北斗射頻模塊自動(dòng)測(cè)試的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦麗嫻，彭　歡，陳　鵬

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)兵器裝備集團(tuán)航空制導(dǎo)彈藥研發(fā)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410100；3.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)河北武警總隊(duì)第一支隊(duì)，河北 石家莊 050081)

0　引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)獨(dú)立發(fā)展、自主運(yùn)行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容互用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是中國(guó)國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展不可或缺的重大空間信息基礎(chǔ)設(shè)施[1]。

北斗射頻模塊作為北斗用戶機(jī)的關(guān)鍵部件，主要作用為放大北斗天線在天空中接收到的微弱信號(hào)，降低來(lái)自自然界的噪聲干擾，提高接收北斗信號(hào)的靈敏度，以便系統(tǒng)準(zhǔn)確解調(diào)出所需的數(shù)據(jù)信息[2]。現(xiàn)階段北斗射頻模塊的測(cè)試主要依賴手動(dòng)測(cè)試，即測(cè)試人員將待測(cè)品和測(cè)試設(shè)備連接好之后，通過(guò)手動(dòng)設(shè)定要測(cè)試的性能指標(biāo)以及附加限制條件，才能開始測(cè)試。測(cè)試完成后，還要將測(cè)試結(jié)果手動(dòng)記錄并錄入到計(jì)算機(jī)上統(tǒng)計(jì)匯總。整個(gè)過(guò)程真正的測(cè)試時(shí)間可能就10 min，而設(shè)置測(cè)試環(huán)境和記錄數(shù)據(jù)卻占用了3 min的時(shí)間。

鑒于北斗射頻模塊在北斗導(dǎo)航中的重要地位，所以如何快速、精準(zhǔn)地測(cè)量其指標(biāo)參數(shù)成為當(dāng)前測(cè)試領(lǐng)域尤為重要的問(wèn)題。北斗射頻模塊自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)[3]的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可使測(cè)試者輕觸鼠標(biāo)或Android終端立即完成待測(cè)品的測(cè)試，并自動(dòng)將測(cè)試[4]數(shù)據(jù)以Excel方式存儲(chǔ)，從而為測(cè)試人員節(jié)省了大量的時(shí)間，大大提高了測(cè)試效率。

1　需求分析

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[5]是指在人很少參與的情形下，自動(dòng)進(jìn)行量測(cè)[6]、處理數(shù)據(jù)信息，并以合適的方式輸出結(jié)果的系統(tǒng)[7]。不同的領(lǐng)域會(huì)有不同的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，但一般都是使用計(jì)算機(jī)代替人工勞動(dòng)的活動(dòng)。

北斗射頻模塊的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是取代傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制各種測(cè)試儀器進(jìn)行大規(guī)模、多數(shù)量測(cè)試的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的成功研制將極大地解決測(cè)試者繁重的手工測(cè)試工作，提高北斗射頻模塊測(cè)試的效率和準(zhǔn)確率。

從北斗射頻模塊測(cè)試員的角度進(jìn)行分析，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是用來(lái)測(cè)試射頻模塊性能，并完成記錄模塊測(cè)試結(jié)果的軟件平臺(tái)，該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

① 啟動(dòng)界面：系統(tǒng)的引導(dǎo)模塊，主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的瞬時(shí)加載，并承載了軟件的美觀性設(shè)計(jì)；

② 二維碼掃描：作為系統(tǒng)功能的擴(kuò)充，主要幫助實(shí)現(xiàn)記錄卡的模塊編號(hào)自動(dòng)錄入；

③ 模擬測(cè)試：分塊顯示各類測(cè)試選項(xiàng)(單項(xiàng)測(cè)試、自選測(cè)試、全部測(cè)試)，實(shí)現(xiàn)用戶需求的針對(duì)性測(cè)試。

2　總體設(shè)計(jì)

