合成儀器是有望革新測試產品的新型測試系統結構體系,業已被業內人士逐漸認同。

　　合成儀器這個術語首先是美國國防部(DoD)下一代自動測試系統(NxTest)集成產品組使用的,用來描述該研制組竭力主張的新型測試結構體系。2002年4月,DoC自動測試系統(ATS)執行代理辦公室(EAO)正式成立NxTest IPT,由海、陸、空三軍代表組成。主要目標有兩個：降低DoD ATS的采購和支撐成本;改進軍事服務“ATS功能”的內、外合作。次年,合成儀器工作組(SIWG)更詳細地列出：

• 　　降低ATS所有者的總成本;
• 　　減少發究時間以及現場更新ATS的時間;
• 　　提供更大的靈活性;
• 　　減少測試系統的邏輯覆蓋區;
• 　　減少物理占用面積;
• 　　提高測試質量;

 

　　圖1 STWG通用SI方框圖

　　該組織提出兩條思路來推動NxTest 工作的開展。首先,對測試系統成本和互操作性有重大影響的基本部件進行定義;其次,研發有助于達到上述目標的通用測試系統。該組織認為：需要創建一種開放的系統結構體系,它能支持新的測試要求,能方便地進行技術更新,能實現對現有ATS組件影響最小而又批量生產的商業應用,由此來贏得測試業界的支持。NxTest的主要任務就是定義、研發、證明和規劃,以便在DoD維修測試環境中實現這一即將出現的嶄新技術。

　　為了達到上述目標,解決面臨的挑戰,工作重點放在公共的與共享的技術框架之內盡可能地使用商品化現成產品(COTS)上。或許符合這個目標的最重要的技術就是合成儀器(SI)。

　　合成儀器與虛擬儀器

　　根據SIWG的定義,SI是一個可重構的系統,連接一系列基本硬件和軟件組件,備有標準化接口,利用數字處理技術產生信號和進行測量。

　　在儀器儀表行業,另一個熟悉的名字是虛擬儀器(VI)。VI是上世紀80年代,美國國家儀器公司(NI)率先提出的概念,它是日益發展的計算機硬件、軟件、和總線技術與測試技術、儀器儀表密切結合,共同孕育出的一項新技術。VI是由計算機硬件資源,模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通信以及圖形用戶界面軟件組成的測試系統,是一種用計算機操縱的模塊化儀器系統。

　　從上面的介紹可知,VI是以計算機系統為平臺,通過標準總線,如IEEE488、VXI、PXI等,與模塊化儀器機箱共同組成一個測試系統,充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調用、顯示以及文件管理等智能化功能,開發一整套軟件,將傳統儀器的專業化功能和面板控件軟件化,成為一臺從外觀到功能都完全與傳統硬件儀器一致,同時又充分利用計算機智能資源的全新的儀器系統。它的主要特點是硬件功能軟件化,NI甚至提出了“軟件就是儀器”的口號。與之相比,SI則在分析儀器的功能要素基礎上,試圖給出一個通用的儀器結構,例如,一個測量儀器總含有激勵源(發生器)、A/D、D/A、信號調理器、測量手段等基本固定構件,由此構成一個系統架構,組成測試系統。在應用方面,VI似乎集中在數據采集和分析方面;而SI則主要應用于RF和微波測量系統。

　　SI基本結構

　　基本上,SI在核心儀器電路積木塊基礎上,通過軟件算法和硬件模塊合成了在傳統測試儀器中必不可少的激勵源或測量功能。SIWG定義的SI方框圖如圖1所示。可能是受到已被廣泛接納的“軟件定義無線電”以及其它通信系統技術的影響,這個方框圖有很多相似之處,而模塊化的性質能讓系統集成者量身定制成符合各自應用的儀器。系統結構支持：

• 　　多通道激勵或測量路徑;
• 　　每個通道具有混合-n-匹配(nix-n-match) 性能、大小和價格水平,包括通過多個信號調理塊來路由每個通道,提供專用測試功能;
• 　　方便地更新系統,即可在任何時刻增加或減少功能,甚至可按照新應用全部重構;
• 　　按需增加處理功能或新測試算法;
• 　　提供全面地“系統級”校正和診斷功能。

