基于1553B總線架構的測試設備設計與實現

謝天樂，馮尚聰，董 旭，徐景輝，徐慧慶

(北京機電工程研究所，北京 100074)

0 引言

測試設備主要用于在總裝廠、技術準備陣地、地面大型試驗時對裝備的技術指標和總體功能性能進行自動檢測、維護和故障定位。通常作為裝備技術支援系統或綜合保障系統的重要組成部分，是裝備功能性能試驗驗證的必要設備。同時，測試設備是大型裝備研制過程及列裝定型后必須的設備，伴隨著裝備的全生命周期，是不可代替的重要角色。

在新時代的背景和外界復雜環境下，裝備型號的種類在增加、規模在增大、復雜程度也越來越強。作戰裝備的研制生產成本低、單個目標的爆破毀傷概率高、空中生存能力強，這是我們對研制一款新型號裝備的美好愿景[1-3]。但我們應該注意到的是，裝備的飛行試驗成本過高、試錯成本較大，這就要求裝備的飛行試驗成功率要達到100%，不容有失。確保飛行試驗的成功率較高則要求我們務必將飛行試驗的風險化解在地面，測試設備在其中體現了重要、關鍵的作用，在裝備總裝測試、地面大型試驗等階段，測試設備都是必不可少的，而這也對測試設備的設計提出了新的挑戰[4-5]。

從第一代手動測試設備開始，測試系統經過了基于CAMAC總線的半自動測試設備、自動測試設備以及基于VXI/PXI總線的測試設備和基于LXI總線的分布式測試設備等階段，逐漸地從手動測試、半自動測試演變到全自動測試，為提高裝備的綜合保障能力和戰斗力起到了舉足輕重的作用。但隨著裝備的現代化程度不斷推進，測試設備也暴露出了一些不容忽視的問題[6-9]。

目前測試設備的定位基本上是在技術陣地的測試廠房對武器裝備進行定期檢測，測試設備的研制以此為基礎，基本上為固定式。有些設備體積龐大，重量較重，展開及撤收工序繁瑣、時間較長，機動化能力較弱。此外，測試設備的通用化工作在減少列裝設備種類和數量的同時，產生了一些冗余設備，也是導致測試設備體積和重量加大、進而影響機動化能力的一個原因[10]。一些設備為了達到通用目的，采取“大而全”的方法，使測試設備的體積、重量居高不下，嚴重影響了機動化能力[11-15]。

眾所周知，測試設備的設計、研制通常會滯后于武器裝備的研制，只具備對武器裝備進行測試的能力，故障定位到基層級現場可更換單元。不能夠檢測武器裝備的潛在故障，必須在故障發展到了一定的階段，才能夠檢測到并進行“事后維修”；武器裝備在部隊使用時進行定期維護測試，發現故障進行維修，即“計劃維修”。這種“事后維修”與“計劃維修”的維修方式，很難預防、避免災難性的故障。此外，武器裝備生產期間的測試數據、試驗數據以及定檢測試數據分屬于不同的單位，無法實現共享[16]。同時，測試數據具有系統結構復雜、試驗流程復雜、試驗成本高、測量參數多、試驗時間跨度大、數據量大、試驗數據共享困難、資源分散、試驗設備種類繁多等特點。傳統的測試數據往往都分散存儲在不同的計算機、儀器設備或者是其他載體上，數據的種類繁雜，對數據檢索、重新利用、數據共享造成了困難，也嚴重影響試驗數據的安全性。同時，數據處理時也面臨著格式不一致、數據結構復雜等困難，往往需要對數據進行手動的挑選、整理，再轉換成相應的格式進行數據分析[17-18]。工作效率不高且易產生錯誤，因此采集、存儲裝備的全生命周期內的測試數據并統一時間戳就顯得彌足珍貴。

隨著裝備低成本要求的提出，一體化設計技術在裝備研制過程中得到越來越廣泛的應用。一體化技術包括結構一體化和功能一體化。該技術的應用導致武器裝備分系統設備功能的高度融合與交叉，已經很難從物理意義上對“現場可更換單元”定位，因此出現故障后故障定位難度會大大提高，現有的測試系統很難滿足新一代裝備測試要求，這就對設計一種測試設備時功能的可拓展性要求較強，在不改變原有系統的軟硬件架構的情況下，通過增加或減少相應的軟硬件模塊實現不同的測試功能[19-20]。

