1、介紹

模塊化平臺提供與機(jī)架和臺式儀器相同的功能，且占地面積更小，成本更低。因此，當(dāng)今在軍事 - 航空和商業(yè)應(yīng)用中，大多數(shù)自動測試系統(tǒng)均采用模塊化架構(gòu)。圖1展示的是典型的模塊化架構(gòu)，其中包括模塊化儀器，嵌入式或外部控制器，控制總線以及用于模塊間控制和觸發(fā)的觸發(fā)/本地總線。

多年來，出現(xiàn)了幾種架構(gòu)，包括Standard Bus，GTXI，SCXI以及其他架構(gòu)等。本文主要針對的是PXI和VXI平臺。

圖1：標(biāo)準(zhǔn)板卡模塊架構(gòu)

VXI平臺開發(fā)于20世紀(jì)80年代末，多年來已經(jīng)廣泛部署在各個行業(yè)領(lǐng)域，至今仍用于當(dāng)前的中級ATS應(yīng)用?；谀K化架構(gòu)的優(yōu)勢和靈活性，同時考慮到PC的性能和成本優(yōu)勢，PXI平臺于1998年推出，并開始迅速發(fā)展 – 成為取代VXI的優(yōu)質(zhì)模塊化平臺。如今，全球已部署了超過10,000個PXI系統(tǒng)，其中2005 - 2010年P(guān)XI系統(tǒng)的復(fù)合年增長率（CAGR）增長了14％。圖2顯示了典型的VXI和PXI平臺，包括可安裝在機(jī)架上的機(jī)箱和安裝在單個機(jī)箱中的多達(dá)19個模塊化儀器。

圖2：VXI和PXI模塊系統(tǒng)

幾乎所有的測試系統(tǒng)，特別是那些為車場級或中級測試應(yīng)用部署的測試系統(tǒng)，都包含系統(tǒng)自檢功能，目的是確保整個系統(tǒng)及其組件正常運(yùn)行。自檢系統(tǒng)會對一些參數(shù)進(jìn)行測試限制，這些限制是自檢通過/未通過標(biāo)準(zhǔn)的條件，但系統(tǒng)自檢并非旨在提供測試系統(tǒng)儀器的認(rèn)證或可追溯性。自檢系統(tǒng)依賴于測試系統(tǒng)一部分的資源以及某些自檢設(shè)備，這些自測設(shè)備通常是無源設(shè)備，提供環(huán)路以及無源負(fù)載。 由于自檢測試是依賴于系統(tǒng)資源實(shí)現(xiàn)的，所以對特定的系統(tǒng)需要定制自檢測試資源。測試系統(tǒng)的整體精度或參數(shù)性能的驗(yàn)證歷來依賴于結(jié)合精度驗(yàn)證測試程序（AVP），需要使用外部標(biāo)準(zhǔn)，精確度驗(yàn)證測試夾具和測試程序。圖3詳細(xì)說明了精度驗(yàn)證測試程序執(zhí)行相關(guān)的主要組件。

圖3：精度驗(yàn)證系統(tǒng)組件

雖然精確度測試程序和配置的實(shí)施在開發(fā)和資本方面所需一些投入，但是可以為最終用戶提供驗(yàn)證整體系統(tǒng)準(zhǔn)確性的能力。不過這種策略在很大程度上依賴于外部工具或傳輸標(biāo)準(zhǔn)。此外，AVP（Accuracy Verification Test Program）集中于驗(yàn)證整體系統(tǒng)準(zhǔn)確性，而不對系統(tǒng)內(nèi)每個儀器分別認(rèn)證。

傳統(tǒng)上，測試工程設(shè)備通過依靠OEM方法或第三方本地校準(zhǔn)服務(wù)進(jìn)行單個儀器重新認(rèn)證的任務(wù)，如下所述。

