21世纪电子测量技术的现状以及未来的发展趋势

摘 　要 :本文综合论述了电子测量技术的现状和总体发展趋势 , 分析了电子测量仪器的研究开发，阐述了我国电子测量技术与国际先进技术水平的差距，进而提出了发展电子测量仪器技术的对策。特别是由于测试技术的突破带来的电子测量仪器的革命性变化.同时 ,针对业界自动测试系统的发展历史和现状提出了作者的一些看法 ,并介绍了业界的最新进展和最新标准 . 近年来，以信息技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长，也极大地推动了测试测量仪器和设备的快速发展。鉴于中国在全球制造链和设计链的重要地位，使得这里成为全球各大测量仪器厂商的大战场，同时，也带动了中国本土测试测量技术研发与测试技术应用的迅速发展。
关键词 :LXI 、ATE 、自动测试系统 、智能化、虚拟技术、总线接口技术VXI
一、前言
 中国电子测量技术经过40多年的发展，为我国国民经济、科学教育、特别是国防军事的发展做出了巨大贡献。随着世界高科技发展的潮流，中国电子测量仪器也步入了高科技发展的道路，特别是经过“九五”期间的发展，我国电子测量技术在若干重大科技领域取得了突破性进展，为我国电子测量仪器走向世界水平奠定了良好的基础。进入 21 世纪以来 ,科学技术的发展已难以用日新月异来描述 。新工艺 、新材料 、新的制造技术催生了新的一代电子元器件 ,同时也促使电子测量技术和电子测量仪器产生了新概念和新发展趋势 。本文拟从现代电子测量技术发展的三个明显特点入手 ,进而介绍下一代自动测试系统的概念和基本技术 ,引入合成仪器的概念 ，面向21世纪的我国电子测量技术的发展趋势和方向是：测量数据采集和处理的自动化、实时化、数字化；测量数据管理的科学化、标准化、规格化；测量数据传播与应用的网络化、多样化、社会化。GPS技术、RS技术、GIS技术、数字化测绘技术以及先进地面测量仪器等将广泛应用于工程测量中，并发挥其主导作用。
二、测试技术现状及其存在的问题
 现在人们通过实践已越来越认识到测试技术的重要性，国内测试技术也已有了很大的发展，现在已基本上采用了标准化、模块化设计体制。已从CAMAC、PC总线、STD总线向VXI、PXI总线发展，从堆叠式测试系统向标准化、模块化测试系统发展，并先后研制出国产化VXI模件、VXI测试系统及PXI系统，使我国测试系统技术水平逐步进入国际先进行列。在航天器、武器系统的单元系统中也设计了自检测功能，但在实用的自动测试系统中，尤其在武器系统的测试中，缺少实用的人工智能测试技术，故障诊断水平低、实用性差、网络化水平低。从测试体制的变革方面，国内尚没有边缘扫描技术和完善的智能内装测试系统。因此，与国外存在比较大的差距，国外20世纪八十年代末，九十年代初即提出了内装测试系统和可测试性概念，随后研制出了设备，并制订出了相应标准。近年来中国测量技术的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。测试技术行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土测量技术取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备和汽车电子设备的研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长。在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。 拥有中国该领域唯一重点实验室的中国电子集团公司第41研究所，凭借着本土测试领域的龙头地位，通过属下的青岛兴仪电子设备有限责任公司，成功地实现了由技术到产品的转化，开发出了多款具有很高技术水平的产品。该所研制出的高纯微波合成信号发生器、微波噪声系数分析仪、便携式射频频谱分析仪、2.5Gb/sSDH/PDH数字传输分析仪、高性能的光通讯设备，包括光谱分析仪和高性能微型光时域反射计，还有高速数字示波器等，目前都已经形成比较完整的产品系列。其中AV1489型高纯微波合成信号发生器采用全正向设计方法，突破了高纯度微波频率合成等多项关键技术；AV3984型微波噪声分析仪突破了智能微波噪声源等多项关键技术；AV4022型便捷式射频频谱分析仪突破了小型化设计与制造等关键技术，还有高性能的AV3600系列的宽带矢量网络分析仪，DT系列数字电视码流实时检测仪等。另外，该所还与海信集团一道，研制出了数字电视全部四个层次上的测试仪器。无疑这对中国的数字电视产业的发展将起到很大的推动作用。这些仪器除了能解决所有通用协议分析外以及物理层的各种指标的测试外，还有一个很重要的特点，就是结合中国数字电视标准和特点，保留了很好的可升级性。
