基于多平臺的輻射耐受測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

鄭 悠，方丹丹，曾春年

(1. 寧波工程學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 寧波 315000；2. 武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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工程與應(yīng)用

基于多平臺的輻射耐受測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

鄭 悠1,2，方丹丹2，曾春年2

(1. 寧波工程學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 寧波 315000；2. 武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

通過對傳統(tǒng)輻射耐受測試系統(tǒng)的研究，針對傳統(tǒng)測試中低效率和高誤差的問題，本文提出了一種融合LabVIEW、MATLAB、HFSS等開發(fā)、仿真和計算工具的多平臺的輻射耐受測試系統(tǒng)的方案，并詳細分析和討論了系統(tǒng)軟硬件平臺的實現(xiàn)。文中選擇一個簡單的反向器作為被測對象，在不同使用場景中對本系統(tǒng)的測試效果進行實驗。實驗結(jié)果表明，由于使用了計算機控制的智能系統(tǒng)，使得本系統(tǒng)較傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)在測試效率和準確度上有了大幅的提高。

輻射耐受測試系統(tǒng); 多平臺; 通用接口總線; LabVIEW; MATLAB; HFSS

0 引 言

隨著信息時代的到來，輻射耐受(Radiated Immunity，RI)測試的重要性越來越突出。但是在傳統(tǒng)的測試中，由于電磁測試設(shè)備和測試項目繁多,往往要在數(shù)據(jù)搬運、儀器操作等流程中耗費大量的人力和時間，從而導(dǎo)致工作效率的降低和失誤可能性的增加。

隨著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展，輻射耐受測試的指標的綜合性和項目的復(fù)雜性變得越來越強，傳統(tǒng)的測試方法已經(jīng)無法適應(yīng)當前技術(shù)發(fā)展的需求，因此如何利用新的技術(shù)有效的解決了傳統(tǒng)測試上的一些缺點成為近年來研究的熱點。通過前期研究發(fā)現(xiàn)，利用分布式控制技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，將計算機和各類儀器設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)組成一個智能測試系統(tǒng)，是一個很好的解決方案。本文提出了一種多平臺的基于GPIB (General Purpose Interface Bus)總線的輻射耐受測試系統(tǒng)，并且測試證明該系統(tǒng)在便捷及效率方面較傳統(tǒng)測試系統(tǒng)有了大幅度的提高。

1 系統(tǒng)概述

輻射耐受測試平臺一般可以分成暗室測試平臺和近場測試平臺兩部分。暗室測試平臺是一個相對成熟的技術(shù)，它能提供芯片輻射耐受能力的全局特征，典型設(shè)備包括回波暗室(Anechoic Chamber)，橫電磁波暗室(TEM Cell)和吉赫茲橫電磁波暗室(GTEM Cell)等[1]。而近場(Near Field)測試平臺是相對較新的技術(shù)，原先用于芯片輻射發(fā)射(Radiated Emission，RE)的測量上，近年來開始被用于輻射耐受的測量上。它能夠?qū)⑵骷芨哳l信號干擾時輻射耐受的局部信息提取出來，成功地彌補了橫電磁波暗室或回波暗室等不足[2]，所以這兩類平臺有著較好的互補性。本系統(tǒng)通過結(jié)合HFSS的電磁仿真軟件、科學(xué)計算軟件和虛擬儀器平臺，將各種測試平臺以模塊化的方式進行集成，從而實現(xiàn)輻射耐受系統(tǒng)測量的自動化。輻射耐受測試系統(tǒng)的整體框架圖如圖1所示。

圖1 輻射耐受測試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

儀器設(shè)備通過同軸電纜與實驗臺相連，負責供電，提供電磁環(huán)境以及測試工作。計算機機與各個設(shè)備相連控制各個設(shè)備的輸出輸入并實時采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后通過可視界面顯示給用戶。用戶只需設(shè)置軟件平臺上的參數(shù)就可遠程控制整個平臺，完成測試。

2 系統(tǒng)的硬件平臺

2.1 橫電磁波暗室測試平臺

橫電磁波暗室測試硬件平臺的儀器設(shè)備包括示波器、信號發(fā)生器、頻率合成器、放大器、功率表、和穩(wěn)壓直流電源。實驗臺是一個橫電磁波暗室。所有的設(shè)備之間以及和實驗臺的相連都選用的是50歐姆的接口，以便使電磁耗損降到最低點。計算機通過GPIB總線與各個設(shè)備相連。圖2是橫電磁波暗室平臺測試系統(tǒng)的簡圖。

