基于PXI的便携式电台综合测试仪设计

刘书萌，吴 晖，冯国兵，周 林，张 鹏

(中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

多年来，国内外仪器厂商推出了各种无线电综合测试仪。国外典型的有HP公司的HP8920综合测试仪、Rohde & Schwarz公司的CMS52综合测试仪、Astronics公司的CTS-6000系列综合测试仪。国内典型的有成都766厂的AH-5403C综合测试仪、中电41所的AV4945和AV4992A综合测试仪[1]。上述这些综合测试设备主要面向通信终端各参数的手动逐步测试，自动化程度较低，且大都不具备二次开发能力，个别型号虽然可以二次开发，但开发步骤繁琐，实用性差，智能化、适应性、深度测试诊断能力不足。

针对现代通信测试的新要求，本文设计了一种基于PXI总线技术的便携式电台综合测试仪，该设备综合集成通用虚拟仪器、一键测试、流程开发与测试、装备管理、故障诊断和故障预测等多种测试功能于一体，采用加固式一体机结构，具备标准化、模块化、组合化的特点，实现了对短波、超短波通信装备的便携式智能维修保障。

1 硬件系统设计

本文设计的综合测试仪采用标准的PXI总线，PXI背板定制化设计为3行×6列共18槽位，根据应用场合不同，测试平台可搭配不同功能的模块，实现频率、功率、灵敏度等性能参数的测试测量[2]。

1.1 硬件架构

综合测试仪硬件方案主要由人机接口设备、PXI嵌入式控制器、仪器背板、测试功能模块、电源、机箱等六部分组成，如图1所示。

(1)人机接口设备：包含显示屏、键盘/触摸板和触摸屏三部分。

(2)PXI嵌入式控制器：是综合测试仪的核心，用于实现模块资源的管理、工作流程的控制和测试数据的分析处理等。

图1 系统硬件架构图

(3)仪器背板：实现综合测试仪控制器和测试板卡的固定，并完成板卡之间的高速通信。

(4)测试功能模块：是综合测试仪各种测试功能的主要实现者。

(5)电源：为综合测试仪提供所需电源。

(6)机箱：综合测试仪的物理结构。

1.2 便携式结构设计

机箱主要有显示屏(带触摸屏)、风扇、外部接口、PXI机笼、键盘(带触摸板)、框架、把手、底板等组成，如图2所示。

图2 机箱组成图

PXI机箱采用一体化加固式笔记本结构，风道设计为左侧入风、右侧出风的形式。为减轻重量，机箱采用铝制材料，并对非承重部位进行铣薄处理，既保证轻便，又不影响结构的稳固性。同时，尽可能地减小机箱体积，提高便携性以适用于野外通信设备测控作业应用场合。

2 软件系统设计

综合测试仪软件在Visual Studio 2012下采用C#进行开发，软件运行于嵌入式控制器中，可自动完成多种型号通信装备的测试。

2.1 软件架构

考虑通信设备综合测试和维修保障的实用性、便捷性要求，采用标准化、模块化、组合化测试原理实现虚拟仪器、一键测试、流程测试、装备管理等软件功能模块[3]。系统软件架构框图如图3所示。

图3 系统软件架构框图

首先是系统登录，设置安全登录功能，分角色设置用户权限。用户登录成功后，主菜单设有系统平台简介、虚拟仪器、装备管理、一键测试、流程测试与系统退出等功能。

(1) 系统平台简介：对综合测试仪的组成、功能特点以及使用说明进行简单介绍。

(2) 虚拟仪器：包括万用表、示波器、功率计、频率计、音频仪、射频信号源、射频分析仪等。

(3) 装备管理：多种型号通信装备的完整测试流程封装在其中，可进行通信装备的流程测试、故障诊断、故障预测、维修保障与数据管理。

(4) 一键测试：日常测试中个别收发终端发射机或接收机的测试。

(5) 流程测试：提供基于函数解析的可视化流程开发及测试功能。

(6) 系统退出：退出软件。

2.2 软件设计思想

为实现软件开发的同步性，提高软件的可移植性，设计采用视图、控制逻辑、模块驱动等三类任务分离的思想[4]。视图的任务一方面是将控制逻辑任务上传的数据接收并呈现给用户，另一方面接收用户的请求，并把请求下发给控制逻辑任务进行处理；控制逻辑的任务一方面是处理视图任务下发的请求，控制驱动函数的执行，另一方面把模块驱动返回的测量信息发送给视图任务进行显示；模块驱动的任务是执行控制驱动函数的调度，实现对功能模块的控制和测量结果的上传。三类任务间的接口通过在公共类中定义全局变量的方式实现。