三、电子测量技术的发展方向
 我国测试技术已经进入标准化设计阶段，而且已采用了工业界先进的计算机I/O总线标准和数字化总线、仪器总线相结合的标准，逐步接近国际先进水平。但如何进一步发展，发展的主要内容是什么，这是摆在从事测试技术的每个工程人员需要认真思索的问题。任何技术的发展均取决于社会发展的需求。根据安捷伦公司在1996年对检测成本统计：硬件成本6%，检测开发24%，检测操作57%，维护成本占13%。除了硬件成本外，其它三项基本是软件开发、维护、操作成本。因此，对TPS的开发、移植、维护、重用，应是测试系统的重要研究内容。因此，美国在ABBET（广域测试）对测试软件作了重点描述和规范。它以信息模型对测试信息进行规格化描述，消除了层次间测试信息移植、共享和应用的障碍。将测试从宏观上划分为产品描述层、测试策略和要求层、测试过程层、测试资源管理层、仪器控制层等内容。其根本目的是建立一种通用的ATS开放系统体系结构，从该体系结构再衍生出由具体硬件、软件和系统实现的体系结构，达到测试贯穿于产品从设计思想到装备现场的整个寿命周期，包括从一个寿命周期阶段到另一个寿命周期阶段相关测试信息的传递；生成所需测试程序与过程中信息的使用；故障隔离和修理时，在编写报告和诊断操作中测试维护信息收集和诊断信息反馈。同时通过渐近方法确定ATS开放系统体系结构。计划了四个发展项目，每个发展项目完成后，产生一个ATS开放系统体系结构的完好部件，从而增加了该体系结构的开放程度与能力水平。四个发展项目分别解决“仪器互换性和互操作性”、“TPS可移植性和互操作性”、“寿命周期信息交换”、“过程与工具”。通过四个发展项目产生了ATS信息架构和软件架构。在测试领域对人工智能技术应给予高度重视。
3.1  总线接口技术
总线是所有测试系统和故障诊断系统的基础和关键技术，是系统标准化、模块化、组合化的根本条件，国内外都是依据总线系统来组建各类测试系统，以确保硬件、软件、系统级的兼容性、互换性和重构功能，研究和开发总线系统是设计、研制开放式体系结构的核心任务，也是测试系统技术研究的关键技术。
采用总线结构设计的系统，具有简化系统设计、可靠性高、维护性好、产品易于升级换代，便于组织生产工艺和成本低，真正能变串行生产为并行生产等重要优点。VXI总线技术是二十世纪末出现的一个新的母线技术。它首先出现于美国，应用于美国空军电子测量仪器。VXI总线将VME总线和GPIB结合起来构成一个新的标准，这种模块式仪器平台可以满足未来仪器应用的需要，使电子测量仪器和系统步入一个新的发展时期。VXI总线是一个新的行业标准接口母线，是一种完全开放的、适应多厂家仪器产品（模块、插卡式）的行业标准。这个标准的推出有三个原因：一是适应技术发展的要求，二是多厂家的仪器缺乏互联性，三是军方的需要，而且这是最重要的一个方面。军方需求什么？一是军用电子测量仪器战争现场所强调的便携性，VXI可以大大减小设备的体积和重量；二是大大提高测试速度，VXI比GPIB的速度可提高40倍；三是测试系统的适应性、灵活性大为提高；四是价格适中；五是有利于充分发挥计算机的作用。
通用测试技术基础的关键技术
3.2  软件平台技术
软件是组建系统核心技术之一，对于测试软件、TPS可兼容、可移植和重用一直是测试系统的关键技术。拟建立测试软件通用平台，重点研究CORBA、DCOM、COM等中间件语言。
这些软件充分利用了现今软件技术发展的最新成果，在基于网络的分布式应用环境下实现应用软件的集成，使得面向对象的软件在分布、异构环境下实现可重用、可移植和互操作。主要原理是引入中间件（Middle ware）作为事务代理，完成客户机（Client）向服务对象（Server）提出的业务请求，实现客户与服务对象的完全分开，客户不需要了解服务对象的实现过程以及具体位置。