OEM方法儀器校準(zhǔn)方法要求拆卸，運(yùn)輸返廠，重新安裝每個組件。在這個過程中，會要求測試系統(tǒng)暫停現(xiàn)有工作一段時間，這是測試工程所不能允許的。雖然通過庫存樣機(jī)的補(bǔ)充可以簡短暫停時間，不過從成本上來說是個不小的開銷（物流）。

第三方校準(zhǔn)服務(wù)可本地重新認(rèn)證儀器：這種方法被廣泛采用，并且在系統(tǒng)主要由GPIB（箱式）儀器組成的情況下使用效果很好。GPIB儀器具有易于理解，可訪問等特點(diǎn)，意味著只要校準(zhǔn)服務(wù)提供商具有正確的校準(zhǔn)器/傳輸標(biāo)準(zhǔn)，就可能使用手動（本地）控制來驗(yàn)證儀器。然而，對于模塊化儀器，這種策略可能存在問題：服務(wù)提供商不僅需要具有正確的校準(zhǔn)硬件，而且還需要具有正確的儀器控制軟件，然后必須將其加載到系統(tǒng)上。一旦加載了軟件，系統(tǒng)可能需要拆掉部分設(shè)備才能完成儀器的連接。由于這些原因，今天VXI或PXI儀器的主要自檢策略是移除儀器并由OEM或預(yù)先批準(zhǔn)的第三方校準(zhǔn)設(shè)施進(jìn)行重新認(rèn)證。

隨著模塊化測試平臺被越來越多的應(yīng)用到各行各業(yè)，同時許多新的軍事和商業(yè)也均有計(jì)劃將PXI作為下一代平臺，所以對于更好的認(rèn)證策略—模塊化儀器在測試系統(tǒng)中重新認(rèn)證的方法更顯迫切。在盡量少停機(jī)時間的情況下重新驗(yàn)證儀器的能力對于處于關(guān)鍵應(yīng)用的測試系統(tǒng)尤為重要，例如車場級和中級測試需求的系統(tǒng)。

通過將基于集成系統(tǒng)的重新認(rèn)證方法與特定應(yīng)用的精度要求和適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)合，提出了一種支持針對特定應(yīng)用或應(yīng)用類別的基帶PXI模塊化儀器驗(yàn)證的改進(jìn)方法。同時，如果采用的標(biāo)準(zhǔn)模塊包含源和測量等資源，則可以創(chuàng)建一組標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)自測流程，從而加快系統(tǒng)自測開發(fā)速度，并可重用在后續(xù)系統(tǒng)的自檢工作中。

2、基于PXI的測試平臺的儀器認(rèn)證策略

基于PXI平臺的測試系統(tǒng)通常包括源和測量儀器、將資源路由到UUT上的測試點(diǎn)的開關(guān)矩陣，以及某些外部“箱式”儀器，例如GPIB，LXI或USB設(shè)備。

測試系統(tǒng)的認(rèn)證過程僅涉及那些需要可追溯性的組件。如果儀器未通過認(rèn)證，則需要重新校準(zhǔn)。典型的核心PXI儀器可能包括數(shù)字萬用表，一個或多個數(shù)字化儀，交流和/或直流電源，如直流電源或任意波形發(fā)生器，以及計(jì)數(shù)器/定時器——所有這些都需要定期重新認(rèn)證到可追溯的標(biāo)準(zhǔn)。然而，與對應(yīng)的臺式或“箱式”設(shè)備不同，所有儀器都包含在PXI機(jī)箱內(nèi)，并由軟件驅(qū)動程序和某種類型的軟件語言控制。理想情況下，這些模塊化儀器板卡的重新認(rèn)證可以通過將所有儀器安裝在機(jī)箱中來實(shí)現(xiàn)—從而簡化物流，對測試系統(tǒng)/配置的完整性影響最小，并且能夠利用系統(tǒng)的硬件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施。

