基于VPX總線的波控系統(tǒng)閉環(huán)測試臺

肖文光， 姚佰棟

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088； 2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室， 安徽 合肥 230088)

從無源相控陣?yán)走_(dá)到有源相控陣?yán)走_(dá)，從一維相控陣?yán)走_(dá)到二維相控陣?yán)走_(dá)，雷達(dá)性能日益提高，可實現(xiàn)功能也更強大。相應(yīng)的，作為相控陣?yán)走_(dá)關(guān)鍵單元的波控設(shè)備，其數(shù)量也成倍增加。波控系統(tǒng)通常包括波束控制計算機、波控單機、末級T/R組件等設(shè)備，分別實現(xiàn)控制碼計算、轉(zhuǎn)發(fā)、執(zhí)行等功能。即使各波控單機測試沒有問題，但整機裝配聯(lián)試過程中，由于某單個設(shè)備故障、操作失誤、電纜裝配不到位等原因，都可能導(dǎo)致雷達(dá)整個波控系統(tǒng)工作不正常。由于牽扯分系統(tǒng)過多，出了問題常常不得不整個系統(tǒng)逐一排查，耗時耗力，定位故障的準(zhǔn)確性和排除故障的效率都不能滿足項目開發(fā)進度的要求。

在現(xiàn)有雷達(dá)相關(guān)測試系統(tǒng)中，文獻[1-2]給出了基于CPCI總線的設(shè)計方案，但由于CPCI總線最多擴展為8個槽位1725對外圍I/O信號，數(shù)據(jù)帶寬最大只有132 MB/s，有限的可擴展性和低數(shù)據(jù)帶寬使得CPCI總線無法滿足相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)閉環(huán)測試要求[3]。常用的測試總線技術(shù)中還有文獻[4-5]提出的基于PXI總線的設(shè)計方案，但PXI總線具有并行總線的通病，即數(shù)據(jù)帶寬和擴展能力不足。在工作頻率大于133 MHz時，PXI總線可擴展槽位最多只有2個，同樣無法滿足相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)閉環(huán)測試要求。

本文以某相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)為測試對象，基于VPX總線I/O口豐富、可擴展性強、傳輸速率高等多重技術(shù)優(yōu)勢，采用基于RapidIO交換的高速互連技術(shù)，提出了一種基于6U-VPX總線架構(gòu)的波控系統(tǒng)閉環(huán)測試臺設(shè)計方案。

1 VPX總線特點

VPX總線是基于高速串行總線的新一代總線標(biāo)準(zhǔn)，VPX標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容在VITA 46系列技術(shù)規(guī)范中作了詳細(xì)定義[6]，這些技術(shù)規(guī)范及主要內(nèi)容見表1所示。

表1 VITA 46系列技術(shù)規(guī)范

為獲得盡可能多的對外控制引腳和更高的數(shù)據(jù)傳輸率，VPX總線標(biāo)準(zhǔn)采用了專為高速差分信號設(shè)計的Multi-Gig RT2連接器。Multi-Gig RT2連接器不僅連接緊密堅固，而且特性阻抗可控，插入損耗低，信號串?dāng)_小。在一個典型的6U-VPX板卡上使用了1個8列7行56引腳的RT2連接器和6個16列7行112引腳的RT2連接器，這些連接器依次被定義為P0連接器、P1連接器、P2連接器、P3連接器、P4連接器、P5連接器和P6連接器。其中，P0為公共連接器，用于傳輸功率、測試總線和維護總線等信號；P1為差分信號連接器，包含有40個地、32個差分對信號和8個單端信號；P2～P6既可以作為差分連接器使用，也可以作為單端連接器使用。當(dāng)作為差分連接器使用時，包含有40個地、32個差分對信號和8個單端信號；當(dāng)作為單端連接器使用時，包含有32個地和80個單端信號，是目前提供對外信號接口數(shù)量最多的總線。

