1、介紹

模塊化平臺提供與機架和臺式儀器相同的功能，且占地面積更小，成本更低。因此，當今在軍事 - 航空和商業應用中，大多數自動測試系統均采用模塊化架構。圖1展示的是典型的模塊化架構，其中包括模塊化儀器，嵌入式或外部控制器，控制總線以及用于模塊間控制和觸發的觸發/本地總線。

多年來，出現了幾種架構，包括Standard Bus，GTXI，SCXI以及其他架構等。本文主要針對的是PXI和VXI平臺。

圖1：標準板卡模塊架構

VXI平臺開發于20世紀80年代末，多年來已經廣泛部署在各個行業領域，至今仍用于當前的中級ATS應用。基于模塊化架構的優勢和靈活性，同時考慮到PC的性能和成本優勢，PXI平臺于1998年推出，并開始迅速發展 – 成為取代VXI的優質模塊化平臺。如今，全球已部署了超過10,000個PXI系統，其中2005 - 2010年PXI系統的復合年增長率（CAGR）增長了14％。圖2顯示了典型的VXI和PXI平臺，包括可安裝在機架上的機箱和安裝在單個機箱中的多達19個模塊化儀器。

圖2：VXI和PXI模塊系統

幾乎所有的測試系統，特別是那些為車場級或中級測試應用部署的測試系統，都包含系統自檢功能，目的是確保整個系統及其組件正常運行。自檢系統會對一些參數進行測試限制，這些限制是自檢通過/未通過標準的條件，但系統自檢并非旨在提供測試系統儀器的認證或可追溯性。自檢系統依賴于測試系統一部分的資源以及某些自檢設備，這些自測設備通常是無源設備，提供環路以及無源負載。 由于自檢測試是依賴于系統資源實現的，所以對特定的系統需要定制自檢測試資源。測試系統的整體精度或參數性能的驗證歷來依賴于結合精度驗證測試程序（AVP），需要使用外部標準，精確度驗證測試夾具和測試程序。圖3詳細說明了精度驗證測試程序執行相關的主要組件。

圖3：精度驗證系統組件

雖然精確度測試程序和配置的實施在開發和資本方面所需一些投入，但是可以為最終用戶提供驗證整體系統準確性的能力。不過這種策略在很大程度上依賴于外部工具或傳輸標準。此外，AVP（Accuracy Verification Test Program）集中于驗證整體系統準確性，而不對系統內每個儀器分別認證。

傳統上，測試工程設備通過依靠OEM方法或第三方本地校準服務進行單個儀器重新認證的任務，如下所述。

OEM方法儀器校準方法要求拆卸，運輸返廠，重新安裝每個組件。在這個過程中，會要求測試系統暫停現有工作一段時間，這是測試工程所不能允許的。雖然通過庫存樣機的補充可以簡短暫停時間，不過從成本上來說是個不小的開銷（物流）。

第三方校準服務可本地重新認證儀器：這種方法被廣泛采用，并且在系統主要由GPIB（箱式）儀器組成的情況下使用效果很好。GPIB儀器具有易于理解，可訪問等特點，意味著只要校準服務提供商具有正確的校準器/傳輸標準，就可能使用手動（本地）控制來驗證儀器。然而，對于模塊化儀器，這種策略可能存在問題：服務提供商不僅需要具有正確的校準硬件，而且還需要具有正確的儀器控制軟件，然后必須將其加載到系統上。一旦加載了軟件，系統可能需要拆掉部分設備才能完成儀器的連接。由于這些原因，今天VXI或PXI儀器的主要自檢策略是移除儀器并由OEM或預先批準的第三方校準設施進行重新認證。

隨著模塊化測試平臺被越來越多的應用到各行各業，同時許多新的軍事和商業也均有計劃將PXI作為下一代平臺，所以對于更好的認證策略—模塊化儀器在測試系統中重新認證的方法更顯迫切。在盡量少停機時間的情況下重新驗證儀器的能力對于處于關鍵應用的測試系統尤為重要，例如車場級和中級測試需求的系統。

通過將基于集成系統的重新認證方法與特定應用的精度要求和適當的標準模塊結合，提出了一種支持針對特定應用或應用類別的基帶PXI模塊化儀器驗證的改進方法。同時，如果采用的標準模塊包含源和測量等資源，則可以創建一組標準化的系統自測流程，從而加快系統自測開發速度，并可重用在后續系統的自檢工作中。