系統(tǒng)內(nèi)部認(rèn)證策略—利用測試系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)，將某種類型的傳輸標(biāo)準(zhǔn)作為整體測試系統(tǒng)的一部分—提供可追溯性和重新認(rèn)證與傳輸標(biāo)準(zhǔn)相兼容的能力。PXI系統(tǒng)的整體認(rèn)證策略基于以下要點(diǎn)：

·  重新認(rèn)證過程的儀器精度要求可以基于應(yīng)用特定要求，而不是基于“公布的”單個儀器規(guī)范。 例如，如果應(yīng)用程序僅需要5?位數(shù)字萬用表的準(zhǔn)確度，不過采用的儀器是一個6?位數(shù)的儀器，則儀器校準(zhǔn)為具有與5?位儀器相關(guān)的精度即可。 通過將基于應(yīng)用程序的要求應(yīng)用于認(rèn)證過程，標(biāo)準(zhǔn)模塊（以及整個系統(tǒng)）的精度要求變得不那么苛刻，從而降低了標(biāo)準(zhǔn)模塊的成本，提高了測試余量和測試穩(wěn)定性，并減少了系統(tǒng)的重新認(rèn)證的頻率。

·  傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊由支持自動測試系統(tǒng)中包含的所有PXI儀器的相同軟件環(huán)境支持和控制。

·  標(biāo)準(zhǔn)模塊可能不是提供驗(yàn)證和可追溯性的系統(tǒng)中的唯一資源。在整體方案中可以加入二級和三級標(biāo)準(zhǔn)的組合作為認(rèn)證自檢計(jì)劃的一部分。根據(jù)具體的系統(tǒng)配置和要求，標(biāo)準(zhǔn)模塊可作為認(rèn)證工作的主要儀器 — 用于校準(zhǔn)具有最苛刻的精度驗(yàn)證要求的儀器。然后，系統(tǒng)內(nèi)的其他儀器可以將這些經(jīng)過驗(yàn)證的儀器與標(biāo)準(zhǔn)模塊一起用作次要標(biāo)準(zhǔn)以執(zhí)行驗(yàn)證。

·  使用基于軟件的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)方法與板載非易失性存儲器一起使用，以實(shí)現(xiàn)模塊上所有的高精度標(biāo)準(zhǔn)，并提供校正時間和溫度變化的能力。成功實(shí)施該策略要求模塊的標(biāo)準(zhǔn)具有出色的穩(wěn)定性，其精確度在溫度和時間上有明確的定義。通過在制造時測量標(biāo)準(zhǔn)值并將這些值加載到模塊的EEROM中來實(shí)現(xiàn)絕對精度，然后用戶在認(rèn)證系統(tǒng)儀器時可以訪問該EEROM。

3、標(biāo)準(zhǔn)模塊要求和實(shí)施

該模塊的實(shí)施和性能提供了實(shí)施重新認(rèn)證許多基帶源和測量PXI儀器的策略的機(jī)會，這些儀器是車場級和中級測試系統(tǒng)的一部分。為滿足測試系統(tǒng)基帶儀器和系統(tǒng)自測功能的重新認(rèn)證需求，該模塊需要提供以下核心功能：

·  交流和直流電壓參考標(biāo)準(zhǔn)

·  電阻標(biāo)準(zhǔn)

·  頻率參考標(biāo)準(zhǔn)

·  通用DC源資源

·  通用DC測量資源

·  多路復(fù)用切換資源

圖4：PXI標(biāo)準(zhǔn)模塊

圖4中詳述的標(biāo)準(zhǔn)模塊的功能和特性主要用于滿足以下類型儀器的重新認(rèn)證需求：

·  數(shù)字萬用表

·  頻率計(jì)數(shù)器

·  A到D和數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊

另外，通過包括通用源和測量資源，可以包括內(nèi)置模塊自測功能，其可以提供用于支持系統(tǒng)自測實(shí)現(xiàn)的資源。

所有參考標(biāo)準(zhǔn)都是從國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）可追溯標(biāo)準(zhǔn)的外部集合中獲得的可追溯性，這些標(biāo)準(zhǔn)在制造時使用。但是，為了避免與創(chuàng)建精度標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的復(fù)雜性（和成本），硬件設(shè)計(jì)主要側(cè)重于隨時間提供出色穩(wěn)定性且具有良好指定溫度特性的組件。

