一種通用數字T/R組件自動測試系統

童穎飛，吳小強，宋　云，肖蘇飛

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

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一種通用數字T/R組件自動測試系統

童穎飛1，吳小強2，宋云1，肖蘇飛1

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

摘要：介紹了一種通用數字T/R組件自動測試系統。根據不同的T/R組件測試要求,靈活開發相應的測試方法,合理配置可程控測量儀器。利用PCIe波控及數據采集板卡與組件通訊、LAN接口實現PC機與可編程儀器之間的通訊,獲取被測件測試數據,并對測試數據進行數據處理并形成測試報表。

關鍵詞:相控陣雷達;自動測試;軟件平臺;T/R組件;可編程儀表

0引言

近年來,隨著相控陣雷達的廣泛應用,雷達系統的復雜程度顯著增加。T/R組件是構成相控陣雷達的基礎,是相控陣雷達的核心部件。T/R組件的各項指標直接影響雷達相應的整機指標。在T/R組件研制前期以及大規模批量生產階段,大量全面的電性能指標測試是必需的[1-2]。

傳統測試方法自動化程度低,多為手工操作測試,測試過程相當繁瑣,需進行大量的重復測試,并且測試數量繁多、測試數據統計量大,測試覆蓋大量的頻點、通道,涉及的測試指標包含移相、衰減、噪聲系數等復雜指標。傳統的人工測試方法在當前的測試需求下呈現出測試周期長、效率低下等缺點,已很難滿足現代雷達的研制需求。因此,需要構建自動測試系統,為現代雷達系統的研制生產提供保障。

本文在通用測試開發平臺的基礎上,根據被測對象特點和測試系統要求,研究和設計T/R 組件自動測試系統。

1通用測試開發平臺

通用測試開發平臺是面向一般的微波/射頻設備復雜系統的自動化測試工具軟件平臺。系統軟件采用Microsoft Visual Studio作為開發工具,基于.NET Framework 4.0平臺。系統軟件采用Microsoft Access 2003以及Microsoft SQL Server 2008作為數據庫,可以運行于Windows XP及以上的平臺。通用測試開發平臺作為涵蓋測試創建、執行、分析和管理的一體化自動測試平臺,具有以下一些特點:

以通用化設計為原則,可對一般的微波/射頻設備進行電性能指標測試。面向對象,依據接口編程,將測試過程模塊化,模塊之間通過平臺交互,達到易于維護的目的:

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

(2) 利用數據庫配置系統的測試參數,便于管理,同時具備自動化的測試結果收集、可視化的測試文檔和報告生成,以及數據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,具備通用儀器的標準操作函數庫,能夠靈活地實現儀器儀表的操作;

(4) 軟件界面友好、操作方便、易于學習和使用。

2T/R組件自動測試系統實現方法

本文在自研的通用測試開發平臺的基礎上,根據被測T/R組件的特點和測試系統要求,對測試系統信號中樞、波控及數據采集板卡等方面進行設計,最后利用通用測試開發平臺對具體的T/R組件自動測試系統進行配置,形成T/R 組件自動測試系統,并對其進行驗證。

本文中的自動測試系統針對數字T/R組件的電性能指標進行設計。該電性能指標包含了近40個指標,每個指標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通用測試開發平臺構成及功能

通用測試開發平臺由系統管理平臺、資源管理平臺、測試程序開發平臺、測試程序執行平臺及數據管理平臺等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對系統內硬件測試設備的配置,可實現新增、刪除、修改硬件設備的功能。通過資源管理平臺,測試系統能夠針對不同的被測件進行靈活的系統硬件配置。

圖1　通用測試開發平臺組成框圖

(2) 測試程序開發平臺

測試程序開發平臺主要實現針對不同測試對象、測試指標。在平臺中根據已配置的硬件資源編輯對應的測試動作,將測試動作按正確的測試時序排列,構成完整的測試流程,并保存到計算機硬盤。

(3) 測試程序執行平臺

測試程序執行平臺主要實現對測試流程執行前系統的自檢及自檢后執行測試程序開發模塊中保存的測試流程,自動記錄測試結果并實時顯示。

(4) 數據管理平臺

數據管理平臺主要實現測試結果的查詢、測試數據的導出及測試結果的自動報表輸出。

2.2測試系統配置

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

根據上述測試指標的需求,在通用測試開發平臺中配置測試所需要的硬件設備。配置后的自動測試系統基本原理框圖如圖2所示,圖中虛線框內為測試系統組成。

系統上行通道測試原理為計算機通過波控及數據采集板卡控制組件直接產生輸出信號。組件輸出通過信號轉接中樞建立測試通路,由計算機控制測試系統內的儀器設備對被測件進行自動測試,并對測試數據進行相應的數據處理。下行通路測試由計算機控制信號源或噪聲源產生激勵信號。通過信號轉接中樞建立測試通路,由計算機控制系統內的各儀器設備對被測件進行自動測試。通過波控及數據采集板卡采集組件

