一種適用于POP工藝GNC模塊的測試系統設計

程瑞楚，柴 波，郭剛強

(西安微電子技術研究所，西安 710065)

0 引言

制導、導航與控制系統(GNC，guidance navigation and control system)是導彈/火箭的大腦和神經中樞，是支撐導彈/火箭各個系統正常運轉、實現目標的核心，是航天飛行任務成功與否的關鍵[1-3]。隨著導彈武器系統不斷向小型化、智能化、低成本等方向發展，彈上系統逐步向集各功能模塊于一體的綜合電子系統過渡[4]。綜合電子系統具有縮小系統體積、減少彈上資源的浪費、提高系統可靠性、降低產品成本等優勢，是目前彈上控制系統的發展趨勢。

傳統的導航制導控制產品由大量PCB單板及各種功能模塊組成，體積大、質量重、功耗高、成本高等問題嚴重限制了它們的應用范圍。隨著我國在智能彈藥、小型化精確制導導彈、微小型無人機和微納衛星等領域研究的逐步深入，對彈上系統小型化、輕量化、高集成、低成本、低功耗等方面提出了更高的要求。

堆疊封裝(POP,package on package)也稱為疊層封裝，是一種新興的、低廉的、集成邏輯和存儲器件的3D封裝解決方案，通過堆疊工藝實現小型化和多功能[5-6]。GNC模塊就是針對彈上系統上述需求研發的一款產品，以傳感器技術、信息處理技術、微電子技術為基礎的GNC模塊，是支撐其小型化發展的核心之一。基于POP工藝的GNC模塊是一個以多核處理器為核心，集成MEMS慣性傳感器、地磁傳感器、衛星導航模塊等多個組件，具有多種外設接口的正交立體集成結構的導航制導通信模塊[7]。

基于POP工藝的GNC模塊其集成功能多、體積小、工藝過程復雜且不可逆，如果測試不到位會導致最終產品的成品率低，低成本控制目標難以實現。為了解決該問題，本文設計了一款測試系統，可以滿足整個工藝過程的測試需求，實現對制導導航控制系統的部件測試、綜合測試，驗證制導導航控制系統的功能和性能，解決了該產品大量生產的測試需求難題，提高了產品的可測試性和可靠性[8]。

1 基于POP工藝的GNC模塊功能結構特征

GNC模塊采用雙核處理器，可使飛行控制計算與導航解算相互獨立運行，一個處理器負責飛行控制計算，另一個處理器負責導航解算。為了充分發揮雙核處理器在算法解算和信息處理方面的優勢，GNC模塊采用DSP+FPGA的架構實現數據運算及多種通訊協議，FPGA實現邏輯譯碼及其它功能擴展。另外，由于FPGA本身的可配置、修改容易和調試方便等特點，使系統具備重構性強、升級容易等特點。GNC模塊采用單5 V供電，經過供電單元轉化成3.3 V和1.2 V，兩路電壓都可以保證最大3 A的電流輸出能力，給整個系統供電，方便用戶使用。傳感器包含單軸陀螺儀、單軸加速度計、三軸地磁模塊，組成IMU(Inertial Measurement Unit,慣性測量單元)，可實現對彈體X、Y、Z三個方向的角速度、加速度及地磁信息的采集和處理[9]。衛導部分集成了射頻前端和基帶處理部分，與IMU組成組合導航系統，實現對彈體姿態和位置的測量。其原理框圖如圖1所示。

圖1 GNC功能原理框圖

GNC模組疊層設計中，充分考慮了體積、重心、散熱、供電和信號線互連等方面。按照功能將GNC模組劃分為信息處理、AD/地磁測量、衛導、慣性采集、電源等組件，其結構示意圖如圖2所示。從上往下依次為信息處理組件、AD/地磁組件、衛導、慣導組件(正交結構)、電源組件和對外接口組件。

圖2 GNC模塊疊層規劃圖

GNC模塊采用高可靠POP封裝技術，該封裝兼容裸芯片和成品器件三維疊層，可實現傳感器和數字系統的一體化集成。采用的工藝技術路線為有機基板型疊層方式，將器件以盡量少的三維互連為層規劃準則，按功能進行分塊規劃，分別組裝到數個有機基板上，形成單層封裝結構，再將基板進行三維堆疊，實現立體互連，對外形成PGA引出封裝，這也使GNC模塊的測試難度大大增加[10]。

