總線技術(shù)在計量標準系統(tǒng)開發(fā)中的應用
第二炮兵計量站 高邱峰 王拂為 劉濤 莊建華
在現(xiàn)代軍事計量領域，綜合參數(shù)計量標準一般由主標準器、配套設備和測試軟件等組成。從七十年代開始，西方發(fā)達國家開始重視軍事裝備現(xiàn)場計量校準技術(shù)，并投入大量的人力物力從事綜合校準和便攜式計量標準的研究，現(xiàn)場計量校準設備也逐漸由單參數(shù)、單一功能向多量值、多功能、綜合通用和便攜式方向發(fā)展。八十年代后隨著自動測試技術(shù)的發(fā)展，以VXI、PXI、PC等總線技術(shù)為基礎，以系列化、可開發(fā)性通用平臺為基本環(huán)境，以滿足全武器系統(tǒng)計量保障要求的機動性好、綜合性強、可靠性高、配套完備的計量綜合保障系統(tǒng)，已在導彈和其它大型裝備計量保障中發(fā)揮了重要作用。在國內(nèi)，計量標準設備的研制已從早期針對單參量計量要求，設計制造專用計量設備，轉(zhuǎn)向應用帶程控接口的通用臺式儀器以積木方式組成系統(tǒng)，或基于VXI、PXI、PC等總線針對特定測試對象集成小型計量測試系統(tǒng)。但由于計量標準設備所要求的技術(shù)特性與用于一般測試、測量工作的測試設備有所不同，因此，在應用總線技術(shù)開發(fā)計量標準設備或系統(tǒng)時還必須做大量技術(shù)工作，這里結(jié)合我們研制開發(fā)某型號導彈綜合計量檢定系統(tǒng)的具體實踐，談一談自己的體會。
計量標準（或測量標準）是開展計量工作的基礎和前提條件，其主要作用是利用其保持、復現(xiàn)量值基（標）準，傳遞準確量值。對軍事計量而言，不僅要在實驗室條件下進行傳統(tǒng)意義上的計量技術(shù)工作，還要執(zhí)行對武器裝備的現(xiàn)場隨行計量保障任務，因此，對用于武器裝備計量保障的計量標準設備或系統(tǒng)而言，總的要求是 “高于”被保障裝備技術(shù)性能、“寬于”被測量量值范圍，“精于”被校準儀器設備或系統(tǒng)準確度等級，從而通過嚴格的計量保障勤務達到有效保障的目的。
根據(jù)計量標準建立的通用性要求和誤差理論分析，計量標準相對于被檢對象而言，在覆蓋其被檢參數(shù)量程范圍的前提下，其準確度應滿足1/2--1/5的關系，過高則技術(shù)實現(xiàn)困難，建標成本加大，造成資源浪費；過低難以達到計量保障的目的。
自身穩(wěn)定性要求是計量標準的主要技術(shù)特性，武器裝備所要求的計量標準除實驗室條件下的開機重復性、短期和長期穩(wěn)定性、被檢裝備參量的相關性和系統(tǒng)狀態(tài)的適配性等技術(shù)指標之外，還必須考慮現(xiàn)場復雜環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。現(xiàn)場適用的環(huán)境條件如溫度、濕度、震動、電磁干擾等相對較寬；各種環(huán)境條件下的誤差判別、修正和測量不確定度的量化與評估難度加大。
大型武器裝備需保障裝備和綜合參量數(shù)量多，動態(tài)參數(shù)離散性、隨機性變化規(guī)律等難以掌握,單一類型參數(shù)、參量的計量保障中，往往伴隨著多個類型參量的影響和干擾，使保障結(jié)果的誤差分析變得相對復雜，往往一個系統(tǒng)需要對多個參量和綜合參數(shù)同時進行保障。例如在導彈武器系統(tǒng)保障中，涉及到無線電、電磁、質(zhì)量、壓力、長度、溫度、核幅射等許多類參數(shù)，在完成了分類參數(shù)的保障后，還必須對綜合測量設備以及綜合參數(shù)進行保障，以確保系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)和系統(tǒng)的最佳匹配。實際工作中，往往綜合性保障對實際狀態(tài)的判定和技術(shù)性能的掌握對使用者來說顯得更為重要。傳統(tǒng)的或?qū)嶒炇覘l件下的單參數(shù)計量標準對大型武器裝備現(xiàn)場計量保障所需設備數(shù)量多、保障效率低、過程復雜、時效性差，因此，必須針對裝備需要，建立“滿足裝備技術(shù)保障需求、滿足作戰(zhàn)保障要求”的綜合性、系統(tǒng)性強、便攜實用的計量標準。
