軍用測量/測試設備將向通用、靈活方向發

2004年11月A版

    目前，芯片與總線的尺寸越來越小、傳輸速度越來越快，這給軍事電子系統與裝備測試帶來不小的麻煩。為了與最新的亞微米電路技術保持同步，測試與測量設備技術面臨著嚴峻的挑戰。
    在2003年3月美國總審計署(GAO)發表《美國國防部需要更好地管理自動測試設備現代化》報告后，美國國防部更加重視通用及靈活測試設備的開發與使用。為了降低成本，五角大樓計劃者正試圖通過采購通用、靈活的測試設備，取代目前正在使用的400多種不同類型的軍事與航空測試設備。為盡快同時實現這兩個目標，測試設備制造商們正致力于PXI波形因數和綜合儀器等測試新技術的開發。

亞微米電路給測量設備帶來嚴峻挑戰
    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越困難。因為同大尺寸集成電路測試相比，工程人員必須多測試20~30次才能發現小尺寸芯片的故障，這既增加了成本，又浪費了時間；同時，這些復雜的芯片設計使門引線比更高，這樣，采用傳統的掃描測試方法進行測試時，帶寬將受到限制。因此，制造商們正在努力開發技術，以使測試和測量設備跟上時代的步伐。
    其中一個方案是明導國際公司的TestKompress嵌入式確定性測試工具。與現在的掃描和自動化測試模式生成(ATPG)方法相比，它使用嵌入式確定性(EDT)與壓縮技術，既減小了測試數據量，又縮短了測試時間。其軟件還能為確定性ATGP生成壓縮測試模式。
明導國際公司認為：我們能夠壓縮該操作，因為我們的硬件、軟件的結合恰到好處。我們存儲的測試模式較少，僅為全部模式的1%。芯片上的硬件能夠生成其它測試模式，用于激勵和響應模式，然后在傳輸過程中再一次壓縮數據。硬件方面，系統將把該信號同預計的響應進行比較。
    例如，在實速測試中，用戶要測試由于電線阻抗引起的微小速度變化。實速測試中最常見的類型是躍遷模型，即慢上升和慢下降兩種類型。在最新、最小尺寸芯片的躍遷模型中，用戶將測試到更多阻抗引起的故障。當芯片由180納米減少到130納米時，用戶會發現實速故障將增加12~20次，因為尺寸這么小的芯片將帶來以下三個問題：互連密度太高；芯片材料出現故障；在10層以上電路中對位偏差時常發生。
    工程人員也進行固定測試。與實速測試相比，這種測試要求更多的數據輸入和輸出芯片；對更高精度的測試來說，帶寬比速度更重要。
    在芯片的其它地方，縮小特征尺寸也會導致嵌入式缺陷。采用常規的BIST(內建自測試)方法很難發現這些故障，因此，明導國際公司推出了MBIST(存儲器內建自測試)結構產品，用于測試90納米以下的芯片。