對任何一型武器裝備系統而言，其保障要求均是“好保障、保障好”?！昂帽Ｕ稀钡囊笾皇茄b備具有良好的測試性和維修性水平，便于使用人員利用測試設備對其進行檢測與維護；“保障好”則要求配套的測試設備功能強大、使用方便、可靠性高。本文對現有的測試系統的缺點及未來武器裝備測試設備的發展趨勢和關鍵技術進行分析的基礎上，縱觀測試系統的現狀與發展趨勢，提出并設計了本系統。

1 設計思想

設計一款好用、管用的測試設備，測試設備的可靠性、維修性、安全性、保障性、測試性和環境適應性應該是我們展開設計考慮的幾個主要因素。具體如下：

1)考慮到可靠性的特點，測試設備設計應盡可能地采用規范設計和成熟設計，并在設計時采取降低系統復雜程度的措施，提高測試設備的可靠性，并使產品具有較好的繼承性；

2)測試設備的維修性，則要求我們開展信號監測、準確故障隔離等措施保證設備的維修性設計，同時讓整個設備具有良好的可達性、互換性，以達到良好的維修性目的；

3)測試設備的安全性，應是我們設計產品、使用設備時考慮的首要因素，這關系著人員的安危和裝備、設備的安全，因此，我們應開展安全性設計，如過壓保護、過流保護及初始安全狀態檢查等，采取多種措施，將不安全因素化解在源頭；

4)測試設備的保障性即設備應具有良好的機動能力和轉場運輸能力，可考慮采用人機工程設計的思想即分機設備裝入移動機柜，同時，機柜兼具包裝箱的功能。通過以上措施實現保障性設計，降低了對保障資源的要求，并具有良好的機動能力和轉場運輸能力。

5)測試設備的測試性，通常指的是其能準確、及時的確定自身可以工作、不可以工作或工作性能下降，并能夠隔離內部故障的特性設計。為了提高設備的測試性，可以從測試性設計和測試覆蓋性設計兩個方面著手，如設備具有自診斷設計、上電初始化自檢結果反饋、工作狀態數據實時采集監控、單機設備自檢、設備自檢等措施；

6)設備的環境適應性對設備的使用環境提出了較高的要求，以適應室內、野外等多種環境條件的工作。具體可采用如下設計：機柜內設備進行專門的通風散熱設計，同時機箱采用利于熱傳導的金屬殼體，機柜底部安裝帶減振功能的橡膠輪車。

2 方案設計與實現

2.1 系統功能及架構

根據對裝備的測試需求進行分析，測試設備應具有如下功能：1)通過控制電源設備，向被測裝備供電；2)通過1553B總線實現測試設備與被測裝備進行指令和數據交互；3)通過測試設備中的狀態量等模塊采集資源對被測裝備發出的狀態量等信號進行采集和記錄；4)通過設計專用測試設備實現對被測裝備的分系統進行專項測試；5)通過測試設備軟件調度、管理硬件資源，按照被測裝備測試流程配置控制時序，可實現被測裝備專項測試和系統級自動化測試。

基于以上測試設備功能，測試設備架構設計如圖1所示。被測裝備通過測試線纜與測試設備實現電氣連接，被測裝備的對應信號與測試設備內部的測試資源進行匹配和信號調理，完成電氣匹配；單機專用設備配合完成被測裝備分系統的專項測試。為了提高測試設備運行過程中數據的可追溯性以及完成性，各分機和分設備均采用統一1553B總線進行控制，所有過程數據均由后臺全程記錄并標記相應的時間標識，以便對數據進行全程追蹤和分析。

圖1 測試設備架構設計圖

2.2 總體方案設計

2.2.1 技術指標

測試設備各分機外形結構采用19英寸標準機箱裝載于測試設備機柜內部，以實現整體運輸，同時單個機柜質量不大于100 kg；測試設備在開展綜合測試時，準備時間不大于10分鐘，測試時間不大于30分鐘，故障檢測率不小于98%，模糊度1時故障隔離率不小于75%，模糊度2時故障隔離率不小于98%，虛警率不大于2%；測試設備記錄測試數據、武器裝備狀態數據，能夠對武器裝備進行快速故障定位，對設備故障定位到現場可更換單元，且故障診斷定位時間不大于分鐘；設備壽命在可更換短壽件的條件下不小于30年。

2.2.2 測試設備主要硬件組成及其工作原理

測試設備是由多臺設備通過PXI測試總線構成的多功能測試系統，主要設備包括：PXI總線系統、綜合信號處理設備、信號監測設備、供電控制設備、專用測試設備1、專用測試設備2等，在結構形式上由2個12 U加寬機柜及相關外圍設備組成。

