航天測控-基于PXI的便攜式測控系統(tǒng) 作者姓名： 范佳平、曹風云、奚全生
作者單位： 北京航天測控技術開發(fā)公司
摘要:利用PXI總線技術實現(xiàn)測控系統(tǒng)是在儀器平臺上實現(xiàn)精確的儀器儀表功能，完成常規(guī)儀表系統(tǒng)（如DCS、PLC等）不易達到的功能。在現(xiàn)代軟件工程理論上，對測控系統(tǒng)的設計進行了分析。測控系統(tǒng)可以分成硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)，硬件是測控系統(tǒng)的基礎，采用PXI總線可以使測控系統(tǒng)小型化、便攜式，同時結合現(xiàn)代軟件工程、數(shù)據(jù)庫理論使得測控系統(tǒng)易用性、可維護性、容錯性得到極大的提高。
關鍵詞:PXI、儀器系統(tǒng)、自動化測試、自動化控制、通用測控平臺 引言
     20世紀60年代末期，Hewlett-Packard設計出了所謂的HP-IB(Hewlett-Packard Interface Bus)作為獨立儀器與計算機之間的溝通通道。由于其高速的數(shù)據(jù)傳輸率（對當時而言），很快便廣為大家所接受，因此后來IEEE便將此接口更名為GPIB(General Purpose Interface Bus)。然而為了應付更為復雜的測試環(huán)境與挑戰(zhàn)，GPIB便顯得捉襟見肘。1987年VXI協(xié)會成立，并制訂了所謂instrument-on-a-card的標準，也就是VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation)。VXI以其模塊化而且堅固的架構，的確為量測與自動化產(chǎn)業(yè)帶來不少的好處。
　　近十年來，隨著個人計算機的劇烈革命與普及，以PCI Bus為架構的儀器模塊大為發(fā)展。因此1998年PXI System Alliance（PXISA）成立，讓PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）成為一個開放的標準架構。PXI的平臺不僅具有類似VXI的開放架構與堅固的機構外型，更由于其設計了一連串適合儀器開發(fā)所用的同步信號，而使得PXI更適合作為量測與測試、控制自動化的平臺。
1 PXI簡介
　　簡單來說，PXI是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI為基礎再加上一些PXI特有的信號組合而成的一個架構。PXI繼承了PCI的電氣信號，使得PXI擁有如PCI bus的極高傳輸數(shù)據(jù)的能力，因此能夠有高達132Mbyte/s到528Mbyte/s的傳輸性能，在軟件上是完全兼容的。另一方面，PXI采用和CompactPCI一樣的機械外型結構，因此也能同樣享有高密度、堅固外殼及高性能連接器的特性。PXI與CompactPCI相互關系如圖1所示。

1.1 PXI系統(tǒng)內(nèi)部結構
　　一個PXI系統(tǒng)由幾項組件所組成，包含了一個機箱、一個PXI背板（backplane）、系統(tǒng)控制器（System controller module）以及數(shù)個外設模塊（Peripheral modules）。在此以一個高度為3U的八槽PXI系統(tǒng)為例，如圖二所示。系統(tǒng)控制器，也就是CPU模塊，位于機箱的左邊第一槽，其左方預留了三個擴充槽位給系統(tǒng)控制器使用，以便插入因功能復雜而體積較大的系統(tǒng)卡。由第二槽開始至第八槽稱為外設槽，可以讓用戶依照本身的需求而插上不同的儀器模塊。其中第二槽又可稱為星形觸發(fā)控制器槽（Star Trigger Controller Slot）。