圖2 橫電磁波暗室測試平臺測試系統(tǒng)的簡圖

頻率合成器在計算機的控制下發(fā)出某一頻率和功率的信號，傳輸給實驗臺。由電磁理論可知，在某一帶寬下實驗臺內(nèi)能產(chǎn)生均勻并互相垂直的電磁場[3,4]。被測芯片由穩(wěn)壓直流電源供電，芯片的輸入端波形發(fā)生器，輸出端接示波器。

2.2 近場測試平臺

近場測試需要控制探針在一定范圍內(nèi)移動，所以近場測試平臺除了測量部分以外，還包含一個三軸的機械臂和三種用于產(chǎn)生不同的電磁場的探針(圖3)。

圖3 三軸的機械臂和三種探針

近場測試硬件平臺的測量部分由信號發(fā)生器、功率放大器、示波器、頻率合成器等測量儀器組成。計算機利用GPIB總線與測量部分和機械部分相連。圖4是近場測試平臺測試系統(tǒng)的簡圖。

圖4 近場測試平臺測試系統(tǒng)的簡圖

頻率合成器在計算機的控制下發(fā)出某一頻率和功率的信號，傳輸給探針。探頭在計算機的控制下分別沿工作臺的橫軸方向和縱軸方向依次在被測芯片的表面移動，對芯片表面產(chǎn)生局部場強。被測芯片由穩(wěn)壓直流電源供電，芯片的輸入端波形發(fā)生器，輸出端接示波器。

3 系統(tǒng)的軟件平臺

本系統(tǒng)的軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的多軟件平臺多線程的設(shè)計思想。

3.1 輻射耐受測試算法

在電子系統(tǒng)的電磁兼容測試中，主要是對集成電路進行測試。通常，集成電路在運行中既產(chǎn)生信號又產(chǎn)生噪聲干擾。當芯片把低頻信號轉(zhuǎn)換成高頻信號時會產(chǎn)生的輻射和耦合噪聲。在一個典型的電路的所有元件中，集成電路是最容易被過高的電壓和電流所損壞的。即使沒有被損壞，耦合到輸入或電源管腳的噪聲也會造成芯片的失靈，所以，芯片的輻射耐受能力的測試是EMC測試中很重要的部分。EMC輻射耐受的測試的算法如圖5所示(P代表著能量或電場強度或磁場強度，f代表著輸出場強的頻率)[5]。

對于輻射耐受測試中，如何評判芯片處于故障運行狀態(tài)是的是一個難點。因為對于集成電路芯片，目前還沒有一個通用的芯片故障運行狀態(tài)評判準則。通過實驗綜合分析和研究被測芯片管腳電壓或電流對芯片故障運行的影響，最后選用穩(wěn)定性相對好的輸入信號的電平離散度的作為評判準則，并定義當芯片的輸出信號在包絡(luò)(基準輸出電平與容忍誤差之和)之外時認定芯片運行故障。此外，電平離散幅度也可利用示波器的peak-detect功能實現(xiàn)自動偵查，易于軟件的開發(fā)和實現(xiàn)[6]。

圖5 輻射耐受測試算法

3.2 軟件平臺的選擇

本測試平臺作為智能化的系統(tǒng)，需要實現(xiàn)較多的功能。例如，除了要是實現(xiàn)測試系統(tǒng)的自動化功能，還需要對測試結(jié)果進行綜合分析和對比。目前，常用的方法是采用多軟件平臺融合的方案，充分發(fā)揮各個軟件對系統(tǒng)測試與分析的優(yōu)勢，彌補各自在某些方面的缺陷，提供程序編寫效率，降低軟件運行所消耗的計算資源，即考慮軟件運行的時間復(fù)雜度和空間冗余度，提高測試效率[7]。

軟件平臺選用LabVIEW為主體平臺。LabVIEW是NI公司出品的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，它集成GPIB、PXI、DAQ、VXI、RS232/485等各種常用的儀器通信總線標準的驅(qū)動，能通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)卡采集，測試儀器控制及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘8]。

LabVIEW實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的自動化，但是欠缺本軟件平臺所需的信號數(shù)據(jù)的分析處理以及電磁場3D模擬方面功能。本平臺通過集成MATLAB數(shù)據(jù)接口和HFSS數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)以上兩個功能。

