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总线技术在计量标准系统开发中的应用

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总线技术在计量标准系统开发中的应用

第二炮兵计量站   高邱峰  王拂为  刘涛  庄建华

在现代军事计量领域,综合参数计量标准一般由主标准器、配套设备和测试软件等组成。从七十年代开始,西方发达国家开始重视军事装备现场计量校准技术,并投入大量的人力物力从事综合校准和便携式计量标准的研究,现场计量校准设备也逐渐由单参数、单一功能向多量值、多功能、综合通用和便携式方向发展。八十年代后随着自动测试技术的发展,以VXI、PXI、PC等总线技术为基础,以系列化、可开发性通用平台为基本环境,以满足全武器系统计量保障要求的机动性好、综合性强、可靠性高、配套完备的计量综合保障系统,已在导弹和其它大型装备计量保障中发挥了重要作用。在国内,计量标准设备的研制已从早期针对单参量计量要求,设计制造专用计量设备,转向应用带程控接口的通用台式仪器以积木方式组成系统,或基于VXI、PXI、PC等总线针对特定测试对象集成小型计量测试系统。但由于计量标准设备所要求的技术特性与用于一般测试、测量工作的测试设备有所不同,因此,在应用总线技术开发计量标准设备或系统时还必须做大量技术工作,这里结合我们研制开发某型号导弹综合计量检定系统的具体实践,谈一谈自己的体会。

1 计量标准特性分析

计量标准(或测量标准)是开展计量工作的基础和前提条件,其主要作用是利用其保持、复现量值基(标)准,传递准确量值。对军事计量而言,不仅要在实验室条件下进行传统意义上的计量技术工作,还要执行对武器装备的现场随行计量保障任务,因此,对用于武器装备计量保障的计量标准设备或系统而言,总的要求是 “高于”被保障装备技术性能、“宽于”被测量量值范围,“精于”被校准仪器设备或系统准确度等级,从而通过严格的计量保障勤务达到有效保障的目的。

1.1 准确性要求

根据计量标准建立的通用性要求和误差理论分析,计量标准相对于被检对象而言,在覆盖其被检参数量程范围的前提下,其准确度应满足1/2--1/5的关系,过高则技术实现困难,建标成本加大,造成资源浪费;过低难以达到计量保障的目的。

1.2 稳定性要求

自身稳定性要求是计量标准的主要技术特性,武器装备所要求的计量标准除实验室条件下的开机重复性、短期和长期稳定性、被检装备参量的相关性和系统状态的适配性等技术指标之外,还必须考虑现场复杂环境条件下的稳定性。现场适用的环境条件如温度、湿度、震动、电磁干扰等相对较宽;各种环境条件下的误差判别、修正和测量不确定度的量化与评估难度加大。

1.3综合性、便携性要求

大型武器装备需保障装备和综合参量数量多,动态参数离散性、随机性变化规律等难以掌握,单一类型参数、参量的计量保障中,往往伴随着多个类型参量的影响和干扰,使保障结果的误差分析变得相对复杂,往往一个系统需要对多个参量和综合参数同时进行保障。例如在导弹武器系统保障中,涉及到无线电、电磁、质量、压力、长度、温度、核幅射等许多类参数,在完成了分类参数的保障后,还必须对综合测量设备以及综合参数进行保障,以确保系统处于最佳状态和系统的最佳匹配。实际工作中,往往综合性保障对实际状态的判定和技术性能的掌握对使用者来说显得更为重要。传统的或实验室条件下的单参数计量标准对大型武器装备现场计量保障所需设备数量多、保障效率低、过程复杂、时效性差,因此,必须针对装备需要,建立“满足装备技术保障需求、满足作战保障要求”的综合性、系统性强、便携实用的计量标准。

2 基于PC和VXI总线技术的综合机动计量检定系统

综合机动计量检定系统是针对型号装备研制开发的基于车基环境的专用测量标准系统。系统包括基于VXI总线技术开发的车基计量工作站和基于PC总线技术开发的便携式通用检定仪两部分,覆盖多个型号被检装备参量,满足多型号装备野外机动伴随保障和平时现场巡检综合性计量保障要求,支持并行同时开展装备综合测试设备和单元测试设备的计量保障工作。

