合成儀器是有望革新測(cè)試產(chǎn)品的新型測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系,業(yè)已被業(yè)內(nèi)人士逐漸認(rèn)同。

　　合成儀器這個(gè)術(shù)語(yǔ)首先是美國(guó)國(guó)防部(DoD)下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(NxTest)集成產(chǎn)品組使用的,用來(lái)描述該研制組竭力主張的新型測(cè)試結(jié)構(gòu)體系。2002年4月,DoC自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(ATS)執(zhí)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(biāo)有兩個(gè)：降低DoD ATS的采購(gòu)和支撐成本;改進(jìn)軍事服務(wù)“ATS功能”的內(nèi)、外合作。次年,合成儀器工作組(SIWG)更詳細(xì)地列出：

• 　　降低ATS所有者的總成本;
• 　　減少發(fā)究時(shí)間以及現(xiàn)場(chǎng)更新ATS的時(shí)間;
• 　　提供更大的靈活性;
• 　　減少測(cè)試系統(tǒng)的邏輯覆蓋區(qū);
• 　　減少物理占用面積;
• 　　提高測(cè)試質(zhì)量;

 

　　圖1 STWG通用SI方框圖

　　該組織提出兩條思路來(lái)推動(dòng)NxTest 工作的開(kāi)展。首先,對(duì)測(cè)試系統(tǒng)成本和互操作性有重大影響的基本部件進(jìn)行定義;其次,研發(fā)有助于達(dá)到上述目標(biāo)的通用測(cè)試系統(tǒng)。該組織認(rèn)為：需要?jiǎng)?chuàng)建一種開(kāi)放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系,它能支持新的測(cè)試要求,能方便地進(jìn)行技術(shù)更新,能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有ATS組件影響最小而又批量生產(chǎn)的商業(yè)應(yīng)用,由此來(lái)贏得測(cè)試業(yè)界的支持。NxTest的主要任務(wù)就是定義、研發(fā)、證明和規(guī)劃,以便在DoD維修測(cè)試環(huán)境中實(shí)現(xiàn)這一即將出現(xiàn)的嶄新技術(shù)。

　　為了達(dá)到上述目標(biāo),解決面臨的挑戰(zhàn),工作重點(diǎn)放在公共的與共享的技術(shù)框架之內(nèi)盡可能地使用商品化現(xiàn)成產(chǎn)品(COTS)上。或許符合這個(gè)目標(biāo)的最重要的技術(shù)就是合成儀器(SI)。

　　合成儀器與虛擬儀器

　　根據(jù)SIWG的定義,SI是一個(gè)可重構(gòu)的系統(tǒng),連接一系列基本硬件和軟件組件,備有標(biāo)準(zhǔn)化接口,利用數(shù)字處理技術(shù)產(chǎn)生信號(hào)和進(jìn)行測(cè)量。

　　在儀器儀表行業(yè),另一個(gè)熟悉的名字是虛擬儀器(VI)。VI是上世紀(jì)80年代,美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)率先提出的概念,它是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件、軟件、和總線技術(shù)與測(cè)試技術(shù)、儀器儀表密切結(jié)合,共同孕育出的一項(xiàng)新技術(shù)。VI是由計(jì)算機(jī)硬件資源,模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信以及圖形用戶界面軟件組成的測(cè)試系統(tǒng),是一種用計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。

　　從上面的介紹可知,VI是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為平臺(tái),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線,如IEEE488、VXI、PXI等,與模塊化儀器機(jī)箱共同組成一個(gè)測(cè)試系統(tǒng),充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能,開(kāi)發(fā)一整套軟件,將傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化,成為一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器一致,同時(shí)又充分利用計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是硬件功能軟件化,NI甚至提出了“軟件就是儀器”的口號(hào)。與之相比,SI則在分析儀器的功能要素基礎(chǔ)上,試圖給出一個(gè)通用的儀器結(jié)構(gòu),例如,一個(gè)測(cè)量?jī)x器總含有激勵(lì)源(發(fā)生器)、A/D、D/A、信號(hào)調(diào)理器、測(cè)量手段等基本固定構(gòu)件,由此構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu),組成測(cè)試系統(tǒng)。在應(yīng)用方面,VI似乎集中在數(shù)據(jù)采集和分析方面;而SI則主要應(yīng)用于RF和微波測(cè)量系統(tǒng)。

