軍用測(cè)量/測(cè)試設(shè)備將向通用、靈活方向發(fā)

2004年11月A版

    目前，芯片與總線的尺寸越來(lái)越小、傳輸速度越來(lái)越快，這給軍事電子系統(tǒng)與裝備測(cè)試帶來(lái)不小的麻煩。為了與最新的亞微米電路技術(shù)保持同步，測(cè)試與測(cè)量設(shè)備技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
    在2003年3月美國(guó)總審計(jì)署(GAO)發(fā)表《美國(guó)國(guó)防部需要更好地管理自動(dòng)測(cè)試設(shè)備現(xiàn)代化》報(bào)告后，美國(guó)國(guó)防部更加重視通用及靈活測(cè)試設(shè)備的開(kāi)發(fā)與使用。為了降低成本，五角大樓計(jì)劃者正試圖通過(guò)采購(gòu)?fù)ㄓ谩㈧`活的測(cè)試設(shè)備，取代目前正在使用的400多種不同類(lèi)型的軍事與航空測(cè)試設(shè)備。為盡快同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)，測(cè)試設(shè)備制造商們正致力于PXI波形因數(shù)和綜合儀器等測(cè)試新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

亞微米電路給測(cè)量設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)
    最近幾年，為了提高密度，芯片工藝已從130納米縮小到90納米、甚至65納米。隨著集成電路尺寸的縮小，查找芯片故障也越來(lái)越困難。因?yàn)橥蟪叽缂呻娐窚y(cè)試相比，工程人員必須多測(cè)試20~30次才能發(fā)現(xiàn)小尺寸芯片的故障，這既增加了成本，又浪費(fèi)了時(shí)間；同時(shí)，這些復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)使門(mén)引線比更高，這樣，采用傳統(tǒng)的掃描測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，帶寬將受到限制。因此，制造商們正在努力開(kāi)發(fā)技術(shù)，以使測(cè)試和測(cè)量設(shè)備跟上時(shí)代的步伐。
    其中一個(gè)方案是明導(dǎo)國(guó)際公司的TestKompress嵌入式確定性測(cè)試工具。與現(xiàn)在的掃描和自動(dòng)化測(cè)試模式生成(ATPG)方法相比，它使用嵌入式確定性(EDT)與壓縮技術(shù)，既減小了測(cè)試數(shù)據(jù)量，又縮短了測(cè)試時(shí)間。其軟件還能為確定性ATGP生成壓縮測(cè)試模式。
明導(dǎo)國(guó)際公司認(rèn)為：我們能夠壓縮該操作，因?yàn)槲覀兊挠布?、軟件的結(jié)合恰到好處。我們存儲(chǔ)的測(cè)試模式較少，僅為全部模式的1%。芯片上的硬件能夠生成其它測(cè)試模式，用于激勵(lì)和響應(yīng)模式，然后在傳輸過(guò)程中再一次壓縮數(shù)據(jù)。硬件方面，系統(tǒng)將把該信號(hào)同預(yù)計(jì)的響應(yīng)進(jìn)行比較。
    例如，在實(shí)速測(cè)試中，用戶要測(cè)試由于電線阻抗引起的微小速度變化。實(shí)速測(cè)試中最常見(jiàn)的類(lèi)型是躍遷模型，即慢上升和慢下降兩種類(lèi)型。在最新、最小尺寸芯片的躍遷模型中，用戶將測(cè)試到更多阻抗引起的故障。當(dāng)芯片由180納米減少到130納米時(shí)，用戶會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)速故障將增加12~20次，因?yàn)槌叽邕@么小的芯片將帶來(lái)以下三個(gè)問(wèn)題：互連密度太高；芯片材料出現(xiàn)故障；在10層以上電路中對(duì)位偏差時(shí)常發(fā)生。
    工程人員也進(jìn)行固定測(cè)試。與實(shí)速測(cè)試相比，這種測(cè)試要求更多的數(shù)據(jù)輸入和輸出芯片；對(duì)更高精度的測(cè)試來(lái)說(shuō)，帶寬比速度更重要。