通過記錄標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際值并隨后將這些值存儲在模塊的板載非易失性存儲器中，在制造時建立電壓和電阻參考的絕對校準(zhǔn)精度。對于頻率參考，10 MHz恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）經(jīng)過電子調(diào)整，以達(dá)到所需的精度。一旦將測量的標(biāo)準(zhǔn)值加載到模塊的EEROM中，這些值就可用作各種測量儀器的重新認(rèn)證程序的一部分。

PXI標(biāo)準(zhǔn)模塊還包括一個內(nèi)置溫度傳感器，允許模塊驅(qū)動程序根據(jù)每個參考溫度特性校正基線校準(zhǔn)值。最后，由于所有測量的標(biāo)準(zhǔn)值都加載到模塊的EEROM中，因此加載位于磁盤或其他介質(zhì)上的錯誤校準(zhǔn)文件不會影響模塊的性能。

4、將PXI標(biāo)準(zhǔn)模塊作為系統(tǒng)內(nèi)認(rèn)證策略的一部分

如前所述，標(biāo)準(zhǔn)模塊為重新認(rèn)證測試系統(tǒng)的各種儀器提供了基準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)模塊主要是源模塊，支持測量儀器的認(rèn)證。但是，對于作為系統(tǒng)一部分的源儀器，例如DC或AC源，將需要一組采集資源。在這種情況下，使用二級標(biāo)準(zhǔn)或儀器—測試系統(tǒng)自己的資源提供認(rèn)證這些源儀器的方法。例如，標(biāo)準(zhǔn)模塊可以認(rèn)證DMM。一旦DMM通過認(rèn)證，該模塊就可用作資源（或二級標(biāo)準(zhǔn)），以驗(yàn)證系統(tǒng)中可能存在的DC或AC源。由于主要和次要標(biāo)準(zhǔn)都經(jīng)過認(rèn)證，因此可以在整個過程中保持可追溯性。確保該策略成功的關(guān)鍵因素是確保所需的儀器精度與測量設(shè)備兼容，并嚴(yán)格遵守認(rèn)證流程。假設(shè)規(guī)格和測量裝置的不確定性表現(xiàn)出95％置信度的高斯分布，那么4：1或更高（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的測試不確定度的比率（TUR）將提供大于99％的置信水平。圖5詳細(xì)說明了整體校準(zhǔn)過程，包括使用主要和次要標(biāo)準(zhǔn)。

圖5：系統(tǒng)認(rèn)證流程

標(biāo)準(zhǔn)模塊本身需要定期重新認(rèn)證，通常每兩到四年重新認(rèn)證一次。 由于所有硬件和軟件都已經(jīng)成為測試系統(tǒng)的一部分，因此重新認(rèn)證系統(tǒng)中的模塊變得非常簡單。 NIST可跟蹤系統(tǒng)中的DMM和頻率計(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)模塊驅(qū)動程序附帶的圖形用戶界面（GUI）用于完成重新認(rèn)證。

5、GX1034：基于PXI平臺的標(biāo)準(zhǔn)模塊

廣州虹科電子有限公司與美國MTS合作，負(fù)責(zé)銷售，技術(shù)支持MTS的測試系統(tǒng)和板卡資源，其中包含一種基于PXI平臺的標(biāo)準(zhǔn)模塊儀器——GX1034。

GX1034為PXI系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了開發(fā)系統(tǒng)重新認(rèn)證策略的能力，該策略僅使用內(nèi)部系統(tǒng)資源。 通過將GX1034作為系統(tǒng)配置的一部分，可以開發(fā)一種系統(tǒng)精度驗(yàn)證策略，可以重新認(rèn)證系統(tǒng)的來源并測量基帶儀器——從而簡化支持/維護(hù)后勤并提高系統(tǒng)可用性。

