一種通用數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)

童穎飛，吳小強，宋　云，肖蘇飛

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153；2.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003)

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一種通用數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)

童穎飛1，吳小強2，宋云1，肖蘇飛1

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153；2.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003)

摘要：介紹了一種通用數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)。根據(jù)不同的T/R組件測試要求,靈活開發(fā)相應(yīng)的測試方法,合理配置可程控測量儀器。利用PCIe波控及數(shù)據(jù)采集板卡與組件通訊、LAN接口實現(xiàn)PC機(jī)與可編程儀器之間的通訊,獲取被測件測試數(shù)據(jù),并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并形成測試報表。

關(guān)鍵詞:相控陣?yán)走_(dá);自動測試;軟件平臺;T/R組件;可編程儀表

0引言

近年來,隨著相控陣?yán)走_(dá)的廣泛應(yīng)用,雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜程度顯著增加。T/R組件是構(gòu)成相控陣?yán)走_(dá)的基礎(chǔ),是相控陣?yán)走_(dá)的核心部件。T/R組件的各項指標(biāo)直接影響雷達(dá)相應(yīng)的整機(jī)指標(biāo)。在T/R組件研制前期以及大規(guī)模批量生產(chǎn)階段,大量全面的電性能指標(biāo)測試是必需的[1-2]。

傳統(tǒng)測試方法自動化程度低,多為手工操作測試,測試過程相當(dāng)繁瑣,需進(jìn)行大量的重復(fù)測試,并且測試數(shù)量繁多、測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計量大,測試覆蓋大量的頻點、通道,涉及的測試指標(biāo)包含移相、衰減、噪聲系數(shù)等復(fù)雜指標(biāo)。傳統(tǒng)的人工測試方法在當(dāng)前的測試需求下呈現(xiàn)出測試周期長、效率低下等缺點,已很難滿足現(xiàn)代雷達(dá)的研制需求。因此,需要構(gòu)建自動測試系統(tǒng),為現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的研制生產(chǎn)提供保障。

本文在通用測試開發(fā)平臺的基礎(chǔ)上,根據(jù)被測對象特點和測試系統(tǒng)要求,研究和設(shè)計T/R 組件自動測試系統(tǒng)。

1通用測試開發(fā)平臺

通用測試開發(fā)平臺是面向一般的微波/射頻設(shè)備復(fù)雜系統(tǒng)的自動化測試工具軟件平臺。系統(tǒng)軟件采用Microsoft Visual Studio作為開發(fā)工具,基于.NET Framework 4.0平臺。系統(tǒng)軟件采用Microsoft Access 2003以及Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫,可以運行于Windows XP及以上的平臺。通用測試開發(fā)平臺作為涵蓋測試創(chuàng)建、執(zhí)行、分析和管理的一體化自動測試平臺,具有以下一些特點:

以通用化設(shè)計為原則,可對一般的微波/射頻設(shè)備進(jìn)行電性能指標(biāo)測試。面向?qū)ο?依據(jù)接口編程,將測試過程模塊化,模塊之間通過平臺交互,達(dá)到易于維護(hù)的目的:

(1) 系統(tǒng)軟件具有開放性、靈活性和擴(kuò)展性,無需編程,通過簡單的圖形界面即可創(chuàng)建測試,測試方法易于編輯、儀表資源可擴(kuò)充/裁減,對于不同測試對象可迅速建立相應(yīng)的測試流程;

(2) 利用數(shù)據(jù)庫配置系統(tǒng)的測試參數(shù),便于管理,同時具備自動化的測試結(jié)果收集、可視化的測試文檔和報告生成,以及數(shù)據(jù)輸出和自動文檔記錄等功能;

(3) 支持多種測試測量儀器及多種測試儀器控制總線接入方式,具備通用儀器的標(biāo)準(zhǔn)操作函數(shù)庫,能夠靈活地實現(xiàn)儀器儀表的操作;

(4) 軟件界面友好、操作方便、易于學(xué)習(xí)和使用。

2T/R組件自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)方法

本文在自研的通用測試開發(fā)平臺的基礎(chǔ)上,根據(jù)被測T/R組件的特點和測試系統(tǒng)要求,對測試系統(tǒng)信號中樞、波控及數(shù)據(jù)采集板卡等方面進(jìn)行設(shè)計,最后利用通用測試開發(fā)平臺對具體的T/R組件自動測試系統(tǒng)進(jìn)行配置,形成T/R 組件自動測試系統(tǒng),并對其進(jìn)行驗證。

