電子信息工程 電子測量技術(shù)論文-

1、21世紀電子測量技術(shù)的現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢 一、前言中國電子測量技術(shù)經(jīng)過40多年的發(fā)展,為我國國民經(jīng)濟、科學教育、特別是國防軍事的發(fā)展做出了巨大貢獻。隨著世界高科技發(fā)展的潮流,中國電子測量儀器也步入了高科技發(fā)展的道路,特別是經(jīng)過“九五”期間的發(fā)展,我國電子測量技術(shù)在若干重大科技領域取得了突破性進展,為我國電子測量儀器走向世界水平奠定了良好的基礎。進入21 世紀以來,科學技術(shù)的發(fā)展已難以用日新月異來描述。新工藝、新材料、新的制造技術(shù)催生了新的一代電子元器件,同時也促使電子測量技術(shù)和電子測量儀器產(chǎn)生了新概念和新發(fā)展趨勢。本文擬從現(xiàn)代電子測量技術(shù)發(fā)展的三個明顯特點入手,進而介紹下一代自動測試系統(tǒng)的

2、概念和基本技術(shù),引入合成儀器的概念,面向21世紀的我國電子測量技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向是:測量數(shù)據(jù)采集和處理的自動化、實時化、數(shù)字化;測量數(shù)據(jù)管理的科學化、標準化、規(guī)格化;測量數(shù)據(jù)傳播與應用的網(wǎng)絡化、多樣化、社會化。GPS技術(shù)、RS技術(shù)、GIS技術(shù)、數(shù)字化測繪技術(shù)以及先進地面測量儀器等將廣泛應用于工程測量中,并發(fā)揮其主導作用。二、測試技術(shù)現(xiàn)狀及其存在的問題現(xiàn)在人們通過實踐已越來越認識到測試技術(shù)的重要性,國內(nèi)測試技術(shù)也已有了很大的發(fā)展,現(xiàn)在已基本上采用了標準化、模塊化設計體制。已從CAMAC、PC總線、STD總線向VXI、PXI總線發(fā)展,從堆疊式測試系統(tǒng)向標準化、模塊化測試系統(tǒng)發(fā)展,并先后研制出國產(chǎn)

3、化VXI模件、VXI測試系統(tǒng)及PXI系統(tǒng),使我國測試系統(tǒng)技術(shù)水平逐步進入國際先進行列。在航天器、武器系統(tǒng)的單元系統(tǒng)中也設計了自檢測功能,但在實用的自動測試系統(tǒng)中,尤其在武器系統(tǒng)的測試中,缺少實用的人工智能測試技術(shù),故障診斷水平低、實用性差、網(wǎng)絡化水平低。從測試體制的變革方面,國內(nèi)尚沒有邊緣掃描技術(shù)和完善的智能內(nèi)裝測試系統(tǒng)。因此,與國外存在比較大的差距,國外20世紀八十年代末,九十年代初即提出了內(nèi)裝測試系統(tǒng)和可測試性概念,隨后研制出了設備,并制訂出了相應標準。近年來中國測量技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視,狀況有了很大改觀。測試技術(shù)行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段,重新回到了快速發(fā)展的軌道,

4、尤其最近幾年,中國本土測量技術(shù)取得了長足的進步,特別是通用電子測量設備和汽車電子設備的研發(fā)方面,與國外先進產(chǎn)品的差距正在快速縮小,對國外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊。隨著模塊化和虛擬技術(shù)的發(fā)展,為中國的測試測量儀器行業(yè)帶來了新的契機,加上各級政府日益重視,以及中國自主應用標準研究的快速進展,都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動力和機遇。從中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒中可以看出,中國的測試測量儀器每年都以超過30%以上的速度在快速增長。在此快速增長的過程中,無疑催生出了許多測試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè),也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品。擁有中國該領域唯一重點實驗室的中國電子集團公司第41研究所,憑借著本土