VPX總線引入了基于RapidIO的高速串行交換結(jié)構(gòu)，所使用的RT2連接器的每對金屬端子支持最大10 Gbps通信數(shù)據(jù)率，所以單路數(shù)據(jù)率為1.25 Gbps、2.5 Gbps、3.125 Gbps的RapidIO信號很容易被分配到VPX的差分連接器上，構(gòu)建成以串行RapidIO協(xié)議互連和交換為基礎(chǔ)的高速底板互聯(lián)結(jié)構(gòu)；可以根據(jù)需要靈活地將P1的16個晶片、32對差分信號線配置成數(shù)量不同的1x RapidIO、2x RapidIO和4x RapidIO使用，其中，4x RapidIO包括4對發(fā)送差分線和4對接收差分線，可形成雙向最大10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸能力[7]。這種配置方式同樣可以應(yīng)用在P2～P6連接器上，給設(shè)計師設(shè)計大網(wǎng)孔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來極大靈活性。

2 測試臺架構(gòu)設(shè)計

某相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)閉環(huán)測試臺架構(gòu)如圖1所示。該波控系統(tǒng)主要由1個波束控制計算機和20個波控單元組成。波束控制計算機通過4路RS422串行總線與波控單元通信，采用“一拖五”總線結(jié)構(gòu)。每個波控單元通過9對差分線(8對差分控制線加1對差分BITE遙測信號線)控制18個單通道T/R組件，所以可算出波控單元與接口插件后出板共有3240對差分信號相連接。

在本設(shè)計中，波控系統(tǒng)閉環(huán)測試臺主要由符合6U-VPX模塊標(biāo)準(zhǔn)的1個電源模塊、1個數(shù)據(jù)路由模塊及后出板、1個計算機模塊、17個接口插件及后出板、1個6U高速VPX背板組成。根據(jù)peer-to-peer交換原則，數(shù)據(jù)路由模塊槽位在17個接口插件槽位的中間位置。

測試臺的電源模塊采用交流220 V/50 Hz輸入，通過內(nèi)部變壓轉(zhuǎn)換成+12 V主電源、+5 V主電源以及+3.3 V輔助電源給其余19個模塊供電。另外，還可提供一路+24 V動力電源給風(fēng)扇，用于給測試臺內(nèi)各板卡或模塊風(fēng)冷散熱降溫，輸出電源總功率為1000 W。數(shù)據(jù)路由模塊用于其余板卡數(shù)據(jù)的RapidIO交換，具體數(shù)據(jù)來源包括自身后出板和17個接口插件。數(shù)據(jù)路由模塊通過底板1xRapidIO通道與每個接口插件進行高速通信，傳輸速率為2.5 Gbps[8]。數(shù)據(jù)路由模塊的后出板通過4個J30J-100TJW連接器與波控單元連接，所有的控制信號和BITE遙測信號均采用RS422差分方式。測試臺中的計算機模塊基于windows 7操作系統(tǒng)開發(fā)并安裝了波控系統(tǒng)專用測試軟件。計算機模塊的主要功能包括根據(jù)用戶參數(shù)設(shè)置產(chǎn)生對應(yīng)波控參數(shù)、打碼值與時序邏輯比對判斷、產(chǎn)生BIT管理測試和錯誤模擬測試指令等。計算機模塊與波束控制計算機通過RS422串口雙向收發(fā)，最大傳輸速率為10 Mbps[9]。由于計算機模塊與數(shù)據(jù)路由模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸比較集中，為避免等待保證實時傳輸，所以設(shè)計中采用了4xRapidIO高速通道，傳輸速率為10 Gbps。測試臺的接口插件數(shù)量最多，其設(shè)計完全相同，方便維修替換。每個接口插件通過1x RapidIO與數(shù)據(jù)路由模塊建立通信鏈路，對外接口通過其后出板出線，后出板安裝方式與接口形式跟數(shù)據(jù)路由模塊后出板完全相同，也是通過4個J30J-100TJW連接器與波控單元連接，所有的控制信號和BITE遙測信號均采用RS422差分方式。

除了和數(shù)據(jù)路由模塊通信的一對RapidIO信號外，每個接口插件實際可對外連接190對差分信號。除了8對4x RapidIO差分信號和17對1x RapidIO差分信號，數(shù)據(jù)路由模塊有150對差分信號可用于對外接口，所以該測試平臺對外擴展接口共有3380對差分信號，滿足該相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)閉環(huán)測試需要3240對差分信號的要求。