2.1　硬件構(gòu)成

北斗射頻模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要包括各個(gè)儀器的連接。通過(guò)網(wǎng)線、GPIB-USB、GPIB-GPIB或者GPIB卡實(shí)現(xiàn)各個(gè)儀器之間的連接，儀器連接好后，使用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)并控制以上儀器。其中采用N5181A MXG模擬信號(hào)發(fā)生器給模塊提供射頻信號(hào)，給功率參數(shù)和隔離度的測(cè)量提供發(fā)射所需的頻率和幅度；采用N9340B手持式射頻頻譜分析儀來(lái)顯示各個(gè)過(guò)程中的產(chǎn)生波形和處理數(shù)據(jù)，便于測(cè)試者進(jìn)行觀察和記錄。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1　北斗射頻模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

2.2　軟件設(shè)計(jì)

北斗射頻模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的具體任務(wù)是將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)按功能進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，確定模塊間的關(guān)系及人機(jī)界面等。

北斗射頻模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用LabVIEW軟件和Lab Windows/IVI開發(fā)軟件，它可以令測(cè)試者采集到測(cè)試信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析，從而得出有用信息，然后將測(cè)量結(jié)果直觀地顯示或者形成報(bào)告。其中較典型的函數(shù)庫(kù)有數(shù)據(jù)圖像的采集、GPIB及其串口的控制、數(shù)據(jù)的分析、顯示和存儲(chǔ)。采用圖形化程序設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)分成各個(gè)小模塊，再把各個(gè)模塊連接起來(lái)，大大簡(jiǎn)化了自動(dòng)測(cè)試軟件的開發(fā)工作。

北斗射頻模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)射頻模塊的同步測(cè)試與數(shù)據(jù)采集。測(cè)試開始后首先對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行初始化，打開攝像頭進(jìn)行二維碼掃描錄入需要測(cè)試設(shè)備的編號(hào)，并對(duì)后臺(tái)的記錄表進(jìn)行計(jì)算篩選和讀取匹配。而后按選項(xiàng)卡選擇測(cè)試項(xiàng)目并點(diǎn)擊開始測(cè)試，測(cè)試自動(dòng)進(jìn)行并將結(jié)果以xls形式存儲(chǔ)到Excel表格中。特別注意的是在全部測(cè)試中含有對(duì)測(cè)試參數(shù)的審核，如果在正常的數(shù)值范圍內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將測(cè)試數(shù)據(jù)保存，否則將會(huì)發(fā)生測(cè)試數(shù)據(jù)錯(cuò)誤告警。測(cè)試完一臺(tái)設(shè)備后會(huì)提示更換設(shè)備或保存退出。北斗射頻模塊自動(dòng)測(cè)試LabVIEW軟件流程如圖2所示。

圖2　自動(dòng)測(cè)試軟件流程

2.2.1啟動(dòng)界面

該模塊的主要功能是給自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)漂亮的啟動(dòng)方式，并且完成與PC端主面板銜接相關(guān)的一些功能。使系統(tǒng)每次打開后直接由啟動(dòng)界面過(guò)渡到主面板并自動(dòng)運(yùn)行。告別以前四處尋找所要打開的VI[8]，頻繁點(diǎn)擊運(yùn)行，然后才能執(zhí)行的復(fù)雜過(guò)程，現(xiàn)在只需打開啟動(dòng)界面，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，還設(shè)有人性化滾動(dòng)條顯示加載進(jìn)度的百分比。

2.2.2二維碼掃描

模塊分2種情況實(shí)現(xiàn)，在PC端，只需外部硬件連接一個(gè)掃描儀，系統(tǒng)安裝上驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。在Andriod手機(jī)端，就需要增加二維碼掃描程序代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)號(hào)二維碼的自動(dòng)錄入。該模塊的功能是將北斗射頻模塊上粘貼的二維碼自動(dòng)錄入到標(biāo)準(zhǔn)的記錄卡中，免去了人工輸入編號(hào)操作的繁瑣，避免了人員粗心帶來(lái)的錄入錯(cuò)誤。