GX1034標(biāo)準(zhǔn)具有出色的長期穩(wěn)定性，通過采用板載EEROM實(shí)現(xiàn)絕對精度，該EEROM包含源和電阻標(biāo)準(zhǔn)的NIST可溯源校準(zhǔn)值。 該模塊還包括源和測量資源，可用于支持系統(tǒng)自測功能，包括連續(xù)性驗(yàn)證和儀器功能驗(yàn)證。

圖6：GX1034模塊圖

GX1034提供直流參考電壓源，交流參考電壓源，8個低漂移參考電阻和精確的10 MHz參考頻率。 直流和交流電源提供高達(dá)±9 V的電壓，并包含一個 3個量級的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)，用于衰減輸出電平。 參考電阻包括四線1,10和100Ω電阻以及雙線1 K，10 K，100 K，1 M和10MΩ電阻值。 10 MHz參考頻率采用高穩(wěn)定性，恒溫控制晶體振蕩器，也可通過24位分頻器提供更低的頻率。

10 MHz輸出和分頻器輸出均可驅(qū)動50Ω負(fù)載。 此外，當(dāng)模塊安裝在PXI機(jī)箱的插槽2中時，它可以是PXI 10 MHz背板時鐘源。

附加功能包括一個0-20 mA電流源; 一個用于測量高達(dá)±10 V的電壓的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及設(shè)備工作環(huán)境溫度的板載監(jiān)控器件。該模塊還包括一個信號多路復(fù)用器，可以將兩線和四線資源連接到卡輸出連接器上。 所有電壓資源，電阻標(biāo)準(zhǔn)，時鐘分頻器輸出和A/D輸入均與PXI總線隔離并懸空，以便確保低噪聲環(huán)境，并最大限度地降低接地環(huán)路的可能性，不會影響整體精度和性能。

6、總結(jié)

模塊化的測試系統(tǒng)的采用和部署，為負(fù)責(zé)測試系統(tǒng)的維護(hù)、校準(zhǔn)和認(rèn)證的測試工程部門帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。如果使用“箱式”儀器的傳統(tǒng)認(rèn)證技術(shù)和方法，會忽略與模塊架構(gòu)相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和特征。基于PXI的系統(tǒng)平臺為測試系統(tǒng)供應(yīng)商提供了開發(fā)全新認(rèn)證策略的機(jī)會，該策略利用硬件和軟件組合的方法，為系統(tǒng)提供一種卓越且經(jīng)濟(jì)高效的認(rèn)證解決方案。圖6重新討論了圖3中描述的精度驗(yàn)證設(shè)置如何根據(jù)整體標(biāo)準(zhǔn)模塊的使用而改變。通過添加該模塊，消除了外部傳輸標(biāo)準(zhǔn)的使用，并且可能還降低了AVP夾具的復(fù)雜性。此外，該模塊可以提供中央資源以支持系統(tǒng)自測功能，例如信號連續(xù)性和矩陣/多路復(fù)用器功能的驗(yàn)證。

圖6：使用標(biāo)準(zhǔn)模塊的測試系統(tǒng)配置

系統(tǒng)內(nèi)認(rèn)證策略采用系統(tǒng)級認(rèn)證過程視圖，并以模塊化系統(tǒng)固有的軟件和硬件基礎(chǔ)架構(gòu)為基礎(chǔ)。 通過系統(tǒng)內(nèi)認(rèn)證策略，可以顯著改善測試系統(tǒng)中的認(rèn)證過程。 通過在測試系統(tǒng)中專用一個PXI插槽用于標(biāo)準(zhǔn)模塊，理論上可以在很大程度上消除拆除多個用于重新認(rèn)證的模塊; 且僅有一個模塊需要送出年度重新認(rèn)證。 這種解決方案充分利用系統(tǒng)的功能和組件，以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)可用性，更低的維護(hù)成本。