利用POP工藝實體封裝的特點，GNC模塊創新采用了無框架結構，在沒有支架的情況下，保證了慣導組件敏感軸的互相正交，在保證傳感器安裝精度的同時，大大減小了體積，減輕了重量，簡化了模塊組裝的難度，減少了內部材料的類型，提高了封裝結構的可靠性。GNC封裝產品外形圖如圖3所示。

圖3 GNC封裝產品外形圖

2 GNC模塊測試需求分析

根據GNC產品功能和封裝成品的工藝特點，結合GNC模塊生產調試與試驗的實際流程需要，可以將GNC產品的測試分為：靜態測試、單項功能測試和專項性能測試。

靜態測試：由于GNC模塊體積小，集成度高，采用PGA封裝，采用側面互連工藝，模塊間連線是在外表面，互聯線條細、密度高，在加電測試前必須進行模塊的互聯、導通及絕緣測試，這些測試不能在模塊本體上實現，必須通過轉接關系變成萬用表、示波器等可以直接測量。靜態測試既要滿足封裝過程中的測試，也要滿足成品的測試。

單項功能測試：由于GNC模塊集成的功能非常多，各個功能模塊都具有自身的功能與性能指標，這些功能性能指標必須滿足產品指南規定的要求，因此，測試系統必須能夠實現對組成GNC模塊產品的各項功能性能指標進行單項測試。單項測試既要滿足封裝過程中的測試，也要滿足最終成品的各種測試需求。

專項性能測試：由于GNC模塊集成了MEMS、衛導和地磁等功能，這些功能的性能測試必須在轉臺、衛星模擬轉發器和跑車等特殊環境條件下才能完成，因此測試系統應該滿足這些特殊環境測試的安裝要求。專項性能測試只適應于最終成品的測試。

3 主從協同測試系統硬件架構設計

根據上述GNC模塊測試需求分析結果，對于一個高度集成封裝的小型化綜合電子模塊產品，構筑了一套主從協同測試系統，測試系統硬件設計圖4所示。

圖4 GNC主從協同測試系統圖

其中GNC模塊硬件測試主系統包括工控機、測試用電纜、GNC模塊供電電源、萬用表、示波器等。主要功能是實現對GNC模塊測試從系統的供電和通過通信接口進行的命令傳輸以及測試結果信息傳遞。

為解決高集成度封裝的GNC模塊測試不便的問題，將協同測試從系統設計為一塊多功能印制板，把GNC模塊作為被測對象，在該測試板上安裝測試插座，用于可重復插裝封裝好的GNC模塊，使得多個GNC模塊可共用同一塊測試板，測試過程中可直接插拔替換，大大節省了資源，提高了工作效率。GNC模塊的對外接口單元主要由可配置IO接口、CAN接口、SCI接口、SPI接口、AD接口等部分組成，這些對外接口的輔助測試邏輯都通過對此印制板的合理布局來實現。

1)為了實現靜態測試，在測試板的原理設計中，將GNC模塊功能接口引出，同時將GNC模塊的全部引腳引出，并在測試板上設計獨立測試點，可以用于萬用表、示波器等測量儀器的直接測試。

2)為了實現單項功能測試，將測試主機工控機通過MOXA卡與測試板連接，通過422通信接口將主從協同系統之間進行互聯，由測試系統主機通過工控機向GNC協同測試系統發送指令，由GNC模塊接收指令并執行，進而實現對GNC模塊的各項功能測試。

①GNC模塊的4路IO采用自環方式測試接口的功能，隨機選擇2個IO接口進行自環測試，任意一個輸出、另一個輸入，對比輸入和輸出的數值，結果一致則表示測試正確；

②SPI通信接口的測試，將CS、CLK、SDIN、SDOUT信號分別接入4路IO，在IO上觀測SPI接口的數據狀態，SPI接口和IO接口之間相互發送、接收的數據一致則表示測試正確；