在機柜1內安裝有PXI機箱、零槽控制器、儀器儀表資源、綜合信號處理設備、供電設備、信號監測設備及顯示器等。各設備的功能如下：

1)儀器儀表資源包括1553B模塊、開關量模塊、繼電器模塊等。配置1553B通訊模塊負責與被測裝備進行指令和數據交互；開關量模塊用于對被測裝備發出的狀態信號、測試設備模擬發出的狀態信號進行采集和記錄；繼電器模塊用于控制、模擬數字信號。

2)顯示器采用工業上架鍵盤、鼠標一體化顯示器。

3)零槽控制器作為測試設備的“大腦”，主要用于運行測試軟件，控制各測試專用設備按照測試腳本輸出激勵信號，控制PXI儀器儀表資源輸出指令和開關量、模擬量的實時采集、被測裝備與測試設備間的實時通訊以及測試數據的處理等，負責整個系統控制、通訊、數據采集、處理、判斷、存貯、結果查詢、輸出等。

4)綜合信號處理設備主要功能是將測試設備資源進行調理以適配被測裝備測試的信號需求，實現PXI機箱到被測裝備的信號分配和轉接等功能。主要由信號調理部分、開關控制部分等組成。完成測試設備向被測裝備的供電控制、向被測裝備提供安全保護。同時，作為被測裝備與PXI機箱內儀器儀表模塊的“信號中介”。

5)信號監測設備用于對1553B、狀態量等重要信號進行全程記錄、監測和安全控制，可根據被測裝備測試監測的需要，完成關鍵參數實時測試和顯示。同時，信號監測設備也是故障診斷的重要診斷支持工具。

6)供電控制設備完成測試設備機柜內部設備供配電管理，并能夠完成測試設備1553B總線拓撲結構中的總線擴展和轉接。

在機柜2內安裝有供電控制設備、專測設備1和專測設備2。供電控制設備功能同上；專測設備1和專測設備2通過模擬、仿真、轉發等方式，完成被測裝備配套分系統的專項測試。

2.2.3 結構布局及系統連接

根據測試設備功能和系統架構，以及充分考慮系統可擴展性，對組成系統的各分設備進行合理布局，如圖2所示。為了提高設備的使用便捷性和外觀美觀性，將各分設備集成至機柜內。1號機柜主要功能為向被測對象供電、模塊資源信號調理以及測試過程數據監測與記錄；2號機柜主要是由專測設備和供電管理設備組成，其中，供電管理設備作為除機柜1以外其他機柜的供配電管理設備，其采用市電供電作為輸入，對外提供電源輸出及1553B總線中繼。專測設備功能是為被測裝備分系統開展專項測試?？赏卣箼C柜作為拓展測試資源的重要途徑，通過機柜間的通用接口連接到測試設備系統內，并連接總線終端電阻，組成完整的1553B拓撲結構。

圖2 測試設備系統連接狀態

2.2.4 測試設備數據交互設計

如圖3所示，測試設備內部以及與被測裝備之間數據交互分為通訊數據和狀態數據，其中1553B總線既是被測裝備和測試設備間通訊總線，也是測試設備主機與各分設備之間的控制總線，測試設備PXI總線控制計算器作為總線BC控制總線。狀態數據分為被測裝備上發出的狀態信號、測試設備模擬發出的狀態信號和被測裝備與測試設備供電線路的電壓、電流等信息；以上信息統一由測試設備后臺完成數據的采集以及時間戳管理，使所有信號全部處于統一時間域中，為被測裝備在研制期間以及后續使用過程中的問題排查提供具有時間相關性的原始數據信息，可實現在地面測試過程數據的全程記錄和事后分析。

圖3 測試設備數據交互示意圖

2.2.5 1553B總線設計

1553B總線拓撲結構如圖4所示，在該總線上，機柜1內的機箱模塊作為總線BC控制，測試設備其他專用設備以及被測裝備作為RT，信號監測設備作為MT設備實時監測并記錄總線數據，并為每一條數據標示相應的時間標識。

圖4 1553B總線拓撲結構

機柜內部電纜連接采用總線—子線的方式，機柜通用接口輸入和輸出均設計為1553B總線，內部設備以子線形式掛接到1553B總線系統，各子通信控制接口、供電接口通用，可以互換，各接口以編號區分。機柜內部通信控制接口和供電接口選用應標準統一，各接口定義相同，如表1所示。