1.2 PXI特有信號
　　背板上的P1接插件上有32-bit PCI信號，P2接插件上則有64-bit PCI信號以及PXI特殊信號。那么PXI特有的信號又是什么呢？PXI的信號包含了以下幾種，其完整的架構如圖3所示

1.2.1 10MHz參考時鐘(10MHz reference clock)
    PXI規(guī)格定義了一個低歪斜(low skew)的10MHz參考時鐘。此參考時鐘位于背板上，并且分布至每一個外設槽（peripheral slot），其特色是由時鐘源（Clock source）開始至每一槽的布線長度都是等長的，因此每一外設槽所接受的clock都是同一相位的，這對多個儀器模塊的同步來說是一個很方便的時鐘來源?；镜?0MHz參考時鐘架構如圖4所示。

1.2.2 局部總線（Local Bus）
　　在每一個外設槽上，PXI定義了局部總線以及連接其相鄰的左方及右方外設槽，左方或右方局部總線各有13條，這個總線除了可以傳送數(shù)字信號外，也允許傳送模擬信號。比如說3號外設槽上有左方局部總線，可以與2號外設槽上的右方局部總線連接，而3號外設槽上的右方局部總線，則與4號外設槽上的左方總線連接。而外設槽3號上的左方局部總線與右方局部總線在背板上是不互相連接的，除非插在3號外設槽的儀器模塊將這兩方信號連接起來。局部總線架構如圖5所示。

1.2.3 星形觸發(fā)（Star Trigger）
　　設槽2號的左方局部總線在PXI的定義下，作為另一種特殊的信號，叫做星形觸發(fā)。這13條星形觸發(fā)線被依序分別連接到另外的13個外設槽（如果背板支持到另外13個外設槽的話），且彼此的走線長度都是等長的。也就是說，若在2號外設槽上同一時間在這13條星形觸發(fā)在線送出觸發(fā)信號，那么其它儀器模塊都會在同一時間收到觸發(fā)信號（因為每一條觸發(fā)信號的延遲時間都相同）。也因為這一項特殊的觸發(fā)功能只有在外設槽2號上才有，因此定義了外設槽2號叫做星形觸發(fā)控制器槽（Star Trigger Controller Slot）。請看圖6的星形觸發(fā)架構說明。

1.2.4 觸發(fā)總線（Trigger Bus）
   觸發(fā)總線共有8條線，在背板上從系統(tǒng)槽(Slot 1)連接到其余的外設槽，為所有插在PXI背板上的儀器模塊提供了一個共享的溝通管道。這個8-bit寬度的總線可以讓多個儀器模塊之間傳送時鐘信號、觸發(fā)信號以及特訂的傳送協(xié)議。
2 基于PXI總線的測控系統(tǒng)的硬件子系統(tǒng)
　　PXI總線在測控系統(tǒng)中應用具有很大的優(yōu)勢，這很明顯，然而單獨一個PXI機箱和幾塊PXI模塊，是很難滿足各種各樣的測控需求的。無論是工業(yè)還是軍工，過程信號是千變?nèi)f化，僅有的幾個PXI模塊（雖說有上千種，但仍然不能達到一種模塊測一種信號，而且，也不需要一個模塊測一種信號）要滿足不同的需要，就要對過程中的信號進行有效的轉換，或提供執(zhí)行機構可以認識的信號。
2.1 硬件子系統(tǒng)的一般組成
　　一般情況下，工業(yè)信號是不能直接進入PXI模塊進行測量的，因為有些信號不能直接測出，必須間接測量計算得出，或者是出于對儀器的保護，必須進行調(diào)理，然后測量。PXI模塊的控制信號已不能直接驅動執(zhí)行機構，必須對控制信號進行調(diào)理。一般情況下，一個完整的硬件子系統(tǒng)通常包括輸入信號調(diào)理、輸出信號調(diào)理、PXI測控模塊、PC機，如圖7所示：

