1、介紹

模塊化平臺(tái)提供與機(jī)架和臺(tái)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(dòng)測(cè)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(lái)，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(duì)的是PXI和VXI平臺(tái)。

圖1：標(biāo)準(zhǔn)板卡模塊架構(gòu)

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

圖2：VXI和PXI模塊系統(tǒng)

幾乎所有的測(cè)試系統(tǒng)，特別是那些為車場(chǎng)級(jí)或中級(jí)測(cè)試應(yīng)用部署的測(cè)試系統(tǒng)，都包含系統(tǒng)自檢功能，目的是確保整個(gè)系統(tǒng)及其組件正常運(yùn)行。自檢系統(tǒng)會(huì)對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)試限制，這些限制是自檢通過(guò)/未通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的條件，但系統(tǒng)自檢并非旨在提供測(cè)試系統(tǒng)儀器的認(rèn)證或可追溯性。自檢系統(tǒng)依賴于測(cè)試系統(tǒng)一部分的資源以及某些自檢設(shè)備，這些自測(cè)設(shè)備通常是無(wú)源設(shè)備，提供環(huán)路以及無(wú)源負(fù)載。 由于自檢測(cè)試是依賴于系統(tǒng)資源實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)特定的系統(tǒng)需要定制自檢測(cè)試資源。測(cè)試系統(tǒng)的整體精度或參數(shù)性能的驗(yàn)證歷來(lái)依賴于結(jié)合精度驗(yàn)證測(cè)試程序（AVP），需要使用外部標(biāo)準(zhǔn)，精確度驗(yàn)證測(cè)試夾具和測(cè)試程序。圖3詳細(xì)說(shuō)明了精度驗(yàn)證測(cè)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(cè)試程序和配置的實(shí)施在開(kāi)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(guò)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(duì)系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)儀器分別認(rèn)證。

傳統(tǒng)上，測(cè)試工程設(shè)備通過(guò)依靠OEM方法或第三方本地校準(zhǔn)服務(wù)進(jìn)行單個(gè)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(gè)組件。在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)要求測(cè)試系統(tǒng)暫?，F(xiàn)有工作一段時(shí)間，這是測(cè)試工程所不能允許的。雖然通過(guò)庫(kù)存樣機(jī)的補(bǔ)充可以簡(jiǎn)短暫停時(shí)間，不過(guò)從成本上來(lái)說(shuō)是個(gè)不小的開(kāi)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(wèn)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(dòng)（本地）控制來(lái)驗(yàn)證儀器。然而，對(duì)于模塊化儀器，這種策略可能存在問(wèn)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(cè)試平臺(tái)被越來(lái)越多的應(yīng)用到各行各業(yè)，同時(shí)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(tái)，所以對(duì)于更好的認(rèn)證策略—模塊化儀器在測(cè)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(shí)間的情況下重新驗(yàn)證儀器的能力對(duì)于處于關(guān)鍵應(yīng)用的測(cè)試系統(tǒng)尤為重要，例如車場(chǎng)級(jí)和中級(jí)測(cè)試需求的系統(tǒng)。

通過(guò)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(duì)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(shí)，如果采用的標(biāo)準(zhǔn)模塊包含源和測(cè)量等資源，則可以創(chuàng)建一組標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)自測(cè)流程，從而加快系統(tǒng)自測(cè)開(kāi)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(cè)試平臺(tái)的儀器認(rèn)證策略

基于PXI平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)通常包括源和測(cè)量?jī)x器、將資源路由到UUT上的測(cè)試點(diǎn)的開(kāi)關(guān)矩陣，以及某些外部“箱式”儀器，例如GPIB，LXI或USB設(shè)備。