本文中的自動測試系統(tǒng)針對數(shù)字T/R組件的電性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計。該電性能指標(biāo)包含了近40個指標(biāo),每個指標(biāo)又包含了很多通道及頻點。在手動測試的情況下完成此項工作非常耗時費力,而自動測試則可將工作時間和人力大大縮減。

2.1通用測試開發(fā)平臺構(gòu)成及功能

通用測試開發(fā)平臺由系統(tǒng)管理平臺、資源管理平臺、測試程序開發(fā)平臺、測試程序執(zhí)行平臺及數(shù)據(jù)管理平臺等5個子平臺組成。組成框圖如圖1所示。

本文中主要使用的功能模塊如下:

(1) 資源管理平臺

資源管理平臺主要實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件測試設(shè)備的配置,可實現(xiàn)新增、刪除、修改硬件設(shè)備的功能。通過資源管理平臺,測試系統(tǒng)能夠針對不同的被測件進(jìn)行靈活的系統(tǒng)硬件配置。

圖1　通用測試開發(fā)平臺組成框圖

(2) 測試程序開發(fā)平臺

測試程序開發(fā)平臺主要實現(xiàn)針對不同測試對象、測試指標(biāo)。在平臺中根據(jù)已配置的硬件資源編輯對應(yīng)的測試動作,將測試動作按正確的測試時序排列,構(gòu)成完整的測試流程,并保存到計算機(jī)硬盤。

(3) 測試程序執(zhí)行平臺

測試程序執(zhí)行平臺主要實現(xiàn)對測試流程執(zhí)行前系統(tǒng)的自檢及自檢后執(zhí)行測試程序開發(fā)模塊中保存的測試流程,自動記錄測試結(jié)果并實時顯示。

(4) 數(shù)據(jù)管理平臺

數(shù)據(jù)管理平臺主要實現(xiàn)測試結(jié)果的查詢、測試數(shù)據(jù)的導(dǎo)出及測試結(jié)果的自動報表輸出。

2.2測試系統(tǒng)配置

T/R組件的測試過程中主要關(guān)注發(fā)射通道及接收通道的測試參數(shù)。發(fā)射通道的主要指標(biāo)有輸出功率、雜散、諧波、波形參數(shù)、幅相特性等。接收通道的主要指標(biāo)有噪聲系數(shù)、動態(tài)范圍、衰減精度、移相精度、幅相一致性等。此外,收發(fā)切換時間、布相時間等也是需要關(guān)注的指標(biāo)[2]。

根據(jù)上述測試指標(biāo)的需求,在通用測試開發(fā)平臺中配置測試所需要的硬件設(shè)備。配置后的自動測試系統(tǒng)基本原理框圖如圖2所示,圖中虛線框內(nèi)為測試系統(tǒng)組成。

系統(tǒng)上行通道測試原理為計算機(jī)通過波控及數(shù)據(jù)采集板卡控制組件直接產(chǎn)生輸出信號。組件輸出通過信號轉(zhuǎn)接中樞建立測試通路,由計算機(jī)控制測試系統(tǒng)內(nèi)的儀器設(shè)備對被測件進(jìn)行自動測試,并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。下行通路測試由計算機(jī)控制信號源或噪聲源產(chǎn)生激勵信號。通過信號轉(zhuǎn)接中樞建立測試通路,由計算機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)的各儀器設(shè)備對被測件進(jìn)行自動測試。通過波控及數(shù)據(jù)采集板卡采集組件

圖2　基本測試原理框圖

圖3　信號轉(zhuǎn)接中樞原理圖

輸出的IQ數(shù)據(jù)。計算機(jī)回讀后對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,并生成測試報表。

2.3系統(tǒng)硬件組成

T/ R 組件測試系統(tǒng)硬件部分主要由信號轉(zhuǎn)接中樞、波控和數(shù)據(jù)采集板卡、測試儀器、冷卻系統(tǒng)、計算機(jī)和其他輔助設(shè)備組成。測試儀表主要是功率計、頻譜儀、信號源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器等。進(jìn)行測試儀表的選擇,通過信號轉(zhuǎn)接中樞將測試儀表、被測組件以及計算機(jī)連接起來,形成測試通路[3]。