　　常用PXI總線測控系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)模型中，PXI測控模塊是核心，其主要參數(shù)決定了測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、準確性。常用的通用測控模塊，PXI生產(chǎn)廠商已經(jīng)投入應用。我們只要根據(jù)測控的目的或要求，選用性價比最高的即可。輸入信號調(diào)理和輸出信號調(diào)理必須由集成商自行研制。無疑研制這些調(diào)理也必須符合PXI相應的規(guī)范?，F(xiàn)以航天測控公司開發(fā)的引信通用測試平臺為例，簡述PXI總線的測控系統(tǒng)的軟硬件子系統(tǒng)。
2.2 某通用引信測試平臺硬件子系統(tǒng)
　　“某通用引信測試系統(tǒng)”是采用PXI總線技術組建的引信通用測試系統(tǒng)，按照測試流程規(guī)定的步驟，自動完成引信中的電阻、電壓、電流、電容、時間等參數(shù)的測試，并對測試參數(shù)作相應的處理。
　　引信測試中通常電阻、電壓、電流、電容、時間等參數(shù),在測試方法的設計中我們?nèi)圆捎秒娮訙y量領域中有效的測量方法，即：
1）采用數(shù)字多用表作為電阻、電壓、電流等基本參數(shù)的測量工具。為配合數(shù)字多用表的測量，并實現(xiàn)被測信號選擇過程的自動化，引入了繼電器采樣開關，對多路測量信號采樣后，單路輸出至數(shù)字多用表測試端口進行測量。
2）考慮到測試平臺的通用性，我們采用了繼電器輸出控制作為系統(tǒng)與被測對象的可靈活設置的連接端口。針對不同型號的引信，通過軟件設置繼電器輸出控制開關的端口連接關系，完成通道之間的轉換與重組，并與繼電器采樣開關連接，是不同型號的引信在測試方法上達成一致。
3）對時間參數(shù)的測量采用通用計數(shù)器進行，對長時間計時可利用軟件查詢計數(shù)器溢出的次數(shù)，計算出時間總量即可。這種方式不僅可確保瞬間時段的測量精度，還能滿足長時間測量的要求并確保測量精度。
4）對電容參數(shù)的測量，為簡化設計、降低研制成本，在滿足測量精度的前提下，我們將采用間接法（即通過測量RC時間常數(shù)推算電容的方法）測量電容。
　　硬件子系統(tǒng)主要分為如下幾部分：PXI組合和供電控制及轉接組合部分。PXI 組合主要由上位計算機、PXI模塊和PXI總線組成，這是硬件子系統(tǒng)的核心。供電控制及轉接組合部分主要由系統(tǒng)機箱、信號輸入輸出轉接和引信供電電源部分組成，這是硬件子系統(tǒng)的輸入調(diào)理和輸出調(diào)理。其中PXI部分主要完成信號的測試控制，供電控制與轉接組合部分主要實現(xiàn)引信電源輸出、信號輸入輸出等功能。見圖8：