5、測試領域的龍頭地位,通過屬下的青島興儀電子設備有限責任公司,成功地實現(xiàn)了由技術(shù)到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化,開發(fā)出了多款具有很高技術(shù)水平的產(chǎn)品。該所研制出的高純微波合成信號發(fā)生器、微波噪聲系數(shù)分析儀、便攜式射頻頻譜分析儀、2.5Gb/sSDH/PDH數(shù)字傳輸分析儀、高性能的光通訊設備,包括光譜分析儀和高性能微型光時域反射計,還有高速數(shù)字示波器等,目前都已經(jīng)形成比較完整的產(chǎn)品系列。其中AV1489型高純微波合成信號發(fā)生器采用全正向設計方法,突破了高純度微波頻率合成等多項關鍵技術(shù);AV3984型微波噪聲分析儀突破了智能微波噪聲源等多項關鍵技術(shù);AV4022型便捷式射頻頻譜分析儀突破了小型化設計與制造等關鍵技術(shù),還

6、有高性能的AV3600系列的寬帶矢量網(wǎng)絡分析儀,DT系列數(shù)字電視碼流實時檢測儀等。另外,該所還與海信集團一道,研制出了數(shù)字電視全部四個層次上的測試儀器。無疑這對中國的數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將起到很大的推動作用。這些儀器除了能解決所有通用協(xié)議分析外以及物理層的各種指標的測試外,還有一個很重要的特點,就是結(jié)合中國數(shù)字電視標準和特點,保留了很好的可升級性。三、電子測量技術(shù)的發(fā)展方向我國測試技術(shù)已經(jīng)進入標準化設計階段,而且已采用了工業(yè)界先進的計算機I/O總線標準和數(shù)字化總線、儀器總線相結(jié)合的標準,逐步接近國際先進水平。但如何進一步發(fā)展,發(fā)展的主要內(nèi)容是什么,這是擺在從事測試技術(shù)的每個工程人員需要認真思索的

7、問題。任何技術(shù)的發(fā)展均取決于社會發(fā)展的需求。根據(jù)安捷倫公司在1996年對檢測成本統(tǒng)計:硬件成本6%,檢測開發(fā)24%,檢測操作57%,維護成本占13%。除了硬件成本外,其它三項基本是軟件開發(fā)、維護、操作成本。因此,對TPS的開發(fā)、移植、維護、重用,應是測試系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容。因此,美國在ABBET(廣域測試對測試軟件作了重點描述和規(guī)范。它以信息模型對測試信息進行規(guī)格化描述,消除了層次間測試信息移植、共享和應用的障礙。將測試從宏觀上劃分為產(chǎn)品描述層、測試策略和要求層、測試過程層、測試資源管理層、儀器控制層等內(nèi)容。其根本目的是建立一種通用的ATS開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),從該體系結(jié)構(gòu)再衍生出由具體硬件、軟件

8、和系統(tǒng)實現(xiàn)的體系結(jié)構(gòu),達到測試貫穿于產(chǎn)品從設計思想到裝備現(xiàn)場的整個壽命周期,包括從一個壽命周期階段到另一個壽命周期階段相關測試信息的傳遞;生成所需測試程序與過程中信息的使用;故障隔離和修理時,在編寫報告和診斷操作中測試維護信息收集和診斷信息反饋。同時通過漸近方法確定ATS開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。計劃了四個發(fā)展項目,每個發(fā)展項目完成后,產(chǎn)生一個ATS開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的完好部件,從而增加了該體系結(jié)構(gòu)的開放程度與能力水平。四個發(fā)展項目分別解決“儀器互換性和互操作性”、“TPS可移植性和互操作性”、“壽命周期信息交換”、“過程與工具”。通過四個發(fā)展項目產(chǎn)生了ATS信息架構(gòu)和軟件架構(gòu)。在測試領域?qū)θ斯ぶ悄芗夹g(shù)