2.1 研制要求

2.1.1 功能性要求

l       计量保障系统应满足计量工作法制化管理和技术规范性要求,具备计量标准特质和有效性认证考核的技术条件;

l       根据规划任务,满足“平时巡检保障”和“战时伴随保障”要求;

l       满足车载运输和车基环境条件,适应规划任务内装备快速计量保障要求;

l       具备可二次开发的通用性,以及根据对象和实际需要进行增减的模块化设计,能够实现多型号武器装备的“外特性保障”要求;

l       强化安全性设计,具有良好的可溯源性、可互换性、可靠性和可维修性;

l       具备信息处理和通信能力,能够快速准确地分析和报告保障结果,适时反馈武器装备的计量统计管理信息和辅助决策信息。

2.1.2 技术性要求

l       具有覆盖规划任务90%以上被检装备参数项目的计量标准资源,系统各参量测量不确定度满足被检装备允许误差极限1/3~1/5的计量技术要求;

l       满足规定环境条件下的稳定性指标和实验大纲规定的各项例行试验验证要求;

l       计量标准资源的集成,能够保证同类最高测量标准的唯一性,同类参量的等级在规划设计中应充分考虑其传递或溯源关系;

l       以保障时效性、可靠性为目标,以“外特性”校准或检定为主要手段,具备快速保障和原位保障能力,尽可能实现自动测量、介入式测量和数据自动采集、判读、报告及归档要求。

2.2 设计思路和设计原则

车基计量工作站和便携式检定仪以测量过程控制方法和基于趋势预测的测量过程控制模型为基础,依据“通用硬件平台+通用软件平台+专用转接适配器+专用测试程序”的思路,建立综合机动计量检定系统。即以通用硬件平台和软件平台构建成通用自动化测试平台基本型;分型号按被检装备保障要求配置专用转接适配器和计量检定测试程序,以适应多种型号、多类型仪器设备的检定校验需求;根据不同任务和保障需求,分别选择或研制 “仪器级”模块资源(VXI总线资源)和“板级”模块资源(PC总线资源),构建两个层次的系统硬件平台,并使系统具有可扩展、可重新配置的能力。

通用计量综合保障系统的设计遵循以下诸原则:

l       遵循相关的国标、国军标,参照相关的国际标准;

l       充分考虑军事计量特点,确保系统既能满足计量溯源要求,又能可靠、准确地实现量值传递;

l       按工程方法设计,始终贯彻可靠性、安全性、电磁兼容性、维修性诸设计原则;

l       车基系统和便携式仪器相结合、集中式与分布式结构相结合,以满足军事计量保障的机动性、时效性要求;

l       对于量值准确度要求较高、数量较少、复杂程度较大的的检定对象,采用基于VXI、GPIB总线的综合ATE(自动测试系统)平台,既集中式车基计量工作站实施保障;对于量值准确度要求相对较低、数量较多的检定对象,采用基于PC总线的便携式检定仪实施保障,以支持多工位并行工作,提高单位时间内的保障效率;

l       采用现代自动测试系统的设计方法,ATE平台和TPS相对独立开发,并充分考虑ATE平台的通用性、可扩展性; ATE硬件平台以满足功能检测与量值传递为前提,以硬、软件优化设计、优化组合为手段,力争获得较高的性能/价格比。

2.3 车基计量工作站的设计与实现

      车基计量工作站硬件平台主要有控制计算机、VXI仪器、GPIB仪器、通用测试接口和自检自校适配器组成。

网络

被测设备UUT

GPIB

MXI-II

车基计量工作站硬件模块配置

数字万用表

多功能模块

波形发生器

定时/计数器

开关资源

多产品校准器

数字示波器

高稳时基

辅助设备

程控高功率信号源

程控高功率负载

其它辅助设备

文本框: 勤 务 计 算 机文本框: 通用测试接口适配器文本框: 测控计算机文本框: VXI测试资源
文本框: 专用测试接口适配器 

 

 

 

 

 

 

 


计算机为加固型便携式计算机,方便在车基平台和地面工作;VXI仪器安装在一个VXI机箱中;GPIB仪器作独立仪器或上架组成系统;辅助设备为专门研制的程控可调负载和程控调压器设备;通用测试接口固定在VXI机箱上,可灵活配置和扩展系统测试功能;自检自校适配器用于系统自检和量值传递。

通用测试接口采用6模块的VP90 Reserver 框架,配置了5个VP90模块,分别设置为普通资源模块和射频等待扩展资源模块。

适配器主要用于系统硬件资源自检自校和对被检设备的连接,原设计分两部分独立实现,实际研制过程中为降低适配器(TUA)成本,对TUA的功能进行了优化设计,将系统硬件资源自检自校、内部量传,手动测试。精密电源检定,通用仪器检定和多个型号综合测试设备检定等多个功能用一个TUA实现。

2.4 便携式通用检定仪的设计与实现

便携式通用检定仪硬件平台设计为更利于集成的可配置、可裁剪的通用型硬件平台,其硬件资源分为基本资源、扩展资源和辅助设备三部分。基本资源由通用硬件资源构成基本系统(最小系统);扩展资源为针对不同检定对象的专用测试模块,辅助设备是用于交直流电源检定的程控电源、程控功率负载。以基本系统为基础,根据检定对象的功能与指标,适当选择扩展资源和辅助设备,构成不同测试功能的硬件平台。可配置硬件平台模型如图所示。