同时提供软总线机制，使得在任何环境下，采用任何语言开发的软件只要符合接口规范的定义，均能集成到分布式系统中。
同时对现有的IVI、Vpp、SQL、ODBC、VRML语言等进行应用研究。
3.3  专家系统技术
由于专家系统具有很好实用性，已被广泛应用于科学、工程制造，尤其是宇航领域得到了广泛应用。美国自由号空间站、欧洲尤里卡平台、哥伦布空间舱，以及日本的吉姆舱都设计了故障诊断专家系统。在新一代载人航天器——航天飞机、载人飞船，作为可靠性的重要保障手段之一的故障诊断专家系统得到了广泛应用。“自由号”空间站是美国大型载人航天工程。由于该工程结构庞大，设计复杂以及高可靠和高自主性要求，基于人工智能的故障诊断专家系统是其重要组成部分。NASA投入大量资金用于空间站系统级管理、故障诊断以及分系统级故障诊断专家系统的研制工作，包括诊断推理专家系统。由于故障诊断专家系统以其在实际应用中发挥的作用和取得的效益受到了工程界的普遍重视，专家系统已成为故障诊断技术发展的主流。专家系统是一门综合性很强的学科，开发一个成功的专家系统需要系统设计人员与应用领域中的人类专家密切合作，一般将专家系统的设计人员称为知识工程师（Knowledge Engineer），将参加专家系统开发的人类专家称为领域专家（Domain Expert）。专家系统（Expert System）是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统内部含有大量的某个领域的专家水平的知识与经验，能够运用人类专家知识和解决问题的方法进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，来解决该领域的复杂问题。从处理问题性质看，专家系统善于解决那些不确定性、非结构化的问题，主要用于知识处理，而不是数据信息处理。从处理问题的方法看，专家系统则主要依靠知识表达技术、知识推理、知识收集和编码，知识存贮和编排，建立知识库及其管理系统，利用专家知识和经验求解专门问题，而不是数学描述的方法来解决问题。从系统结构看，专家系统则强调知识与推理的分离，因而系统具有很好的灵活性和扩充性。从知识推理能力看，专家系统的工作是在环境模式驱动下的知识推理过程，而不是在固定程序控制下的指令执行过程。从咨询解释能力看，专家系统不仅对用户的提问给出解答，而且能够对答案的推理过程做出解释，提供答案的可信度评估。专家系统能不断对自己的知识进行扩充、完善和提炼。而传统程序都无法做到。专家系统内部包括两个主要部分：知识库和推理机。因为专家系统依赖于推理，它必须能够解释这个过程，所以它的推理过程是可检查的，解释机是复杂专家系统的一个必要部分。
由于专家系统具有很多突出优点，如：适应强。它能在任何计算机硬件上使用。专家系统是专家知识的集成，具有高水平的复合性，由几个专家复合起来的知识，其水平可能会超过一个单独的专家，而且复合专家知识在任何时候可同时和持续地解决某一问题。而且持久性好。专家知识是持久的，不会像专家那样会退休，或者死亡，专家系统可以比专家反应更迅速或更有效。某些突发的情况需要响应得比专家更迅速，因此实时的专家系统具有重要应用。
专家系统的广泛应用促进了专家系统的发展。一般诊断专家系统开发可以采用高级程序语言、通用人工智能语言、专家系统工具，也叫专家系统外壳来进行。
根据需求采用专家系统工具来开发故障诊断专家系统。因为，专家系统工具是一个具有知识表示和推理机的基本框架系统，能保证快速、高质量的组建、开发出故障诊断专家系统。因此，研究和开发专家系统和专家系统工具是组建测试系统和故障诊断系统的基础和关键技术，是测试技术的重要研究内容。
3.4  虚拟测试技术
通过虚拟测试系统，可以使产品历经虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配、产品性能虚拟测试和虚拟使用全过程。虚拟测试的结果信息可用于优化、改进虚拟制造技术中有关的设计和过程参数。由于虚拟测试在虚拟制造技术中应用的普遍性，能促进整个虚拟制造技术体系更为完备和工程实用化。因此，开展虚拟制造环境的虚拟测试技术研究和应用具有重要而深远的意义，而计算机技术、虚拟技术和测试技术的发展，以及大量工程实用数据的积累，也使得建立虚拟测试系统具备了现实的可能性。我们开展虚拟测试技术研究，就是用虚拟工程概念解决型号研究中的实际测试问题。通过构造型号虚拟测试环境解决型号研制过程中的测试具体问题，包括参数精度测试，各种物理参数的虚拟产生，过程测试方法的模拟、测试程序的执行检测，对象模拟，以及虚拟模发、模飞等。