綜合機動計量檢定系統(tǒng)是針對型號裝備研制開發(fā)的基于車基環(huán)境的專用測量標準系統(tǒng)。系統(tǒng)包括基于VXI總線技術(shù)開發(fā)的車基計量工作站和基于PC總線技術(shù)開發(fā)的便攜式通用檢定儀兩部分，覆蓋多個型號被檢裝備參量，滿足多型號裝備野外機動伴隨保障和平時現(xiàn)場巡檢綜合性計量保障要求，支持并行同時開展裝備綜合測試設備和單元測試設備的計量保障工作。
l 計量保障系統(tǒng)應滿足計量工作法制化管理和技術(shù)規(guī)范性要求，具備計量標準特質(zhì)和有效性認證考核的技術(shù)條件；
l 根據(jù)規(guī)劃任務，滿足“平時巡檢保障”和“戰(zhàn)時伴隨保障”要求；
l 滿足車載運輸和車基環(huán)境條件，適應規(guī)劃任務內(nèi)裝備快速計量保障要求；
l 具備可二次開發(fā)的通用性，以及根據(jù)對象和實際需要進行增減的模塊化設計，能夠?qū)崿F(xiàn)多型號武器裝備的“外特性保障”要求；
l 強化安全性設計，具有良好的可溯源性、可互換性、可靠性和可維修性；
l 具備信息處理和通信能力，能夠快速準確地分析和報告保障結(jié)果，適時反饋武器裝備的計量統(tǒng)計管理信息和輔助決策信息。
l 具有覆蓋規(guī)劃任務90%以上被檢裝備參數(shù)項目的計量標準資源，系統(tǒng)各參量測量不確定度滿足被檢裝備允許誤差極限1/3～1/5的計量技術(shù)要求；
l 滿足規(guī)定環(huán)境條件下的穩(wěn)定性指標和實驗大綱規(guī)定的各項例行試驗驗證要求；
l 計量標準資源的集成，能夠保證同類最高測量標準的唯一性，同類參量的等級在規(guī)劃設計中應充分考慮其傳遞或溯源關系；
l 以保障時效性、可靠性為目標，以“外特性”校準或檢定為主要手段，具備快速保障和原位保障能力，盡可能實現(xiàn)自動測量、介入式測量和數(shù)據(jù)自動采集、判讀、報告及歸檔要求。
車基計量工作站和便攜式檢定儀以測量過程控制方法和基于趨勢預測的測量過程控制模型為基礎，依據(jù)“通用硬件平臺+通用軟件平臺+專用轉(zhuǎn)接適配器+專用測試程序”的思路，建立綜合機動計量檢定系統(tǒng)。即以通用硬件平臺和軟件平臺構(gòu)建成通用自動化測試平臺基本型；分型號按被檢裝備保障要求配置專用轉(zhuǎn)接適配器和計量檢定測試程序，以適應多種型號、多類型儀器設備的檢定校驗需求；根據(jù)不同任務和保障需求，分別選擇或研制 “儀器級”模塊資源（VXI總線資源）和“板級”模塊資源（PC總線資源），構(gòu)建兩個層次的系統(tǒng)硬件平臺，并使系統(tǒng)具有可擴展、可重新配置的能力。
通用計量綜合保障系統(tǒng)的設計遵循以下諸原則：
l 遵循相關的國標、國軍標，參照相關的國際標準；
l 充分考慮軍事計量特點，確保系統(tǒng)既能滿足計量溯源要求，又能可靠、準確地實現(xiàn)量值傳遞；
l 按工程方法設計，始終貫徹可靠性、安全性、電磁兼容性、維修性諸設計原則；
l 車基系統(tǒng)和便攜式儀器相結(jié)合、集中式與分布式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以滿足軍事計量保障的機動性、時效性要求；
l 對于量值準確度要求較高、數(shù)量較少、復雜程度較大的的檢定對象，采用基于VXI、GPIB總線的綜合ATE（自動測試系統(tǒng)）平臺，既集中式車基計量工作站實施保障；對于量值準確度要求相對較低、數(shù)量較多的檢定對象，采用基于PC總線的便攜式檢定儀實施保障，以支持多工位并行工作，提高單位時間內(nèi)的保障效率；
l 采用現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)的設計方法，ATE平臺和TPS相對獨立開發(fā)，并充分考慮ATE平臺的通用性、可擴展性； ATE硬件平臺以滿足功能檢測與量值傳遞為前提，以硬、軟件優(yōu)化設計、優(yōu)化組合為手段，力爭獲得較高的性能/價格比。
車基計量工作站硬件平臺主要有控制計算機、VXI儀器、GPIB儀器、通用測試接口和自檢自校適配器組成。
