網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景
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戴邵武，王朕，張文廣，章堯卿，康宇航
（海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264001）
摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及總線技術(shù)的日益發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)將測(cè)試儀器連接起來組成測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)、測(cè)試、診斷成為可能，這一技術(shù)不僅成為了熱點(diǎn)，而且愈發(fā)成熟。首先介紹了幾種現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上分析了測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間不確定性、信息完整性、協(xié)同測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展前景進(jìn)行展望。
關(guān)鍵詞：測(cè)試系統(tǒng)；時(shí)間不確定性；信息完整性；網(wǎng)絡(luò)安全
中圖分類號(hào)：TP206 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006 - 2394( 2015) 09 - 0044 - 03
0引言
測(cè)試泛指生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行的測(cè)驗(yàn)和測(cè)量的全過程，既包括定量的，也包括定性的測(cè)量和試驗(yàn)。測(cè)試出現(xiàn)的開始階段，基本都是純手工形式的測(cè)試，而當(dāng)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展到一定階段，人工手動(dòng)參與的程度越來越低，自動(dòng)測(cè)試逐漸成為了測(cè)試的主流。
世界上所有的新技術(shù)的需求、出現(xiàn)、發(fā)展、成熟的最初原因無(wú)一例外都是軍事上的需求，自動(dòng)測(cè)試也一樣。20世紀(jì)50年代中期，由于美國(guó)新一代的高精尖武器在保養(yǎng)、維護(hù)、檢測(cè)與修理方面面臨諸多難題，基于此美國(guó)軍方提出了構(gòu)建多用途“萬(wàn)能”自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的概念。自動(dòng)測(cè)試技術(shù)發(fā)展到一定程度之后，從軍事運(yùn)用逐漸進(jìn)入民用。20世紀(jì)60年代，自動(dòng)測(cè)試技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)，由于早期軍事應(yīng)用上存在追求“萬(wàn)能”測(cè)試這一重大缺陷，在工業(yè)應(yīng)用方面自動(dòng)測(cè)試的方向瞄準(zhǔn)了“專業(yè)”方面。
1971年微處理器出現(xiàn)后，很快就將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于測(cè)試領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的測(cè)試儀器相比，含有微處理器的測(cè)試儀器不僅能夠進(jìn)行基本的測(cè)試，還能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)故障診斷等，這一階段的測(cè)試儀器已算是智能測(cè)試儀器的雛形。
隨著測(cè)試儀器智能化水平的提高，現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)具備的功能更加強(qiáng)大。但是一方面單臺(tái)測(cè)試儀器或單個(gè)測(cè)試系統(tǒng)所能完成的任務(wù)還是有限，現(xiàn)實(shí)生活中一些測(cè)量任務(wù)需要分布在不同地域的多臺(tái)儀器或數(shù)個(gè)測(cè)試系統(tǒng)共同來完成，而目前各種測(cè)試儀器不具有開放的體系結(jié)構(gòu)，測(cè)試信息無(wú)法同步且不完整。另一方面不同地域的環(huán)境、氣候等因素可能對(duì)測(cè)試儀器產(chǎn)生不同的影響，使得測(cè)試儀器的檢測(cè)結(jié)果不夠全面、及時(shí)，資源無(wú)法實(shí)現(xiàn)共享，產(chǎn)生信息資源的浪費(fèi)。為了解決以上面臨的問題，網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)為測(cè)試系統(tǒng)的不足開辟了一條新的道路，是現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)未來發(fā)展不可或缺的一部分。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展不僅可以最大限度地利用信息資源、降低儀器成本，還能提高測(cè)試系統(tǒng)的性能。不同地域的測(cè)試儀器或測(cè)試系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)連接起來協(xié)同工作。
1 國(guó)內(nèi)外測(cè)試系統(tǒng)
測(cè)試系統(tǒng)自20世紀(jì)50年代發(fā)展至今已有六十多年的歷史，其測(cè)試精度、測(cè)試距離、測(cè)試范圍等性能指標(biāo)都已有了質(zhì)的飛躍，目前的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用面更廣、測(cè)試任務(wù)更加復(fù)雜、測(cè)試環(huán)境更加多變、測(cè)試要求也更加嚴(yán)格�？偟膩碚f，現(xiàn)在測(cè)試系統(tǒng)可以分為積木式測(cè)試系統(tǒng)、智能化儀器測(cè)試系統(tǒng)、模塊式測(cè)試系統(tǒng)和虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示。
1.1積木式測(cè)試系統(tǒng)
基于GPIB可程控測(cè)試設(shè)備數(shù)字接口總線組建的測(cè)試系統(tǒng)，稱為積木式測(cè)試系統(tǒng)。