測(cè)試系統(tǒng)的認(rèn)證過(guò)程僅涉及那些需要可追溯性的組件。如果儀器未通過(guò)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(wàn)用表，一個(gè)或多個(gè)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(shí)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(duì)應(yīng)的臺(tái)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(dòng)程序和某種類型的軟件語(yǔ)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(guò)將所有儀器安裝在機(jī)箱中來(lái)實(shí)現(xiàn)—從而簡(jiǎn)化物流，對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(gè)儀器規(guī)范。 例如，如果應(yīng)用程序僅需要5?位數(shù)字萬(wàn)用表的準(zhǔn)確度，不過(guò)采用的儀器是一個(gè)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(guò)將基于應(yīng)用程序的要求應(yīng)用于認(rèn)證過(guò)程，標(biāo)準(zhǔn)模塊（以及整個(gè)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(cè)試余量和測(cè)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(dòng)測(cè)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(jí)和三級(jí)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(guò)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(chǔ)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(shí)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(shí)間上有明確的定義。通過(guò)在制造時(shí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值并將這些值加載到模塊的EEROM中來(lái)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)精度，然后用戶在認(rèn)證系統(tǒng)儀器時(shí)可以訪問(wèn)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(cè)量PXI儀器的策略的機(jī)會(huì)，這些儀器是車場(chǎng)級(jí)和中級(jí)測(cè)試系統(tǒng)的一部分。為滿足測(cè)試系統(tǒng)基帶儀器和系統(tǒng)自測(cè)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(cè)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(wàn)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(guò)包括通用源和測(cè)量資源，可以包括內(nèi)置模塊自測(cè)功能，其可以提供用于支持系統(tǒng)自測(cè)實(shí)現(xiàn)的資源。

所有參考標(biāo)準(zhǔn)都是從國(guó)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(shí)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(shí)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(guò)記錄標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際值并隨后將這些值存儲(chǔ)在模塊的板載非易失性存儲(chǔ)器中，在制造時(shí)建立電壓和電阻參考的絕對(duì)校準(zhǔn)精度。對(duì)于頻率參考，10 MHz恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）經(jīng)過(guò)電子調(diào)整，以達(dá)到所需的精度。一旦將測(cè)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(cè)量?jī)x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(gè)內(nèi)置溫度傳感器，允許模塊驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)每個(gè)參考溫度特性校正基線校準(zhǔn)值。最后，由于所有測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)值都加載到模塊的EEROM中，因此加載位于磁盤(pán)或其他介質(zhì)上的錯(cuò)誤校準(zhǔn)文件不會(huì)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(cè)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(cè)量?jī)x器的認(rèn)證。但是，對(duì)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)或儀器—測(cè)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(guò)認(rèn)證，該模塊就可用作資源（或二級(jí)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(guò)認(rèn)證，因此可以在整個(gè)過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(shuō)明了整體校準(zhǔn)過(guò)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?jī)傻剿哪曛匦抡J(rèn)證一次。 由于所有硬件和軟件都已經(jīng)成為測(cè)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(jiǎn)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(dòng)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(tái)的標(biāo)準(zhǔn)模塊

廣州虹科電子有限公司與美國(guó)MTS合作，負(fù)責(zé)銷售，技術(shù)支持MTS的測(cè)試系統(tǒng)和板卡資源，其中包含一種基于PXI平臺(tái)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(kāi)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(guò)將GX1034作為系統(tǒng)配置的一部分，可以開(kāi)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(lái)源并測(cè)量基帶儀器——從而簡(jiǎn)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(zhǎng)期穩(wěn)定性，通過(guò)采用板載EEROM實(shí)現(xiàn)絕對(duì)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(cè)量資源，可用于支持系統(tǒng)自測(cè)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(gè)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(gè) 3個(gè)量級(jí)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(guò)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(dòng)50Ω負(fù)載。 此外，當(dāng)模塊安裝在PXI機(jī)箱的插槽2中時(shí)，它可以是PXI 10 MHz背板時(shí)鐘源。

附加功能包括一個(gè)0-20 mA電流源; 一個(gè)用于測(cè)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(gè)信號(hào)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(shí)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(huì)影響整體精度和性能。

6、總結(jié)

模塊化的測(cè)試系統(tǒng)的采用和部署，為負(fù)責(zé)測(cè)試系統(tǒng)的維護(hù)、校準(zhǔn)和認(rèn)證的測(cè)試工程部門(mén)帶來(lái)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(huì)忽略與模塊架構(gòu)相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和特征?；赑XI的系統(tǒng)平臺(tái)為測(cè)試系統(tǒng)供應(yīng)商提供了開(kāi)發(fā)全新認(rèn)證策略的機(jī)會(huì)，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(guò)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(cè)功能，例如信號(hào)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(cè)試系統(tǒng)配置

系統(tǒng)內(nèi)認(rèn)證策略采用系統(tǒng)級(jí)認(rèn)證過(guò)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(guò)系統(tǒng)內(nèi)認(rèn)證策略，可以顯著改善測(cè)試系統(tǒng)中的認(rèn)證過(guò)程。 通過(guò)在測(cè)試系統(tǒng)中專用一個(gè)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(gè)用于重新認(rèn)證的模塊; 且僅有一個(gè)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。