MATLAB是Mathworks公司推出的工程計算軟件，其特色是內(nèi)置眾多強大的軟件工具包。通過相關(guān)軟件工具包的調(diào)用，可在本平臺上實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的分析處理功能[9]。LabVIEW可通過ActiveX服務(wù)控件實現(xiàn)和MATLAB的數(shù)據(jù)交換和軟件工具包的調(diào)用。為了方便開發(fā)，目前有第三方又將這些ActiveX服務(wù)函數(shù)重新封裝成易于調(diào)用的API庫函數(shù)，更易于MATLAB與LabVIEW之間混合編程的開發(fā)[10]。

Ansoft公司的HFSS是電磁領(lǐng)域常用的仿真軟件，其能夠快速可靠地計算各種射頻或微波部件的電磁特性，提供S參數(shù)、傳播特性、高功率擊穿特性等參數(shù)的查詢[11]。目前，對于LabVIEW軟件，HFSS并未直接提供合適的腳本接口，但是可以通過HFSS-MATLAB-API來實現(xiàn)MATLAB對HFSS的編程，從而間接實現(xiàn)在HFSS中設(shè)置參數(shù)，創(chuàng)建2D或3D模型，控制仿真以及數(shù)據(jù)傳遞的操作[12]。在本軟件平臺中，主要是利用HFSS來計算特定區(qū)域的電磁場的場強，S參數(shù)等用戶所需的特定信息并反饋給用戶。由于HFSS的電磁仿真需要花費大量的時間，所以所有的平臺都事先經(jīng)過仿真和矯正，放置在指定的數(shù)據(jù)庫中，通過庫中選擇特定平臺即可獲得所需信息

為了進一步地提高響應(yīng)速度和更有效的后臺處理，減少運行過程和用戶界面的相互影響，最大程度利用多處理器的性能，可在LabVIEW中利用While結(jié)構(gòu)，通過在固定時間間隔內(nèi)執(zhí)行的任務(wù)，實現(xiàn)軟件平臺的多線程工作。在本系統(tǒng)的平臺中有兩個線程，分別是讀取并顯示平臺數(shù)據(jù)和存儲平臺數(shù)據(jù)到硬盤，經(jīng)測試存儲數(shù)據(jù)的時間略小于讀取并顯示平臺數(shù)據(jù)的時間，因此通過定時器在固定時間間隔內(nèi)執(zhí)行的數(shù)據(jù)的存儲，進而實現(xiàn)雙線程的運行。但是由于這兩個線程都需要對存儲波形數(shù)據(jù)的全局變量進行操作，所以要進行多線程間的數(shù)據(jù)保護。本測試平臺利用線程安全隊列實現(xiàn)多線程間的數(shù)據(jù)保護。軟件通過使用指針來直接獲取線程安全隊列的內(nèi)部緩存來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的操作。在LabVIEW中提供了CmtGetTSQReadPtr和CmtGetTSQWritePtr兩個API函數(shù)用來返回安全隊列的內(nèi)部緩存指針[13]。

3.3 軟件平臺的實現(xiàn)

軟件主體使用父子面板和菜單欄的形式實現(xiàn)對在同一主面板中對不同子面板的調(diào)用。根據(jù)硬件平臺的不同，可分為橫電磁波暗室測試軟件平臺和近場測試軟件平臺兩大部分。

橫電磁波暗室測試軟件平臺的軟件菜單中有從儀器獲取數(shù)據(jù)和輻射耐受測試?？蛇x擇從儀器獲取新數(shù)據(jù)并保存，在再從計算機讀取數(shù)據(jù)進行輻射耐受測試，或直接從計算機讀取數(shù)據(jù)進行輻射耐受測試。圖6是橫電磁波暗室測試軟件平臺程序流程圖。

圖6 橫電磁波暗室測試軟件平臺程序流程圖

圖7是測試儀器校正部分的界面圖。這個部分包括兩個功能，一是對暗小室能量輸入和輸出的系數(shù)進行測量以確保小室輸出能量計算的準確性；二是對衰減器和放大器所帶來的其它傳輸?shù)膿p耗進行測量以確保傳輸線路上能量計算的準確性。

圖7 測試儀器校正部分的界面圖

圖8是運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集部分的界面。在平臺運行時，設(shè)置參數(shù)和標準波形的信息會被保存在預(yù)選路徑下的ini配置文件中，所有受干擾波形的信息會被依次保存在同路徑下的txt文件中。

