基于C#軍用EMI電磁兼容自動測試系統(tǒng)的設計*

史 娜，胡 申，宋 昊，汪文兵，武 軍

(甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741000)

0 引 言

科學技術發(fā)展越來越快，電子設備的集成度也越來越高，軍艦、飛機、方艙等軍用大型設備內(nèi)部安裝電子設備種類眾多、系統(tǒng)集成度較高且關系越來越復雜，為了保證各個設備及子系統(tǒng)都能正常工作，電磁兼容問題成為不可避免且必須解決的問題。其中電磁兼容測試是發(fā)現(xiàn)和解決電磁兼容問題最直接、最有效的手段[1]，為了更好更有效的提高電磁兼容測試的質(zhì)量和效率，縮短設備及子系統(tǒng)的研發(fā)時間，節(jié)約研發(fā)成本，研發(fā)了一套軍用EMI電磁兼容測試系統(tǒng)。本套測試系統(tǒng)通過運用Visual C#設計的測試軟件對軍用電子設備及分系統(tǒng)的傳導及發(fā)射測試流程進行自動控制達到完成標準認證測試、摸底測試、非標測試等測試流程，并自動出具測試結果的目的。

1 硬件設計及測試原理

本套測試系統(tǒng)依據(jù)GJB151B-2013標準的傳導及發(fā)射中共計四個測試項[2]，其所包含的核心硬件設備有EMI測量接收機、示波器、任意波形發(fā)生器和微波信號源；測試附件包括電流探頭、線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(LISN)、磁場環(huán)形天線、電場天線、同軸電纜組件及轉(zhuǎn)接器等。

根據(jù)測試原理的相似性，經(jīng)歸納總結4個測試項的原理圖如圖1所示。其中各個設備的功能如下：

圖1 測試原理示意圖

前端傳感器：包含電流探頭、LISN、環(huán)形天線、電場天線。其中電流探頭和LISN用來采集被測試件電源端口沿電源線發(fā)射電磁干擾能量的大??；天線能夠通過各種形狀的金屬導體向空間將高頻電磁能量輻射出去。同樣，天線也可以將空間的電磁能量轉(zhuǎn)化為高頻能量收集起來[3]。

同軸線纜組件：用來連接測試設備、測試附件等，傳輸射頻能量。

前置放大器：提高測試系統(tǒng)的信噪比，降低測試系統(tǒng)的底噪，滿足標準對測試系統(tǒng)底噪的要求[4]。

衰減器：衰減射頻能量，保護測量接收機。

EMI測量接收機：接收并分析電磁干擾能量的大小。

測試原理：圖1為測試系統(tǒng)原理圖，前端傳感器采集到的數(shù)據(jù)，如需要首先經(jīng)同軸線纜組件傳至前置放大器或衰減器，然后再傳至測量接收機，經(jīng)控制軟件數(shù)據(jù)處理后的測試數(shù)據(jù)再與標準要求的測量限值進行比較，以判斷是否滿足標準要求。

2 軟件設計

(1) Visual C#簡述 Visual C#(簡稱C#)是微軟公司推出的一種語法簡潔、類型安全的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，開發(fā)人員可以通過它編寫在．NET Framework上運行的各種安全可靠的應用程序[5]。C#的語言體系都構建在．NET框架上，和傳統(tǒng)的C/C++語言相比，C#有很多的優(yōu)點，如：內(nèi)存管理機制完全自動化、正則表達式較方便、強大的反射技術以及與其他多種編程語言之間交互非常方便等，近幾年C#的發(fā)展呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，這也正說明了C#語言的簡單、先進、針對對象和類型安全等特點正在被越來越多的使用者所認同。目前C#的應用領域主要有：數(shù)據(jù)庫應用程序開發(fā)、分布式開發(fā)、web應用開發(fā)、網(wǎng)絡通信開發(fā)、嵌入式設備開發(fā)、游戲軟件開發(fā)、工具軟件開發(fā)等[5]。

基于以上優(yōu)點和廣泛的應用前景，本套測試系統(tǒng)選用C#作為編程語言。

(2) 軟件模塊設計 本測試系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，其中模塊設計架構如圖2所示。

圖2 軟件模塊架構設計示意圖

共分為三個大模塊，就具體功能分別如下：

① 管理 管理模塊下面分為測試設備管理、極限值管理、校準路徑管理、測試路徑管理4個子模塊，下面對每一個子模塊的功能進行分別介紹。

測試設備管理：分為核心測試設備和測試附件管理兩大部分。核心測試設備管理具有對設備名稱、設備型號、設備序列號、校準日期、程控地址等信息的存儲、修改、刪除等功能，其管理界面如圖3所示。測試附件管理具有對附件名稱、附件型號、附件序列號、校準日期、附件類別等信息的存儲、修改、刪除等功能，其管理界面如圖4所示。