2、基于PXI的測試平臺的儀器認證策略

基于PXI平臺的測試系統通常包括源和測量儀器、將資源路由到UUT上的測試點的開關矩陣，以及某些外部“箱式”儀器，例如GPIB，LXI或USB設備。

測試系統的認證過程僅涉及那些需要可追溯性的組件。如果儀器未通過認證，則需要重新校準。典型的核心PXI儀器可能包括數字萬用表，一個或多個數字化儀，交流和/或直流電源，如直流電源或任意波形發生器，以及計數器/定時器——所有這些都需要定期重新認證到可追溯的標準。然而，與對應的臺式或“箱式”設備不同，所有儀器都包含在PXI機箱內，并由軟件驅動程序和某種類型的軟件語言控制。理想情況下，這些模塊化儀器板卡的重新認證可以通過將所有儀器安裝在機箱中來實現—從而簡化物流，對測試系統/配置的完整性影響最小，并且能夠利用系統的硬件和軟件基礎設施。

系統內部認證策略—利用測試系統的硬件和軟件架構，將某種類型的傳輸標準作為整體測試系統的一部分—提供可追溯性和重新認證與傳輸標準相兼容的能力。PXI系統的整體認證策略基于以下要點：

·  重新認證過程的儀器精度要求可以基于應用特定要求，而不是基于“公布的”單個儀器規范。 例如，如果應用程序僅需要5?位數字萬用表的準確度，不過采用的儀器是一個6?位數的儀器，則儀器校準為具有與5?位儀器相關的精度即可。 通過將基于應用程序的要求應用于認證過程，標準模塊（以及整個系統）的精度要求變得不那么苛刻，從而降低了標準模塊的成本，提高了測試余量和測試穩定性，并減少了系統的重新認證的頻率。

·  傳輸標準模塊由支持自動測試系統中包含的所有PXI儀器的相同軟件環境支持和控制。

·  標準模塊可能不是提供驗證和可追溯性的系統中的唯一資源。在整體方案中可以加入二級和三級標準的組合作為認證自檢計劃的一部分。根據具體的系統配置和要求，標準模塊可作為認證工作的主要儀器 — 用于校準具有最苛刻的精度驗證要求的儀器。然后，系統內的其他儀器可以將這些經過驗證的儀器與標準模塊一起用作次要標準以執行驗證。

·  使用基于軟件的標準校準方法與板載非易失性存儲器一起使用，以實現模塊上所有的高精度標準，并提供校正時間和溫度變化的能力。成功實施該策略要求模塊的標準具有出色的穩定性，其精確度在溫度和時間上有明確的定義。通過在制造時測量標準值并將這些值加載到模塊的EEROM中來實現絕對精度，然后用戶在認證系統儀器時可以訪問該EEROM。

3、標準模塊要求和實施

該模塊的實施和性能提供了實施重新認證許多基帶源和測量PXI儀器的策略的機會，這些儀器是車場級和中級測試系統的一部分。為滿足測試系統基帶儀器和系統自測功能的重新認證需求，該模塊需要提供以下核心功能：

·  交流和直流電壓參考標準

·  電阻標準

·  頻率參考標準

·  通用DC源資源

·  通用DC測量資源

·  多路復用切換資源

圖4：PXI標準模塊

圖4中詳述的標準模塊的功能和特性主要用于滿足以下類型儀器的重新認證需求：

·  數字萬用表

·  頻率計數器

·  A到D和數字轉換器模塊

另外，通過包括通用源和測量資源，可以包括內置模塊自測功能，其可以提供用于支持系統自測實現的資源。

所有參考標準都是從國家標準與技術研究所（NIST）可追溯標準的外部集合中獲得的可追溯性，這些標準在制造時使用。但是，為了避免與創建精度標準相關的復雜性（和成本），硬件設計主要側重于隨時間提供出色穩定性且具有良好指定溫度特性的組件。

通過記錄標準的實際值并隨后將這些值存儲在模塊的板載非易失性存儲器中，在制造時建立電壓和電阻參考的絕對校準精度。對于頻率參考，10 MHz恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）經過電子調整，以達到所需的精度。一旦將測量的標準值加載到模塊的EEROM中，這些值就可用作各種測量儀器的重新認證程序的一部分。

PXI標準模塊還包括一個內置溫度傳感器，允許模塊驅動程序根據每個參考溫度特性校正基線校準值。最后，由于所有測量的標準值都加載到模塊的EEROM中，因此加載位于磁盤或其他介質上的錯誤校準文件不會影響模塊的性能。

