基于VPX總線的高速數(shù)字電路測試系統(tǒng)研究及應(yīng)用

王　燕, 曹子劍 ,水道雁

(南京電子技術(shù)研究所, 南京　210039)

?

基于VPX總線的高速數(shù)字電路測試系統(tǒng)研究及應(yīng)用

王燕, 曹子劍 ,水道雁

(南京電子技術(shù)研究所, 南京210039)

為解決戰(zhàn)略預(yù)警雷達、艦載一體化等重點型號雷達中高速數(shù)字電路模塊的維護能力，設(shè)計了基于VPX總線的高速數(shù)字電路自動測試系統(tǒng)，通過自研基于VPX總線的多功能測試模塊、光纖測試模塊，以及通用VPX背板，再結(jié)合通用的儀器設(shè)備構(gòu)建測試系統(tǒng)，可兼顧多個型號雷達高速數(shù)字電路模塊的測試;該系統(tǒng)可提供10路光纖通道，波特率最高為3.2 Gbps；16路GPIO信號，中斷響應(yīng)時間<50 μs；14路Rocket IO信號，傳輸速率2.5 Gbps；4路*4Rapid IO信號，傳輸速率3.125 Gbps；研究及實測結(jié)果表明該系統(tǒng)可解決基于VPX總線的高速數(shù)字電路模塊的測試。

VPX總線; 高速數(shù)字電路自動測試系統(tǒng); 多功能測試模塊

0　引言

現(xiàn)代雷達向著數(shù)字化、軟件化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的雷達綜合處理系統(tǒng)通常采用基于并行傳輸?shù)腃PCI總線或VME總線等構(gòu)成，模塊間通信一般采用并行總線加自定義串行的方式，整體數(shù)據(jù)傳輸率偏低。VPX總線作為新一代的工業(yè)總線標準，由VME總線發(fā)展而來，在保留了VME總線機械結(jié)構(gòu)及導(dǎo)冷抗震方面的優(yōu)勢的同時，最主要的變化在于引入了高速串行總線來替代并行總線。VPX模塊之間的互聯(lián)可以采用Serial RapidIO、PCI Express、光纖通道、10 GB以太網(wǎng)等高速串行總線。這一改進使得VPX總線的帶寬大大增加[1-3]。為了滿足戰(zhàn)略預(yù)警雷達、艦載一體化等新一代雷達裝備的功能和性能需要，雷達系統(tǒng)大量采用了VPX總線的高速數(shù)字電路模塊。

針對戰(zhàn)略預(yù)警雷達、艦載一體化等重點型號雷達，本文提出了基于VPX總線的高速數(shù)字電路模塊的測試方法，通過自研基于VPX總線的多功能測試模塊、光纖測試模塊及通用VPX背板，再結(jié)合通用的儀器設(shè)備搭建了測試系統(tǒng)，可兼顧多個型號雷達高速數(shù)字電路模塊的功能測試與驗證需求。

1　測試需求分析

本文以某雷達信號處理機中數(shù)據(jù)交換模塊為例，從需求分

析到測試方案進行論述。數(shù)據(jù)交換模塊為VPX 6U負載板(233.35*160 mm)，由2片XC5VTX240T和1片XC5VFX100T、BCM5396、2片DDR2、Flash、電源模塊等器件組成。該模塊的功能框圖如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)交換模塊功能框圖

數(shù)據(jù)交換模塊的測試需求分析如下：

1)內(nèi)存讀寫功能測試：操作正常，讀出的數(shù)據(jù)和寫入的數(shù)據(jù)一致；

2)FLASH空間功能測試：操作正常，讀出的數(shù)據(jù)和寫入的數(shù)據(jù)一致；

3)網(wǎng)絡(luò)功能測試：操作正常，收發(fā)數(shù)據(jù)一致；

4)Rapid IO通訊測試：數(shù)據(jù)傳輸正確，傳輸速度≥1.0 GByte/s；

5)邊界掃描測試：邊界掃描測試通過，無硬件連接故障；

6)串口功能測試：操作正常，串口收發(fā)數(shù)據(jù)正常；

7)I2C功能測試：操作正常，I2C讀寫數(shù)據(jù)正確；

8)GPIO及中斷功能測試：操作正常，GPIO收發(fā)數(shù)據(jù)正常，外部發(fā)起中斷信號，被測模塊50 μs內(nèi)響應(yīng)中斷。

2　系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1硬件組成

基于VPX總線的高速數(shù)字電路模塊測試系統(tǒng)主要由機柜、計算機、VPX總線測試插箱、多功能測試模塊、光纖測試模塊、高性能示波器、千兆以太網(wǎng)交換機、串口服務(wù)器、邊界掃描測試設(shè)備等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2　雷達高速數(shù)字電路模塊測試系統(tǒng)原理框圖

測試系統(tǒng)的控制中心是主控計算機，計算機通過網(wǎng)口控制儀表和測試模塊，發(fā)送指令

給測試模塊，測試模塊接收指令解析后，產(chǎn)生測試命令和測試矢量，發(fā)送給被測件，然后等待并接收測試響應(yīng)矢量，分析處理后將測試結(jié)果上報給主控計算機軟件，軟件平臺根據(jù)測試結(jié)果分析判斷，給出最終測試結(jié)論。