2.3.1信號轉(zhuǎn)接中樞

信號轉(zhuǎn)接中樞是T/R組件自動化測試系統(tǒng)中實現(xiàn)系統(tǒng)靈活性、開放性、可擴(kuò)展性的關(guān)鍵設(shè)備,其性能指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)的測試指標(biāo)。

信號轉(zhuǎn)接中樞主要功能是根據(jù)測試項建立相應(yīng)的激勵通道和測試通道,提供系統(tǒng)測試用的微波通路。系統(tǒng)中的激勵信號和測試儀器的測試端口均連接到信號轉(zhuǎn)接中樞。被測件的RF測試端口、時鐘及本振信號也連接到該設(shè)備。信號通路的建立是通過信號轉(zhuǎn)接中樞中的微波開關(guān)完成的。被測件連接到信號轉(zhuǎn)接中樞后可以不需要進(jìn)行其他的連接就可以測試全部的性能參數(shù)。原理圖如圖3所示。

2.3.2波控及數(shù)據(jù)采集板卡

波控及數(shù)據(jù)采集板卡的主要功能是對寬帶T/R組件的所有工作狀態(tài)進(jìn)行控制和對接收通道數(shù)字信號進(jìn)行采集,板卡的數(shù)據(jù)率及格式適應(yīng)寬帶T/R組件測試及調(diào)試要求。

波控及數(shù)據(jù)采集板卡包括FPGA模塊、光纖模塊和PCI-Express模塊,其中FPGA模塊為主控芯片,系統(tǒng)通過光纖模塊將數(shù)據(jù)送入PCI-Express模塊。PCI-Express模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過PCI-Express總線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)內(nèi)存的COM-E模塊進(jìn)行后續(xù)進(jìn)一步的信息處理。該系統(tǒng)的全部邏輯電路均在FPGA中實現(xiàn),所需的外圍器件少,硬件結(jié)構(gòu)簡單。同時,采用PCI-Express總線,傳輸速率能夠達(dá)到160～200 MB/s,徹底解決了雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣绕款i。該板卡可以將實時采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種信號處理,大大提高了系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性[4]。

2.4系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件系統(tǒng)配置完成后,需要在測試系統(tǒng)中對軟件進(jìn)行設(shè)計。測試軟件是整個系統(tǒng)指揮控制的調(diào)度中心。通過儀器接口總線[5],對系統(tǒng)設(shè)備初始化,發(fā)出各類儀器的操作及校準(zhǔn)命令,同時接收系統(tǒng)中測試儀器的返回信息,并對其進(jìn)行分析處理,從而迅速地完成測量的全過程及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,全面完成系統(tǒng)的自動化測試。本自動測試系統(tǒng)軟件通過通用測試開發(fā)平臺的圖形化測試開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。

通過測試程序開發(fā)平臺,根據(jù)規(guī)定的測試方法按設(shè)計好的測試時序添加測試系統(tǒng)硬件資源節(jié)點或者邏輯控制節(jié)點。通過可視化界面設(shè)置各個節(jié)點的行為及屬性,構(gòu)成完整的測試流程，并利用其調(diào)試功能對測試方法進(jìn)行驗證。

在被測件對象中設(shè)置需要的測試項，并將調(diào)試完成后的測試方法并聯(lián)至對應(yīng)的測試項中。通過測試程序執(zhí)行平臺執(zhí)行測試被測件的測試項目。方法流程執(zhí)行到每個節(jié)點時按照設(shè)置好的動作或者屬性控制對應(yīng)的測試資源,并在顯示面板上實時顯示測試結(jié)果,最后保存至數(shù)據(jù)庫中。

測試軟件的控制流程如圖4所示。

圖4　測試軟件控制流程圖

2.5系統(tǒng)校準(zhǔn)

測試系統(tǒng)還需要提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。在通用測試平臺上設(shè)置好對應(yīng)的校準(zhǔn)項后,運行相應(yīng)的校準(zhǔn)測試項后校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將存入校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中。在測量時從校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫獲取相應(yīng)測試條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,得到待測參數(shù)的真實值。采用這樣的方式校準(zhǔn)具有較高的靈活性,能夠自主選擇校準(zhǔn)時機(jī)。