　　PXI測控組合是測試平臺的核心部分，其主要工功能是：組合PXI模塊，在計算機的控制下，完成對引信各種參數(shù)的測試后，由PXI總線將測試數(shù)據(jù)傳送到計算機，再由計算機進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。其中，
1）PXI8330是連接計算機與PXI各個功能模塊的通信橋，它是PXI系統(tǒng)中使用外部控制器的理想接口，也可以把多個主機箱連到一個接口上，因而具有很強的靈活性和很高的數(shù)據(jù)吞吐率。PXI8330模塊安插在PXI機箱的最左邊的插槽。
2）PXI4070為6位半數(shù)字多用表可對電壓、電流、電阻等基本電參數(shù)進行高精度的測量。
3）PXI-6115為多功能數(shù)據(jù)采集模塊，對電容充放電過程進行檢測、外部模擬量進行測試和計數(shù)器計時等。
4）AMC4600為24路繼電器通用開關模塊，3塊AMC4600可為系統(tǒng)提供72路繼電器開關通道。用于為數(shù)字量多用表、通用計數(shù)器、數(shù)據(jù)采集模塊提供測量輸入通道，同時也可對電阻、電壓、電流、電容、時間的測量進行隔離。
5）AMC4502為32路數(shù)字I/O模塊，具有發(fā)送I/O數(shù)據(jù)和進行控制的功能。每個通道可以用作輸入通道也可用作輸出通道，且通道采用光電隔離。
6）AMC4306為16通道記時器模塊?？赏瑫r對16路1微秒到420秒的時間間隔進行測量
2.3 時間信號的測量
　　PXI總線數(shù)字過程存儲器AMC4306可用于對時間信號的測量。當模塊進入準備就緒狀態(tài)后可對十六個輸入通道上的信號進行連續(xù)采樣，根據(jù)觸發(fā)方式不同，在相應的條件下觸發(fā)計時器開始計時。該模塊能自動記錄16通道端口的變化過程。AMC4306進行記時的時候，時間起時信號進入通道X，時間終止信號進入通道Y。通道X的信號發(fā)生變化時，記時器記下此時通道X的狀態(tài)變化相對于觸發(fā)點的時間；通道Y的信號發(fā)生變化時，同樣記時器也把該通道狀態(tài)變化相對于觸發(fā)點的時間記錄下來。通道Y和通道X兩者的時間差即為被測試時間。當然AMC4306記時器模塊的一個通道也可以進行時間測量，不論何時只要通道的信號的狀態(tài)發(fā)生改變，AMC4306就會把信號變化的時間點記錄下來，這樣通過狀態(tài)變化差也就把時間記錄下來。時間測試見圖9、圖10：

　　一個被測時間量分為時間起始信號和時間終止信號，它是一個電平信號。要經(jīng)過電平轉換方可變成計數(shù)器可測試的電平信號，故在時間量和測試模塊之間又加入了電平轉換處理。
2.4電容測試
　　鑒于目前市場上沒有PXI總線控制的電容測量模塊，為簡化設計，考慮采用間接法測量電容，即用一個恒定電壓源通過RC回路對被測電容充電，當電容兩端的電壓達到某一固定值時，通過電壓比較器輸出狀態(tài)特征，用計數(shù)器測量出 RC時間常數(shù)，由軟件推算電容值，測量誤差可由軟件進行補償。
    對如圖11所示的簡單的RC充電回路而言，電容兩端的電壓是逐漸變化的，隨著充電時間的增加，電容上的電壓按指數(shù)規(guī)律逐漸增大，電路中的電流逐漸減少，當Uc=E時，電流為0，其電壓、電流變化曲線如圖12所示：

　　通常將RC的乘積稱為時間常數(shù)，即τ=RC（秒）。根據(jù)RC充電電路曲線和電容充電時間與電壓的關系；t>5τ時，整個充電過程結束。
2.5 電壓、電流和電阻的測量
　　此次選用的6位半數(shù)字多用表模塊PXI4070模塊可對電壓、電壓和電阻等基本參量進行高精度測量。其主要技術指標為：直流電壓：300V，精確度±0.019‰；交流電壓：300V，準確度：±0.7‰；直流電流：3A；電阻：100MΩ。上述測試范圍和精度都完全可以滿足測試要求。
3 基于PXI總線測控系統(tǒng)的軟件子系統(tǒng)
　　如果說硬件子系統(tǒng)是測控系統(tǒng)的基礎，那么軟件子系統(tǒng)就是測控系統(tǒng)的靈魂。硬件子系統(tǒng)為滿足不同的實際需求，可能有很大差別。然而，軟件子系統(tǒng)，如果設計一個很好的框架，在改動很少甚至不用改動的情況就能滿足不同的需求。硬件設計完畢，調(diào)試成功后很少再出現(xiàn)問題。硬件子系統(tǒng)存在的某些缺陷，有時只能有軟件子系統(tǒng)來彌補。
3.1 軟件子系統(tǒng)的一般組成
　　軟件子系統(tǒng)的設計，必須考慮軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴充性。設計一個軟件系統(tǒng)，如果只針對某一具體的項目，完成后的軟件穩(wěn)定性很差，移植到其他項目很難，就是移植過去，花費的時間不如重新編寫。所以為了適應不同的需求，應將各種測控系統(tǒng)的共性抽象出來，設計一個可重用的框架。通常，一個比較合理的測控系統(tǒng)框架包含三個部分：系統(tǒng)級組態(tài)、項目級組態(tài)、測控執(zhí)行，如圖13所示。