在積木式測(cè)試系統(tǒng)中，所有的GPIB測(cè)試儀器主要通過GPIB總線連接起來，測(cè)試儀器是完整獨(dú)立的個(gè)體，含有統(tǒng)一的GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口。根據(jù)任務(wù)需求的不同，可以選擇不同的GPIB儀器組建，當(dāng)測(cè)試任務(wù)完成后，測(cè)試系統(tǒng)將被拆除，GPIB設(shè)備可以用于其他測(cè)試任務(wù)中。由于組建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，GPIB測(cè)試設(shè)備就像“積木”一樣一塊一塊地堆疊在一起，所以將其稱之為“積木式測(cè)試系統(tǒng)”。
積木式測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是組建方便，設(shè)備利用率高；但是由于GPIB總線自身性能的限制，單個(gè)測(cè)試系統(tǒng)含有的GPIB設(shè)備不能超過15臺(tái)，且系統(tǒng)傳輸速率較低。
1.2智能化儀器測(cè)試系統(tǒng)
智能化儀器測(cè)試系統(tǒng)是指將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于測(cè)試技術(shù)出現(xiàn)的測(cè)試系統(tǒng)。它是含有微處理器的測(cè)試儀器組成的系統(tǒng)，這些智能化測(cè)試儀器與傳統(tǒng)測(cè)試儀器相比，除了具有測(cè)試功能，還有自動(dòng)檢測(cè)、故障診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析等功能。
近年來，隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，智能化儀器技術(shù)發(fā)展更加快速。在國(guó)內(nèi)，各種智能化測(cè)試儀器層出不窮，例如能進(jìn)行各種頻譜圖分析和處理的智能頻譜儀、能進(jìn)行程控溫度的智能溫控系統(tǒng)、能進(jìn)行戶外高壓輸電電路電能精確測(cè)量的戶外型高壓電能表；在國(guó)外，智能化測(cè)試儀器更是琳瑯滿目，例如日本北陽(yáng)公司生產(chǎn)的激光雷達(dá)測(cè)距儀HOKUYO美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的新型多用途功率發(fā)生器等。
智能化儀器測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是功能多種多樣，計(jì)算速度快；但是由于智能化儀器測(cè)試系統(tǒng)一般都已經(jīng)裝配好，使用者基本不能對(duì)其進(jìn)行改變，可擴(kuò)展性較差。
1.3模塊式測(cè)試系統(tǒng)
為了使得智能化儀器系統(tǒng)能夠達(dá)到積木式測(cè)試系統(tǒng)那樣隨意裝卸、擴(kuò)展的要求，模塊式儀器系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。將智能化儀器測(cè)試系統(tǒng)中的測(cè)試功能模塊化，插入工控機(jī)或者機(jī)箱內(nèi)槽中，可以組建出模塊式測(cè)試系統(tǒng)。
模塊式測(cè)試系統(tǒng)主要有基于VXI總線測(cè)試系統(tǒng)、基于PCI Express總線測(cè)試系統(tǒng)、基于PXI總線測(cè)試系統(tǒng)、基于LXI總線測(cè)試系統(tǒng)等。與后面幾種測(cè)試系統(tǒng)相比，基于VXI總線的模塊式測(cè)試系統(tǒng)體積大、造價(jià)昂貴，現(xiàn)在大多數(shù)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)不再采用，現(xiàn)在的主流模塊式測(cè)試系統(tǒng)主要是基于PXI總線的測(cè)試系統(tǒng)，而另外兩種測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)用性方面還有不少技術(shù)難題，但是一定會(huì)成為未來的主導(dǎo)模塊式測(cè)試系統(tǒng)。
模塊式測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可擴(kuò)展性強(qiáng)、資源利用率比較高，但是早期的模塊式測(cè)試系統(tǒng)造價(jià)高，而新興的模塊式測(cè)試系統(tǒng)又存在諸多技術(shù)難題（模塊化網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的編寫、電路集成化還不夠高）。
1.4虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)
虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的出現(xiàn)引領(lǐng)了測(cè)試界的大變化，傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)都是帶有人機(jī)交互界面，而虛擬儀器強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器，軟件就是測(cè)試”，通過計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，建立圖形化的虛擬儀器面板，完成以往需要傳統(tǒng)測(cè)試儀器才能完成的工作，虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)多是建立在模塊式測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，可以說是對(duì)模塊化儀器測(cè)試系統(tǒng)的一種升級(jí)。
虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是使用更加方便、成本更加低廉、開發(fā)周期更短；但是虛擬測(cè)試系統(tǒng)由于有些虛擬軟件的編寫比較倉(cāng)促，會(huì)造成虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)不夠穩(wěn)定。
2關(guān)鍵技術(shù)