(1) 功率測試校準(zhǔn)

系統(tǒng)進(jìn)行功率測試時會引入從被測件輸入/輸出端口到功率計/激勵源端口的通道損耗。在進(jìn)行校準(zhǔn)測試前先對矢網(wǎng)進(jìn)行全二端口校準(zhǔn),然后測出通路的S21值,這樣修正的同時也確保了將系統(tǒng)失配造成的誤差降到最低。在進(jìn)行功率校準(zhǔn)時,要注意灌入信號的大小以及整個通路的衰減,保證測試信號在功率探頭良好的線性區(qū)內(nèi)[6]。

(2) 幅相測試校準(zhǔn)

在校準(zhǔn)通路的設(shè)計上,確保盡可能減少開關(guān)次數(shù),以減小開關(guān)重復(fù)性的影響。系統(tǒng)在進(jìn)行幅相測試時,直接在與被測件連接的測試端口進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。在高準(zhǔn)確度測試要求下采用矢網(wǎng)的全二端口校準(zhǔn),以提高儀器測試準(zhǔn)確度,并減小失配的影響。

(3) 噪聲系數(shù)測試校準(zhǔn)

在系統(tǒng)校準(zhǔn)中采取了分段補償,對噪聲源到被測件前端以及后端的損耗分別進(jìn)行補償,保證自動測試時噪聲系數(shù)真實可靠。最后根據(jù)被測件噪聲系數(shù)的大小選擇相應(yīng)的最接近的噪聲源,可以保證達(dá)到較好的測試結(jié)果。

3應(yīng)用實例

下面就某一實際測試過程中采集的數(shù)據(jù)及應(yīng)用情況對系統(tǒng)的可靠性加以論證說明。測試數(shù)據(jù)通過測試系統(tǒng)自動采集并生成,測試結(jié)果取自動測試及手動測試10次結(jié)果的RMS值作比較,以認(rèn)定的手動測試結(jié)果為基準(zhǔn)。表1、表2為測試數(shù)據(jù)管理平臺在測試后自動生成的實際測試過程中手動與自動方式分別采集的輸出功率及噪聲系數(shù)的測試結(jié)果。

表1　輸出功率測試結(jié)果

表2　噪聲系數(shù)測試結(jié)果

從表中不難看出,自動測試的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)相比誤差均在1%左右,能滿足測試的要求,從而說明了數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)具有較高的可靠性。

4成效分析

本測試系統(tǒng)經(jīng)使用比對,原本需要2名人員配合1天的手動測試、原有自動測試系統(tǒng)2 h的測試量縮短為只需1名人員20 min左右即可完成,測試效率得到大大提高。該系統(tǒng)簡單實用,可滿足大批量T/R組件生產(chǎn)過程中的調(diào)試、試驗、論證。測試人員能夠擺脫對組件設(shè)計人員的依賴,能單獨承擔(dān)對組件的調(diào)測工作,減少了人力成本,對提高效率和減少人為事故、提高對產(chǎn)品性能分析等有著重要的意義。

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[5]Agilent Technologies.Signal Generators Programming Guide.(FEB.2010).

[6]Joel P Dunsmore.微波器件測量手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014:25-27.

A general automatic test system of digital T/R module

TONG Ying-fei1, WU Xiao-qiang2, SONG Yun1, XIAO Su-fei1

(1.No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153;2.Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

Abstract:A general automatic test system of the digital T/R module is introduced. According to different test requirements of the T/R module, the corresponding test methods are flexibly developed with the program-controlled measuring instruments configured appropriately. The communication between the PC and the programmable instruments is realized through the communication and LAN interfaces with the PCIe waveform control and data collection PCB to obtain the test data of the unit under test. Finally, the data processing is performed and the test reports are formed.

Keywords:phased array radar; automatic test; software platform; T/R module; programmable instrument

中圖分類號:TP311.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)01-0064-05

作者簡介:童顏飛(1989-)，男，工程師，碩士，研究方向：軟件工程、自動化儀器儀表；吳小強(1971-)，男，工程師，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)；宋云(1968-)，女，高級工程師，研究方向：計量測試及其管理；肖蘇飛(1989-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：軟件工程化、自動化儀器儀表。

收稿日期：2015-12-11；修回日期：2016-01-05