2.2.3主面板

該模塊的主要功能是根據(jù)測(cè)試需要將所涉及的所有測(cè)試過(guò)程用選擇器和顯示框清楚明晰地展現(xiàn)出來(lái)。測(cè)試時(shí)只需點(diǎn)擊主面板上所需測(cè)試項(xiàng)的選擇器按鈕就可完成相關(guān)測(cè)試，且測(cè)試結(jié)果即刻在后面的顯示框中顯示出來(lái)，便于測(cè)試員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷分析，并可方便地查找出錯(cuò)誤測(cè)試數(shù)據(jù)的來(lái)源，查找記錄在測(cè)試卡中的問(wèn)題模塊。

3　測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是對(duì)總體設(shè)計(jì)的一個(gè)細(xì)化，主要任務(wù)為詳細(xì)設(shè)計(jì)的每一個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)所需要的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。詳細(xì)設(shè)計(jì)有2個(gè)目的：① 實(shí)現(xiàn)北斗射頻模塊功能設(shè)計(jì)邏輯上正確；② 實(shí)現(xiàn)北斗射頻模塊代碼描述上簡(jiǎn)明易懂。

北斗射頻模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[9]實(shí)現(xiàn)是在總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，運(yùn)用圖形化的開發(fā)環(huán)境源代碼將系統(tǒng)變成可實(shí)際運(yùn)用的測(cè)試軟件平臺(tái)。因測(cè)試系統(tǒng)由多個(gè)復(fù)選框羅列了北斗射頻模塊的不同指標(biāo)測(cè)試，該程序僅列出啟動(dòng)界面和功率參數(shù)的具體測(cè)試方法。

3.1　啟動(dòng)界面

啟動(dòng)界面是自動(dòng)系統(tǒng)的首要模塊，也是開發(fā)過(guò)程中首先應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的模塊。該模塊第一步是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試二維碼掃描的加載。對(duì)于PC端而言，運(yùn)行此程序?qū)?huì)進(jìn)行打開設(shè)備、載入?yún)?shù)、初始化設(shè)備、載入主界面、打開主界面等操作；對(duì)于手機(jī)端來(lái)說(shuō)，會(huì)加載資源，掃描二維碼。考慮到PC機(jī)和手機(jī)的差異，靈活應(yīng)用不同平臺(tái)所提供的界面特點(diǎn)。PC端可以顯示的信息量明顯比手機(jī)能顯示的要大，所以手動(dòng)撥動(dòng)旋鈕調(diào)節(jié)的功能，分項(xiàng)測(cè)試的功能只在PC端實(shí)現(xiàn)。目前大多數(shù)移動(dòng)終端均是Android操作系統(tǒng)，應(yīng)用這款終端軟件可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試的遠(yuǎn)程控制。

3.1.1軟件流程

北斗射頻模塊的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)啟動(dòng)界面設(shè)計(jì)的流程如圖3所示。

圖3　啟動(dòng)界面設(shè)計(jì)流程

3.1.2啟動(dòng)模塊的圖形化代碼

啟動(dòng)界面圖形化代碼如圖4所示。打開測(cè)試軟件首先載入?yún)?shù)、設(shè)備初始化、載入主界面，二維碼掃描設(shè)置，其語(yǔ)句如下：

“*RST;*CLS”

“RUN VI”

“WAITING UNTIL DONE”

“AUTO DISPOSE REF”