    在芯片的其它地方，縮小特征尺寸也會(huì)導(dǎo)致嵌入式缺陷。采用常規(guī)的BIST(內(nèi)建自測(cè)試)方法很難發(fā)現(xiàn)這些故障，因此，明導(dǎo)國(guó)際公司推出了MBIST(存儲(chǔ)器內(nèi)建自測(cè)試)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，用于測(cè)試90納米以下的芯片。

PXI技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯
    測(cè)試和測(cè)量技術(shù)的規(guī)則總是要求一些折衷方案。國(guó)家儀器公司PXI產(chǎn)品有關(guān)人士認(rèn)為：現(xiàn)在，這些規(guī)則正在改變。國(guó)家儀器公司測(cè)試硬件采樣率-分辨率進(jìn)展圖表明：今天的用戶可以同時(shí)擁有更高的采樣速率及更準(zhǔn)確的分辨率
    該公司的NI PXI-5670是一個(gè)2.7 GHz 射頻向量信號(hào)發(fā)生器，提供16位分辨率，100MS/s采樣速率，支持256MB內(nèi)存以及22 MHz帶寬。
    新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)將繼續(xù)縮小尺寸。用戶已經(jīng)越來(lái)越多地采用基于PXI的產(chǎn)品。PXI是儀器PCI extensions的縮寫(xiě)，是一個(gè)小型模塊化儀器平臺(tái)，比PCI尺寸更小、速度更快。PXI是由PXI系統(tǒng)聯(lián)盟管理的一種開(kāi)放式規(guī)范，其定義為加固型、基于Compact PCI平臺(tái)，使測(cè)試、測(cè)量及控制最優(yōu)化。PXI產(chǎn)品不僅與廣泛使用的CompactPCI工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)兼容，還有其他特性：環(huán)境規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)軟件、內(nèi)部計(jì)時(shí)與同步。
    例如，洛克希德•馬丁航空公司的工程人員在F-35“聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)”上進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試時(shí)，用基于PXI的測(cè)量硬件及軟件的數(shù)據(jù)采集工具取代基于VME的系統(tǒng)，結(jié)果，使通道密度增加一倍，測(cè)試速度提高80倍。
    在對(duì)F-35渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)力測(cè)試時(shí)，測(cè)試人員使用國(guó)家儀器公司的LabVIEW實(shí)時(shí)軟件以及G系統(tǒng)公司16種基于PXI的信號(hào)采集模塊。在128個(gè)通道測(cè)量氣壓時(shí)，采樣速率2萬(wàn)次/秒，每50毫秒運(yùn)行450000個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算。
    另外，ManTech國(guó)際公司工程人員最近為美國(guó)空軍LANTIRN(夜間低空導(dǎo)航和紅外線瞄準(zhǔn))吊艙測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。擯棄了VME系統(tǒng)，采用基于PXI的計(jì)算，不僅使測(cè)試設(shè)備機(jī)架由7個(gè)減至3個(gè)，而且降低了成本和維護(hù)費(fèi)用，還縮短了部署時(shí)間。
    目前，存儲(chǔ)器供應(yīng)商Conduant公司也提供PXI數(shù)據(jù)采集的存儲(chǔ)器，支持多達(dá)8個(gè)串行ATA硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。這樣，工程人員在進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量時(shí)可以更好地記錄數(shù)據(jù)。使用Conduant公司的StreamStor PXI-808實(shí)時(shí)記錄與回放硬盤(pán)控制器以及Big River DM4 1U支架安裝底盤(pán)，臺(tái)式儀器能記錄200MB/s的數(shù)據(jù)。