網(wǎng)絡 被測設備UUT GPIB MXI-II 車基計量工作站硬件模塊配置 數(shù)字萬用表 多功能模塊 波形發(fā)生器 定時/計數(shù)器 開關資源 多產(chǎn)品校準器 數(shù)字示波器 高穩(wěn)時基 輔助設備 程控高功率信號源 程控高功率負載 其它輔助設備
計算機為加固型便攜式計算機，方便在車基平臺和地面工作；VXI儀器安裝在一個VXI機箱中；GPIB儀器作獨立儀器或上架組成系統(tǒng)；輔助設備為專門研制的程控可調(diào)負載和程控調(diào)壓器設備；通用測試接口固定在VXI機箱上，可靈活配置和擴展系統(tǒng)測試功能；自檢自校適配器用于系統(tǒng)自檢和量值傳遞。
通用測試接口采用6模塊的VP90 Reserver 框架，配置了5個VP90模塊，分別設置為普通資源模塊和射頻等待擴展資源模塊。
適配器主要用于系統(tǒng)硬件資源自檢自校和對被檢設備的連接，原設計分兩部分獨立實現(xiàn)，實際研制過程中為降低適配器（TUA）成本，對TUA的功能進行了優(yōu)化設計，將系統(tǒng)硬件資源自檢自校、內(nèi)部量傳，手動測試。精密電源檢定，通用儀器檢定和多個型號綜合測試設備檢定等多個功能用一個TUA實現(xiàn)。
便攜式通用檢定儀硬件平臺設計為更利于集成的可配置、可裁剪的通用型硬件平臺，其硬件資源分為基本資源、擴展資源和輔助設備三部分。基本資源由通用硬件資源構(gòu)成基本系統(tǒng)（最小系統(tǒng)）；擴展資源為針對不同檢定對象的專用測試模塊，輔助設備是用于交直流電源檢定的程控電源、程控功率負載。以基本系統(tǒng)為基礎，根據(jù)檢定對象的功能與指標，適當選擇擴展資源和輔助設備，構(gòu)成不同測試功能的硬件平臺。可配置硬件平臺模型如圖所示。
通用硬件平臺 ＝ 基本系統(tǒng) ＋ 擴展資源 ＋ 通用測試接口 ＋ 輔助資源 應用硬件平臺 ＝ 基本系統(tǒng) ＋ 擴展資源子集 ＋ 測試接口子集 ＋ 輔助資源子集 選用 可配置的便攜式通用檢定儀硬件平臺框圖 選用
基本系統(tǒng)組成框圖如圖所示。
擴 展 總 線 便攜式通用檢定儀機箱 液晶顯示器 PC-104總線 20路 隔離DO卡 (選配) 多路隔離放大模塊 基本直流電源 鍵盤、鼠標 擴展 總線 與 8路隔離DI 隔離數(shù)字I/O接口 計算機接口 便攜式檢定儀基本系統(tǒng)組成框圖 開關矩陣模塊
基本系統(tǒng)主要由嵌入式計算機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、定時/計數(shù)模塊、擴展板接口模塊、隔離數(shù)字I/O模塊、程控隔離放大模塊、10槽擴展總線底板、基本電源便攜式機箱等組成。
擴展模塊包括電壓/電流信號源模塊、電壓/電流測量模塊、高壓/高阻網(wǎng)路模塊、精密電阻網(wǎng)路模塊、頻率/脈寬測量模塊、升壓變壓器、搖表手柄旋轉(zhuǎn)控制模塊等。
通用軟件平臺按使用功能劃分，主要有資源配置與管理、自檢/自校與量傳、檢定程序開發(fā)、檢定程序運行管理、手動測試、報表生成與管理和用戶操作管理七個功能系統(tǒng)組成。
測試資源配置與管理系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)ATE物理層的模型表達及數(shù)據(jù)庫描述； ATE硬件系統(tǒng)的可重構(gòu)性、可擴展性和可互換性；ATE資源的儀器驅(qū)動層與物理層的分離；實現(xiàn)測試程序的可移植性；創(chuàng)建測控計算機、TPS、 ATE平臺資源相對獨立的環(huán)境；提供仿真調(diào)試功能，支持測試程序（TP）與ATE平臺的相對獨立開發(fā)、調(diào)試；實現(xiàn)部分功能的容錯、故障隔離與屏蔽等。
量值保證與管理軟件有系統(tǒng)檢查、量值傳遞、參數(shù)修正、系統(tǒng)考核、數(shù)據(jù)上傳和幫助五部分功能模塊組成，提供系統(tǒng)檢查、考核、內(nèi)部自校準和系統(tǒng)溯源功能，同時還提供系統(tǒng)內(nèi)部量值修正和預測功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的量值偏差修正和視情核查。