3.2 系統(tǒng)級組態(tài)設計
　　系統(tǒng)級組態(tài)一般是對硬件子系統(tǒng)的配置進行組態(tài)，并將組態(tài)的結果保存到數(shù)據(jù)庫中，這些組態(tài)包括系統(tǒng)組態(tài)、單元組態(tài)、對特定模塊的組態(tài)、其他可重用信息的配置等。這些信息保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法不外乎兩種，其一，自定義的數(shù)據(jù)格式，以二進制或文本方式保存起來，其二，用現(xiàn)成的通用的數(shù)據(jù)庫如Access,SQL Server等保存起來。自定義格式保密性強，但隨機訪問較麻煩，而通用的數(shù)據(jù)庫，保密性差一些，但查詢很方便。相比較而言，對于組態(tài)結果主要是查詢，所以選擇通用數(shù)據(jù)庫是比較明智的。
　　在系統(tǒng)級組態(tài)中，涉及到對硬件子系統(tǒng)的配置，通常是指一個完整的測控系統(tǒng)中包括哪些PXI模塊，這些模塊的資源號、和資源字符串是最重要的，我們可以在表格中人工輸入，然后保存起來，這是一個常規(guī)的做法，最巧妙的辦法是調(diào)用VISA庫中的函數(shù)，讓計算機自動搜索PXI模塊。對于單元組態(tài)，我們可以將測控系統(tǒng)分成多個回路，對每一回路來說，無論閉環(huán)還是開環(huán)，均有某一個或多個的模塊的通道組成。我們單元組態(tài)的目的就是將這些回路的組合信息保存起來，給他取一個比較友好的名字，對操作人員來說，友好的名字應該比單純的通道編號容易記住。
3.3 項目級組態(tài)設計
    我們設計一個測控系統(tǒng)，其目的要用于實際的項目，項目的不同可能要使用的PXI模塊有所差別，最愚蠢的辦法是針對特定的項目開發(fā)特定的軟件。系統(tǒng)級組態(tài)中，我們已經(jīng)具有了測控系統(tǒng)中所包含的硬件信息，這些信息是可變的，但獲取這些信息的程序未變。如果設計良好項目級組態(tài)框架，我們同樣可以實現(xiàn)類似功能。基于選擇系統(tǒng)級數(shù)據(jù)庫類型的同一原因，我們選擇通用的數(shù)據(jù)庫保存項目級組態(tài)結果。
　　對于某一項目，由于其繼承于系統(tǒng)級組態(tài)結果，所以它擁有全部的單元組態(tài)信息。然而，特定的項目可能包含多種不同的工況，并不是每一工況都需要所有的PXI模塊參與。我們針對不同的工況，挑選必需的回路，就是我們使用項目級組態(tài)的方法和目的。這些回路在某一工況中使用，通常不是并行使用的，可能和順序有很大關系，這就是要規(guī)定測試流程?？傊?，通俗的講，項目級組態(tài)就是選擇測控回路和規(guī)定回路的動作序列。
3.4 測試執(zhí)行
　　我們使用項目級組態(tài)，保證測控系統(tǒng)滿足不同目的的需要。有了這些信息，再編制通用的執(zhí)行程序就易如反掌。當數(shù)據(jù)量較大時，保存到通用數(shù)據(jù)庫中與保存為自定義格式的文件相比，保存速度是瓶頸。測試或控制過程中的所有數(shù)據(jù)都應保存起來，大量的數(shù)據(jù)，在計算機內(nèi)存中緩存后，一次性寫入到自定義文件內(nèi)，效率更高，所以對實時數(shù)據(jù)來說，應以自定義格式的文件保存。