    Conduant公司的生產(chǎn)線已經(jīng)擴(kuò)展，支持PXI總線結(jié)構(gòu)，可以為用戶提供較高配置和可靠的解決方案，數(shù)據(jù)速率高達(dá)200MB/s，是目前最快的。這為32位產(chǎn)品用戶提供更高的性價(jià)比，而且性能明顯提高。
    Symmetricom公司也經(jīng)歷了從VXI到PCI或PXI的變化。該公司向自動(dòng)測(cè)試設(shè)備制造商出售時(shí)間和頻率基準(zhǔn)。精確的定時(shí)對(duì)測(cè)試精度至關(guān)重要。因?yàn)槎〞r(shí)能夠使工程師對(duì)雷達(dá)、通信、遙測(cè)、航空電子設(shè)備以及航線測(cè)試等設(shè)備中元器件保持同步。此外，還可利用定時(shí)測(cè)試每組元器件的性能，如放大器增益等。
    Symmetricom公司提供三種類(lèi)型的定時(shí)系統(tǒng)，都是從銫、銣或石英元素的原子振蕩中產(chǎn)生精確計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)。銣?zhǔn)乾F(xiàn)在最流行的，因?yàn)槠溟L(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于石英，成本低于銫。由于它啟動(dòng)速度快(在30分鐘內(nèi)達(dá)到指定性能)，穩(wěn)定性好，所以更適合航母飛行甲板上使用的測(cè)試設(shè)備。Symmetricom公司設(shè)計(jì)人員將在一年內(nèi)推出PCI產(chǎn)品，該產(chǎn)品將比VXI產(chǎn)品更快、更便宜、更靈活。

測(cè)試設(shè)備通用性需求
    GAO的《美國(guó)國(guó)防部需要更好地管理自動(dòng)測(cè)試設(shè)備現(xiàn)代化》報(bào)告對(duì)軍用測(cè)試設(shè)備的發(fā)展具有重要影響。
   GAO調(diào)查人員透露，美國(guó)國(guó)防部技術(shù)人員使用400多種不同類(lèi)型的測(cè)試設(shè)備，檢測(cè)在航空電子設(shè)備和武器系統(tǒng)元器件中存在的問(wèn)題。在1980年到1992年期間，美國(guó)國(guó)防部耗資500多億美元用于采購(gòu)和支持測(cè)試設(shè)備，雖然測(cè)試設(shè)備種類(lèi)繁多，但每種儀器僅能測(cè)試一種設(shè)備。
    報(bào)告指出，美國(guó)海軍在1990年至2002年間用于采購(gòu)測(cè)試設(shè)備的資金為15億美元，計(jì)劃2007年以前經(jīng)費(fèi)還要增加，其中，4.3億美元用于采購(gòu)測(cè)試設(shè)備，3.84億美元用于設(shè)備維護(hù)和升級(jí)，3.84億美元用于新型武器系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備。
    1994年，美國(guó)防部頒布有關(guān)法令，要求未來(lái)測(cè)試設(shè)備必須使用商用現(xiàn)貨元器件，而且不能只測(cè)試一種平臺(tái)，應(yīng)該與整體測(cè)試設(shè)備協(xié)同工作。
    美國(guó)海軍制定了加固自動(dòng)化支持系統(tǒng)(CASS)計(jì)劃。該系統(tǒng)用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)代替25部測(cè)試儀器，支持2458種武器元器件的測(cè)試。預(yù)算的削減推遲了本應(yīng)在2000年完成的計(jì)劃。到2000年底，計(jì)劃人員僅全部替換了25種測(cè)試儀中的4種，另有8種以上的測(cè)試儀被部分替換?，F(xiàn)在該計(jì)劃最快也要在2008年完成。
    另一個(gè)計(jì)劃是ARGCS(敏捷快速作戰(zhàn)支援系統(tǒng))。這項(xiàng)計(jì)劃的目的是研制美國(guó)國(guó)防部各軍種及其盟國(guó)都能使用的通用測(cè)試軟件。例如，該系統(tǒng)必須在美國(guó)海軍及海軍陸戰(zhàn)隊(duì)F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)、E-2戰(zhàn)斗機(jī)、陸軍“帕拉丁”自行榴彈炮、陸軍及海軍陸戰(zhàn)隊(duì)“復(fù)仇者”導(dǎo)彈發(fā)射架以及美空軍平臺(tái)、英國(guó)和西班牙部隊(duì)中都能使用。預(yù)計(jì)在2004~2006年進(jìn)行系統(tǒng)樣品開(kāi)發(fā)，2006~2008年進(jìn)行測(cè)試并裝備部隊(duì)。
