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基于 PXI 的测试平台的仪器认证策略

2019-08-12
关键词: 广州虹科 PXI

1、介绍

模块化平台提供与机架和台式仪器相同的功能,且占地面积更小,成本更低。因此,当今在军事 - 航空和商业应用中,大多数自动测试系统均采用模块化架构。图1展示的是典型的模块化架构,其中包括模块化仪器,嵌入式或外部控制器,控制总线以及用于模块间控制和触发的触发/本地总线。

多年来,出现了几种架构,包括Standard Bus,GTXI,SCXI以及其他架构等。本文主要针对的是PXI和VXI平台。

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图1:标准板卡模块架构

VXI平台开发于20世纪80年代末,多年来已经广泛部署在各个行业领域,至今仍用于当前的中级ATS应用。基于模块化架构的优势和灵活性,同时考虑到PC的性能和成本优势,PXI平台于1998年推出,并开始迅速发展 – 成为取代VXI的优质模块化平台。如今,全球已部署了超过10,000个PXI系统,其中2005 - 2010年PXI系统的复合年增长率(CAGR)增长了14%。图2显示了典型的VXI和PXI平台,包括可安装在机架上的机箱和安装在单个机箱中的多达19个模块化仪器。

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图2:VXI和PXI模块系统

几乎所有的测试系统,特别是那些为车场级或中级测试应用部署的测试系统,都包含系统自检功能,目的是确保整个系统及其组件正常运行。自检系统会对一些参数进行测试限制,这些限制是自检通过/未通过标准的条件,但系统自检并非旨在提供测试系统仪器的认证或可追溯性。自检系统依赖于测试系统一部分的资源以及某些自检设备,这些自测设备通常是无源设备,提供环路以及无源负载。 由于自检测试是依赖于系统资源实现的,所以对特定的系统需要定制自检测试资源。测试系统的整体精度或参数性能的验证历来依赖于结合精度验证测试程序(AVP),需要使用外部标准,精确度验证测试夹具和测试程序。图3详细说明了精度验证测试程序执行相关的主要组件。

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图3:精度验证系统组件

虽然精确度测试程序和配置的实施在开发和资本方面所需一些投入,但是可以为最终用户提供验证整体系统准确性的能力。不过这种策略在很大程度上依赖于外部工具或传输标准。此外,AVP(Accuracy Verification Test Program)集中于验证整体系统准确性,而不对系统内每个仪器分别认证。

传统上,测试工程设备通过依靠OEM方法或第三方本地校准服务进行单个仪器重新认证的任务,如下所述。

OEM方法仪器校准方法要求拆卸,运输返厂,重新安装每个组件。在这个过程中,会要求测试系统暂停现有工作一段时间,这是测试工程所不能允许的。虽然通过库存样机的补充可以简短暂停时间,不过从成本上来说是个不小的开销(物流)。

第三方校准服务可本地重新认证仪器:这种方法被广泛采用,并且在系统主要由GPIB(箱式)仪器组成的情况下使用效果很好。GPIB仪器具有易于理解,可访问等特点,意味着只要校准服务提供商具有正确的校准器/传输标准,就可能使用手动(本地)控制来验证仪器。然而,对于模块化仪器,这种策略可能存在问题:服务提供商不仅需要具有正确的校准硬件,而且还需要具有正确的仪器控制软件,然后必须将其加载到系统上。一旦加载了软件,系统可能需要拆掉部分设备才能完成仪器的连接。由于这些原因,今天VXI或PXI仪器的主要自检策略是移除仪器并由OEM或预先批准的第三方校准设施进行重新认证。

随着模块化测试平台被越来越多的应用到各行各业,同时许多新的军事和商业也均有计划将PXI作为下一代平台,所以对于更好的认证策略—模块化仪器在测试系统中重新认证的方法更显迫切。在尽量少停机时间的情况下重新验证仪器的能力对于处于关键应用的测试系统尤为重要,例如车场级和中级测试需求的系统。

通过将基于集成系统的重新认证方法与特定应用的精度要求和适当的标准模块结合,提出了一种支持针对特定应用或应用类别的基带PXI模块化仪器验证的改进方法。同时,如果采用的标准模块包含源和测量等资源,则可以创建一组标准化的系统自测流程,从而加快系统自测开发速度,并可重用在后续系统的自检工作中。