③SCI接口和CAN接口通過各自的接口轉換芯片，與對外插座相連，與工控機實現422通信和CAN通信；

④AD接口測試配合測試板上的撥碼開關設計，其中前3路采集的是三軸地磁傳感器的輸出信息，將后5路引出，在測試板上分別采樣5 V、3.3 V、1.2 V、GND和懸空，每次撥動一位撥碼開關，可觀察5路采樣值的變化。

3)為了實現專項功能測試，協同測試從系統設計為一塊小型化的印制板，該板除了可以插拔不同的GNC模塊以外，還可以通過螺釘被固定在轉臺或跑車臺上，以便能夠滿足MEMS、地磁以及衛星導航定位功能等特殊環境下的測試。

4 主從協同測試系統軟件架構設計

GNC模塊測試系統軟件分為兩類，測試系統主機軟件和協同測試系統軟件。測試系統軟件采用分層構件化設計，在軟件體系結構層次上與綜合電子軟件的設計理念一一對應，分為測試應用層、測試核心層、測試硬件支持層，從設計上保證了測試環境的有效性[11]。通過分層并制定每一層的標準業務及接口，如其中一層發生變化，則不會影響到其它層，便于在以后技術的升級換代中可以快速適應。同時，在軟件設計中，制定設備驅動程序框架，使得軟件能夠適應不同的設備控制需求，并對上層提供統一的接口。將測試系統中的標準業務采用構件實現，在后續新任務軟件的開發中可以通過組裝標準化的構件以及任務的特殊需求構件，達到加快軟件開發速度的目的，進而縮短軟件的研制周期[12]。

測試系統主機軟件和協同測試系統軟件共同實現對GNC模塊的單元測試和專項測試。單元測試是軟件測試的第一步，單元測試通過對每個最小的軟件模塊進行測試，對源代碼的每一個程序單元實行測試，來檢查各個程序模塊是否正確地實現了規定的功能，確保其能正常工作；而專項功能測試根據某一復雜功能驗證需求而專項開展測試。此測試系統的單元測試部分用于測試GNC模塊的各項基本功能是否正常工作，專項測試部分用于GNC成品狀態下，采集各傳感器的輸出數據，然后采取一些數據處理與補償方法，測試GNC模塊的性能[13]。測試系統主機軟件的開發環境為C++ Builder；協同測試系統軟件的運行環境為TI公司TMS320f28377D，開發環境為CCS6.1；CAN通信使用廣州致遠電子生產的USB CAN-Ⅱ智能接口卡實現。

4.1 單元測試

單元測試中，協同測試系統軟件負責接收測試系統主機軟件發出的單元測試命令，并返回測試結果消息給測試系統主機軟件，完成對被測設備所有硬件單元的單項功能測試，GNC模塊的單項功能測試項目表如表1所示。當測試結果錯誤時，單元測試軟件應下發錯誤記錄，用于故障原因的分析，測試系統主機軟件對測試過程中的所有錯誤數據以測試日志的形式進行記錄，測試日志顯示測試的開始時間、已運行時間、結束時間等與測試過程相關的信息，便于測試實驗狀態的查找[14]。

表1 單項功能測試項目表

根據上述單項功能測試項目，設計單元測試軟件流程，如圖5所示。

圖5 GNC測試系統軟件流程圖

4.2 專項測試

專項測試軟件主要完成對GNC模塊的性能測試，采集GNC模塊的地磁傳感器、陀螺儀和加速度計的三軸原始數據以及溫度信息，并通過對原始數據的補償處理。輸出地磁三軸磁場信息、陀螺儀三軸角速度和溫度、加速度計三軸加速度和溫度，然后對采集到的數據進行解算，將最終數據在測試系統主機軟件的專項測試界面顯示[15]。專項測試軟件流程如圖6所示。

圖6 GNC測試系統專項測試流程圖

1)IMU專項測試:

IMU的零偏及初始姿態誤差是導航誤差快速發散的主要誤差源，因此，對IMU全部零偏的標定和補償是減少初始姿態誤差和提高導航精度的有效方法[16]。因此，在開始IMU性能測試前需完成IMU的標定工作。由于MEMS陀螺儀相比于加速度計對標定的精度要求更高，因此我們采取先標定加速度計后標定陀螺儀的方案[17]。

將GNC模塊通過測試板固定安裝在三軸轉臺上，保證GNC模塊的軸向與轉臺軸向盡可能平行。首先，建立陀螺儀定溫輸出模型為：

(1)