測(cè)試系統(tǒng)由早期的手工測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展到自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)再發(fā)展到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試速度和精度、抗干擾性、自動(dòng)化程度等性能都有了非常大的提高。21世紀(jì)后，測(cè)試工業(yè)也進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)成為測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展的新方向，為了適應(yīng)未來測(cè)試環(huán)境復(fù)雜化、測(cè)試任務(wù)多樣化、測(cè)試需求嚴(yán)格規(guī)范化等形勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)有許多關(guān)鍵性技術(shù)（圖2所示）需要突破。
時(shí)間不確定性：目前廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)級(jí)別上都是異步的，即使是網(wǎng)絡(luò)傳輸速率達(dá)到了理想的傳輸速率，也是存在少許延遲，更何況網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境傳輸速率不可能達(dá)到理想傳輸速率，這勢(shì)必造成信息不同步、延遲，延遲的時(shí)間也隨著天氣、環(huán)境、測(cè)試設(shè)備性能等因素而不確定，這往往給測(cè)試者帶來很大的麻煩。為了保證測(cè)試結(jié)果的正確性、有效性，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試效率，研制網(wǎng)絡(luò)通信延遲小、延遲時(shí)間確定、抗干擾能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。
信息完整性：信息自古以來都是商場(chǎng)、戰(zhàn)場(chǎng)的關(guān)鍵要素，而由于商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)、軍事斗爭(zhēng)等因素可能使得商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)者、戰(zhàn)場(chǎng)敵人通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信干擾或者網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議更改，帶來網(wǎng)絡(luò)通信的延遲、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的不一致，從而造成測(cè)試系統(tǒng)獲取到的信息不準(zhǔn)確、不完整。保證網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)中傳輸信息的完整性是進(jìn)行快速、準(zhǔn)確測(cè)試的前提。
協(xié)同測(cè)試：網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)就是將采用不同通信協(xié)議且分布在不同地理位置的不同測(cè)試儀器與測(cè)試系統(tǒng)連接起來進(jìn)行測(cè)試任務(wù)，怎樣保證網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)有條不紊的工作，這是一個(gè)協(xié)同問題。協(xié)同不是將處在網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)測(cè)試儀器與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的搭建與組合，協(xié)同測(cè)試需要考慮網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換、時(shí)間基準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試流程。如果網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)中的各個(gè)測(cè)試儀器與測(cè)試系統(tǒng)不能協(xié)調(diào)工作，測(cè)試效果甚至?xí)霈F(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如單個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的功效。如何有效地將不同性能、采用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來，是網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的基礎(chǔ)和前提。
網(wǎng)絡(luò)安全：網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試儀器不再像以往一樣在附近或周遭，而是分布在廣域范圍內(nèi)的各個(gè)不同結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)之間相距較遠(yuǎn)且都是暴露在外面，如果有人通過網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)點(diǎn)入侵系統(tǒng)將帶來巨大的損失。因此如何保證測(cè)試網(wǎng)絡(luò)安全，阻擊來自各方面的安全威脅，避免出現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件損壞、傳輸信息錯(cuò)誤或泄密、病毒入侵等不良現(xiàn)象是非常關(guān)鍵而不能回避的。
3未來的發(fā)展趨勢(shì)
網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)是在單個(gè)測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法滿足需求（軍事與民用）的情況下發(fā)展起來的，所以未來的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)也一定是現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的。目前網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的體系還不夠完善，測(cè)試效率、測(cè)試安全性、可靠性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)未到達(dá)要求。這樣看來，未來網(wǎng)絡(luò)化智能測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾點(diǎn)．