圖8 運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集部分的界面

圖9是運行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析和處理部分的界面。在此部分中，用戶可將需要分析的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入平臺中。在完成故障運行判定準則的設(shè)置后，運行狀態(tài)數(shù)據(jù)將在后臺被自動處理并繪制出相應(yīng)的故障狀態(tài)曲線。本平臺中，橫電磁波暗室測試的故障運行判定準則設(shè)定包括錯誤抽樣的比例、錯誤點的比例、可容忍的誤差、可忽略點的比例等幾個參數(shù)。在計算，軟件平臺通過調(diào)用MATLAB的濾波器工具包來消除傳輸線和示波器對芯片的輸出信號電平的干擾，提高測試的精準度。此外，軟件平臺也可以通過調(diào)用MATLAB自動繪制出特定可容忍誤差參數(shù)下的數(shù)據(jù)圖，通過輸入試驗臺的坐標查詢試驗臺內(nèi)部對應(yīng)的場強值。

圖9 數(shù)據(jù)處理部分的界面

同橫電磁波暗室測試軟件平臺類似，近場測試軟件平臺的也分為數(shù)據(jù)采集和輻射耐受測試兩部分。其中在儀器采集部分除了對頻率合成器的控制外，還包括對機械臂的控制。圖10是近場測試軟件平臺程序流程圖。

圖10 橫電磁波暗室測試軟件平臺程序流程圖

由于機械臂控制軟件的API兼容性問題，近場測試的數(shù)據(jù)采集部分在通過編寫VBScript在后臺運行，用戶通過改寫ini配置文件中對相關(guān)參數(shù)進行配置，包括頻率合成器的設(shè)置參數(shù)和機械臂的設(shè)置參數(shù)。所有受干擾波形的信息也會被依次保存在同路徑下的txt文件中。

圖11是近場測試的數(shù)據(jù)處理部分的界面，這個是針對某一頻率和探針功率的場景進行分析的。近場測試的數(shù)據(jù)處理算法與橫電磁波暗室測試類似，同樣也可以通過調(diào)用MATLAB自動繪制出被測芯片干擾點的分布，也可以通過HFSS查詢相關(guān)探針的場強分布情況。

圖11 數(shù)據(jù)處理部分的界面

4 平臺的測試

當被測設(shè)備輸出和輸入關(guān)系越復(fù)雜，所需的外界干擾電平往往越低[14]。為了更好地評估輻射耐受測試平臺的功能，實驗選擇一個輸出和輸入較為簡單的反向器(74AHC1G)作為被測對象，同時根據(jù)平臺的不同，分為橫電磁波暗室測試場景和近場測試場景。

在橫電磁波暗室測試場景中，考慮到輸出電平的抽樣數(shù)量和芯片的安置方向?qū)嶒灲Y(jié)果的影響，實驗場景設(shè)置中將依次改變芯片的安置方向和輸出電平的抽樣數(shù)量。在實驗中每次只更換一個參數(shù)，然后比較更換后的結(jié)果。具體的實驗參數(shù)如下所示：

頻率： 800 MHz-2000 MHz；步進間隔：10 MHz。

功率：20.8 dBm-36 dBm；步進間隔：1 dBm。

電場：26 V/m-128.6 V/m；步進間隔：2.6 V/m。

抽樣數(shù)：10、20；

芯片放置：水平與豎直(如圖12所示)。

圖12 水平和豎直放置方向的定義

通過采集芯片運行時的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)場景參數(shù)(抽樣數(shù)和芯片放置)的不同，獲取了四個場景的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)。接著進行輻射耐受測試的計算，并繪出相應(yīng)的測試曲線?？紤]到篇幅的限制，這里只介紹芯片不同放置方向時的比較結(jié)果。

圖13表現(xiàn)的是可容忍誤差為100 mv。

圖13 輻射耐受測試當可容忍誤差為100 mv

在圖14中，可容忍誤差被提高至135 mv，以便獲得更好的包容性。

圖14 輻射耐受測試當可容忍誤差為135mv

圖13和圖14中的縱軸是芯片運行產(chǎn)生故障時橫電磁波暗室輸入功率，橫軸是對應(yīng)的頻率。由圖14可見，在故障狀態(tài)判據(jù)—可容忍誤差被設(shè)置為100 mv時，當暗室輸入功率為800 MHz-1500 MHz時，豎直放置方向的芯片更容易受干擾，而當暗室輸入功率為1500 MHz-2000 MHz時，水平放置方向的芯片更容易受干擾。當將可容忍誤差提高到135 mv時，由圖15可見，僅有豎直放置方向的芯片在800 MHz-1500 MHz頻段里面容易受干擾。綜上所述，在豎直放置時，由于CMOS反相器芯片的內(nèi)部電路主要鋪設(shè)方向[14](圖15)與暗室產(chǎn)生的磁場方向相交，所以磁場更容易和芯片內(nèi)部電路進行耦合，也更容易受到干擾。CMOS反相器輻射耐受能力也會隨著頻率的增加而提高，這個結(jié)論也與他人的研究結(jié)果相符合[16]。