測試程序開發(fā)運行系統(tǒng)是針對導彈裝備計量檢定流程和使用人員設計的獨立子系統(tǒng)，主要有檢定程序管理、檢定任務管理、檢定程序運行三個功能模塊組成，主要用于TP的開發(fā)、調(diào)試和檢定任務的運行。該系統(tǒng)以圖形界面方式提供給用戶檢定程序的二次開發(fā)、調(diào)試、運行環(huán)境。在該系統(tǒng)下，用戶以填表格的方式編寫調(diào)試TPS，以面向信號的方式對底層測試資源進行操作，允許用戶仿真或?qū)嶋H執(zhí)行檢定任務，檢定結(jié)果保存在本機數(shù)據(jù)庫中。這一方式與讓用戶使用VB 或VC++語言調(diào)用儀器硬件驅(qū)動函數(shù)接口去編寫TPS的方式相比，具有簡單、易學、易用的特點，用戶只要清楚自己的測試流程即可編制并生成測試程序（TP）。
綜合機動計量檢定系統(tǒng)的研制開發(fā)，不僅提升了計量標準的技術(shù)水平，同時也為綜合計量保障體系的建立奠定了技術(shù)基礎，改變了主要依靠送檢和裝備現(xiàn)場離位檢定的計量保障方式。綜合計量保障體系以建立型號裝備通用資源硬件平臺和免編程軟件平臺為基礎，集成自動化綜合檢定系統(tǒng)，以適應多型號裝備的現(xiàn)場機動保障要求；適應現(xiàn)場和機動計量保障工作要求，基于車基環(huán)境系統(tǒng)構(gòu)建真正意義上的野外小型機動的計量站，從而為構(gòu)建起綜合計量保障體系奠定基礎。
綜合計量保障體系建立包括建立系統(tǒng)的核查標準和傳遞標準，用于系統(tǒng)自身的量值傳遞和測量過程控制；建立歷史記錄數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，方便對歷次計量檢定記錄查詢、驗證和分析；通過系統(tǒng)測量過程控制技術(shù)、系統(tǒng)量值漂移控制和誤差超限分析技術(shù)的綜合應用，建立測量過程統(tǒng)計控制模型和系統(tǒng)測量不確定度預測模型，用于準確、有效評判系統(tǒng)性能是否在控制范圍內(nèi)，以保證計量保障工作的有效性。
為實現(xiàn)計量標準特性要求，綜合機動計量檢定系統(tǒng)建立了系統(tǒng)核查標準和傳遞標準。傳遞標準向上溯源后，通過系統(tǒng)內(nèi)部自校準，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部量傳。由高穩(wěn)晶振、多產(chǎn)品校準器和示波器作為系統(tǒng)的電學低頻、高頻信號的傳遞標準（參考標準），由數(shù)字萬用表、高穩(wěn)定時計數(shù)器作為核查標準，監(jiān)控系統(tǒng)的性能。
依據(jù)標準ISO10012-2建立測量過程控制方案，根據(jù)方案確定系統(tǒng)受控評定模型，監(jiān)控系統(tǒng)量值漂移，量值離散指標是否受控。系統(tǒng)測量過程控制方案模型如圖所示。
綜合計量檢定系統(tǒng)是在對計量保障對象多年保障實踐基礎上，以大量歷史保障數(shù)據(jù)的積累、分析和反復的試驗驗證結(jié)果等第一手資料為技術(shù)依據(jù)研制完成的。在規(guī)劃設計和實現(xiàn)過程中，充分考慮了不同資源在綜合環(huán)境下對測量不確定度產(chǎn)生影響因素，如信號轉(zhuǎn)接、切換、隔離和調(diào)理的影響；使用環(huán)境的影響；測試控制過程與數(shù)據(jù)處理的影響等，從而保證了標準系統(tǒng)的測量不確定度在受控限值范圍內(nèi)。
根據(jù)裝備計量保障需求，綜合分析系統(tǒng)集成要求，以高穩(wěn)定性貨架產(chǎn)品、組件和自研組件、模塊為基礎，確定ATE集成的邏輯關系和信號通路，設計無源適配器，通過功能組件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、物理加固和防護處理，完成ATE平臺集成。
根據(jù)系統(tǒng)配置，建立系統(tǒng)自檢、自校準模型，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化功能、性能檢測和系統(tǒng)的自動化計量；通過系統(tǒng)自檢自校，建立平臺自身的核查結(jié)果數(shù)據(jù)庫。在計量檢定現(xiàn)場，通過系統(tǒng)自校準和測量過程控制，核查平臺性能是否滿足要求，以此作為評判該次計量過程是否有效的依據(jù)。