表1 機柜拓展接口定義

2.2.6 擴展設計

基于自動化測試設備模塊化和通用化設計，可通過擴展機柜和增加組件的方式實現設備功能擴充，進而滿足被測裝備新的測試需求。

自動化測試設備以機柜為單位進行設計，機柜對外接口即為擴展接口。每個機柜底部設計兩個通用擴展接口，對稱布局，兩端均可擴展。接口定義包括供電、雙冗余1553B總線，連接器型號選用應統一。

在機柜內部，通過供電控制設備為機柜內部用電設備提供配電功能，滿足模塊化設備的供電需求，實現在不改變其他機柜連接關系的情況下對自動化測試設備進行功能擴充。

2.3 軟件設計

測試設備開發配置專用測試軟件，與硬件系統配和調度、管理硬件資源按照被測裝備測試腳本控制時序，實現被測裝備的專項測試和系統級自動化測試；本測試軟件要求以中文Windows7為開發環境，開發工具采用Microsoft Visual，編程語言采用C++語言。軟件采用模塊化設計，采取測試軟件與測試腳本分離的架構，將測試流程和測試結果存入數據庫表格。數據庫使用ACCESS 2003以上版本。

2.3.1 體系結構

測試軟件開發設計分為幾個部分：1)平臺部分，主要有UI顯示，通用函數，測試腳本開發、解析、執行，數據處理、數據推送等；2)測試程序集，測試程序集是與被測裝備密切相關的，由于針對同一類測試對象的測試方法相似，因此測試程序集也可以通過使用同一方法規范編制做到一定程度的通用，測試程序集的通用將大大提供測試軟件的通用性；3)專用數據文件，包括流程數據庫即測試腳本與配置文件，為專用部分，通過填寫型號專用流程庫與配置文件，實現測試策略。測試軟件體系結構如圖5所示。圖中的專用函數部分是針對硬件平臺和被測對象，根據需求開發。

圖5 軟件體系結構

2.3.2 功能設計

測試軟件的功能包括用戶管理、參數設置、自動測試、數據處理、退出等功能。其中，用戶管理功能主要用于用戶身份的驗證和用戶權限設置，保證系統的安全性；參數設置功能，主要用于設置系統的相關參數等，如被測裝備編號、型號、狀態等；自動測試功能，是測軟件的核心部分，加載測試腳本解析測試流程，并能夠對測試結果進行自動判斷，以此來判斷被測裝備的性能狀態；數據處理部分，用于回放、查詢歷史測試數據等；退出功能則是釋放系統申請的軟件和硬件資源，結束測試。

2.3.3 開發方式

測試系統軟件由通用軟件平臺、測試腳本組成。通用軟件平臺由VC開發而成，包括調度模塊、接口模塊、命令執行模塊、結果處理模塊及儀器驅動程序庫5部分，負責與人機交互設備、測試儀器、型號測試腳本以及顯示打印設備交聯，具有與被測裝備無關的特點。

被測裝備測試腳本直接與被測對象相關，根據被測裝備測試流程編寫，由若干數據庫表格組成。每一個表格對應一個單元的測試，表格由若干記錄組成，每一個記錄完成一個參數測試。每個記錄由若干個字段組成，分別代表被測參數的名稱、激勵信號及其加載順序、技術要求、結果的上下限、超時控制、故障診斷索引信息等。自動測試過程實際上就是通用軟件平臺對測試腳本中的命令進行解釋與執行的過程。

測試時，通用軟件平臺根據操作人員的指令選擇測試單元后，與相應數據庫連接，讀出命令，并分解、執行，將測試結果保存在數據庫中，直到測試流程結束。

這種測試流程開發方式，對于新的測試對象，在不增加硬件設備的前提下，只需填寫新的測試流程庫表格和故障診斷庫，不需要任何編程；數據庫的開發和測試設備硬件及其驅動程序的開發可同時啟動，大大加快了軟件工程的開發進度。

2.3.4 測試腳本

測試腳本是獨立開發的部分，腳本中包括測試單元索引表和各個專項測試流程表等，其中最重要的是專項測試流程表，表中記錄著專項測試的項目名稱、編號、技術條件、測試項目操作和方式、測試結果的正誤判斷標準、項目測試次數等。