9、應給予高度重視。3.1 總線接口技術(shù)總線是所有測試系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)的基礎和關鍵技術(shù),是系統(tǒng)標準化、模塊化、組合化的根本條件,國內(nèi)外都是依據(jù)總線系統(tǒng)來組建各類測試系統(tǒng),以確保硬件、軟件、系統(tǒng)級的兼容性、互換性和重構(gòu)功能,研究和開發(fā)總線系統(tǒng)是設計、研制開放式體系結(jié)構(gòu)的核心任務,也是測試系統(tǒng)技術(shù)研究的關鍵技術(shù)。采用總線結(jié)構(gòu)設計的系統(tǒng),具有簡化系統(tǒng)設計、可靠性高、維護性好、產(chǎn)品易于升級換代,便于組織生產(chǎn)工藝和成本低,真正能變串行生產(chǎn)為并行生產(chǎn)等重要優(yōu)點。VXI總線技術(shù)是二十世紀末出現(xiàn)的一個新的母線技術(shù)。它首先出現(xiàn)于美國,應用于美國空軍電子測量儀器。VXI總線將VME總線和GPIB結(jié)合起來構(gòu)成一個新的

10、標準,這種模塊式儀器平臺可以滿足未來儀器應用的需要,使電子測量儀器和系統(tǒng)步入一個新的發(fā)展時期。VXI總線是一個新的行業(yè)標準接口母線,是一種完全開放的、適應多廠家儀器產(chǎn)品(模塊、插卡式的行業(yè)標準。這個標準的推出有三個原因:一是適應技術(shù)發(fā)展的要求,二是多廠家的儀器缺乏互聯(lián)性,三是軍方的需要,而且這是最重要的一個方面。軍方需求什么?一是軍用電子測量儀器戰(zhàn)爭現(xiàn)場所強調(diào)的便攜性,VXI可以大大減小設備的體積和重量;二是大大提高測試速度,VXI比GPIB的速度可提高40倍;三是測試系統(tǒng)的適應性、靈活性大為提高;四是價格適中;五是有利于充分發(fā)揮計算機的作用。通用測試技術(shù)基礎的關鍵技術(shù)3.2 軟件平臺技術(shù)軟件

11、是組建系統(tǒng)核心技術(shù)之一,對于測試軟件、TPS可兼容、可移植和重用一直是測試系統(tǒng)的關鍵技術(shù)。擬建立測試軟件通用平臺,重點研究CORBA、DCOM、COM等中間件語言。這些軟件充分利用了現(xiàn)今軟件技術(shù)發(fā)展的最新成果,在基于網(wǎng)絡的分布式應用環(huán)境下實現(xiàn)應用軟件的集成,使得面向?qū)ο蟮能浖诜植?、異?gòu)環(huán)境下實現(xiàn)可重用、可移植和互操作。主要原理是引入中間件(Middle ware作為事務代理,完成客戶機(Client向服務對象(Server提出的業(yè)務請求,實現(xiàn)客戶與服務對象的完全分開,客戶不需要了解服務對象的實現(xiàn)過程以及具體位置。同時提供軟總線機制,使得在任何環(huán)境下,采用任何語言開發(fā)的軟件只要符合接口規(guī)范的定

12、義,均能集成到分布式系統(tǒng)中。同時對現(xiàn)有的IVI、Vpp、SQL、ODBC、VRML語言等進行應用研究。3.3 專家系統(tǒng)技術(shù)由于專家系統(tǒng)具有很好實用性,已被廣泛應用于科學、工程制造,尤其是宇航領域得到了廣泛應用。美國自由號空間站、歐洲尤里卡平臺、哥倫布空間艙,以及日本的吉姆艙都設計了故障診斷專家系統(tǒng)。在新一代載人航天器航天飛機、載人飛船,作為可靠性的重要保障手段之一的故障診斷專家系統(tǒng)得到了廣泛應用?！白杂商枴笨臻g站是美國大型載人航天工程。由于該工程結(jié)構(gòu)龐大,設計復雜以及高可靠和高自主性要求,基于人工智能的故障診斷專家系統(tǒng)是其重要組成部分。NASA投入大量資金用于空間站系統(tǒng)級管理、故障診斷以及分系