    在美國(guó)總審計(jì)署報(bào)告的刺激下，五角大樓計(jì)劃人員匆忙削減經(jīng)費(fèi)。但他們面臨著挑戰(zhàn)：如果替換過(guò)時(shí)的測(cè)試設(shè)備，他們必須保留測(cè)試程序集(TPS)。但如果新、舊測(cè)試設(shè)備不兼容，那么TPS將毫無(wú)用處。
    一種解決方案是使用綜合儀器，綜合儀器與現(xiàn)在使用的標(biāo)準(zhǔn)支架解決方案截然不同。綜合儀器內(nèi)含軟件算法和硬件模塊，可將其分成三種類(lèi)型：信號(hào)調(diào)節(jié)器(如上/下變頻器)、數(shù)字轉(zhuǎn)換器(如波形發(fā)生器)以及處理器。此方法類(lèi)似于軟件無(wú)線電技術(shù)。這種方法可以節(jié)省政府開(kāi)支，鼓勵(lì)不同測(cè)試產(chǎn)品之間的競(jìng)爭(zhēng)，還為系統(tǒng)集成商提供更大的靈活性。
    綜合儀器不僅能在美國(guó)和北約各軍種使用，而且減少了測(cè)試設(shè)備的體積和重量，易于在遠(yuǎn)方基地部署。同時(shí)，在新型武器系統(tǒng)建好之前，設(shè)計(jì)人員就可以開(kāi)發(fā)測(cè)試設(shè)備。
綜合儀器還能解決五角大樓長(zhǎng)期的測(cè)試設(shè)備老化問(wèn)題。按照當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)，基于VME總線技術(shù)的VXI型設(shè)備不但速度慢，而且笨重，因此，許多測(cè)試設(shè)備制造商推出基于CompactPCI總線技術(shù)的PXI型設(shè)備。不久的將來(lái)，這些產(chǎn)品將升級(jí)到PCI Express，然后再到另一個(gè)平臺(tái)。綜合儀器將與簡(jiǎn)單的軟件升級(jí)保持同步。
    另一個(gè)維持過(guò)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的方案是在舊設(shè)備市場(chǎng)購(gòu)貨，美國(guó)安捷倫公司的工程人員通過(guò)對(duì)用過(guò)測(cè)試儀器的認(rèn)證來(lái)支持這種方案。當(dāng)經(jīng)濟(jì)蕭條時(shí)，來(lái)自電信公司、縮小規(guī)模公司以及破產(chǎn)dot.com公司的大量設(shè)備就會(huì)涌入舊設(shè)備市場(chǎng)。在一個(gè)新的計(jì)劃中，安捷倫公司通過(guò)對(duì)改進(jìn)設(shè)備的認(rèn)證，支持150個(gè)最普通型號(hào)產(chǎn)品。公司技術(shù)人員也將對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)并提供認(rèn)證，而且為舊設(shè)備提供軟件和固件的升級(jí)。
    安捷倫公司還與在線拍賣(mài)網(wǎng)站eBay簽署一個(gè)協(xié)議，為在線購(gòu)買(mǎi)的過(guò)時(shí)測(cè)試設(shè)備提供擔(dān)保。這是一筆大買(mǎi)賣(mài)，因?yàn)樵诰€購(gòu)買(mǎi)測(cè)試設(shè)備年銷(xiāo)售額約5000萬(wàn)美元。
    對(duì)于一臺(tái)已經(jīng)使用8年或10年的過(guò)時(shí)測(cè)試設(shè)備，舊設(shè)備市場(chǎng)是唯一能夠買(mǎi)到它的地方。好在安捷倫公司為購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備提供認(rèn)證，否則，用戶將冒一定的風(fēng)險(xiǎn)。
    隨著一些公司的復(fù)蘇，測(cè)試設(shè)備價(jià)格也開(kāi)始緩慢攀升，不過(guò)，安捷倫公司計(jì)劃人員相信舊設(shè)備市場(chǎng)仍將受到歡迎。因?yàn)槊绹?guó)軍事預(yù)算壓力尤存，何況還有50000億美元的赤字。

測(cè)試設(shè)備靈活性需求
    軍民技術(shù)結(jié)合要求測(cè)試儀器更靈活