　　SI基本結(jié)構(gòu)

　　基本上,SI在核心儀器電路積木塊基礎(chǔ)上,通過(guò)軟件算法和硬件模塊合成了在傳統(tǒng)測(cè)試儀器中必不可少的激勵(lì)源或測(cè)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(wú)線電”以及其它通信系統(tǒng)技術(shù)的影響,這個(gè)方框圖有很多相似之處,而模塊化的性質(zhì)能讓系統(tǒng)集成者量身定制成符合各自應(yīng)用的儀器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)支持：

• 　　多通道激勵(lì)或測(cè)量路徑;
• 　　每個(gè)通道具有混合-n-匹配(nix-n-match) 性能、大小和價(jià)格水平,包括通過(guò)多個(gè)信號(hào)調(diào)理塊來(lái)路由每個(gè)通道,提供專用測(cè)試功能;
• 　　方便地更新系統(tǒng),即可在任何時(shí)刻增加或減少功能,甚至可按照新應(yīng)用全部重構(gòu);
• 　　按需增加處理功能或新測(cè)試算法;
• 　　提供全面地“系統(tǒng)級(jí)”校正和診斷功能。

　　NxTest 已開(kāi)展的工作

　　Nxtest工作組積極開(kāi)展與SI有關(guān)的行業(yè)工作,最重要的有自動(dòng)測(cè)試標(biāo)記語(yǔ)言(ATML)、公共測(cè)試接口(CTI)和SIWG等。

　　SIWG擁有測(cè)試業(yè)界和DoD 40多家公司和機(jī)構(gòu)的100個(gè)成員,其宗旨是：“定義SI和它的屬性。研發(fā)一種框架結(jié)構(gòu),既能平衡用戶與供應(yīng)商的目標(biāo),又能推進(jìn)在整個(gè)測(cè)試壽命周期內(nèi)的技術(shù)進(jìn)步和適應(yīng)性以及補(bǔ)充/支持其它相關(guān)的測(cè)試與測(cè)量行業(yè)工作。”

　　NxTest 幾乎在二年前就創(chuàng)立了ATML和CTI工作組,ATML工作組具體負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)測(cè)試環(huán)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(huì),并將近期內(nèi)公布第一個(gè)ATML方案標(biāo)準(zhǔn)。CTI工作組負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)公共的、通用的、可擴(kuò)充的測(cè)試接口,為各個(gè)DoD服務(wù)提供測(cè)試系統(tǒng)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(yè)已開(kāi)始實(shí)施幾個(gè)重要的NxTest 相關(guān)的計(jì)劃。其中最重要的可能是ARGCS(Agile Reconfigurable Global Combat Support)計(jì)劃。這一極具挑戰(zhàn)的ACTD(Advanced Concept Technology Demonstration)計(jì)劃是NxTest IPT 主持的,已經(jīng)美國(guó)國(guó)防部秘書(shū)處的授權(quán)。ARGCS是美國(guó)第一項(xiàng)主要的聯(lián)合服務(wù)測(cè)試系統(tǒng)計(jì)劃。該計(jì)劃最終將形成一個(gè)供海、陸、空等三軍使用的公共和可擴(kuò)充的測(cè)試平臺(tái)。ARGCS測(cè)試平臺(tái)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明曾出現(xiàn)過(guò)的絕大多數(shù)可擴(kuò)充和可重構(gòu)的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該平臺(tái)能支持工廠、供應(yīng)站、中轉(zhuǎn)站和工作站級(jí)別測(cè)試,同時(shí)它也能支持簡(jiǎn)單的復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)系統(tǒng)在構(gòu)成專用的工作站的同時(shí),還能共享同一個(gè)核心硬件與軟件模塊,實(shí)現(xiàn)史無(wú)前例的交義服務(wù)互操作性。