圖1 波控系統(tǒng)閉環(huán)測試架構(gòu)示意圖

3 測試過程

波控系統(tǒng)測試臺通過自閉環(huán)收發(fā)完成對波控系統(tǒng)的遙控和遙測，并通過數(shù)據(jù)比對自動定位故障點。具體測試過程包括前向測試和后向測試兩種，前向測試屬于遙控功能測試，后向測試屬于遙測功能測試，下面分別闡述這兩種測試的具體過程。

3.1 前向測試過程

前向測試的主要目是根據(jù)設(shè)定參數(shù)進行打碼測試或控制時序測試。前向測試開始時，由計算機模塊通過RS422串口發(fā)參數(shù)給波束控制計算機，具體測試過程如下：

1)給電源模塊通電，計算機模塊通過RS422串口將重頻、方位角度、俯仰角度等波束指向控制值發(fā)送給波束控制計算機，參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示；

2)波束控制計算機收到上述參數(shù)值后計算全陣各T/R通道打碼值，或產(chǎn)生正確的控制時序，然后將全部打碼值或控制時序通過4路RS422總線同時發(fā)送給20個波控單元，傳輸速率為5 Mbps；

3)20個波控單元對自身接收到的打碼值分別進行校驗，或?qū)刂茣r序的邏輯相關(guān)性、時間寬度等指標(biāo)進行驗證，若沒有錯誤則根據(jù)T/R組件數(shù)據(jù)格式要求將打碼值按順序截斷分包，并通過RS422同步串口發(fā)送給17個接口插件和數(shù)據(jù)路由模塊；若打碼值有錯誤則記錄錯誤標(biāo)志，時序錯誤則強制轉(zhuǎn)換為正確的時序；

4)17個接口插件模擬末級T/R組件接收打碼值或控制時序，然后分別通過1x RapidIO通道再發(fā)給數(shù)據(jù)路由模塊進行上傳；數(shù)據(jù)路由模塊自帶RapidIO交換芯片可實現(xiàn)多路RapidIO通道自由交換，并將數(shù)據(jù)路由模塊自身接收到的數(shù)據(jù)和17路1xRapidIO數(shù)據(jù)通過1路4xRapidIO發(fā)給計算機模塊[6]；

5)根據(jù)設(shè)定的門限判據(jù)，計算機模塊將接收到的打碼值與所發(fā)送打碼值進行對比，或?qū)⒔邮盏降目刂茣r序與發(fā)送時序進行邏輯和寬度判斷，對比和判斷結(jié)果在測試軟件上直觀顯示，從而完成相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)的故障自動定位。

圖2 參數(shù)設(shè)置界面

3.2 后向測試過程

后向測試的主要目的是波控系統(tǒng)的狀態(tài)遙測。這里的狀態(tài)遙測包括錯誤模擬和BIT管理兩種。為檢測全陣波控對錯誤信息的判斷和控制能力，需要在裝機之前對其進行錯誤模擬測試。通常需要模擬的錯誤有數(shù)據(jù)校驗錯誤、收發(fā)時序邏輯錯誤和發(fā)射觸發(fā)脈沖過寬錯誤等。為監(jiān)視全陣波控和對下級T/R組件故障狀態(tài)的檢測能力，需要在裝機之前對其進行BIT管理測試。后向測試開始時，由計算機模塊通過RS422串口發(fā)送錯誤模擬指令給波束控制計算機，具體測試過程如下：

1)在測試平臺軟件里設(shè)定或選擇錯誤指令類型，并和其他參數(shù)一起由計算機模塊發(fā)送給波束控制計算機，通信方式為RS422串口；

2)波束控制計算機解析錯誤指令和波束參數(shù)，計算各T/R通道打碼值或產(chǎn)生所需要的控制時序邏輯，并通過4路“一拖五”RS422總線同時發(fā)送給下一級20個波控單元；