圖2　基本測試原理框圖

圖3　信號轉接中樞原理圖

輸出的IQ數據。計算機回讀后對測試數據進行相應的數據處理,并生成測試報表。

2.3系統硬件組成

T/ R 組件測試系統硬件部分主要由信號轉接中樞、波控和數據采集板卡、測試儀器、冷卻系統、計算機和其他輔助設備組成。測試儀表主要是功率計、頻譜儀、信號源、矢量網絡分析儀、示波器等。進行測試儀表的選擇,通過信號轉接中樞將測試儀表、被測組件以及計算機連接起來,形成測試通路[3]。

2.3.1信號轉接中樞

信號轉接中樞是T/R組件自動化測試系統中實現系統靈活性、開放性、可擴展性的關鍵設備,其性能指標的優劣直接影響到整個系統的測試指標。

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

2.3.2波控及數據采集板卡

波控及數據采集板卡的主要功能是對寬帶T/R組件的所有工作狀態進行控制和對接收通道數字信號進行采集,板卡的數據率及格式適應寬帶T/R組件測試及調試要求。

波控及數據采集板卡包括FPGA模塊、光纖模塊和PCI-Express模塊,其中FPGA模塊為主控芯片,系統通過光纖模塊將數據送入PCI-Express模塊。PCI-Express模塊將接收到的數據通過PCI-Express總線傳輸到計算機內存的COM-E模塊進行后續進一步的信息處理。該系統的全部邏輯電路均在FPGA中實現,所需的外圍器件少,硬件結構簡單。同時,采用PCI-Express總線,傳輸速率能夠達到160～200 MB/s,徹底解決了雷達數據傳輸的速度瓶頸。該板卡可以將實時采集到的數據進行各種信號處理,大大提高了系統的實時性和準確性[4]。

2.4系統軟件設計

硬件系統配置完成后,需要在測試系統中對軟件進行設計。測試軟件是整個系統指揮控制的調度中心。通過儀器接口總線[5],對系統設備初始化,發出各類儀器的操作及校準命令,同時接收系統中測試儀器的返回信息,并對其進行分析處理,從而迅速地完成測量的全過程及相應的數據處理,全面完成系統的自動化測試。本自動測試系統軟件通過通用測試開發平臺的圖形化測試開發環境進行設計。

通過測試程序開發平臺,根據規定的測試方法按設計好的測試時序添加測試系統硬件資源節點或者邏輯控制節點。通過可視化界面設置各個節點的行為及屬性,構成完整的測試流程，并利用其調試功能對測試方法進行驗證。

在被測件對象中設置需要的測試項，并將調試完成后的測試方法并聯至對應的測試項中。通過測試程序執行平臺執行測試被測件的測試項目。方法流程執行到每個節點時按照設置好的動作或者屬性控制對應的測試資源,并在顯示面板上實時顯示測試結果,最后保存至數據庫中。

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系統校準

測試系統還需要提供系統校準功能。在通用測試平臺上設置好對應的校準項后,運行相應的校準測試項后校準數據將存入校準數據庫中。在測量時從校準數據庫獲取相應測試條件下的數據進行修正,得到待測參數的真實值。采用這樣的方式校準具有較高的靈活性,能夠自主選擇校準時機。

(1) 功率測試校準

系統進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。在進行校準測試前先對矢網進行全二端口校準,然后測出通路的S21值,這樣修正的同時也確保了將系統失配造成的誤差降到最低。在進行功率校準時,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內[6]。

(2) 幅相測試校準

在校準通路的設計上,確保盡可能減少開關次數,以減小開關重復性的影響。系統在進行幅相測試時,直接在與被測件連接的測試端口進行校準的方法。在高準確度測試要求下采用矢網的全二端口校準,以提高儀器測試準確度,并減小失配的影響。

(3) 噪聲系數測試校準

在系統校準中采取了分段補償,對噪聲源到被測件前端以及后端的損耗分別進行補償,保證自動測試時噪聲系數真實可靠。最后根據被測件噪聲系數的大小選擇相應的最接近的噪聲源,可以保證達到較好的測試結果。

3應用實例

下面就某一實際測試過程中采集的數據及應用情況對系統的可靠性加以論證說明。測試數據通過測試系統自動采集并生成,測試結果取自動測試及手動測試10次結果的RMS值作比較,以認定的手動測試結果為基準。表1、表2為測試數據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的測試結果。

表1　輸出功率測試結果

表2　噪聲系數測試結果

從表中不難看出,自動測試的數據與基準相比誤差均在1%左右,能滿足測試的要求,從而說明了數字T/R組件自動測試系統具有較高的可靠性。

4成效分析

本測試系統經使用比對,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。該系統簡單實用,可滿足大批量T/R組件生產過程中的調試、試驗、論證。測試人員能夠擺脫對組件設計人員的依賴,能單獨承擔對組件的調測工作,減少了人力成本,對提高效率和減少人為事故、提高對產品性能分析等有著重要的意義。

參考文獻:

[1]胡明春,周志鵬,嚴偉.相控陣雷達收發組件技術[M].北京:國防工業出版社,2010:2-5.

[2]張光義,趙玉杰.相控陣雷達技術[M].北京:電子工業出版社,2006:30-35.

[3]蔡曉波.基于GPIB的雷達接收機自動測試系統[J].現代雷達,2011,33(9):69-71.

[4]張澤宇.基于PCIE接口的數據處理實現[D].北京交通大學,2012:18-20.

[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

文獻標志碼: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：雷達總體技術；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