VPX總線測試插箱用于安裝VME控制器、多功能測試模塊、被測件和光纖測試模塊?；赩PX總線的多功能測試模塊是測試系統(tǒng)的核心測試設(shè)備，該模塊基于VPX總線開發(fā)設(shè)計，提供多種測試接口和多種類型的高速串行信號，如ROCKET IO、RAPID IO等。該模塊通過網(wǎng)口接收上位機測試指令，生成和發(fā)送測試矢量，接收測試響應(yīng)向量，能夠?qū)y試結(jié)果進行分析處理，最后可通過網(wǎng)口將測試結(jié)果傳回主控計算機。

光纖測試模塊主要用于測試光纖接口信號，能夠滿足多個通道同時測試，通道波特率可獨立設(shè)置，能夠通過網(wǎng)口接收上位機測試指令，能夠加載和發(fā)送測試矢量，接收測試響應(yīng)向量，對接收數(shù)據(jù)可做初級處理后傳回主控計算機，由主控計算機進行進一步的數(shù)據(jù)分析。

高性能示波器用于高速信號的測試和分析，能夠進行眼圖觀察、抖動分析、串行數(shù)據(jù)分析、一致性分析等。

千兆以太網(wǎng)交換機具備多個千兆以太網(wǎng)接口，能夠同時滿足多個網(wǎng)口同時測試的需求。串口服務(wù)器可提供8個RS232標準串口，可滿足一個被測件具備多個串口的測試需求。邊界掃描測試設(shè)備提供邊界掃描測試所需要的多路JTAG接口，最多提供8路JTAG接口，接口電平可變，有1.8 V.2.5 V,3.3 V和5 V。

VPX插箱提供了硬件運行環(huán)境，通用VPX背板定義了高速數(shù)字模塊連接的拓撲結(jié)構(gòu)，可以兼顧多個高速數(shù)字電路模塊的測試。

2.2關(guān)鍵模塊設(shè)計

2.2.1基于VPX總線的多功能測試模塊設(shè)計

基于VPX總線的多功能測試模塊用于多個品種的高速數(shù)字電路模塊測試，基于VPX總線開發(fā)設(shè)計，提供多種測試接口，如網(wǎng)口、光口、232串口等；提供多種類型的高速總線測試信號，多種如ROCKET IO、RAPID IO等，系統(tǒng)設(shè)計框圖如下圖所示。

圖3　雷達高速數(shù)字電路模塊測試系統(tǒng)設(shè)計框圖

2.2.2 基于VPX總線的多通道光纖測試模塊設(shè)計

多通道光纖測試模塊為標準6U VPX板卡，系統(tǒng)框圖如圖4所示，通過以太網(wǎng)網(wǎng)口與上位機相連。其中光纖通道1和光纖通道2共參考時鐘，可設(shè)置為的波特率為1.6 Gbps和2 Gbps，通道速率可以不一致。光纖通道3～10共參考時鐘，可設(shè)置的波特率為1.25 Gbps、1.6 Gbps 、2 Gbps、2.5 Gbps、3.125 Gbps、3.2 Gbps。光纖通道3～10一共分為四組，即F3-F4、F5-F6、F7-F8、F9-F10，每組光纖波特率可以獨立設(shè)置，組內(nèi)光纖波特率必須相同，光纖通道3～10可同時支持4種速率，但是4種波特率對應(yīng)的參考時鐘必須相同(共生頻點：1.25 Gbps、2 Gbps、2.5 Gbps、3.125 Gbps或者1.6 Gbps、2 Gbps、2.5 Gbps、3.2 Gbps)。另外，同一光纖接口的發(fā)送通道與接收通道的波特率必須一致。測試模塊給每個光纖通道分配了20 MB的發(fā)送緩沖和20 MB的接收緩沖(以2 Gbps速率收發(fā)可以支持80 ms的連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送和連續(xù)數(shù)據(jù)接收)。

圖4　光纖測試模塊設(shè)計框圖

2.3測試方案

以被測對象中的數(shù)據(jù)交換模塊為例，本文重點論述該模塊的測試方案，根據(jù)第2節(jié)測試需求分析，該模塊的測試框圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)交換模塊測試框圖

數(shù)據(jù)交換模塊安裝在VPX插箱的插槽XS7，多功能測試模塊將分時安裝在VPX插箱的插槽XS3、XS6、XS8。數(shù)據(jù)交換模塊的被測信號有一路RJ45、1路串口、12路Serdes、14路4×RapidIO，由于交換板被測信號數(shù)量較多，多功能測試模塊單次測試無法完成，因此需要分時將多功能測試模塊安裝在不同插槽中來完成測試資源共用。所有的網(wǎng)絡(luò)和串口信號都連接到網(wǎng)絡(luò)交換機和串口服務(wù)器上，將由多功能測試模塊的一路網(wǎng)絡(luò)和串口統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)收發(fā)測試。Serdes信號通過背板被連接至多功能測試模塊的FPGA高速接口上，通過FPGA的可重配置特性實現(xiàn)12通道的分別測試。通過分時測試方法，數(shù)據(jù)交換模塊上的每一路RapidIO通道在多功能測試模塊上都有一路RapidIO與之對應(yīng)，多功能測試模塊將根據(jù)實際通信速率對每一對RapidIO測試通道進行數(shù)據(jù)收發(fā)測試，數(shù)據(jù)量應(yīng)在1 MByte以上。