3)這里T/R組件的BIT信號為高電平表示其發(fā)生故障，計算機模塊模擬全部T/R通道或部分T/R通道故障，即通過4xRapidIO通道向數(shù)據(jù)路由模塊發(fā)送包含360個由“0”、“1”組成的錯誤位的數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)路由模塊依據(jù)不同波控單元的地址編號將收到的大數(shù)據(jù)包分成18個小數(shù)據(jù)段；其中17個數(shù)據(jù)段分別通過17路1x RapidIO通道發(fā)送給各接口插件，再由接口插件后出板發(fā)送給所對應(yīng)的19個波控單元，還有1個數(shù)據(jù)段是通過其自身后出板發(fā)送給對應(yīng)波控單元；

4)通過上位機測試軟件發(fā)送BIT管理測試指令，計算機模塊會通過RS422串口向波束控制計算機發(fā)送BIT測試命令幀；

5)波束控制計算機收到BIT測試指令，通過4路“一拖五”RS422總線同時向20個波控單元發(fā)送讀數(shù)據(jù)時序，讀操作以讀使能信號STROBE下降沿開始，讀數(shù)據(jù)期間保持低電平，上升沿結(jié)束讀操作；20個波控單元根據(jù)讀操作時序?qū)⑻幚磉^的打碼值錯誤(例如數(shù)據(jù)校驗錯誤)、收發(fā)時序錯誤(例如收發(fā)時序組合錯誤、發(fā)射觸發(fā)脈沖過寬錯誤等)、T/R組件故障等BIT信息一起組成遙測數(shù)據(jù)幀回送給波束控制計算機[10]；

6)波束控制計算機收到全部BIT數(shù)據(jù)信息后通過RS422串口發(fā)送給計算機模塊進行判斷，判斷結(jié)果自動在測試軟件上顯示并存檔，從而完成波控全陣錯誤模擬和BIT管理測試，圖3給出了某一個波控單元的故障或錯誤測試顯示界面。

圖3 故障顯示界面

4 性能分析

本文的波控系統(tǒng)由1個波束控制計算機、20個波控單元、360個末級波控組件以及若干互聯(lián)電纜組成。單機的測試是在基于CPCI總線的測試臺上完成的。依據(jù)各單機調(diào)試時間統(tǒng)計結(jié)果，波束控制計算機的平均調(diào)試時間為0.5小時，單個波控單元的平均調(diào)試時間為0.3小時，末級波控和組件射頻功能一起進行調(diào)試，其平均調(diào)試時間為0.2小時，則波控系統(tǒng)調(diào)試時間合計為78.5小時。忽略互聯(lián)電纜故障，按照每天調(diào)試10小時計算，則完成波控系統(tǒng)故障排查需要7.85天。在本設(shè)計所述測試臺中，前向測試和后向測試都是由計算機自動完成的，并且自動給出各單元設(shè)備的故障信息和位置，所以故障定位的時間可忽略不計。找到故障位置后，排除故障的時間取決于單機的調(diào)試時間，發(fā)生故障的單機設(shè)備種類和數(shù)量不同，排除故障所需時間也不同。根據(jù)該閉環(huán)測試臺實際使用經(jīng)驗，總體上波控系統(tǒng)的調(diào)試時間已縮短到一天以內(nèi)完成，波控系統(tǒng)的調(diào)試效率得到顯著提高。表1給出了對波控單元1及其所控制的18個組件進行錯誤模擬和BIT測試的后向測試數(shù)據(jù)。

表2 后向測試結(jié)果

5 結(jié)論

基于VPX總線的波控系統(tǒng)閉環(huán)測試臺已在實際項目中得到應(yīng)用，并在多個產(chǎn)品中得到借鑒使用。與傳統(tǒng)的基于CPCI總線的測試臺相比，該測試臺在數(shù)據(jù)傳輸帶寬、對外接口數(shù)量、可擴展性等方法都具有明顯優(yōu)勢，不但滿足了電路輸入輸出信號的自動控制和測試要求，而且大幅降低了系統(tǒng)的測試時間，節(jié)約了大量人力資源。該測試臺可根據(jù)測試電路需求對后出板接口形式進行調(diào)整和擴充更新，非常適合不同雷達(dá)波控系統(tǒng)的試驗測試，便于設(shè)計師快速構(gòu)建適合自己項目的測試系統(tǒng)。