圖15 反轉(zhuǎn)芯片的電路圖

在近場測試場景中，需要探針在被測芯片上方沿橫縱軸方向移動。在每個測量點上，探針產(chǎn)生頻率固定功率變化的干擾場強。綜合考慮探針電場特點，測試中選用可以產(chǎn)生豎直和水平兩種磁場方向的磁環(huán)探針。根據(jù)在橫電磁波暗室測試場景中的結(jié)果，芯片在干擾頻率為1.2 GHz時較易受到干擾，因此具體的實驗參數(shù)如下所示：

頻率：1200 MHz；

功率：30 dBm-36 dBm；步進間隔：1 dBm。

探針類型：磁環(huán)。

探針方向：水平和豎直(如圖16所示)。

圖16 磁環(huán)的水平方向位置示意圖

通過采集芯片運行時的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)場景參數(shù)(探針發(fā)射功率和探針安置方向)的不同，獲取了四個場景的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)。接著進行輻射耐受測試的計算，并繪出相關(guān)的干擾點分布圖。同樣考慮到篇幅的限制，這里只介紹探針不同方向時的比較結(jié)果。

近場測試結(jié)果顯示當探針沿水平方向放置時，芯片無任何受干擾跡象。這是因為由反轉(zhuǎn)芯片內(nèi)部電路是沿著水平方向鋪設(shè)的(圖15)，所以同方向磁場很難和芯片內(nèi)部電路進行耦合。

圖17表現(xiàn)的是當探針沿豎直方向放置時，探針功率為30 dBm，可容忍誤差為100 mv。芯片運行受到干擾部分由紅色點表示，芯片運行沒有受到干擾藍色點表示。

圖17 當探針沿豎直方向放置時反轉(zhuǎn)芯片干擾點的分布

圖中壞點基本集中在反正芯片內(nèi)部環(huán)形電路部分，這個現(xiàn)象也和對芯片內(nèi)部的設(shè)計造成的耦合影響的預(yù)期相符合。

5 結(jié) 語

本文基于多工具平臺開發(fā)模式和思路，開發(fā)和設(shè)計了基于多平臺的輻射耐受測試系統(tǒng)，并利用反向器作為被測對象，在不同使用場景中對本系統(tǒng)的效用進行測試。實驗結(jié)果表明，較原來傳統(tǒng)的測試方法在效率上有了大幅的提高，節(jié)約了測試成本，有很好的工程應(yīng)用價值。但是此平臺還有著實驗平臺模塊種類不夠完善，例如：多平臺之間的融合和協(xié)調(diào)，缺乏遠程操控能力等不足。因此，在接下來的開發(fā)中，項目組將通過增加近場測試等新的平臺模塊，將各種測試數(shù)據(jù)進行合理的組織和共享,引入TCP/IP的控件和主客端的遠程操控形式來增強軟件的實用性和功能性。

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Design and Realization of the Radiated Immunity Measure System Base on Multi-Platform

ZHENG You1,2，F(xiàn)ANG Dan-dan2，ZENG Chun-nian2

(1. School of electronic information, Ningbo university of technology, Ningbo Zhejiang 315000, China;2. School of information engineering, Wuhan university of technology, Wuhan Hubei 430070, China)

Aiming at the problems of low efficiency and high error in the traditional test method，a design of the radiated immunity measure system base on multi-platform with LabVIEW、MATLAB、HFSS is presented by studying on the radiated immunity measure system. It mainly analyzes and discusses realization and application for the hardware and software of the radiated immunity measure system. In this paper, some experiments are carried out by using intelligent control system base on computer in two test scenario. The results indicate that the efficiency and accuracy of the multi-platform system are both increasing greatly compared to the former system.

Radiated Immunity Measure System; Multi-Platform; GPIB; LabVIEW; MATLAB; HFSS

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.010

2017-03-01

2017-05-25

浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LQ14F010001)；國家自然科學(xué)基金資助項目(61671260)；寧波市自然科學(xué)基金資助項目(2013A610114，2013A610113)

TP274

A

1673-5692(2017)03-271-07

鄭 悠(1981—)，男，博士，講師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)；

方丹丹(1981—)，女，博士，助理研究員，主要研究方向為先進制造技術(shù)；

曾春年(1958—)，男，教授，主要研究方向為計算機控制技術(shù)、智能控制技術(shù)。