　　系統(tǒng)實(shí)例

　　Aeroflex系統(tǒng)分部從領(lǐng)先的通信衛(wèi)星供應(yīng)商處獲得第一個(gè)合成RF與微波測(cè)試系統(tǒng)的合同,9個(gè)系統(tǒng)中第一個(gè)系統(tǒng)稱為STI1000,它既可單獨(dú)使用,又可由外部網(wǎng)絡(luò)控制,用作企業(yè)級(jí)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。它能極大地增加測(cè)試次數(shù),同時(shí)減少操作和測(cè)試硬件造成的測(cè)量誤差。

　　STI1000通過(guò)它的數(shù)字合成激勵(lì)源和響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),用硬件和軟件組成符合用戶特定要求的測(cè)量系統(tǒng)。該儀器能復(fù)現(xiàn)微波系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的諸多功能,包括微波功率計(jì)、微波頻率計(jì)、多個(gè)信號(hào)源、頻譜分析、矢量網(wǎng)絡(luò)分析、噪聲計(jì)以及內(nèi)調(diào)制分析。它的基本部件有幾個(gè)激勵(lì)源和一個(gè)快速響應(yīng)測(cè)量通道。備選件包括供復(fù)雜模擬和數(shù)字調(diào)制波形分析的任意函數(shù)發(fā)生器,遙測(cè)和控制路徑以及多個(gè)響應(yīng)通道。一種創(chuàng)新的校正設(shè)計(jì)無(wú)需斷開(kāi)連接的衛(wèi)星就能進(jìn)行充分的校正,而且整個(gè)過(guò)程僅需幾秒鐘時(shí)間,極大地減少了系統(tǒng)或溫度變化造成的誤差。

　　STI提供“可編程的固件”,讓用戶對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行優(yōu)化。利用全新的設(shè)計(jì)理念,STI1000能非常方便地增加測(cè)試功能和修改測(cè)試算法。此外,儀器能定制數(shù)據(jù)格式、測(cè)量報(bào)告,用戶接口,圖形輸出等簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。任何外部計(jì)算機(jī)平臺(tái)和商品化測(cè)試控制軟件可通過(guò)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)儀器接口進(jìn)行控制,還提供VXI即插即用驅(qū)動(dòng)器來(lái)集成到用戶的測(cè)試控制軟件中,其多層的結(jié)構(gòu)體系確保數(shù)據(jù)采集和處理能盡快地執(zhí)行。

　　STI1000快速優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵之一是采用“測(cè)試集成”方案。測(cè)試集成讓儀器具有采集單一數(shù)據(jù)組就能提供多項(xiàng)測(cè)量要求的結(jié)果。例如從單一數(shù)據(jù)組來(lái)提取帶內(nèi)、帶外、群延遲和放大器轉(zhuǎn)移特性的結(jié)果。儀器調(diào)整采集和測(cè)試集成的完美結(jié)合,使儀器具有無(wú)與倫比的數(shù)據(jù)吞吐率。

　　除了上述特性,該儀器還使用一種獨(dú)特的編程方法“測(cè)量粘接程序”(Script)它定義個(gè)性化測(cè)量的方法是通過(guò)下載粘接程序文件完成的。這樣,通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的命令,它就可以從一個(gè)測(cè)量(如矢量分析)轉(zhuǎn)換成另一個(gè)測(cè)量(如增益轉(zhuǎn)移特性測(cè)量)。由此可見(jiàn),它不是儀器驅(qū)動(dòng)的,而是測(cè)量驅(qū)動(dòng)的。目前能提供的測(cè)量囊括了傳統(tǒng)儀器所具有的全部功能。

　　結(jié)語(yǔ)

　　測(cè)試測(cè)量?jī)x器歷經(jīng)了模擬、數(shù)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(lái),完全按合成測(cè)試環(huán)境中使用設(shè)計(jì)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(jìn)功能,諸如自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)配置,自動(dòng)診斷、超高速處理,甚至是更復(fù)雜的波形發(fā)生和分析,使系統(tǒng)更加完善。這樣的先進(jìn)系統(tǒng)將完全替代機(jī)架式傳統(tǒng)測(cè)試裝置,實(shí)現(xiàn)NxTest IPT的最終目標(biāo)。■(東華)