圖3 測試設備管理界面圖 圖4 測試附件管理界面

極限值管理：具有對極限值的名稱、類別、極限值數(shù)值等信息進行存儲、修改、刪除等功能，其界面如圖5所示。

圖5 測試限值管理界面

校準和測試路徑管理：依據(jù)GJB151B-2013標準要求，把校準路徑和測試路徑分別分為4類路徑，對于每一類路徑可在配置圖中選擇相應的設備型號，同時可靈活的添加和刪除測試附件，例如線纜組件、前置放大器、衰減器等，其界面分別為圖6和圖7所示。

圖6 校準路徑管理界面圖 圖7 測試路徑管理界面

② 測試 依據(jù)GJB151B-2013標準要求，測試系統(tǒng)軟件包含四個測試項。對于每個測試項，首先進行測試模板的配置，配置信息包含極限值的選取、校準路徑的選取、測試路徑的選取等，模板信息配置完成后，然后依據(jù)配置的模板進行校準或者測試。其中，傳導和發(fā)射數(shù)據(jù)處理分別為公式(1)、(2)如下：

R=U+FC+IL

(1)

式中：R為測試結果，dBμA或dBμV；U為接收機讀數(shù)，dBμV；FC為電流探頭修正因子或LISN修正因子，dBΩ或dB；IL為線纜組件插入損耗，dB。

E=U+AF+IL-G

(2)

式中：E為磁場或電場強度，dBpT或dBμV/m；U為接收機讀數(shù)，dBμV;AF為接收天線因子，dB/m；IL為線纜組件插入損耗，dB；G為前置放大器增益，dB。

③ 測試報表 在測試完成后，如果需要可自動生成測試報表。對于每一項測試，測試報表包含被測試件相關信息、測試信息、測試結果信息等內(nèi)容。

(3) 測試流程設計 因為四個測試項的測試原理相似，所以軟件的測試流程也具有相似性，其流程如圖8所示。

圖8 測試流程示意圖

(4) 儀器驅(qū)動設計

① 儀器驅(qū)動函數(shù) 本部分的儀器驅(qū)動包含測量接收機、示波器、信號源共計三種類型的儀器驅(qū)動，對上述儀器所使用的驅(qū)動函數(shù)如表1所列。

表1 軟件儀器驅(qū)動函數(shù)表

② 儀器驅(qū)動實現(xiàn) 為了實現(xiàn)C#語言與測試儀器之間的通信，本測試系統(tǒng)軟件利用NI-VISA(National Instrument．Virtual Instrument Software Architecture)，即由美國國家儀器開發(fā)的一種虛擬儀器軟件架構，它是用于與各儀器總線進行通信的高級編程接口，對各類儀器總線(如串口、以太網(wǎng)口、GPIB、USB等)提供統(tǒng)一的接口函數(shù)，通過發(fā)送統(tǒng)一的指令來實現(xiàn)對儀器的讀、寫、查詢等操作[6]。在．Net開發(fā)平臺中使用NI-VISA所提供的API函數(shù)對儀器進行控制，則需要進行圖9所示的操作流程。

圖9 儀器驅(qū)動實現(xiàn)流程示意圖

③ 優(yōu)勢與創(chuàng)新 這套測試系統(tǒng)為了使軟件更好的工作，軟件中增加了測試設備管理、極限值管理、校準路徑管理、測試路徑管理等功能；對測試結果，直接以文件的格式進行保存，以便測試報表使用；儀器的驅(qū)動程序通過NI.VISA平臺來實現(xiàn)對儀器的控制，并利用反射技術來完成主程序?qū)x器驅(qū)動程序的調(diào)用。

3 結 語

依據(jù)GJB151B-2013標準要求，基于C#編程語言，構建了一套EMI軍用電磁兼容測試系統(tǒng)，可完成4個測試項目的自動校準和測試。同時由于該系統(tǒng)儀器驅(qū)動采用.DLL形式的組件，可在不需要修改上層應用軟件的情況下對儀器驅(qū)動進行擴展，提高了系統(tǒng)對測試儀器的兼容性。通過系統(tǒng)測試和實際使用表明，本系統(tǒng)操作簡便，運行流暢，測試結果準確有效，能夠為測試工作提供很好的支持和服務，極大的提高了測試效率，同時具有很大的商用價值。