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PXI总线技术的工程应用分析摘要：本文系统地介绍了PXI总线及其在工程中应用的分析。为满足军队导弹测试自动化、模块化、通用化的要求，基于PXI总线，应用模块化测试仪器及虚拟仪器技术组建导弹自动测试系统。通过查阅相应文献资料，对导弹自动测试系统的技术组成和总体结构进行了分析，介绍了软硬件设计方法，及其通讯格式。关键词：PXI总线 导弹自动测试系统 虚拟仪器1 PXI总线技术1.1 概述PXI（PCI eXtensions for Instrument）是PCI在仪器领域的扩展。它将Compact PCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而产生了新的虚拟仪器体系结构1。制定PXI规范的目的是将通用PC的性能价格比优势应用到模块化仪器领域，形成一种高性价比的虚拟仪器测试平台2。1.2 规范体系结构PXI总线规范涵盖了三大方面的内容：机械规范、电气规范和软件规范，如图1-1所示。PXI规范在CPCI机械规范中增加了环境测试和主动冷却要求，以保证多厂商产品的互操作性和系统的集成性。PXI将Microsoft Windows NT和Microsoft Windows 95定义为其标准软件框架，并要求所有仪器模块都必须带有按VISA规范编写的WIN32设备驱动程序，使PXI成为一种系统级规范，保证系统易于集成与使用，从而进一步降低最终用户的开发费用3。图1-1 PXI规范的体系结构1.2.1 机械规范PXI系统的硬件由机箱（含电源）、背板和插入式模板组成。模板有两种尺寸：3U（100mm160mm）和6U（233.35mm160mm）。3U模板上有两个110对接点的IEC标准连接器J1和J2。J1上主要有32位PCI信号线，J2上有64位PCI信号线。此外，它们还包含有Compact PCI和PXI定义的各种信号线。6U模板上除了J1和J2外，还增加了J3、J4、J5连接器，留待将来PXI进一步扩充用。在PXI机箱内至少有一个系统控制器模板插槽和一个外围模板插槽，插槽间距为20.32mm，一个PXI总线段最多可连接7个外围模板，若系统需要更多的外围模板，则可通过PCI-PCI桥增加总线段3。1.2.2 电气规范PXI总线的电气性能如图1-2所示。PXI通过增加专门的系统参考时钟、触发总线和模块间的局部总线等，以满足仪器高精度定时、同步与数据通信要求。PXI不仅在保持PCI总线所有优点的前提下增加了这些仪器特性，而且可以比台式PC多提供3个模块插槽，使单个PXI机箱的仪器模块插槽总数达到7个。图1-2 PXI总线的电气性能2 一种基于PXI总线的通用测试分析系统2.1 通用测试分析系统原理如图2-1所示，是一个通用测试分析系统的原理框图。系统由传感器、PXI机箱、PC工作站组成。PC工作站与PXI机箱之间用MXI3或IEEE1394总线连接。传感器获得的微弱信号经信号调理模板送入PXI机箱内3。图2-1 通用测试分析系统原理框图测试系统的软件采用了虚拟仪器软件开发语言LabVIEW和LabWindows/CVI。软件主要完成PXI总线仪器模块的驱动、软面板、资源管理、数字信号和模拟信号波形的编辑、响应数据的处理、显示和通信等。LabVIEW和LabWindows/CVI虚拟仪器软件开发平台具有编程简单、仪器驱动库丰富、易于扩展等特点。同时，还结合通用的软件开发工具Visual C+或Visual Basic进行数字模块时序生成和编译程序的开发，以便给用户较为直观、方便的时序生成工具，简化测试系统操作的复杂性2。2.2 系统硬件总体结构系统硬件总体结构如图2-2所示。可分为三部分：应用软件开发平台及系统控制器（ADE）、自动测试设备（ATE）、被测信号调理部分（SCXI）。作为系统的开发平台，采用PC个人计算机，为测试软件提供开发和运行环境，操作系统选用Windows。PC机通过MXI连接到PXI机箱上，作为PXI总线模块的控制器，控制全系统的工作。图2-2 系统硬件总体结构框图ATE部分主要完成测试过程中被测信号的输入和测量。在硬件上由PXI机箱、数字信号模块、模拟信号模块、各种测试仪表模块和程控台式仪器模块组成，经过MXI总线或IEEE1394总线扩展，还可以与GPIB仪器、其他PXI系统和VXI系统相连。一台PXI1000B机箱有3个控制扩展槽，分别可以扩展GPIB系统、PXI系统和VXI系统。另外，机箱还有7个PXI仪器模块扩展槽，可以安装不同的PXI仪器模块和Compact PCI仪器模块用以完成不同的测试工作，机箱后面板的DB9接口还可以和RS-232进行通信。硬件系统是本系统的核心，提供测试所需要的各种硬件设备。本系统是一个开放的系统，兼容目前的PXI总线仪器和台式仪器，并可随时扩展GPIB系统、PXI系统和VXI系统，但随着系统复杂性的增加，测试成本和控制难度也相应增加。