測試腳本在測試過程中本身不進行任何操作，通過開放式數據源形式完全向測試通用平臺開放，由通用平臺控制其查詢和讀取。測試腳本使用數據庫軟件獨立開發，不同被測裝備的測試流程庫各自獨立，無相互交織關系，專項測試和系統測試流程的排布由測試人員設計，獨立進行人工維護。

3 結果與分析

經過應用驗證，基于1553B思想的測試設備設計與實現，滿足了某型武器裝備測試時間不大于30分鐘、故障檢測率不小于98%、模糊度1時故障隔離率不小于75%，模糊度2時故障隔離率不小于98%、虛警率不大于2%等測試要求。很好的滿足了武器裝備的測試需求，實現了設備的模塊化設計和通用化設計，在被測裝備有新的測試需求的情況下具有良好的可擴展性、可靠性、實時性，并在實際應用中得到了證實。在本系統的應用過程中，在測試設備內監測并存儲了大量的測試數據，包括總線數據、狀態數據等，這為開展武器裝備的故障預測和狀態管理(PHM)維修管理技術提供了前提，為各種數據的收集和處理提供了必要的物質條件。因此，后續的測試設備設計，應加大垂直測試技術的應用，融入相關技術，助力新一代的武器裝備的研制和使用。

4 結束語

隨著數字控制技術和裝備信息化技術的應用，武器裝備的分系統設備間的信息傳輸已經逐步完成從模擬信號到數字信號的轉變，裝備分系統設備的現代通信智能化和高度集成化、一體化使得機內測試的能力和覆蓋率大幅提高。裝備模塊化、快速裝配技術及總裝作業流水線的應用明顯縮短了平均修復時間。裝備不開箱測試技術的應用大大提高了用戶的工作效率，在一定程度上避免了武器裝備開、裝箱操作過程中造成的意外損壞和附加工作。上述技術及其它新技術的綜合應用顯著提高了武器裝備的綜合性能，但同時也對早期基于模擬技術建立的武器裝備保障體系配套的測試系統設備提出了革新的迫切要求，如裝備的小型化、組合化、綜合化趨勢等。具體表現在以下幾個方面。

1)小型化機內測試能力的提高為地面測試設備的小型化創造了便利條件，簡易測試場景下的便攜式測試設備應運而生。便攜式測試設備通常包括一臺小型計算機、通用信號處理單元以及測試所需的供配電設備，是一種配備給現場維修點使用、可移動的計算機設備。便攜式設備具有自由、靈活、便攜移動的突出優勢，極其方便地對處于包裝箱內的裝備進行測試。其典型功能包括：測試激勵加載、響應信息獲取與顯示，故障隔離和修理指導。此外，小型測試設備具有無線聯網功能，借助無線技術可以利用廠房內的無線局域網將測試數據通過設在技術陣地的中心服務器進行發布，或對武器裝備歷次測試數據進行查詢與分析，或與位于遠方的中央數據庫和技術專家相連接，為維修人員根據需要隨時隨地獲取必要的數據和專家的遠程技術支持提供了便利條件；

2)組合化測試設備的組合化是指一套測試設備通過增加或減少相應的軟硬件模塊實現不同的測試功能。包含兩個方面的含義：(1)橫向組合，即通過改變軟硬件結構實現對不同型號裝備的測試，主要是增加或減少與特定裝備密切相關的專用設備；(2)縱向組合，即通過改變軟硬件結構實現同一種武器裝備在不同維修級別的場所的測試。就目前常見的三級維護模式而言，裝備在基層級、中繼級和基地級所使用的設備在核心部分不變的情況下，設備的數量會逐漸增多，功能會逐漸增強，故障定位深度則逐漸加深。組合化的測試設備對確保測試的連續性、減少測試設備的種類和數量，減少備件數量和人力資源方面都有著非常重要的意義；

3)測試設備的綜合化發展包括技術綜合化和應用綜合化。技術綜合化指未來的測試設備開發所采用的技術可能包括故障診斷、專家系統、神經網絡、模糊邏輯，還可能融合了計算機網絡、仿真、虛擬現實等各項技術，技術應用是綜合化的。應用綜合化指測試設備不僅局限于武器裝備在技術陣地的測試功能，還可用于裝備健康管理與預測、維修計劃與保障策略制定等環節活動。

測試設備作為一種集軟硬件、聲光機電、微波技術、模擬技術、數字技術等多種技術于一身的復雜產品，要真正滿足用戶的“好用、管用、頂用” 要求，今后還需做大量深入的技術研究和開發工作。