總線技術在計量標準系統開發中的應用
第二炮兵計量站 高邱峰 王拂為 劉濤 莊建華
在現代軍事計量領域，綜合參數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，西方發達國家開始重視軍事裝備現場計量校準技術，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，現場計量校準設備也逐漸由單參數、單一功能向多量值、多功能、綜合通用和便攜式方向發展。八十年代后隨著自動測試技術的發展，以VXI、PXI、PC等總線技術為基礎，以系列化、可開發性通用平臺為基本環境，以滿足全武器系統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，已在導彈和其它大型裝備計量保障中發揮了重要作用。在國內，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，轉向應用帶程控接口的通用臺式儀器以積木方式組成系統，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。但由于計量標準設備所要求的技術特性與用于一般測試、測量工作的測試設備有所不同，因此，在應用總線技術開發計量標準設備或系統時還必須做大量技術工作，這里結合我們研制開發某型號導彈綜合計量檢定系統的具體實踐，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意義上的計量技術工作，還要執行對武器裝備的現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而言，總的要求是 “高于”被保障裝備技術性能、“寬于”被測量量值范圍，“精于”被校準儀器設備或系統準確度等級，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，過高則技術實現困難，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。
自身穩定性要求是計量標準的主要技術特性，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、短期和長期穩定性、被檢裝備參量的相關性和系統狀態的適配性等技術指標之外，還必須考慮現場復雜環境條件下的穩定性。現場適用的環境條件如溫度、濕度、震動、電磁干擾等相對較寬；各種環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量多，動態參數離散性、隨機性變化規律等難以掌握,單一類型參數、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，使保障結果的誤差分析變得相對復雜，往往一個系統需要對多個參量和綜合參數同時進行保障。例如在導彈武器系統保障中，涉及到無線電、電磁、質量、壓力、長度、溫度、核幅射等許多類參數，在完成了分類參數的保障后，還必須對綜合測量設備以及綜合參數進行保障，以確保系統處于最佳狀態和系統的最佳匹配。實際工作中，往往綜合性保障對實際狀態的判定和技術性能的掌握對使用者來說顯得更為重要。傳統的或實驗室條件下的單參數計量標準對大型武器裝備現場計量保障所需設備數量多、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“滿足裝備技術保障需求、滿足作戰保障要求”的綜合性、系統性強、便攜實用的計量標準。
綜合機動計量檢定系統是針對型號裝備研制開發的基于車基環境的專用測量標準系統。系統包括基于VXI總線技術開發的車基計量工作站和基于PC總線技術開發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 計量保障系統應滿足計量工作法制化管理和技術規范性要求，具備計量標準特質和有效性認證考核的技術條件；
l 根據規劃任務，滿足“平時巡檢保障”和“戰時伴隨保障”要求；
l 滿足車載運輸和車基環境條件，適應規劃任務內裝備快速計量保障要求；
l 具備可二次開發的通用性，以及根據對象和實際需要進行增減的模塊化設計，能夠實現多型號武器裝備的“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果，適時反饋武器裝備的計量統計管理信息和輔助決策信息。
l 具有覆蓋規劃任務90%以上被檢裝備參數項目的計量標準資源，系統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的計量技術要求；
l 滿足規定環境條件下的穩定性指標和實驗大綱規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，盡可能實現自動測量、介入式測量和數據自動采集、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“通用硬件平臺+通用軟件平臺+專用轉接適配器+專用測試程序”的思路，建立綜合機動計量檢定系統。即以通用硬件平臺和軟件平臺構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），構建兩個層次的系統硬件平臺，并使系統具有可擴展、可重新配置的能力。
通用計量綜合保障系統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，確保系統既能滿足計量溯源要求，又能可靠、準確地實現量值傳遞；
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 車基系統和便攜式儀器相結合、集中式與分布式結構相結合，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）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，提高單位時間內的保障效率；
l 采用現代自動測試系統的設計方法，ATE平臺和TPS相對獨立開發，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、軟件優化設計、優化組合為手段，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。
網絡 被測設備UUT GPIB MXI-II 車基計量工作站硬件模塊配置 數字萬用表 多功能模塊 波形發生器 定時/計數器 開關資源 多產品校準器 數字示波器 高穩時基 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；輔助設備為專門研制的程控可調負載和程控調壓器設備；通用測試接口固定在VXI機箱上，可靈活配置和擴展系統測試功能；自檢自校適配器用于系統自檢和量值傳遞。
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，實際研制過程中為降低適配器（TUA）成本，對TUA的功能進行了優化設計，將系統硬件資源自檢自校、內部量傳，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。
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成基本系統（最小系統）；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。以基本系統為基礎，根據檢定對象的功能與指標，適當選擇擴展資源和輔助設備，構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 ＋ 擴展資源 ＋ 通用測試接口 ＋ 輔助資源 應用硬件平臺 ＝ 基本系統 ＋ 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 隔離數字I/O接口 計算機接口 便攜式檢定儀基本系統組成框圖 開關矩陣模塊