2、基于PXI的测试平台的仪器认证策略

基于PXI平台的测试系统通常包括源和测量仪器、将资源路由到UUT上的测试点的开关矩阵,以及某些外部“箱式”仪器,例如GPIB,LXI或USB设备。

测试系统的认证过程仅涉及那些需要可追溯性的组件。如果仪器未通过认证,则需要重新校准。典型的核心PXI仪器可能包括数字万用表,一个或多个数字化仪,交流和/或直流电源,如直流电源或任意波形发生器,以及计数器/定时器——所有这些都需要定期重新认证到可追溯的标准。然而,与对应的台式或“箱式”设备不同,所有仪器都包含在PXI机箱内,并由软件驱动程序和某种类型的软件语言控制。理想情况下,这些模块化仪器板卡的重新认证可以通过将所有仪器安装在机箱中来实现—从而简化物流,对测试系统/配置的完整性影响最小,并且能够利用系统的硬件和软件基础设施。

系统内部认证策略—利用测试系统的硬件和软件架构,将某种类型的传输标准作为整体测试系统的一部分—提供可追溯性和重新认证与传输标准相兼容的能力。PXI系统的整体认证策略基于以下要点:

·  重新认证过程的仪器精度要求可以基于应用特定要求,而不是基于“公布的”单个仪器规范。 例如,如果应用程序仅需要5½位数字万用表的准确度,不过采用的仪器是一个6½位数的仪器,则仪器校准为具有与5½位仪器相关的精度即可。 通过将基于应用程序的要求应用于认证过程,标准模块(以及整个系统)的精度要求变得不那么苛刻,从而降低了标准模块的成本,提高了测试余量和测试稳定性,并减少了系统的重新认证的频率。

·  传输标准模块由支持自动测试系统中包含的所有PXI仪器的相同软件环境支持和控制。

·  标准模块可能不是提供验证和可追溯性的系统中的唯一资源。在整体方案中可以加入二级和三级标准的组合作为认证自检计划的一部分。根据具体的系统配置和要求,标准模块可作为认证工作的主要仪器 — 用于校准具有最苛刻的精度验证要求的仪器。然后,系统内的其他仪器可以将这些经过验证的仪器与标准模块一起用作次要标准以执行验证。

·  使用基于软件的标准校准方法与板载非易失性存储器一起使用,以实现模块上所有的高精度标准,并提供校正时间和温度变化的能力。成功实施该策略要求模块的标准具有出色的稳定性,其精确度在温度和时间上有明确的定义。通过在制造时测量标准值并将这些值加载到模块的EEROM中来实现绝对精度,然后用户在认证系统仪器时可以访问该EEROM。

3、标准模块要求和实施

该模块的实施和性能提供了实施重新认证许多基带源和测量PXI仪器的策略的机会,这些仪器是车场级和中级测试系统的一部分。为满足测试系统基带仪器和系统自测功能的重新认证需求,该模块需要提供以下核心功能:

·  交流和直流电压参考标准

·  电阻标准

·  频率参考标准

·  通用DC源资源

·  通用DC测量资源

·  多路复用切换资源

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图4:PXI标准模块

图4中详述的标准模块的功能和特性主要用于满足以下类型仪器的重新认证需求:

·  数字万用表

·  频率计数器

·  A到D和数字转换器模块

另外,通过包括通用源和测量资源,可以包括内置模块自测功能,其可以提供用于支持系统自测实现的资源。

所有参考标准都是从国家标准与技术研究所(NIST)可追溯标准的外部集合中获得的可追溯性,这些标准在制造时使用。但是,为了避免与创建精度标准相关的复杂性(和成本),硬件设计主要侧重于随时间提供出色稳定性且具有良好指定温度特性的组件。

通过记录标准的实际值并随后将这些值存储在模块的板载非易失性存储器中,在制造时建立电压和电阻参考的绝对校准精度。对于频率参考,10 MHz恒温控制晶体振荡器(OCXO)经过电子调整,以达到所需的精度。一旦将测量的标准值加载到模块的EEROM中,这些值就可用作各种测量仪器的重新认证程序的一部分。

PXI标准模块还包括一个内置温度传感器,允许模块驱动程序根据每个参考温度特性校正基线校准值。最后,由于所有测量的标准值都加载到模块的EEROM中,因此加载位于磁盘或其他介质上的错误校准文件不会影响模块的性能。

