T/R組件電老練測試系統設計

賈守波，吳文超，王 博，陳一凡，王淑秀，徐立航

(1.上海無線電設備研究所，上海 201108；2.上海神添實業有限公司，上海 200090)

有源相控陣是目前雷達天線研制與發展的主流。在有源相控陣雷達中，每個發射機和接收機被整合成為一個發射接收模塊，即T/R(Transmit and Receive)組件[1-2]。有源相控陣雷達由幾百個甚至上萬個發射接收模塊組成，T/R 組件是有源相控陣雷達的核心部件，它的性能直接影響雷達天線的性能指標[3]。在T/R組件的研制和生產過程中，T/R組件的電老練測試至關重要，每個組件需花費數十小時的電老練時間，以驗證產品的穩定性和可靠性。

我國相控陣雷達技術起步較晚，與T/R組件電性能測試相比，T/R組件電老練業界研究較少，傳統電老練測試方法進行T/R組件測試時，需要手動操作測試儀器、手動記錄測試結果，手動完成測試數據分析時存在易出錯、工作量大和測試效率低等缺點，耗費了大量的人力和物力[4-6]。近年來，國內開始有少數研究機構和公司進行T/R組件電性能測試和電老練相關測試系統的開發。這些測試系統一般只支持單通道測試，雖然能夠實現自動測試，但測試效率不夠高，數據實時處理和可追溯性較差，且系統的擴展性不強，維護成本較高，無法滿足不同型號、大批量T/R組件的測試需求。

相控陣技術的發展使得雷達產品包含的T/R 組件數量增大、種類增多[7]，T/R組件電老練過程已經成為影響雷達研制與生產的瓶頸[8]。在此背景下，基于項目的實際情況，提出一種批量組合式T/R組件電老練測試系統。介紹了電老練測試系統搭建、系統設計和測試方法，對測試系統軟硬件技術方案進行了詳細論述。測試系統采用多通道并行的分布式結構，各測試單元被設計為獨立模塊，每個測試單元可獨立設置電流、脈沖、溫度和時間等參數，各模塊通過數據流與總控模塊進行通信，實現數據上傳與分發。系統具有完整的自動化測試功能，軟硬件均采用模塊化結構，可以根據實際情況靈活配置，具備良好的通用性和擴展性，能夠對不同種類、不同數量、不同測試策略的T/R組件進行電老練測試，具有較高的應用價值。

1 功能需求

電老練系統需要完成T/R組件在預設條件下的電老練測試工作，以判斷被測T/R產品性能是否合格。功能需求如下：

① 老練控制。包括對單個或多個T/R組件的電老練控制啟停。

② 狀態監控功能。實時監控T/R組件老練溫度。

③ 組件保護。在T/R組件供電電壓值、電流值和殼體或內部溫度超出限值時，自動對T/R組件執行斷電保護操作。

④ 狀態顯示。在工控機上顯示T/R組件的實時老練情況。

⑤ 異常警報。老練過程中出現異常時，需報警并記錄相應異常工位和原因。

⑥ 數據記錄。自動記錄老練過程產品的電壓、電流、溫度和老練時間等數據，并支持批量導出。

2 系統設計

2.1 系統組成

T/R組件電老練系統組成框圖如圖1所示。系統主要由工控機、交換機、微波信號源、功率放大器、模擬電源、數字電源、電老練單元和射頻相關部件等組成。

圖1 系統組成框圖

T/R組件電老練系統采用機柜式結構，由3個單體機柜組合而成，柜體承載了T/R組件電老練需要用到的相關夾具和儀器儀表。設備總尺寸為1800 mm×800 mm×1800 mm，系統功能分布分為：電老練單元區、儀器儀表區和人機交互區。電老練單元區為主要的工作區，設計成抽屜式結構，方便拆裝T/R組件，每個單元容納2塊組件，共設計了12層抽屜，最多可同時進行24塊T/R組件的電老練任務，可靈活配置。電源儀表區相應地布置了12組程控電源，為電老練T/R組件和控制板供電。人機交互區主要為顯控單元，可進行電老練任務的信息分配、控制、監視和數據存儲工作；也可接入制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)，進行任務分發和數據上傳等操作[9]。

電老練系統的工作過程為：將T/R組件固定在散熱模塊上，通過工控機控制軟件指令控制電源供電；信號源發出激勵信號，通過功分器輸出給24個T/R組件；電老練控制板控制T/R組件按一定時序工作，同時采集T/R組件內部和外部的溫度傳感器信號，并根據控制策略控制散熱風扇工作，將T/R組件的溫度控制在一定的范圍區間；開始進行電老練工作，如某模組出現溫度異常，立即啟動保護機制，自動停止該模組老練任務并報警，實現全自動無人值守批量電老練工作。

2.2 電老練單元

電老練單元采用模塊化集成方式，主要用于固定組件，并提供組件老練所必需的老練溫度環境[10]。電老練單元的組成框圖如圖2所示。主要包括T/R固定工裝、散熱系統、射頻連接系統、老練控制板和功分器等模塊。每個電老練單元可支撐2塊T/R組件的老練工作。

圖2 電老練單元組成框圖

電老練單元為系統的主要組成部分，對T/R組件的四路電源(+28 V、+8 V、-8 V、+5 V)的電流和電壓進行采集，具備溫度監控和溫度保護功能。對T/R組件的殼體溫度和內部溫度進行實時監控，根據采集到的溫度對外部散熱系統進行控制，以保持產品在設定的溫度范圍內工作，并自動記錄和保存測試數據。