圖4　啟動(dòng)界面圖形化代碼

3.2　功率參數(shù)測(cè)試

功率參數(shù)是北斗射頻模塊測(cè)試的主要指標(biāo)，功率參數(shù)的好壞直接影響著北斗射頻模塊的價(jià)值。目前功率參數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)手動(dòng)測(cè)試需要讀取參數(shù)后重新設(shè)置頻譜儀參考偏移數(shù)值方可讀取另一項(xiàng)參數(shù)數(shù)值。該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可利用LabView特有的時(shí)間延遲設(shè)置實(shí)現(xiàn)讀取后自動(dòng)設(shè)置并完成下一項(xiàng)參數(shù)的讀取，并自動(dòng)將結(jié)果記錄在設(shè)計(jì)好的電子表單中，給測(cè)試帶來(lái)了極大的便利。自動(dòng)測(cè)試設(shè)計(jì)軟件流程如圖5所示，功率參數(shù)測(cè)試圖形化代碼如圖6所示。

圖5　測(cè)試設(shè)計(jì)流程

其語(yǔ)句部分代碼如下：

“*RST;*CLS”

“RUN VISA”

“CALCAULATE：MARKER1：Y?”

“DISP：WIND：TRAC：Y：RLEV：OFFSTE”

“ADD DBM”

“MEASURE CHPOWER DENSITY”

圖6　功率參數(shù)測(cè)試圖形化代碼

4　系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

根據(jù)上述的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用Windows XP或Win7操作系統(tǒng)和LabVIEW軟件[10](LabVIEW 2010[11]或LabVIEW 2012版本軟件[12])等虛擬儀器[13-14]編程實(shí)現(xiàn)此自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。

4.1　測(cè)試過(guò)程

功率參數(shù)作為北斗射頻模塊測(cè)試中的必要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可通過(guò)此自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)直接讀取結(jié)果，免去了更換模塊參數(shù)重復(fù)手動(dòng)設(shè)置的繁瑣。對(duì)功率參數(shù)進(jìn)行讀取并提取顯示的效果如圖7所示。

圖7　功率參數(shù)測(cè)試

測(cè)試結(jié)果在讀取欄中顯示，并且與指定的范圍進(jìn)行對(duì)比。如果測(cè)試顯示數(shù)據(jù)在范圍內(nèi)，表示結(jié)果正確，可以直接生成在記錄卡中；如果不在范圍內(nèi)，報(bào)警指示燈點(diǎn)亮，表示結(jié)果錯(cuò)誤。報(bào)警欄中記錄了發(fā)生錯(cuò)誤的個(gè)數(shù)、錯(cuò)誤的ID、時(shí)間和錯(cuò)誤的類型。全部測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8　全部測(cè)試結(jié)果

4.2　結(jié)果分析

在北斗射頻模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試內(nèi)容主要為不同模塊的參數(shù)重復(fù)測(cè)試。在4組模塊的測(cè)試中，記錄卡顯示模塊參數(shù)合格，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

由于測(cè)試的繁瑣和重復(fù)性導(dǎo)致的測(cè)試過(guò)程緩慢問(wèn)題目前通過(guò)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試速度提升了75%準(zhǔn)確率提升了40%，重復(fù)設(shè)置及人員操作失誤導(dǎo)致的測(cè)試問(wèn)題得以解決。從圖9可以看出，每個(gè)測(cè)試模塊測(cè)試的結(jié)果已自動(dòng)記錄到Excel表格中，結(jié)果精準(zhǔn)明晰，提高了測(cè)試人員效率和準(zhǔn)確度。

圖9　測(cè)試記錄卡

5　結(jié)束語(yǔ)

隨著模塊數(shù)量增多，測(cè)試任務(wù)也在日漸加重，本文提出的北斗射頻模塊的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，有效地利用了LabVIEW以及Eclipse軟件開發(fā)了適用于PC端和手機(jī)端的測(cè)試系統(tǒng)，使得測(cè)試效率大幅度提高，測(cè)試準(zhǔn)確性也明顯增強(qiáng)。此外，此自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)也降低了對(duì)測(cè)試人員的具體要求，在測(cè)試人員不必深入理解測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備的情況下，也能通過(guò)計(jì)算機(jī)和安卓手機(jī)完成具體的測(cè)試任務(wù)。特別在進(jìn)行發(fā)批量的測(cè)試時(shí)，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。

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