    商用和軍事航空電子設(shè)備之間的界限越來(lái)越模糊，因?yàn)檐娛略O(shè)備設(shè)計(jì)人員采用商用現(xiàn)貨產(chǎn)品越來(lái)越多。例如，空中客車(chē)公司的A380旅客噴氣式客機(jī)和波音公司的C-17軍用運(yùn)輸機(jī)現(xiàn)在都使用ARINC 429數(shù)據(jù)總線，而該數(shù)據(jù)總線最初是為民品開(kāi)發(fā)的。另一個(gè)趨勢(shì)是：民品采用軍用技術(shù)。例如，許多商用飛機(jī)使用了軍事技術(shù)，如MIL-STD 1553數(shù)據(jù)總線。
    如果一個(gè)技術(shù)人員要測(cè)試并測(cè)量機(jī)器，則需要在兩種標(biāo)準(zhǔn)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一種解決方案是采用巴拉德公司的新型Omnibus卡，它支持兩種協(xié)議。該卡有若干數(shù)字信號(hào)處理器處理數(shù)據(jù)，并利用PowerPC微處理器管理系統(tǒng)。此卡包括2GB閃存，驅(qū)動(dòng)器可運(yùn)行巴拉德公司的CoPilot 4.0軟件。這樣該卡可以解決信號(hào)產(chǎn)生和處理問(wèn)題，就不再需要主機(jī)。因?yàn)樵摽塥?dú)立地運(yùn)行一臺(tái)主機(jī)，它必須解決自身通信問(wèn)題，所以有以太網(wǎng)接口和具體IP地址。這樣，用戶能從他的辦公室或者實(shí)驗(yàn)室聯(lián)網(wǎng)此卡并遙控使用。
    新型彈藥對(duì)測(cè)試設(shè)備靈活性需求更高
    測(cè)試和測(cè)量?jī)x器面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是擁有足夠靈活性，保持與新型設(shè)備同步。長(zhǎng)期以來(lái)，各軍種測(cè)試智能彈藥的需求不斷?，F(xiàn)在需要為新型“迷你”武器、尤其是小口徑炸彈，提供測(cè)試系統(tǒng)。但這種需求難度很大，因?yàn)闇y(cè)試儀器必須與原來(lái)的武器保持后向兼容，既要增加威力又要保證密封性能。
    不論在空軍基地還是航母飛行甲板上，技術(shù)人員必須在彈藥裝載飛機(jī)之前測(cè)試其能力。這意味著他們要為每件武器通電測(cè)試，以確保其電路和最新軟件運(yùn)行良好；同時(shí)，還要測(cè)試模塊化武器的部件，如“聯(lián)合制導(dǎo)攻擊武器”(JDAM)尾翼，確保其正常工作。
這項(xiàng)工作使用的一個(gè)設(shè)備是ATK公司的通用彈藥自檢測(cè)和重新編程(CMBRE)設(shè)備，是一種測(cè)試智能武器的加固型便攜式計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)已經(jīng)使用多年，現(xiàn)在需要升級(jí)，以用于新型平臺(tái)。
    由于聯(lián)邦計(jì)劃人員仍然為小型智能武器協(xié)議選擇通用標(biāo)準(zhǔn)，因此測(cè)試儀制造商在2~4年內(nèi)不會(huì)投產(chǎn)最新產(chǎn)品。
    同時(shí)，測(cè)試儀器性能必須有所提高。我們需要更多的軟件、更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和新的通信協(xié)議。因?yàn)樾滦臀淦鲗⑹褂眯碌臄?shù)據(jù)總線，如小口徑炸彈使用EBR(增強(qiáng)比特速率)1553總線。在后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，ATK公司工程師將設(shè)計(jì)帶有寫(xiě)保護(hù)內(nèi)存的CMBRE設(shè)備，防止病毒入侵，提高安全性，使之與Windows XP和標(biāo)準(zhǔn)DOS操作系統(tǒng)相兼容。
    從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，CMBRE設(shè)備將具有足夠的靈活性，在各種武器中都能發(fā)揮作用，因?yàn)橛脩裟軐CMCIA卡輕松地插入到武器的主承包商提供的武器專(zhuān)用軟件中。這些卡還擁有大量?jī)?nèi)存，使CMBRE容易脫密，因?yàn)镃MBRE不存儲(chǔ)任何機(jī)密數(shù)據(jù)。其面臨的挑戰(zhàn)仍是減少重量，成為便攜式產(chǎn)品，同時(shí)保留其環(huán)境屏蔽，尤其是屏蔽航母甲板上強(qiáng)烈的電磁干擾信號(hào)。