3.5 某通用引信測試平臺軟件子系統(tǒng)
    通用引信測試平臺軟件在Windows 2000/XP操作系統(tǒng)下，使用C++平臺開發(fā)和運行。由于本測試平臺的測試對象涉及多種被測引信，每種被測引信的測試方法、測試項目、測試結果的處理等都不同，并且隨著對被測對象測試經(jīng)驗的積累在測試系統(tǒng)實際使用中測試流程可能需要改變。使用傳統(tǒng)的順序流程編程方法很難實現(xiàn)這樣一種多變復雜的系統(tǒng)。因此，本測試平臺的應用軟件采用框架式結構設計，即采用數(shù)據(jù)驅動的方法，使測試人員通過管理測試過程中的一些配置數(shù)據(jù)，不必修改測試程序，就可完成測試任務。
　　該集成開發(fā)環(huán)境可以根據(jù)測試系統(tǒng)的特點，建立描述測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，并采用圖形化的人機交互的輸入方法實現(xiàn)測試流程的輸入。通過取出數(shù)據(jù)庫中的測試流程，就可以實現(xiàn)測試程序的自動執(zhí)行，完成測試任務。這種方法不僅可以提高測試程序的輸入效率，而且使測試人員可以脫離繁瑣的編程工作，集中精力研究測試對象和測試流程。
　　某通用引信測試系統(tǒng)軟件根據(jù)實際測試的需要，劃分為：數(shù)據(jù)管理、測試任務設置和執(zhí)行測試三大功能，其中數(shù)據(jù)管理又劃分為流程數(shù)據(jù)管理和結果數(shù)據(jù)管理兩大部分。各部分功能如下：
1）流程數(shù)據(jù)管理：完成對通用測試配置數(shù)據(jù)庫的維護功能，采用樹型結構管理測試卡、測試項目、測試點的信息。具體要求能夠直觀地增加、刪除、修改任意節(jié)點，移動拷貝任意節(jié)點。
2）測試任務管理：能夠進行任務配置，確定一次測試所做的測試內(nèi)容，執(zhí)行順序等。根據(jù)系統(tǒng)需要，從已有的測試流程中，選擇或組合測試項目，形成一個測試任務。
3）測試程序：選擇要執(zhí)行的測試任務，根據(jù)測試流程，執(zhí)行測試項目。
4）結果數(shù)據(jù)管理：完成對測試結果的查詢、輸出功能，包括查詢、預覽結果報表、刪除、打印
5）測試數(shù)據(jù)庫：從功能上可將測試數(shù)據(jù)庫分為三種：
a. 測試流程數(shù)據(jù)庫：記錄所有與測試流程有關的數(shù)據(jù)信息，包括流程描述的文字、結構和數(shù)據(jù)信息，使用儀器的配置信息，流程控制信息等。它是測試平臺的最基本的數(shù)據(jù)庫。
b. 測試任務數(shù)據(jù)庫：記錄每一個測試任務中所包含的所有測試項目并建立與測試流程數(shù)據(jù)庫有關的有機聯(lián)系。
c. 測試結果數(shù)據(jù)庫：記錄測試執(zhí)行過程中所有的測試結果數(shù)據(jù)，供存檔、數(shù)據(jù)處理及報表生成使用。
4 結論 
　　通過對基于PXI便攜式測控系統(tǒng)的研究，首要明確的是確定系統(tǒng)的結構，對系統(tǒng)進行分析。PXI總線技術，作為前沿的技術，其應用是廣泛的，而且也可以做得很小，如果與現(xiàn)代軟件工程、面向對象編程等技術有機結合，可以設計出很好得通用的測控系統(tǒng)來。(來源：中國測控網(wǎng))