公式(1)中，ωx、ωy、ωz為補償后的三軸陀螺儀輸出(即理論輸出真值)，εx、εy、εz為3個軸向陀螺儀的常值零偏，kgx、kgy、kgz為三軸陀螺儀的刻度系數；軸間安裝偏差系數分別為kgxy、kgxz、kgyx、kgyz、kgzx、kgzy；三軸陀螺儀輸出的原始數據為NGx、NGy、NGz。

加速度計定溫輸出模型建立為：

(2)

式中，ax、ay、az為補償后的三軸加速度計輸出(即理論輸出真值)，▽x、▽y、▽z為3個軸向加速度計的常值零偏，kax、kay、kaz為三軸加速度計的刻度系數；軸間安裝偏差系數分別為kaxy、kaxz、kayx、kayz、kazx、kazy；三軸加速度計輸出的原始數據為NAx、NAy、NAz。

①加速度計標定方法：

②陀螺儀標定方法:

(3)

其中:N為轉動圈數，N=3。

(4)

IMU標定測試完成后，開始IMU性能測試，獲取IMU標定測試中的標定系數，然后測試系統主機軟件向協同測試軟件發送數據采集指令，開始IMU數據采集，并將采集到的三軸陀螺和三軸加速度計數據進行解算，最終將陀螺和加速度計的零偏、零偏穩定性、交叉耦合等數據在測試系統主機軟件的專項測試界面顯示。

2)AD/地磁測試:

調整轉臺位置使得地磁Z軸方向平行于北向，產品正常工作后啟動轉臺，設置轉臺的轉速為15轉/秒。等轉臺速率穩定后，連續采樣3 min數據。傳感器的X軸和Y軸可以測量OXY平面上的磁場強度，并且隨著GNC模塊旋轉，X軸和Y軸測量到的磁場強度周期性變化。

如果敏感軸上的磁場強度為0，而傳感器的輸出不為0時，則會帶來零點誤差。X軸和Y軸的零位為：

(5)

(6)

修正零位之后的輸出為：

x=xout-ΔX

(7)

y=yout-ΔY

(8)

正交誤差出現時，采集到的數據所表現的現象是：Y軸輸出為最大時，X軸輸出不為0，此時X軸的實際輸出為x=Ymax×sinα。對此，可以采用公式4～5進行補償：

x=xout-yout×sinα

(9)

由于地磁模塊在測量過程中存在系統誤差，姿態解算出的滾轉角誤差較大，不能滿足彈道控制的要求。地磁模塊協同測試軟件功能主要包括對地磁模塊的數據采集，然后通過補償修正模型對采集到的數據進行修正，最終將滾轉角數據和地磁修正數據以422通信形式發送給測試系統主機軟件，并在測試系統主機軟件的專項測試界面中顯示。

5 實驗結果與分析

5.1 實驗步驟和方法

為了驗證本測試系統的準確性和可靠性，選取5臺GNC產品按照以下步驟進行測試，根據GNC模塊測試需求，依次完成靜態測試、單項功能測試和專項性能測試。

1)靜態及單項功能測試:

首先，在上電之前對GNC模塊進行人工目檢、尺寸檢測、原理檢查以及阻抗測量，確保產品阻抗測量沒有問題并且不存在短路或接觸不良后，采用測試插座將封裝好的GNC模塊固定在測試板上，并進行通電。如無異常，記錄供電電壓和電流，然后開始電路調試。功能測試時，應將GNC模塊靜置在水平平面上。然后使用單元測試軟件，對CNC模塊的所有功能逐一進行測試，判斷系統的各項功能是否正常。

2)IMU標定:

將GNC模塊安裝在三軸轉臺上，采用6位置法對加速度計進行標定，IMU的X、Y、Z軸分別朝天向和地向一次，在轉臺靜止情況下進行加速度計數據采集，每個位置保持時間不小于5分鐘[18-19]。然后對陀螺儀進行標定，調整X軸平行于地球自轉軸，開始數據采集。在5 s內控制轉臺繞X軸正轉1 080°(三圈)。待轉動結束后，繼續采集10 s以上數據，命名接收文件為X+1 080°。然后保持轉臺方向，控制轉臺繞X軸反轉1 080°(三圈)，數據記為X-1 080°。Y、Z兩軸步驟同X軸。