2.3 关键功能设计

流程测试和故障诊断与预测是本文设计的综合测试仪的两项关键功能，同时也是它有别于市场上同类产品的创新之处。流程测试功能满足了用户自主定制通信装备测试流程进而完成自动测试的需要。故障诊断与预测功能使装备“视情维修”成为可能，大大提高了面向通信装备的深度测试诊断能力和智能维修保障能力[5]。

2.3.1流程测试

流程测试是综合测试仪的一项重要功能，包含流程开发和流程执行两种模式[6]。流程开发模式下，用户可以针对新型装备的特点自主开发设备测试项；流程执行模式下，用户可选择需要的测试流程进行测试，测试模式包括连续和单步两种。对于全部测试项均合格的被测装备，综合测试仪会将故障预测算法生成的预测信息同步提示给用户，以便用户执行后续预防操作；对于测试不合格的装备，综合测试仪会针对不合格项进行自动故障隔离定位，并生成维修决策建议给用户，提高装备的维修效率。当流程执行结束时，用户可根据需要进行的流程测试结果保存、报表生成及打印、将测试流程添加至装备管理等操作。测试流程开发与执行的具体流程图如图4所示。

图4 流程开发与执行

2.3.2故障诊断与预测

本文设计的综合测试仪综合运用各种决策支持技术和人工智能技术，将通信设备的性能测试与故障诊断、故障预测结合起来，能够及时、正确地对被测设备的健康状况做出反映，提高装备运行的可靠性、安全性和有效性，把故障损失降低到最低水平[7]。这一功能不仅有利于把维护人员的经验和知识加以系统化，形成故障诊断与预测专家系统的知识库，也有利于故障诊断与预测知识的积累和扩大，有利于更好地为各类通信设备提供作战综合保障。

(1) 故障诊断模块

智能故障诊断系统是一种新型的结构化专家系统，采用了人工智能技术，集成了规则与模型两种知识表达方法，包含知识管理、推理机以及状态显示与发布等部分，程序结构如图5所示。

图5 故障诊断程序结构

其中，知识管理工具以历史数据库中的数据、专家知识以及规则等创建适应通信装备测试参数的故障规则库和模型库。软件以实时不合格测试项的数据为激励信号，启动推理过程后，根据不同数据源由算法控制程序选择加载规则诊断推理流程或者模型诊断推理流程。推理引擎通过推理导出的诊断结果经解释器解释后，一方面在人机界面展示并定位到装备故障位置，另一方面保存到历史数据库中。

(2) 故障预测模块

对于所有测试项均合格的通信装备，软件可进一步结合设备历史数据，建立被测通信设备的性能衰退评估模型，完成剩余寿命预测，提出预测性维修报告显示给用户以供参考，该模块程序结构如图6所示。

在接收测试数据之前，用户可以对预测程序的信息进行配置，并通过定时或人工的方式对预测方法模型进行训练修正。之后软件开始接收实时测试数据或历史测试数据。接收数据后对数据进行预处理，剔除野值，或提供特定时间间隔的数据。下一步根据预测模型进行实时预测，并参照国军标中的要求，形成设备的健康度评估和寿命评估，最后将预测信息提示实时显示给用户，并将预测关键节点日志存储到文件中。本文设计的故障预测方法包括：一是经过训练的对象外挂预测模型；二是基于时间序列平滑预测的AR、ARMA模型；三是基于趋势外推的曲线拟合、最近邻等[8]。

图6 故障预测程序结构

3 实验与分析

通过上述软硬件设计，研制出的便携式电台综合测试仪具备通用虚拟仪器、一键测试、流程开发与测试、装备管理、故障诊断与预测等多种测试功能，且结构轻便，是一套非常适合于野外通信装备测试作业和多种复杂设备混装测试的智能化仪器。该综合测试仪在电子六所内完成了所有指标的验收测试，其性能指标和Rohde & Schwarz公司的CMS52综合测试仪的对照如表1所示[9]。

表1 本产品和R&S® CMS52比较

4 结论

本文所设计的便携式电台综合测试仪，是针对现代通信装备测试需求提出的一种综合性的智能维修保障设备。通过对设备软硬件系统和便携结构的合理设计，使该设计方案有整体小型化、易于升级和可重新配置等特点的同时，集成了通用虚拟仪器、一键测试、流程开发与测试、装备管理、故障诊断和故障预测等多种测试功能，解决了目前测试中需要多台测试仪器、测试成本高、携带和使用不方便、无法快速进行故障查找和测试等缺陷。研制的实验样机可检测频率范围为1 MHz～3 GHz，各项功能及性能指标经测试均满足要求，在通信装备的测试维修领域有很好的应用前景。