4、将PXI标准模块作为系统内认证策略的一部分

如前所述,标准模块为重新认证测试系统的各种仪器提供了基准。标准模块主要是源模块,支持测量仪器的认证。但是,对于作为系统一部分的源仪器,例如DC或AC源,将需要一组采集资源。在这种情况下,使用二级标准或仪器—测试系统自己的资源提供认证这些源仪器的方法。例如,标准模块可以认证DMM。一旦DMM通过认证,该模块就可用作资源(或二级标准),以验证系统中可能存在的DC或AC源。由于主要和次要标准都经过认证,因此可以在整个过程中保持可追溯性。确保该策略成功的关键因素是确保所需的仪器精度与测量设备兼容,并严格遵守认证流程。假设规格和测量装置的不确定性表现出95%置信度的高斯分布,那么4:1或更高(工业标准)的测试不确定度的比率(TUR)将提供大于99%的置信水平。图5详细说明了整体校准过程,包括使用主要和次要标准。

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图5:系统认证流程

标准模块本身需要定期重新认证,通常每两到四年重新认证一次。 由于所有硬件和软件都已经成为测试系统的一部分,因此重新认证系统中的模块变得非常简单。 NIST可跟踪系统中的DMM和频率计数器,标准模块驱动程序附带的图形用户界面(GUI)用于完成重新认证。

5、GX1034:基于PXI平台的标准模块

广州虹科电子有限公司与美国MTS合作,负责销售,技术支持MTS的测试系统和板卡资源,其中包含一种基于PXI平台的标准模块仪器——GX1034。

GX1034为PXI系统设计人员提供了开发系统重新认证策略的能力,该策略仅使用内部系统资源。 通过将GX1034作为系统配置的一部分,可以开发一种系统精度验证策略,可以重新认证系统的来源并测量基带仪器——从而简化支持/维护后勤并提高系统可用性。

GX1034标准具有出色的长期稳定性,通过采用板载EEROM实现绝对精度,该EEROM包含源和电阻标准的NIST可溯源校准值。 该模块还包括源和测量资源,可用于支持系统自测功能,包括连续性验证和仪器功能验证。

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图6:GX1034模块图

GX1034提供直流参考电压源,交流参考电压源,8个低漂移参考电阻和精确的10 MHz参考频率。 直流和交流电源提供高达±9 V的电压,并包含一个 3个量级的电阻分压器网络,用于衰减输出电平。 参考电阻包括四线1,10和100Ω电阻以及双线1 K,10 K,100 K,1 M和10MΩ电阻值。 10 MHz参考频率采用高稳定性,恒温控制晶体振荡器,也可通过24位分频器提供更低的频率。

10 MHz输出和分频器输出均可驱动50Ω负载。 此外,当模块安装在PXI机箱的插槽2中时,它可以是PXI 10 MHz背板时钟源。

附加功能包括一个0-20 mA电流源; 一个用于测量高达±10 V的电压的16位模数转换器,以及设备工作环境温度的板载监控器件。该模块还包括一个信号多路复用器,可以将两线和四线资源连接到卡输出连接器上。 所有电压资源,电阻标准,时钟分频器输出和A/D输入均与PXI总线隔离并悬空,以便确保低噪声环境,并最大限度地降低接地环路的可能性,不会影响整体精度和性能。

6、总结

模块化的测试系统的采用和部署,为负责测试系统的维护、校准和认证的测试工程部门带来了独特的挑战。如果使用“箱式”仪器的传统认证技术和方法,会忽略与模块架构相关的优点和特征。基于PXI的系统平台为测试系统供应商提供了开发全新认证策略的机会,该策略利用硬件和软件组合的方法,为系统提供一种卓越且经济高效的认证解决方案。图6重新讨论了图3中描述的精度验证设置如何根据整体标准模块的使用而改变。通过添加该模块,消除了外部传输标准的使用,并且可能还降低了AVP夹具的复杂性。此外,该模块可以提供中央资源以支持系统自测功能,例如信号连续性和矩阵/多路复用器功能的验证。

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图6:使用标准模块的测试系统配置

系统内认证策略采用系统级认证过程视图,并以模块化系统固有的软件和硬件基础架构为基础。 通过系统内认证策略,可以显著改善测试系统中的认证过程。 通过在测试系统中专用一个PXI插槽用于标准模块,理论上可以在很大程度上消除拆除多个用于重新认证的模块; 且仅有一个模块需要送出年度重新认证。 这种解决方案充分利用系统的功能和组件,以实现更高的系统可用性,更低的维护成本。