13、統(tǒng)級故障診斷專家系統(tǒng)的研制工作,包括診斷推理專家系統(tǒng)。由于故障診斷專家系統(tǒng)以其在實際應用中發(fā)揮的作用和取得的效益受到了工程界的普遍重視,專家系統(tǒng)已成為故障診斷技術(shù)發(fā)展的主流。專家系統(tǒng)是一門綜合性很強的學科,開發(fā)一個成功的專家系統(tǒng)需要系統(tǒng)設計人員與應用領域中的人類專家密切合作,一般將專家系統(tǒng)的設計人員稱為知識工程師(Knowledge Engineer,將參加專家系統(tǒng)開發(fā)的人類專家稱為領域?qū)＜?Domain Expert。專家系統(tǒng)(Expert System是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統(tǒng)。專家系統(tǒng)內(nèi)部含有大量的某個領域的專家水平的知識與經(jīng)驗,能夠運用人類專家知識和解決問題的方法進

14、行推理和判斷,模擬人類專家的決策過程,來解決該領域的復雜問題。從處理問題性質(zhì)看,專家系統(tǒng)善于解決那些不確定性、非結(jié)構(gòu)化的問題,主要用于知識處理,而不是數(shù)據(jù)信息處理。從處理問題的方法看,專家系統(tǒng)則主要依靠知識表達技術(shù)、知識推理、知識收集和編碼,知識存貯和編排,建立知識庫及其管理系統(tǒng),利用專家知識和經(jīng)驗求解專門問題,而不是數(shù)學描述的方法來解決問題。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看,專家系統(tǒng)則強調(diào)知識與推理的分離,因而系統(tǒng)具有很好的靈活性和擴充性。從知識推理能力看,專家系統(tǒng)的工作是在環(huán)境模式驅(qū)動下的知識推理過程,而不是在固定程序控制下的指令執(zhí)行過程。從咨詢解釋能力看,專家系統(tǒng)不僅對用戶的提問給出解答,而且能夠?qū)Υ鸢傅耐?/p>

15、理過程做出解釋,提供答案的可信度評估。專家系統(tǒng)能不斷對自己的知識進行擴充、完善和提煉。而傳統(tǒng)程序都無法做到。專家系統(tǒng)內(nèi)部包括兩個主要部分:知識庫和推理機。因為專家系統(tǒng)依賴于推理,它必須能夠解釋這個過程,所以它的推理過程是可檢查的,解釋機是復雜專家系統(tǒng)的一個必要部分。由于專家系統(tǒng)具有很多突出優(yōu)點,如:適應強。它能在任何計算機硬件上使用。專家系統(tǒng)是專家知識的集成,具有高水平的復合性,由幾個專家復合起來的知識,其水平可能會超過一個單獨的專家,而且復合專家知識在任何時候可同時和持續(xù)地解決某一問題。而且持久性好。專家知識是持久的,不會像專家那樣會退休,或者死亡,專家系統(tǒng)可以比專家反應更迅速或更有效。某些

16、突發(fā)的情況需要響應得比專家更迅速,因此實時的專家系統(tǒng)具有重要應用。專家系統(tǒng)的廣泛應用促進了專家系統(tǒng)的發(fā)展。一般診斷專家系統(tǒng)開發(fā)可以采用高級程序語言、通用人工智能語言、專家系統(tǒng)工具,也叫專家系統(tǒng)外殼來進行。根據(jù)需求采用專家系統(tǒng)工具來開發(fā)故障診斷專家系統(tǒng)。因為,專家系統(tǒng)工具是一個具有知識表示和推理機的基本框架系統(tǒng),能保證快速、高質(zhì)量的組建、開發(fā)出故障診斷專家系統(tǒng)。因此,研究和開發(fā)專家系統(tǒng)和專家系統(tǒng)工具是組建測試系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)的基礎和關鍵技術(shù),是測試技術(shù)的重要研究內(nèi)容。3.4 虛擬測試技術(shù)通過虛擬測試系統(tǒng),可以使產(chǎn)品歷經(jīng)虛擬設計、虛擬加工、虛擬裝配、產(chǎn)品性能虛擬測試和虛擬使用全過程。虛擬測試的結(jié)