本系统采用多机箱扩展总线MXI3来连接多个PXI机箱，最多可以连接254个底板，数据传输速率可达20Mbit/s，铜缆最大长度可达10m，光缆则可达200m。也可以采用IEEE1394总线，数据传输可达400Mbit/s，最大距离可达72m。本系统还具有GPIB接口，一方面是为了兼容已有的投资，另一方面，由于PXI总线问世时间不长，产品种类没有台式仪器丰富，一些大功率、特高频的PXI总线仪器较少，因此还需要具有GPIB接口的台式仪表13。该系统的特点是：（1）开放性。兼容目前的PXI总线仪器和台式仪器；（2）扩展性。可以随意扩展PXI总线仪器和台式仪器，组建用户所需的测试系统，系统容量大；（3）仪器选择范围大。可以是PXI总线仪器或台式仪器，针对不同的测试对象，用户都能选择到合适的仪器来组建所需的测试系统；（4）通用性。针对不同的信号，可以选择不同的模块，完成不同的测试任务。2.3 系统的软件结构系统软件主要包括以下几个部分：硬件管理/设置、硬件驱动器、数据存储、数据显示及数据分析处理等，系统软件总体结构框图如图2-3所示。图2-3 系统软件总体结构框图硬件驱动器部分是采用LabWindows/CVI编程完成。若用户购买的是NI产品，厂家会提供给用户更加专业的硬件驱动程序。资源管理器在系统初始化时必须运行。在LabVIEW5.1以上版本中，具有Measurement&Automation Explorer软件，它其实就是一个资源管理器软件。通过它可以查找或识别系统中所有的PXI模块、VXI模块和GPIB仪器等，实现对PXI模块的交互控制，确定PXI模块的类型，自动分配动态模块的逻辑地址，分配地址空间和中断信号等。外部时钟/触发主要是针对测试要求很高的信号使用的，如对定时、触发和同步要求很高的动态信号测试，可以通过外部时钟/触发来满足测试的要求。数据分析处理是将采集到的数据和测量结果由PXI模块或台式仪表传送到主控计算机上，根据测试要求进行数据分析。可利用LabVIEW和LabWindows/CVI强大的数据表达能力，将测试数据用简洁明了的方式显示出来，并可将数据结果保存起来1。3 实际应用基于PXI总线的导弹自动测试系统导弹控制系统是导弹成功发射，并最终准确命中目标的核心部分，它的正常工作决定了导弹的整体性能。因此对控制系统的测试的精度和可靠性将关系到导弹的整体性能。多种高新技术应用于现代导弹中，使得导弹内部设备日益复杂，待测信号种类繁多，测试量增大，而且导弹测试时间紧迫、环境复杂多变等诸多因素对导弹测试系统提出了更高要求，不仅要求导弹测试自动化、快速化，而且要求测试系统结构紧凑坚固，抗干扰能力强，具备在复杂环境下工作的能力4。基于PXI总线技术设计的导弹控制系统测试与模拟操作系统，利用虚拟仪器技术，测试系统可以通过修改软件的方法，方便地改变其功能与规模，而且还可借助于先进的计算机网络技术，组建一套网络化测试系统，实现测试数据的共享。3.1 导弹自动测试系统硬件结构自动测试系统由适配箱、主控箱、外设（显示器、鼠标、键盘、打印机、电视盒等）及连接电缆组成，总体结构及各部分关系如图3-1所示。其中，主控箱用来完成装备测试时的模拟信号输出、脉冲方波信号发生、标准信号的A/D采集、标准信号的滤波限幅、多路信号的万用表测量、信号线路的通断控制、适配箱电源控制以及信号的处理、存储、波形显示、数据库管理、测试数据表格打印、故障定位、相应的帮助等工作。适配箱用来对来自武器装备的各种测试信号进行调理与整形，产生装备测试时所需要的各种激励条件，控制武器装备的馈电，控制直流电源与接插指示灯的点亮，完成武器装备与接插电缆的识别等。适配箱是测试时武器装备与主控箱之间的纽带，所有测试信号都是经过适配箱送往主控箱内处理，而主控箱内的激励与控制信号也是通过适配箱与武器装备连接的。不同的武器装备检测时，复用连接电缆接向适配箱上相应的连接插座。图3-1 导弹自动测试系统硬件结构PXI是PCI总线在仪器领域的扩展，是一种开放性模块化仪器总线规范，其核心是Compact PCI结构和Microsoft Windows软件。本测试系统中，PXI控制器模块作为整个测试系统的主控计算机，运行测试软件，控制测试过程，并与其他外设相连接；通用SPDT继电器开关模块用来控制较大电流、电大电压信号的通断，配合装备的测试操作；多路复用DPDT继电器开关模块和数字万用表（DMM）模块联合使用，完成多路阻值信号、直流电压值、交流有效值和频率值信号的测量；多功能数据采集模块用来输出两路模拟信号作为装备激励，完成多路模拟信号与装本测试工作相配合。在测试系统的适配箱内设计了相应的导弹装备适配电路，不同导弹装备分时共用主控箱内PXI总线模块与外设资源5。3.2 导弹自动测试系统软件结构3.2.1 虚拟仪器软件结构测试系统采用虚拟仪器的设计思想设计各型号导弹装备的测试软件。