基本系統主要由嵌入式計算機系統、數據采集模塊、定時/計數模塊、擴展板接口模塊、隔離數字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/高阻網路模塊、精密電阻網路模塊、頻率/脈寬測量模塊、升壓變壓器、搖表手柄旋轉控制模塊等。
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、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組成。
測試資源配置與管理系統主要功能是實現ATE物理層的模型表達及數據庫描述； ATE硬件系統的可重構性、可擴展性和可互換性；ATE資源的儀器驅動層與物理層的分離；實現測試程序的可移植性；創建測控計算機、TPS、 ATE平臺資源相對獨立的環境；提供仿真調試功能，支持測試程序（TP）與ATE平臺的相對獨立開發、調試；實現部分功能的容錯、故障隔離與屏蔽等。
量值保證與管理軟件有系統檢查、量值傳遞、參數修正、系統考核、數據上傳和幫助五部分功能模塊組成，提供系統檢查、考核、內部自校準和系統溯源功能，同時還提供系統內部量值修正和預測功能，實現系統的量值偏差修正和視情核查。
測試程序開發運行系統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，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、調試和檢定任務的運行。該系統以圖形界面方式提供給用戶檢定程序的二次開發、調試、運行環境。在該系統下，用戶以填表格的方式編寫調試TPS，以面向信號的方式對底層測試資源進行操作，允許用戶仿真或實際執行檢定任務，檢定結果保存在本機數據庫中。這一方式與讓用戶使用VB 或VC++語言調用儀器硬件驅動函數接口去編寫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的研制開發，不僅提升了計量標準的技術水平，同時也為綜合計量保障體系的建立奠定了技術基礎，改變了主要依靠送檢和裝備現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，以適應多型號裝備的現場機動保障要求；適應現場和機動計量保障工作要求，基于車基環境系統構建真正意義上的野外小型機動的計量站，從而為構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的核查標準和傳遞標準，用于系統自身的量值傳遞和測量過程控制；建立歷史記錄數據庫管理系統，方便對歷次計量檢定記錄查詢、驗證和分析；通過系統測量過程控制技術、系統量值漂移控制和誤差超限分析技術的綜合應用，建立測量過程統計控制模型和系統測量不確定度預測模型，用于準確、有效評判系統性能是否在控制范圍內，以保證計量保障工作的有效性。
為實現計量標準特性要求，綜合機動計量檢定系統建立了系統核查標準和傳遞標準。傳遞標準向上溯源后，通過系統內部自校準，實現系統內部量傳。由高穩晶振、多產品校準器和示波器作為系統的電學低頻、高頻信號的傳遞標準（參考標準），由數字萬用表、高穩定時計數器作為核查標準，監控系統的性能。
依據標準ISO10012-2建立測量過程控制方案，根據方案確定系統受控評定模型，監控系統量值漂移，量值離散指標是否受控。系統測量過程控制方案模型如圖所示。
綜合計量檢定系統是在對計量保障對象多年保障實踐基礎上，以大量歷史保障數據的積累、分析和反復的試驗驗證結果等第一手資料為技術依據研制完成的。在規劃設計和實現過程中，充分考慮了不同資源在綜合環境下對測量不確定度產生影響因素，如信號轉接、切換、隔離和調理的影響；使用環境的影響；測試控制過程與數據處理的影響等，從而保證了標準系統的測量不確定度在受控限值范圍內。
根據裝備計量保障需求，綜合分析系統集成要求，以高穩定性貨架產品、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的結構優化設計、物理加固和防護處理，完成ATE平臺集成。
根據系統配置，建立系統自檢、自校準模型，實現系統的自動化功能、性能檢測和系統的自動化計量；通過系統自檢自校，建立平臺自身的核查結果數據庫。在計量檢定現場，通過系統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。
構建硬件資源全開放式結構，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構使得硬件資源的 “集成”和“裁減”更加方便，有利于資源的配置和整合，有利于系統的二次開發和利用。
通用測試接口適配器設計開發采用標準的ITA-ICA連接方式，設計開發無源接口適配器，最大限度地適應“多型號通用”要求，實現信號轉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，便于系統與被檢對象的連接；另一方面物理連接方式，穩定可靠，減少了引入系統誤差的環節，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，增強了系統再開發功能。
軟件平臺采用系統資源管理技術，提供一個系統硬件資源管理器，對硬件平臺所有儀器、設備的驅動程序進行封裝，實現資源的統一管理、調度。
軟件平臺提供一個檢定程序免編程開發環境，包括提供一組面向信號硬件資源調用命令和一組包括跳轉、循環、判跳，時鐘等的測試流程控制命令；提供一個常用的數據處理軟件包和一個數據處理公式編輯器，用戶可以自定義數據處理公式，直接嵌入到測試程序中；提供填表形式的免編程開發環境，用戶僅需在一個友好的交互式環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；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資源的優化配置模型，對新的計量保障任務需求，適時提供可利用的最優化資源選取目錄；提供基于試驗、歷史記錄統計分析為基礎的量值補償、修正“經驗”數學模型庫，以方便用戶在不同環境條件下，實現更加精確的計量檢定。
綜合計量檢定系統是采用先進的總線技術，運用系統工程技術方法組織完成的綜合性計量保障裝備。系統可靠性要求高、技術集成復雜、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、實現途徑和保障效果等問題，在此基礎上明確總體技術指標和要求，確定研制技術思路。
分系統設計和實現是關鍵環節。作為計量標準系統，自身穩定性和抗“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別于一般自動測試設備的關鍵。為保證整個系統準確度滿足要求，采用科學的統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設計的必然要求。實現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，認真分析關鍵技術和難點，明確系統界面和最終成果形式，避免途徑過于寬泛、實現過于隨意的問題。
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實現冗余，強化功能實現要求，確定指標實現情況，明確技術工藝標準；試驗驗證要充分，嚴格標準和條件，以此為基礎，進一步優化設計、改進工藝，提高研制工作質量，搞好整體系統集成。