4、將PXI標準模塊作為系統內認證策略的一部分

如前所述，標準模塊為重新認證測試系統的各種儀器提供了基準。標準模塊主要是源模塊，支持測量儀器的認證。但是，對于作為系統一部分的源儀器，例如DC或AC源，將需要一組采集資源。在這種情況下，使用二級標準或儀器—測試系統自己的資源提供認證這些源儀器的方法。例如，標準模塊可以認證DMM。一旦DMM通過認證，該模塊就可用作資源（或二級標準），以驗證系統中可能存在的DC或AC源。由于主要和次要標準都經過認證，因此可以在整個過程中保持可追溯性。確保該策略成功的關鍵因素是確保所需的儀器精度與測量設備兼容，并嚴格遵守認證流程。假設規格和測量裝置的不確定性表現出95％置信度的高斯分布，那么4：1或更高（工業標準）的測試不確定度的比率（TUR）將提供大于99％的置信水平。圖5詳細說明了整體校準過程，包括使用主要和次要標準。

圖5：系統認證流程

標準模塊本身需要定期重新認證，通常每兩到四年重新認證一次。 由于所有硬件和軟件都已經成為測試系統的一部分，因此重新認證系統中的模塊變得非常簡單。 NIST可跟蹤系統中的DMM和頻率計數器，標準模塊驅動程序附帶的圖形用戶界面（GUI）用于完成重新認證。

5、GX1034：基于PXI平臺的標準模塊

廣州虹科電子有限公司與美國MTS合作，負責銷售，技術支持MTS的測試系統和板卡資源，其中包含一種基于PXI平臺的標準模塊儀器——GX1034。

GX1034為PXI系統設計人員提供了開發系統重新認證策略的能力，該策略僅使用內部系統資源。 通過將GX1034作為系統配置的一部分，可以開發一種系統精度驗證策略，可以重新認證系統的來源并測量基帶儀器——從而簡化支持/維護后勤并提高系統可用性。

GX1034標準具有出色的長期穩定性，通過采用板載EEROM實現絕對精度，該EEROM包含源和電阻標準的NIST可溯源校準值。 該模塊還包括源和測量資源，可用于支持系統自測功能，包括連續性驗證和儀器功能驗證。

圖6：GX1034模塊圖

GX1034提供直流參考電壓源，交流參考電壓源，8個低漂移參考電阻和精確的10 MHz參考頻率。 直流和交流電源提供高達±9 V的電壓，并包含一個 3個量級的電阻分壓器網絡，用于衰減輸出電平。 參考電阻包括四線1,10和100Ω電阻以及雙線1 K，10 K，100 K，1 M和10MΩ電阻值。 10 MHz參考頻率采用高穩定性，恒溫控制晶體振蕩器，也可通過24位分頻器提供更低的頻率。

10 MHz輸出和分頻器輸出均可驅動50Ω負載。 此外，當模塊安裝在PXI機箱的插槽2中時，它可以是PXI 10 MHz背板時鐘源。

附加功能包括一個0-20 mA電流源; 一個用于測量高達±10 V的電壓的16位模數轉換器，以及設備工作環境溫度的板載監控器件。該模塊還包括一個信號多路復用器，可以將兩線和四線資源連接到卡輸出連接器上。 所有電壓資源，電阻標準，時鐘分頻器輸出和A/D輸入均與PXI總線隔離并懸空，以便確保低噪聲環境，并最大限度地降低接地環路的可能性，不會影響整體精度和性能。

6、總結

模塊化的測試系統的采用和部署，為負責測試系統的維護、校準和認證的測試工程部門帶來了獨特的挑戰。如果使用“箱式”儀器的傳統認證技術和方法，會忽略與模塊架構相關的優點和特征。基于PXI的系統平臺為測試系統供應商提供了開發全新認證策略的機會，該策略利用硬件和軟件組合的方法，為系統提供一種卓越且經濟高效的認證解決方案。圖6重新討論了圖3中描述的精度驗證設置如何根據整體標準模塊的使用而改變。通過添加該模塊，消除了外部傳輸標準的使用，并且可能還降低了AVP夾具的復雜性。此外，該模塊可以提供中央資源以支持系統自測功能，例如信號連續性和矩陣/多路復用器功能的驗證。

圖6：使用標準模塊的測試系統配置

系統內認證策略采用系統級認證過程視圖，并以模塊化系統固有的軟件和硬件基礎架構為基礎。 通過系統內認證策略，可以顯著改善測試系統中的認證過程。 通過在測試系統中專用一個PXI插槽用于標準模塊，理論上可以在很大程度上消除拆除多個用于重新認證的模塊; 且僅有一個模塊需要送出年度重新認證。 這種解決方案充分利用系統的功能和組件，以實現更高的系統可用性，更低的維護成本。