故障診斷是測試任務(wù)的最高境界,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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位并及時(shí)修復(fù),從而可以大幅度減少系統(tǒng)或設(shè)備的平均維修時(shí)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(shè)計(jì)過程息息相關(guān),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(shí),在可靠性分配、可靠性預(yù)計(jì)和維修性預(yù)計(jì)上又會(huì)對測試和診斷提出要求。因此,處理好它們之間的關(guān)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(jī)構(gòu)在可靠性、可測性和可維性的設(shè)計(jì)方面,在試驗(yàn)與評估技術(shù)方面,已實(shí)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(shè)計(jì)分析與評估的工具軟件,并以數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)裝備研制過程保障性與性能的有機(jī)結(jié)合,以多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)特性的綜合。在維修技術(shù)方面,利用信息技術(shù)、先進(jìn)的傳感器技術(shù)、自動(dòng)測試技術(shù)、故障診斷和預(yù)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(jìn)行綜合檢測、預(yù)測與評估,以提高維修的快速性和精確性。在測試與診斷技術(shù)方面,進(jìn)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(biāo)準(zhǔn),應(yīng)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(chǔ)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(luò)、遺傳算法、小波變換的最新理論都先后應(yīng)用到故障診斷領(lǐng)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(luò)、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(shè)備產(chǎn)品方面,多家單位運(yùn)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(yīng)用,典型的設(shè)備有泰瑞達(dá)公司的LASER系統(tǒng),法宇航的ATEC Series6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(diǎn),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(dāng)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(jì)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(jī)載雷達(dá)上成功地裝備了常規(guī)的BIT裝置。隨后又在其戰(zhàn)機(jī)F/A-18上應(yīng)用;為改善和提高BIT性能,國外將人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)綜合應(yīng)用于元器件、電路板和系統(tǒng)等各個(gè)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(shè)備BIT的主要測試和測試性設(shè)計(jì)技術(shù),在F-22、RAH-66、波音777等系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。新型BIT技術(shù)主要以IEEE-1149系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),其中主要包括定義了板級、模塊級網(wǎng)絡(luò)化測試和維修總線,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字和模擬電路的板級和子系統(tǒng)級(單元設(shè)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IEEE Std 1149標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)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(lǐng)域的需求和應(yīng)用非常之廣泛,所應(yīng)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(yàn)、診斷與維修、預(yù)測與評估、BIT等等,它們都是測試領(lǐng)域新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的載體。我們欣喜地看到國內(nèi)測試領(lǐng)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)的創(chuàng)新,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(jìn)作用。(來源:測試與測量世界

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