構(gòu)建硬件資源全開放式結(jié)構(gòu)，即硬件平臺所有資源的全部引出線直接連接到通用測試接口，并通過無源接口適配器對硬件資源進行配置。硬件資源全開放式結(jié)構(gòu)使得硬件資源的 “集成”和“裁減”更加方便，有利于資源的配置和整合，有利于系統(tǒng)的二次開發(fā)和利用。
通用測試接口適配器設計開發(fā)采用標準的ITA-ICA連接方式，設計開發(fā)無源接口適配器，最大限度地適應“多型號通用”要求，實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)接與通用測試接口二項功能。一方面可大大減小適配器的體積，便于系統(tǒng)與被檢對象的連接；另一方面物理連接方式，穩(wěn)定可靠，減少了引入系統(tǒng)誤差的環(huán)節(jié)，保證了計量檢定的準確性和可靠性；再則，接口適配器的設計和研制工作更為簡單，便于針對其他型號裝備進行接口適配器的二次開發(fā)，增強了系統(tǒng)再開發(fā)功能。
軟件平臺采用系統(tǒng)資源管理技術(shù)，提供一個系統(tǒng)硬件資源管理器，對硬件平臺所有儀器、設備的驅(qū)動程序進行封裝，實現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理、調(diào)度。
軟件平臺提供一個檢定程序免編程開發(fā)環(huán)境，包括提供一組面向信號硬件資源調(diào)用命令和一組包括跳轉(zhuǎn)、循環(huán)、判跳，時鐘等的測試流程控制命令；提供一個常用的數(shù)據(jù)處理軟件包和一個數(shù)據(jù)處理公式編輯器，用戶可以自定義數(shù)據(jù)處理公式，直接嵌入到測試程序中；提供填表形式的免編程開發(fā)環(huán)境，用戶僅需在一個友好的交互式環(huán)境下描述檢定任務需求，通過 “填表形式”即可完成檢定程序的開發(fā)；提供檢定程序仿真運行機制，以交互形式進行檢定程序的查錯、排錯。
軟件平臺提供計量標準系統(tǒng)資源的優(yōu)化配置模型，對新的計量保障任務需求，適時提供可利用的最優(yōu)化資源選取目錄；提供基于試驗、歷史記錄統(tǒng)計分析為基礎的量值補償、修正“經(jīng)驗”數(shù)學模型庫，以方便用戶在不同環(huán)境條件下，實現(xiàn)更加精確的計量檢定。
綜合計量檢定系統(tǒng)是采用先進的總線技術(shù)，運用系統(tǒng)工程技術(shù)方法組織完成的綜合性計量保障裝備。系統(tǒng)可靠性要求高、技術(shù)集成復雜、研制難度大，因此，研制過程中必須首先做好前期總體的論證和預研等基礎工作。前期論證主要明確“保什么”、“保到什么程度”、“誰來保”即需求和要求等問題；前期預研工作主要確定“怎樣保”、“用什么保”、“能不能保”即保障方式、實現(xiàn)途徑和保障效果等問題，在此基礎上明確總體技術(shù)指標和要求，確定研制技術(shù)思路。
分系統(tǒng)設計和實現(xiàn)是關鍵環(huán)節(jié)。作為計量標準系統(tǒng)，自身穩(wěn)定性和抗“干擾”能力、量值的可溯源性和傳遞過程的準確性、可靠性是計量保障設備區(qū)別于一般自動測試設備的關鍵。為保證整個系統(tǒng)準確度滿足要求，采用科學的統(tǒng)計方法對不確定度進行預測，對于測量過程進行建模修正，保證量值的準確性是系統(tǒng)設計的必然要求。實現(xiàn)過程中要堅決貫徹總體思路和要求，充分考慮計量標準的特性要求，認真分析關鍵技術(shù)和難點，明確系統(tǒng)界面和最終成果形式，避免途徑過于寬泛、實現(xiàn)過于隨意的問題。
抓好階段性成果驗收和試驗驗證工作。階段性成果驗收要認真分析技術(shù)實現(xiàn)冗余，強化功能實現(xiàn)要求，確定指標實現(xiàn)情況，明確技術(shù)工藝標準；試驗驗證要充分，嚴格標準和條件，以此為基礎，進一步優(yōu)化設計、改進工藝，提高研制工作質(zhì)量，搞好整體系統(tǒng)集成。