　　NxTest 已開展的工作

　　Nxtest工作組積極開展與SI有關的行業工作,最重要的有自動測試標記語言(ATML)、公共測試接口(CTI)和SIWG等。

　　SIWG擁有測試業界和DoD 40多家公司和機構的100個成員,其宗旨是：“定義SI和它的屬性。研發一種框架結構,既能平衡用戶與供應商的目標,又能推進在整個測試壽命周期內的技術進步和適應性以及補充/支持其它相關的測試與測量行業工作。”

　　NxTest 幾乎在二年前就創立了ATML和CTI工作組,ATML工作組具體負責開發測試環境中重要軟件接口的公共XML方案。目前,該組織已成 為IEEE SCC20工作委員會,并將近期內公布第一個ATML方案標準。CTI工作組負責開發公共的、通用的、可擴充的測試接口,為各個DoD服務提供測試系統之間的互操作性。該組織正在完成接口定義,并將在最近予以公布。

　　DoD業已開始實施幾個重要的NxTest 相關的計劃。其中最重要的可能是ARGCS(Agile Reconfigurable Global Combat Support)計劃。這一極具挑戰的ACTD(Advanced Concept Technology Demonstration)計劃是NxTest IPT 主持的,已經美國國防部秘書處的授權。ARGCS是美國第一項主要的聯合服務測試系統計劃。該計劃最終將形成一個供海、陸、空等三軍使用的公共和可擴充的測試平臺。ARGCS測試平臺用實例來說明曾出現過的絕大多數可擴充和可重構的測試系統結構。該平臺能支持工廠、供應站、中轉站和工作站級別測試,同時它也能支持簡單的復雜的系統結構。每個系統在構成專用的工作站的同時,還能共享同一個核心硬件與軟件模塊,實現史無前例的交義服務互操作性。

　　系統實例

　　Aeroflex系統分部從領先的通信衛星供應商處獲得第一個合成RF與微波測試系統的合同,9個系統中第一個系統稱為STI1000,它既可單獨使用,又可由外部網絡控制,用作企業級自動測試系統。它能極大地增加測試次數,同時減少操作和測試硬件造成的測量誤差。

　　STI1000通過它的數字合成激勵源和響應系統設計,用硬件和軟件組成符合用戶特定要求的測量系統。該儀器能復現微波系統測量系統的諸多功能,包括微波功率計、微波頻率計、多個信號源、頻譜分析、矢量網絡分析、噪聲計以及內調制分析。它的基本部件有幾個激勵源和一個快速響應測量通道。備選件包括供復雜模擬和數字調制波形分析的任意函數發生器,遙測和控制路徑以及多個響應通道。一種創新的校正設計無需斷開連接的衛星就能進行充分的校正,而且整個過程僅需幾秒鐘時間,極大地減少了系統或溫度變化造成的誤差。

　　STI提供“可編程的固件”,讓用戶對測量儀器進行優化。利用全新的設計理念,STI1000能非常方便地增加測試功能和修改測試算法。此外,儀器能定制數據格式、測量報告,用戶接口,圖形輸出等簡單的結構。任何外部計算機平臺和商品化測試控制軟件可通過TCP/IP標準儀器接口進行控制,還提供VXI即插即用驅動器來集成到用戶的測試控制軟件中,其多層的結構體系確保數據采集和處理能盡快地執行。

　　STI1000快速優勢的關鍵之一是采用“測試集成”方案。測試集成讓儀器具有采集單一數據組就能提供多項測量要求的結果。例如從單一數據組來提取帶內、帶外、群延遲和放大器轉移特性的結果。儀器調整采集和測試集成的完美結合,使儀器具有無與倫比的數據吞吐率。

　　除了上述特性,該儀器還使用一種獨特的編程方法“測量粘接程序”(Script)它定義個性化測量的方法是通過下載粘接程序文件完成的。這樣,通過一個簡單的命令,它就可以從一個測量(如矢量分析)轉換成另一個測量(如增益轉移特性測量)。由此可見,它不是儀器驅動的,而是測量驅動的。目前能提供的測量囊括了傳統儀器所具有的全部功能。

　　結語

　　測試測量儀器歷經了模擬、數字,智能化、虛擬儀器等形式,最近又提出了合成儀器的全新概念。展望未來,完全按合成測試環境中使用設計的硬件和軟件,必將使下一代SI解決方案耳目一新。新的先進功能,諸如自動測試系統配置,自動診斷、超高速處理,甚至是更復雜的波形發生和分析,使系統更加完善。這樣的先進系統將完全替代機架式傳統測試裝置,實現NxTest IPT的最終目標。■(東華)