17、果信息可用于優(yōu)化、改進虛擬制造技術(shù)中有關的設計和過程參數(shù)。由于虛擬測試在虛擬制造技術(shù)中應用的普遍性,能促進整個虛擬制造技術(shù)體系更為完備和工程實用化。因此,開展虛擬制造環(huán)境的虛擬測試技術(shù)研究和應用具有重要而深遠的意義,而計算機技術(shù)、虛擬技術(shù)和測試技術(shù)的發(fā)展,以及大量工程實用數(shù)據(jù)的積累,也使得建立虛擬測試系統(tǒng)具備了現(xiàn)實的可能性。我們開展虛擬測試技術(shù)研究,就是用虛擬工程概念解決型號研究中的實際測試問題。通過構(gòu)造型號虛擬測試環(huán)境解決型號研制過程中的測試具體問題,包括參數(shù)精度測試,各種物理參數(shù)的虛擬產(chǎn)生,過程測試方法的模擬、測試程序的執(zhí)行檢測,對象模擬,以及虛擬模發(fā)、模飛等。通過構(gòu)建軍事裝備或大型工程的

18、虛擬測試環(huán)境,建造一個通用的虛擬測試平臺,可以適應各種型號模擬測試試驗,對每種型號的測試需求均可在此通用的虛擬測試平臺進行試驗驗證測試,通過虛擬測試驗證,修正、完善軍事裝備的設計、提高研制質(zhì)量;同時在明確軍事裝備和大型工程需求情況下通過虛擬測試環(huán)境可對需要設計的測試發(fā)射控制系統(tǒng)和各類測試分系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(分布式多總線復合結(jié)構(gòu)或嵌入式單機箱系統(tǒng)、系統(tǒng)組成、配置、功能模塊要求、實時性、傳輸性、可靠性、維護性均可在通用的虛擬測試平臺上完成演示驗證,進行完善設計和研制。當前,虛擬測試的研究和應用主要集中在兩方面:一是基于虛擬儀器技術(shù)的虛擬測試,基于虛擬儀器技術(shù)的虛擬測試的核心思想是“軟件就是儀器”。其實

19、現(xiàn)途徑是在一定硬件基礎上,利用計算機和軟件及相應算法來替代傳統(tǒng)測量儀表和裝置,如:信號調(diào)理與傳輸儀表,信號顯示記錄儀、存儲儀表、信號分析與處理儀表,以及有關控制、監(jiān)控環(huán)節(jié)。另外,就是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬測試?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的虛擬測量,則是在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下,借助多種傳感器和必要的硬件裝備，根據(jù)具體需求，完成有關的測量任務。在 虛擬環(huán)境下可以設計、構(gòu)建所需要的虛擬測試系統(tǒng)，進行虛 擬測試、虛擬測量操作、測量過程仿真及虛擬制造中的虛擬 測試等。 在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進行虛擬測試，能夠?qū)⑷?、測量設備、測 量系統(tǒng)模型和測量仿真軟件集成于一體，提供良好的人機交 互和反饋手段，產(chǎn)生逼真效果。然而目前虛擬現(xiàn)實

20、的硬件設 備和工具價格昂貴，VR 技術(shù)在測量領域的應用應注重技術(shù)功 能的實現(xiàn)，不必追求高檔的、完全的 VR 環(huán)境。 上述兩類虛擬測試最大區(qū)別是：基于虛擬儀器技術(shù)（VI）的 虛擬測試盡管也被稱做“虛擬” ，但是，它不可能完全虛擬， 其中，被測量對象模擬化不虛，傳感器不虛，數(shù)采不虛，測 量操作不虛，測量結(jié)果不虛。而基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬測 試，一般強調(diào)交互和沉浸，首先要使參與者有“真實”的體 驗，為了達到這個目的，就必須提供多感知的能力。目前基 于虛擬儀器技術(shù)的虛擬測試和基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬測試 日趨走向集成和融合。虛擬測試可以降低實際測試操作的費 用，減少在危險環(huán)境中實際操作的危險性，虛擬測試所具有 的擬實性、靈活性和低成本，使之成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個 主要應用領域。尤其在虛擬制造中具有重要作用，它貫穿于 虛擬設計、虛擬加工制造、虛擬裝備以及產(chǎn)品性能檢測