3)IMU零偏:

調整轉臺位置，使得陀螺Z軸方向沖天，通電等待數據穩定后，測試GNC模塊X、Y軸角速率的輸出，共測試3 min，然后求出X、Y軸陀螺儀輸出信號的平均值即為陀螺儀的零偏。將GNC模塊三軸角速率數據采集時間改為1 h。對采集數據取10 s均植，共得到n組陀螺儀輸出，根據計算公式得到陀螺儀的零偏穩定性。分別測試GNC模塊三軸角速率10 min的零偏輸出：測試6次，每次間隔10 min以上，6次求標準差，得到陀螺儀的零偏重復性。測量Y軸加速度Y1，采樣3 min并求出平均值。改變轉臺方向，使Z軸指地，測量Y軸加速度輸出Y2，采樣3 min并求出平均值。根據計算公式得到加速度計的零偏。記錄加速度計輸出，測試時間改為1 h，對加速度計的輸出取10 s均值，共得到n組加速度計輸出，算得加速度計的零偏穩定性。分別測試10 min的零偏輸出，測試6次，每次間隔10 min以上，算得加速度計的零偏重復性。

4)地磁輸出測試:

將GNC模塊安裝在無磁轉臺上，調整轉臺位置，使得地磁Z軸方向平行于北向，產品正常工作后啟動轉臺，設置轉臺的轉速為15轉/秒。等轉臺速率穩定后，連續采樣3 min數據。地磁傳感器的X軸和Y軸測量OXY平面上的磁場強度，并且隨著GNC模塊旋轉，X軸和Y軸測量到的磁場強度呈周期性變化。

5.2 實驗結果分析

根據上述實驗步驟，依次對5臺GNC模塊完成了靜態測試和動態測試，其功能測試結果良好，各功能部分均正常工作。

選取三軸IMU數據進行性能對比，以X軸為例分析，測試結果如表2所示。在沒有誤差的情況下，如果將三軸正交地磁傳感器在均勻磁場影響下繞原點進行三維空間旋轉，地磁矢量的模值不隨傳感器的轉動而變化[20]。理想正交三軸地磁傳感器的輸出信號在空間的軌跡是一個球，其半徑為地磁矢量的模[21]。如果繞三軸磁傳感器的一個軸旋轉，另兩個軸則形成一個平面上的圓。以GNC模塊地磁X軸的輸出為橫坐標，以Y軸的輸出為縱坐標作圖，在坐標軸上映射出一個圓心在原點的近似圓[22]。地磁傳感器X、Y軸輸出的電壓信號會形成正弦信號，雙軸的相位差近似為90°，5臺GNC模塊地磁輸出X、Y′軸對應關系均如圖7所示。

表2 IMU測試X軸數據

圖7 地磁輸出及X、Y軸對應關系

GNC模塊具有的各項功能和性能指標如表3所示。5臺GNC產品靜態測試結果正常，模塊尺寸和初次上電電流、電壓均符合指標要求，對測試軟件設置對應參數，測試了5臺GNC模塊的功能和性能，測試結果均滿足GNC模塊技術指標要求。使用秒表計時測試時間并統計結果，除專項測試中需反復多次采集數據外，5臺GNC產品功能測試所需時間均為8～10 s，與同類測試系統相比，將人工測量的難度和強度降低到50%以下，大大提高了測試效率。

表3 GNC模塊技術指標

測試系統軟件界面設計簡單，主要包含測試項目菜單欄和產品數據欄，測試項目通過勾選來執行，也可進行多次循環測試，具備獨立性和統一性。完成對操作界面的參數設置后，整個測試過程在后臺實現，測試結束后，測試結果和數據保存到對應測試項目的文件夾內，易于區分和查驗[23]。

6 結束語

本文研究了一種針對采用高可靠性POP工藝的GNC模塊的測試系統，通過測試驗證表明，本測試系統穩定性好，準確性高，整個系統操作靈活、簡單，便于使用，能夠大大提高生產效率；硬件和軟件均采用通用化設計，便于系統級調試；功能齊全，可滿足產品研制各個階段的需求。