在虚拟测试系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个测试系统的关键。显示器取代了传统检测设备的面板，使用者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增减系统的功能与规模。基于虚拟仪器技术的导弹自动测试系统，软件结构如图3-2所示，主要包括：（1） I/O接口驱动，直接驱动调理、采集、激励等硬件部分，通过PXI标准总线将系统各部分连接起来，形成一个协调一致的完善测试系统；（2） 仪器驱动软件，由PXI模块厂家提供的或者用户自己编制的仪器驱动库，完成PXI模块在Windows操作系统的驱动和连接；（3） 虚拟仪器，用户在显示器上设计的虚拟仪器面板，用于满足各种应用测试的需要；（4） 测试管理，用户开发的应用测试程序，包括信号采集、分析、处理、波形显示、数据通信与存储、数据库管理、测试报告生成、管理与打印等5。图3-2 虚拟仪器系统软件结构3.2.2 测试软件的功能与结构测试系统软件具有以下功能：（1） 系统自检功能。系统加电开机后，可通过选择该功能对系统进行检查，确定各模块是否正常工作；（2） 导弹测试功能。完成导弹上各部件单元测试和综合测试，是测试系统的主要功能；（3） 地面发射装置测试功能。对发射装置进行测试；（4） 文件处理功能。对数据文件和测试图形文件进行保存、回放和打印等；（5） 资源管理功能。用于调试和管理各仪器模块；（6） 帮助功能。提供测试系统功能和操作使用说明，用于操作人员学习和训练。如图3-3所示，该测试软件克服了传统测试软件的许多缺点，设计中采用了自动测试系统通用软件框架，确保了测试系统软件的通用性、扩充性、互换性、独立性和可维护性。主调程序完成数据库操作、相应仪器驱动程序的调用、系统功能操作及各种测试界面调度。所有的测试参数、程控指令、测试结果和结果处理都填写在测试数据库当中，主程序依次读取数据库中的相应记录，分析不同字段，执行相应操作，完成测试任务。测试程序通过ODBC（Open Data Base Connective）技术实现与数据库的连接。当测试流程中的任一环节需要进行扩充或更改时，只需添加或修改数据库中的相应内容6。图3-3 导弹自动测试系统软件结构3.2.3 导弹自动测试系统的通讯格式系统采用串行通讯。AFT07A/B控制箱与测角仪均采用8098单片机作控制系统核心器件，其约定工作频率f=12MHz，它们之间的串行通讯波特率协议为93.75kHz，方式2传送。模拟测角偏差时，为保证协议匹配，在适配箱内单独采用8098来产生俯仰及方位角度串码，以解决串行通讯速率匹配的问题。导弹各路点火信号及多路程序信号的测试，都需要精确定时，输入输出保持实时同步关系。为此，利用NI公司的RTSI（Real Time System Integration）总线技术，在硬件上实时时钟触发，满足精确定时、实时测试的要求。NI数据采集模块中嵌入了RTSI总线，将RTSI总线信号路由到其他触发信号线上作为触发时钟，实现一路信号驱动多个设备，达到同步的目的，完成多路信号同时输出、同时采集，实现同步操作和精确时间测量5。4 总结PXI与VXI总线相比，PXI不但继承了VXI的可靠性、稳定性和测量精度高等优点，而且在数据宽度、数据速率与CPCI的兼容性和价格上都占有较大优势，具有速度更快、结构坚固紧凑、系统可靠稳定的特点。由于PXI有着极高的性价比，国内外仪器生产厂商都在大力推广PXI产品，我国军方已将PXI与VXI同列为武器装备的两大测控平台。PXI模块产品被广泛用于数据采集工业自动化、军事测试、航空航天、核工业、科学实验等领域1。基于PXI总线技术的导弹自动测试系统可满足装备一级检测和二级检测的技术要求，能适应多种复杂环境。该系统体积小，易于携带和运输；价格相对低廉；数据传输速度快；易于重组和功能扩展，通用性能较好；测试软件运行效率高。系统充分利用并展示了PXI总线平台及虚拟仪器技术的优势，能够实现导弹测试系统自动化、模块化和快速化的目标。PXI总线必将作为主流测试平台广泛应用于未来武器装备的测试，对军队武器装备现代化建设有重大意义56。 参 考 文 献1 孔德仁，何云峰，狄长安. 仪表总线技术及应用M. 北京：国防工业出版社，2005.8. 2 陈长龄，田书林，师奕兵，黄建国. 自动测试及接口技术M. 北京：机械工业出版社，2005.1.3 王先培. 测控总线与仪器通信技术M. 北京：机械工业出版社，2007.9.4 PXI for military test applicationsJ. Loofie Gutterman 0-7803-7441-X/02 2002 IEEE:215-226. 5 韩大伟，周军，于晓洲. 基于PXI总线的导弹自动测试系统设计J. 计算机测量与控制，2008.6 黄涛，潘孟春，组先锋，高军哲，蒋鹏. 基于PXI总线的战术导弹装备自动测试系统设计J. 航空兵器，2005，04.