3.1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)下的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)
現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)都是基于有線的網(wǎng)絡(luò)通信，誠(chéng)然，有線網(wǎng)絡(luò)通信的通信效果要好于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，但是也應(yīng)該看到，目前的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也日漸成熟，這就為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)下的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)提供了可能。有線網(wǎng)絡(luò)通信畢竟是有實(shí)物線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于分布在廣域范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行病毒入侵、信息截獲都十分方便；另一方面，由于正常原因（網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)物線老化）或者非正常原因（實(shí)物線環(huán)境突然變化、氣候變化）所導(dǎo)致的有線網(wǎng)絡(luò)通信故障也將給測(cè)試工作人員帶來煩惱，如果使用的是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)下的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)，這些問題都不會(huì)再有。
3.2 高度集成化測(cè)試儀器組成的測(cè)試系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)是由分散在廣域范圍內(nèi)的多個(gè)單測(cè)試系統(tǒng)組成的�，F(xiàn)有的單測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試性能優(yōu)異，能完成多項(xiàng)測(cè)試任務(wù)，但是往往一個(gè)小小的測(cè)試任務(wù)就需要單個(gè)大型的測(cè)試系統(tǒng)來完成。而大型測(cè)試系統(tǒng)占用空間比較大，即使是可拆卸的模塊式測(cè)試系統(tǒng)，當(dāng)測(cè)試任務(wù)改變，不需要某些測(cè)試儀器或者需要更換某些測(cè)試儀器時(shí)，拆卸的任務(wù)大，拆卸花費(fèi)的時(shí)間也比較長(zhǎng)，當(dāng)測(cè)試任務(wù)對(duì)時(shí)間要求比較嚴(yán)格時(shí)，往往不能及時(shí)完成測(cè)試任務(wù)。而隨著大規(guī)模集成化與超大規(guī)模集成化技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試儀器集成化、小型化不再困難，實(shí)現(xiàn)由高度集成化測(cè)試儀器組成的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)將是一個(gè)可觀的發(fā)展方向。
3.3基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)
世界各大測(cè)試儀器生產(chǎn)廠家由于競(jìng)爭(zhēng)、自我方便等諸多因素，往往都是按照自己的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)測(cè)試儀器，縱觀測(cè)試的發(fā)展史，可以發(fā)現(xiàn)，VXI、SCPI、硬件機(jī)箱等軟硬件都是由不統(tǒng)一走向了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化�；诮y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)可以使得測(cè)試工作人員不必再為了協(xié)議規(guī)范的不同而花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行協(xié)議的統(tǒng)一，可以使得各個(gè)儀器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的儀器都能達(dá)到通用，可以使得用戶不必為了更換一個(gè)已經(jīng)停產(chǎn)的儀器無(wú)處購(gòu)買而煩惱，為了自然發(fā)展規(guī)律，為了方便測(cè)試人員，為了節(jié)約成本，研究基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（包括硬件與軟件）的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。
4結(jié)束語(yǔ)
隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器技術(shù)、傳感器技術(shù)和超大規(guī)模集成化技術(shù)等不斷發(fā)展，測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展又進(jìn)入了一個(gè)新的階段，網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)是未來測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。進(jìn)一步拓展測(cè)試儀器的性能、改善網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量、探測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與測(cè)試系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合將加快網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)用化、高規(guī)格化進(jìn)程。