2.4軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件的設(shè)計采用模塊化、層次化、插件式、可擴展的構(gòu)建思路，各功能模塊相互獨立，軟件配置管理員根據(jù)系統(tǒng)需求動態(tài)選擇相應(yīng)子模塊，快速構(gòu)建新的軟件系統(tǒng)。

軟件對測試流程的開發(fā)采用了免編程的設(shè)計理念，對簡單的測試對象，TP(測試程序)設(shè)計師不需要編寫程序代碼，即可完成測試流程的開發(fā)。平臺軟件提供了單步執(zhí)行、斷點設(shè)置等調(diào)試手段，便于TP設(shè)計師對測試流程的調(diào)試驗證。

軟件平臺對儀表的控制采用IVI的設(shè)計思想，按照IVI規(guī)范將測試系統(tǒng)中的所有儀表進行相應(yīng)的儀器驅(qū)動封裝，能夠輕松實現(xiàn)儀表的可互換性，解決了儀表損壞或停產(chǎn)造成的升級障礙，提高了系統(tǒng)升級維護的效率，降低了維護成本。[5]

軟件的功能框圖如圖6所示。

圖6　軟件功能框圖

3　結(jié)束語

本文提出了一種基于VPX總線的高速數(shù)字電路模塊的測試方法，通過研究設(shè)計了通用的基于VPX總線的多功能測試模塊、光纖測試模塊，以及通用VPX背板，設(shè)計的自動測試系統(tǒng)可兼顧多個型號雷達高速數(shù)字電路模塊的測試，改變了以往高速數(shù)字電路測試系統(tǒng)中多利用雷達裝機件搭建測試平臺的現(xiàn)狀。該系統(tǒng)可提供10路光纖通道，波特率最高為3.2 Gbps；16路GPIO信號，中斷響應(yīng)時間<50 μs；14路Rocket IO信號，傳輸速率2.5 Gbps；4路*4Rapid IO信號，傳輸速率3.125 Gbps。試驗證明該方法對于解決VPX總線的高速數(shù)字電路模塊的測試是切實可行的，目前該測試系統(tǒng)已應(yīng)用到國內(nèi)戰(zhàn)略預(yù)警、艦載一體化等重點型號雷達多個分系統(tǒng)中高速數(shù)字模塊的維護和功能測試，輔助進行故障定位，降低了對實際操作人員的技能要求，可有效提高部隊維護保障能力。

[1]包利民，潘奇.VPX總線技術(shù)及其實現(xiàn)[J].電子機械工程,2012,28(2):57-60.

[2]王麗，付月生，陳思思.基于VPX總線的系統(tǒng)主控模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程,2004,22(14):117-119.

[3]吉玉潔，張小林.VPX總線標準研究及其在無人機中的應(yīng)用展望[J].計算機測量與控制,2012,20(4):1112-1115.

[4]池凌鴻,史鴻聲.Open VPX總線及其在雷達信息處理的應(yīng)用[J].雷達科學(xué)與技術(shù),2013,11(4):409-412.

[5]黃曉晴,王緯國,梁岳，等.自動測試系統(tǒng)軟件技術(shù)通用性研究綜述[J].測控技術(shù),2013,32(10):1-4.

[6]VMEbus International Trade Association. American National Standard for VPX Baseline Standard[S].ANSI/VITA 46.0-2007.

Research and Application of High Speed Digital Circuit Testing System Based on VPX Bus

Wang Yan, Cao Zijian, Shui Daoyan

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing210039,China)

An automatic test system of high speed digital circuit based on VPX bus is designed in this paper to resolve maintenance ability of high speed digital circuit modules in the important strategic early warning radar and shipboard integrated radar. The system can test high speed digital circuit modules of multiple model radars. We establish the test system by researching multiple function test module, fibre-optical test module and universal backboard based on VPX bus, universal instruments are also used in the system. The system can provide ten fibre-optical channels which the highest transport frequency is 3.2 Gbps; sixteen GPIO signals which interrupt response time is less than 50 μs; fourteen Rocket IO signals which transport frequency is 2.5 Gbps; 4 *4Rapid IO signals which transport frequency is 3.125 Gbps. The research and test results show the system can resolve the test problem of high speed digital circuit modules based on VPX bus.

VPX bus; automatic test system of high speed digital circuit; multiple function test module

2015-06-25；

2015-08-25。

王燕(1978-)，女，碩士，主要從事雷達測試系統(tǒng)的研制開發(fā)工作方向的研究。

1671-4598(2016)01-0004-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.002

TB114.3

A