通用硬件平台 = 基本系统 +  扩展资源 + 通用测试接口 +  辅助资源

应用硬件平台 = 基本系统 + 扩展资源子集 + 测试接口子集 + 辅助资源子集

 

选用

可配置的便携式通用检定仪硬件平台框图

选用

 

 

 

 

 

 


基本系统组成框图如图所示。

线

便携式通用检定仪机箱

液晶显示器

PC-104总线

20路

隔离DO卡

(选配)

多路隔离放大模块

基本直流电源

键盘、鼠标

1G电子盘

扩展

总线

8路隔离DI

隔离数字I/O接口

计算机接口

 

 

 便携式检定仪基本系统组成框图

开关矩阵模块

文本框: 数据采集卡文本框: 计算机主板文本框: 定时、计数器卡(选配)文本框: 扩展母板接口 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


基本系统主要由嵌入式计算机系统、数据采集模块、定时/计数模块、扩展板接口模块、隔离数字I/O模块、程控隔离放大模块、10槽扩展总线底板、基本电源便携式机箱等组成。

扩展模块包括电压/电流信号源模块、电压/电流测量模块、高压/高阻网路模块、精密电阻网路模块、频率/脉宽测量模块、升压变压器、摇表手柄旋转控制模块等。

2.5  通用软件平台的设计

通用软件平台按使用功能划分,主要有资源配置与管理、自检/自校与量传、检定程序开发、检定程序运行管理、手动测试、报表生成与管理和用户操作管理七个功能系统组成。

测试资源配置与管理系统主要功能是实现ATE物理层的模型表达及数据库描述; ATE硬件系统的可重构性、可扩展性和可互换性;ATE资源的仪器驱动层与物理层的分离;实现测试程序的可移植性;创建测控计算机、TPS、 ATE平台资源相对独立的环境;提供仿真调试功能,支持测试程序(TP)与ATE平台的相对独立开发、调试;实现部分功能的容错、故障隔离与屏蔽等。

量值保证与管理软件有系统检查、量值传递、参数修正、系统考核、数据上传和帮助五部分功能模块组成,提供系统检查、考核、内部自校准和系统溯源功能,同时还提供系统内部量值修正和预测功能,实现系统的量值偏差修正和视情核查。

测试程序开发运行系统是针对导弹装备计量检定流程和使用人员设计的独立子系统,主要有检定程序管理、检定任务管理、检定程序运行三个功能模块组成,主要用于TP的开发、调试和检定任务的运行。该系统以图形界面方式提供给用户检定程序的二次开发、调试、运行环境。在该系统下,用户以填表格的方式编写调试TPS,以面向信号的方式对底层测试资源进行操作,允许用户仿真或实际执行检定任务,检定结果保存在本机数据库中。这一方式与让用户使用VB 或VC++语言调用仪器硬件驱动函数接口去编写TPS的方式相比,具有简单、易学、易用的特点,用户只要清楚自己的测试流程即可编制并生成测试程序(TP)。

3  关键技术及技术进步点

3.1综合计量保障体系构建

综合机动计量检定系统的研制开发,不仅提升了计量标准的技术水平,同时也为综合计量保障体系的建立奠定了技术基础,改变了主要依靠送检和装备现场离位检定的计量保障方式。综合计量保障体系以建立型号装备通用资源硬件平台和免编程软件平台为基础,集成自动化综合检定系统,以适应多型号装备的现场机动保障要求;适应现场和机动计量保障工作要求,基于车基环境系统构建真正意义上的野外小型机动的计量站,从而为构建起综合计量保障体系奠定基础。

综合计量保障体系建立包括建立系统的核查标准和传递标准,用于系统自身的量值传递和测量过程控制;建立历史记录数据库管理系统,方便对历次计量检定记录查询、验证和分析;通过系统测量过程控制技术、系统量值漂移控制和误差超限分析技术的综合应用,建立测量过程统计控制模型和系统测量不确定度预测模型,用于准确、有效评判系统性能是否在控制范围内,以保证计量保障工作的有效性。

3.2 量值传递关系的构建和测量过程控制

为实现计量标准特性要求,综合机动计量检定系统建立了系统核查标准和传递标准。传递标准向上溯源后,通过系统内部自校准,实现系统内部量传。由高稳晶振、多产品校准器和示波器作为系统的电学低频、高频信号的传递标准(参考标准),由数字万用表、高稳定时计数器作为核查标准,监控系统的性能。