通过构建军事装备或大型工程的虚拟测试环境，建造一个通用的虚拟测试平台，可以适应各种型号模拟测试试验，对每种型号的测试需求均可在此通用的虚拟测试平台进行试验验证测试，通过虚拟测试验证，修正、完善军事装备的设计、提高研制质量；同时在明确军事装备和大型工程需求情况下通过虚拟测试环境可对需要设计的测试发射控制系统和各类测试分系统体系结构（分布式多总线复合结构或嵌入式单机箱系统）、系统组成、配置、功能模块要求、实时性、传输性、可靠性、维护性均可在通用的虚拟测试平台上完成演示验证，进行完善设计和研制。当前，虚拟测试的研究和应用主要集中在两方面：
一是基于虚拟仪器技术的虚拟测试，基于虚拟仪器技术的虚拟测试的核心思想是“软件就是仪器”。其实现途径是在一定硬件基础上，利用计算机和软件及相应算法来替代传统测量仪表和装置，如：信号调理与传输仪表，信号显示记录仪、存储仪表、信号分析与处理仪表，以及有关控制、监控环节。
另外，就是基于虚拟现实技术的虚拟测试。基于虚拟现实技术的虚拟测量，则是在虚拟现实环境下，借助多种传感器和必要的硬件装备，根据具体需求，完成有关的测量任务。在虚拟环境下可以设计、构建所需要的虚拟测试系统，进行虚拟测试、虚拟测量操作、测量过程仿真及虚拟制造中的虚拟测试等。
在虚拟现实环境下进行虚拟测试，能够将人、测量设备、测量系统模型和测量仿真软件集成于一体，提供良好的人机交互和反馈手段，产生逼真效果。然而目前虚拟现实的硬件设备和工具价格昂贵，VR技术在测量领域的应用应注重技术功能的实现，不必追求高档的、完全的VR环境。
上述两类虚拟测试最大区别是：基于虚拟仪器技术（VI）的虚拟测试尽管也被称做“虚拟”，但是，它不可能完全虚拟，其中，被测量对象模拟化不虚，传感器不虚，数采不虚，测量操作不虚，测量结果不虚。而基于虚拟现实技术的虚拟测试，一般强调交互和沉浸，首先要使参与者有“真实”的体验，为了达到这个目的，就必须提供多感知的能力。目前基于虚拟仪器技术的虚拟测试和基于虚拟现实技术的虚拟测试日趋走向集成和融合。虚拟测试可以降低实际测试操作的费用，减少在危险环境中实际操作的危险性，虚拟测试所具有的拟实性、灵活性和低成本，使之成为虚拟现实技术的一个主要应用领域。尤其在虚拟制造中具有重要作用，它贯穿于虚拟设计、虚拟加工制造、虚拟装备以及产品性能检测和使用的全过程，实现虚拟制造各个阶段有机衔接，推进虚拟制造技术的发展和工程化。因此，开展虚拟制造环境的虚拟测试技术研究和应用具有重要而深远的意义，而计算机技术，虚拟技术和测试技术的发展，以及大量工程实用数据的积累，也使得建立虚拟测试系统具备了现实的可能性。
四、展望未来
综上所述 ,21 世纪的电子测量仪器随着芯片技术和 DSP 技术的发展将达到前所未有的高性能 ,随着计算机技术与仪器的进一步融合 , 仪器的易操作性 ,易升级性 ,测量能力 ,数据处理和分析能力 ,都得到了大幅度提高 。与此同时 ,软件无线电正越来越多地被应用到各个领域 , 仿真技术将为用户的设计和验证提供了更加强大和方便的工具 。自动测试系统经历了从GPIB 系统到 VXI 系统 ,从 VXI 系统到VXI 与 GPIB 混合系统的发展历程 , 越来越多的军工用户希望拥有一种长寿命且高性能的系统标准体系来承担日益复杂的测试压力和维护成本的压力 ,面对未来的挑战 ,LXI 仪器将在继承现有测试技术的基础之上 ,为下一代测试技术和测试仪器 ,特别是ATS 测试系统的革新带来新的希望 。
参考文献
【1 】李保安，李行善的[基于组件的自动测量系统（ATS）软件体系结构]，电子测量与仪器学报，2002年04期
【2】何玲松，张蓉，【基于Web的网络化虚拟仪器技术及应用】，中国机械工程，2002年09期
【3】唐德琴．军用电子侧量仪器技术发展战略研究［ Ｊ ］ ．电子科学技术
1993.1

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