PXI技術優勢明顯
    測試和測量技術的規則總是要求一些折衷方案。國家儀器公司PXI產品有關人士認為：現在，這些規則正在改變。國家儀器公司測試硬件采樣率-分辨率進展圖表明：今天的用戶可以同時擁有更高的采樣速率及更準確的分辨率
    該公司的NI PXI-5670是一個2.7 GHz 射頻向量信號發生器，提供16位分辨率，100MS/s采樣速率，支持256MB內存以及22 MHz帶寬。
    新產品的設計將繼續縮小尺寸。用戶已經越來越多地采用基于PXI的產品。PXI是儀器PCI extensions的縮寫，是一個小型模塊化儀器平臺，比PCI尺寸更小、速度更快。PXI是由PXI系統聯盟管理的一種開放式規范，其定義為加固型、基于Compact PCI平臺，使測試、測量及控制最優化。PXI產品不僅與廣泛使用的CompactPCI工業計算機標準兼容，還有其他特性：環境規范、標準軟件、內部計時與同步。
    例如，洛克希德•馬丁航空公司的工程人員在F-35“聯合攻擊戰斗機”上進行風洞測試時，用基于PXI的測量硬件及軟件的數據采集工具取代基于VME的系統，結果，使通道密度增加一倍，測試速度提高80倍。
    在對F-35渦輪噴氣發動機進行風力測試時，測試人員使用國家儀器公司的LabVIEW實時軟件以及G系統公司16種基于PXI的信號采集模塊。在128個通道測量氣壓時，采樣速率2萬次/秒，每50毫秒運行450000個浮點運算。
    另外，ManTech國際公司工程人員最近為美國空軍LANTIRN(夜間低空導航和紅外線瞄準)吊艙測試系統技術升級進行了設計。擯棄了VME系統，采用基于PXI的計算，不僅使測試設備機架由7個減至3個，而且降低了成本和維護費用，還縮短了部署時間。
    目前，存儲器供應商Conduant公司也提供PXI數據采集的存儲器，支持多達8個串行ATA硬盤驅動器。這樣，工程人員在進行測試和測量時可以更好地記錄數據。使用Conduant公司的StreamStor PXI-808實時記錄與回放硬盤控制器以及Big River DM4 1U支架安裝底盤，臺式儀器能記錄200MB/s的數據。
    Conduant公司的生產線已經擴展，支持PXI總線結構，可以為用戶提供較高配置和可靠的解決方案，數據速率高達200MB/s，是目前最快的。這為32位產品用戶提供更高的性價比，而且性能明顯提高。
    Symmetricom公司也經歷了從VXI到PCI或PXI的變化。該公司向自動測試設備制造商出售時間和頻率基準。精確的定時對測試精度至關重要。因為定時能夠使工程師對雷達、通信、遙測、航空電子設備以及航線測試等設備中元器件保持同步。此外，還可利用定時測試每組元器件的性能，如放大器增益等。
    Symmetricom公司提供三種類型的定時系統，都是從銫、銣或石英元素的原子振蕩中產生精確計時數據。銣是現在最流行的，因為其長期穩定性優于石英，成本低于銫。由于它啟動速度快(在30分鐘內達到指定性能)，穩定性好，所以更適合航母飛行甲板上使用的測試設備。Symmetricom公司設計人員將在一年內推出PCI產品，該產品將比VXI產品更快、更便宜、更靈活。

測試設備通用性需求
    GAO的《美國國防部需要更好地管理自動測試設備現代化》報告對軍用測試設備的發展具有重要影響。
   GAO調查人員透露，美國國防部技術人員使用400多種不同類型的測試設備，檢測在航空電子設備和武器系統元器件中存在的問題。在1980年到1992年期間，美國國防部耗資500多億美元用于采購和支持測試設備，雖然測試設備種類繁多，但每種儀器僅能測試一種設備。
    報告指出，美國海軍在1990年至2002年間用于采購測試設備的資金為15億美元，計劃2007年以前經費還要增加，其中，4.3億美元用于采購測試設備，3.84億美元用于設備維護和升級，3.84億美元用于新型武器系統測試設備。
    1994年，美國防部頒布有關法令，要求未來測試設備必須使用商用現貨元器件，而且不能只測試一種平臺，應該與整體測試設備協同工作。
    美國海軍制定了加固自動化支持系統(CASS)計劃。該系統用一個標準化系統代替25部測試儀器，支持2458種武器元器件的測試。預算的削減推遲了本應在2000年完成的計劃。到2000年底，計劃人員僅全部替換了25種測試儀中的4種，另有8種以上的測試儀被部分替換。現在該計劃最快也要在2008年完成。
    另一個計劃是ARGCS(敏捷快速作戰支援系統)。這項計劃的目的是研制美國國防部各軍種及其盟國都能使用的通用測試軟件。例如，該系統必須在美國海軍及海軍陸戰隊F/A-18戰斗機、E-2戰斗機、陸軍“帕拉丁”自行榴彈炮、陸軍及海軍陸戰隊“復仇者”導彈發射架以及美空軍平臺、英國和西班牙部隊中都能使用。預計在2004~2006年進行系統樣品開發，2006~2008年進行測試并裝備部隊。
    在美國總審計署報告的刺激下，五角大樓計劃人員匆忙削減經費。但他們面臨著挑戰：如果替換過時的測試設備，他們必須保留測試程序集(TPS)。但如果新、舊測試設備不兼容，那么TPS將毫無用處。
    一種解決方案是使用綜合儀器，綜合儀器與現在使用的標準支架解決方案截然不同。綜合儀器內含軟件算法和硬件模塊，可將其分成三種類型：信號調節器(如上/下變頻器)、數字轉換器(如波形發生器)以及處理器。此方法類似于軟件無線電技術。這種方法可以節省政府開支，鼓勵不同測試產品之間的競爭，還為系統集成商提供更大的靈活性。
    綜合儀器不僅能在美國和北約各軍種使用，而且減少了測試設備的體積和重量，易于在遠方基地部署。同時，在新型武器系統建好之前，設計人員就可以開發測試設備。
綜合儀器還能解決五角大樓長期的測試設備老化問題。按照當前標準，基于VME總線技術的VXI型設備不但速度慢，而且笨重，因此，許多測試設備制造商推出基于CompactPCI總線技術的PXI型設備。不久的將來，這些產品將升級到PCI Express，然后再到另一個平臺。綜合儀器將與簡單的軟件升級保持同步。
    另一個維持過時測試系統的方案是在舊設備市場購貨，美國安捷倫公司的工程人員通過對用過測試儀器的認證來支持這種方案。當經濟蕭條時，來自電信公司、縮小規模公司以及破產dot.com公司的大量設備就會涌入舊設備市場。在一個新的計劃中，安捷倫公司通過對改進設備的認證，支持150個最普通型號產品。公司技術人員也將對舊設備進行校準并提供認證，而且為舊設備提供軟件和固件的升級。
    安捷倫公司還與在線拍賣網站eBay簽署一個協議，為在線購買的過時測試設備提供擔保。這是一筆大買賣，因為在線購買測試設備年銷售額約5000萬美元。
    對于一臺已經使用8年或10年的過時測試設備，舊設備市場是唯一能夠買到它的地方。好在安捷倫公司為購買的設備提供認證，否則，用戶將冒一定的風險。
    隨著一些公司的復蘇，測試設備價格也開始緩慢攀升，不過，安捷倫公司計劃人員相信舊設備市場仍將受到歡迎。因為美國軍事預算壓力尤存，何況還有50000億美元的赤字。