依据标准ISO10012-2建立测量过程控制方案,根据方案确定系统受控评定模型,监控系统量值漂移,量值离散指标是否受控。系统测量过程控制方案模型如图所示。

 

综合计量检定系统是在对计量保障对象多年保障实践基础上,以大量历史保障数据的积累、分析和反复的试验验证结果等第一手资料为技术依据研制完成的。在规划设计和实现过程中,充分考虑了不同资源在综合环境下对测量不确定度产生影响因素,如信号转接、切换、隔离和调理的影响;使用环境的影响;测试控制过程与数据处理的影响等,从而保证了标准系统的测量不确定度在受控限值范围内。

3.3通用硬件平台集成

根据装备计量保障需求,综合分析系统集成要求,以高稳定性货架产品、组件和自研组件、模块为基础,确定ATE集成的逻辑关系和信号通路,设计无源适配器,通过功能组件和系统的结构优化设计、物理加固和防护处理,完成ATE平台集成。

根据系统配置,建立系统自检、自校准模型,实现系统的自动化功能、性能检测和系统的自动化计量;通过系统自检自校,建立平台自身的核查结果数据库。在计量检定现场,通过系统自校准和测量过程控制,核查平台性能是否满足要求,以此作为评判该次计量过程是否有效的依据。

构建硬件资源全开放式结构,即硬件平台所有资源的全部引出线直接连接到通用测试接口,并通过无源接口适配器对硬件资源进行配置。硬件资源全开放式结构使得硬件资源的 “集成”和“裁减”更加方便,有利于资源的配置和整合,有利于系统的二次开发和利用。

通用测试接口适配器设计开发采用标准的ITA-ICA连接方式,设计开发无源接口适配器,最大限度地适应“多型号通用”要求,实现信号转接与通用测试接口二项功能。一方面可大大减小适配器的体积,便于系统与被检对象的连接;另一方面物理连接方式,稳定可靠,减少了引入系统误差的环节,保证了计量检定的准确性和可靠性;再则,接口适配器的设计和研制工作更为简单,便于针对其他型号装备进行接口适配器的二次开发,增强了系统再开发功能。

3.4 软件平台开发

软件平台采用系统资源管理技术,提供一个系统硬件资源管理器,对硬件平台所有仪器、设备的驱动程序进行封装,实现资源的统一管理、调度。

 

 

软件平台提供一个检定程序免编程开发环境,包括提供一组面向信号硬件资源调用命令和一组包括跳转、循环、判跳,时钟等的测试流程控制命令;提供一个常用的数据处理软件包和一个数据处理公式编辑器,用户可以自定义数据处理公式,直接嵌入到测试程序中;提供填表形式的免编程开发环境,用户仅需在一个友好的交互式环境下描述检定任务需求,通过 “填表形式”即可完成检定程序的开发;提供检定程序仿真运行机制,以交互形式进行检定程序的查错、排错。

软件平台提供计量标准系统资源的优化配置模型,对新的计量保障任务需求,适时提供可利用的最优化资源选取目录;提供基于试验、历史记录统计分析为基础的量值补偿、修正“经验”数学模型库,以方便用户在不同环境条件下,实现更加精确的计量检定。

4  综合计量标准系统研制的几点体会

综合计量检定系统是采用先进的总线技术,运用系统工程技术方法组织完成的综合性计量保障装备。系统可靠性要求高、技术集成复杂、研制难度大,因此,研制过程中必须首先做好前期总体的论证和预研等基础工作。前期论证主要明确“保什么”、“保到什么程度”、“谁来保”即需求和要求等问题;前期预研工作主要确定“怎样保”、“用什么保”、“能不能保”即保障方式、实现途径和保障效果等问题,在此基础上明确总体技术指标和要求,确定研制技术思路。

分系统设计和实现是关键环节。作为计量标准系统,自身稳定性和抗“干扰”能力、量值的可溯源性和传递过程的准确性、可靠性是计量保障设备区别于一般自动测试设备的关键。为保证整个系统准确度满足要求,采用科学的统计方法对不确定度进行预测,对于测量过程进行建模修正,保证量值的准确性是系统设计的必然要求。实现过程中要坚决贯彻总体思路和要求,充分考虑计量标准的特性要求,认真分析关键技术和难点,明确系统界面和最终成果形式,避免途径过于宽泛、实现过于随意的问题。

抓好阶段性成果验收和试验验证工作。阶段性成果验收要认真分析技术实现冗余,强化功能实现要求,确定指标实现情况,明确技术工艺标准;试验验证要充分,严格标准和条件,以此为基础,进一步优化设计、改进工艺,提高研制工作质量,搞好整体系统集成。

 

 

 

 




 
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