測試設備靈活性需求
    軍民技術結合要求測試儀器更靈活
    商用和軍事航空電子設備之間的界限越來越模糊，因為軍事設備設計人員采用商用現貨產品越來越多。例如，空中客車公司的A380旅客噴氣式客機和波音公司的C-17軍用運輸機現在都使用ARINC 429數據總線，而該數據總線最初是為民品開發的。另一個趨勢是：民品采用軍用技術。例如，許多商用飛機使用了軍事技術，如MIL-STD 1553數據總線。
    如果一個技術人員要測試并測量機器，則需要在兩種標準之間進行轉換。一種解決方案是采用巴拉德公司的新型Omnibus卡，它支持兩種協議。該卡有若干數字信號處理器處理數據，并利用PowerPC微處理器管理系統。此卡包括2GB閃存，驅動器可運行巴拉德公司的CoPilot 4.0軟件。這樣該卡可以解決信號產生和處理問題，就不再需要主機。因為該卡能獨立地運行一臺主機，它必須解決自身通信問題，所以有以太網接口和具體IP地址。這樣，用戶能從他的辦公室或者實驗室聯網此卡并遙控使用。
    新型彈藥對測試設備靈活性需求更高
    測試和測量儀器面臨的另一個挑戰是擁有足夠靈活性，保持與新型設備同步。長期以來，各軍種測試智能彈藥的需求不斷。現在需要為新型“迷你”武器、尤其是小口徑炸彈，提供測試系統。但這種需求難度很大，因為測試儀器必須與原來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，技術人員必須在彈藥裝載飛機之前測試其能力。這意味著他們要為每件武器通電測試，以確保其電路和最新軟件運行良好；同時，還要測試模塊化武器的部件，如“聯合制導攻擊武器”(JDAM)尾翼，確保其正常工作。
這項工作使用的一個設備是ATK公司的通用彈藥自檢測和重新編程(CMBRE)設備，是一種測試智能武器的加固型便攜式計算機。該系統已經使用多年，現在需要升級，以用于新型平臺。
    由于聯邦計劃人員仍然為小型智能武器協議選擇通用標準，因此測試儀制造商在2~4年內不會投產最新產品。
    同時，測試儀器性能必須有所提高。我們需要更多的軟件、更快的數據傳輸速率和新的通信協議。因為新型武器將使用新的數據總線，如小口徑炸彈使用EBR(增強比特速率)1553總線。在后續產品開發中，ATK公司工程師將設計帶有寫保護內存的CMBRE設備，防止病毒入侵，提高安全性，使之與Windows XP和標準DOS操作系統相兼容。
    從長遠觀點看，CMBRE設備將具有足夠的靈活性，在各種武器中都能發揮作用，因為用戶能將PCMCIA卡輕松地插入到武器的主承包商提供的武器專用軟件中。這些卡還擁有大量內存，使CMBRE容易脫密，因為CMBRE不存儲任何機密數據。其面臨的挑戰仍是減少重量，成為便攜式產品，同時保留其環境屏蔽，尤其是屏蔽航母甲板上強烈的電磁干擾信號。