針對T/R組件電老練環境定制化的特點，固定工裝將T/R組件固定在散熱器模塊上，使組件緊貼散熱模塊，并保證殼體和散熱器以及嵌在散熱模塊正中間的溫度傳感器良好接觸，從而保證實時采集到的溫度數據的準確性，同時保證老練單元良好的散熱性能。風扇固定在散熱器外部，通過控制策略調節風扇的輸出功率，實現對組件工作環境溫度的控制，使其保持在一定的溫度下(設定為70±1 ℃)。射頻負載固定于負載面板上，通過射頻電纜實現與T/R組件之間的連接，老練時需手動連接。

3 測試方法

為實現對T/R組件電老練任務的管理和執行，需要明確測試設備各業務節點的時序[11]，其主要功能和關鍵數據均體現在電老練業務的執行過程中。電老練業務時序如圖3所示。TR電老練業務主要過程如下。

圖3 電老練業務時序

① 開始老練前，操作人員可以通過軟件觀察電老練控制單元和脈沖調制單元的狀態，確認其工作狀態。

② 系統將老練控制單元和脈沖調制單元狀態反饋到人機交互界面上，狀態正確的條件下，可配置老練條件和參數上下限閾值，在完成該配置后，系統依據配置進行電老練輸出前準備業務。

③ 依次控制系統儀器儀表開啟設備輸出，主要配置組件電源輸出和信號源輸出。

④ 系統啟動老練業務，配置參數和上傳單元狀態信息，對TR組件進行上電并提供輸出調制脈沖。

⑤ 在人機界面觀察電老練控制單元信息和脈沖調制單元信息，定時監控記錄各模塊單元狀態和故障信息，并對監控信息進行存儲。

⑥ 在達到老練預設的條件后，系統自動結束老練，斷開TR組件的供電電壓和輸出調制脈沖。

⑦ 組件電源和信號源關閉，關閉設備輸出，老練結束。

老練測試過程中，采用自適應調節控制算法進行電老練的自動化測試管理。自適應調節控制算法流程如圖4所示。

圖4 自適應調節控制算法流程圖

測試單元設計有禁用、正常、異常和完成4個狀態，電老練測試狀態設計有未老練、老練中、老練結束和老練終止4個狀態。自動調節控制時，通過定期刷新電老練單元的狀態，根據電老練單元狀態確定電老練狀態的切換動作，并遍歷完成所有電老練單元T/R組件產品的電老練狀態的控制。例如，當測試單元狀態為正常時，T/R組件處于老練中，則該組件將繼續保持老練中的狀態；當測試單元狀態為完成，T/R組件處于老練中，則會將該組件切換到老練完成的狀態，并控制相應的儀器儀表自動切換到相應狀態。

4 軟件設計

4.1 軟件系統架構

電老練自動化測試軟件是整個測試設備工作的上位機操作軟件。軟件開發基于LabVIEW軟件平臺，老練系統提供老練測試的參數配置界面接口，實現對電源、T/R組件控制板和散熱風扇的控制，采用自適應調節控制算法，可以實現對T/R組件的電老練測試的全程自動化管理。測試軟件采用模塊化設計思想[12]，針對測試系統的技術特點，通過設計不同的操作單元模塊進行功能組合，實現整體軟件的設計開發。

系統采用并行測試技術，同時對多個T/R組件進行測試，各測試對象是獨立并行的。測試系統軟件設計架構如圖5所示。在軟件測試過程中測試單元對所有測試項進行測試，實現一個線程測試一個功能模塊，實現多線程并行測試。并行測試充分利用了處理器時間和測試資源，減少了測試時間，改善了測試系統的性能。

圖5 軟件設計架構圖

在該軟件架構中，所有功能單元進行數據交互的核心是數據庫，無論是硬件資源、測試數據、產品信息和用戶參數配置等，均需要通過對數據庫的操作完成映射關系的轉化。同時，用戶配置管理信息也都存儲在數據庫中，以方便統一管理和查詢。該數據庫基于ACCESS進行開發，系統軟件為用戶提供了對數據庫進行表的創建、插入、查詢和刪除等操作功能。

系統測試時，將所有的測試數據和系統信息存儲至數據庫，并通過網絡同步到中央服務器，然后數據瀏覽模塊可以與數據庫建立連接，對存儲至數據庫的信息進行查詢、分析和瀏覽等操作。

測試軟件的人機界面模塊包括了用戶管理模塊、自動測試執行模塊、數據處理模塊、故障診斷模塊和自檢模塊。測試系統通過測試總線將模塊化儀器連接在一起，自動測試模塊的調試界面可以針對單工位進行手動調試，以便于驗證產品的功能和性能指標。用戶可通過儀器面板完成系統自檢功能，該自檢功能主要是對測試設備中的全部工位的電源模塊和控制板模塊進行功能檢查，并將自檢結果顯示在軟件界面上。

自動測試流程模塊是一個級聯的模組，通過自動執行模塊執行；自動執行模塊根據任務配置分配測試程序模塊，同時配置測試管理模塊和啟動測試項目；測試項目通過驅動接口控制相關儀表，實現了自上而下的軟件控制流程。

4.2 自動測試管理

測試系統中使用了較多的非標儀器，應用程序接口(Application Programming Interface,API)數量和類型眾多，沒有標準的驅動接口和資源庫，因此，借助于一些開源庫，自行編寫驅動模塊，并對非標儀器驅動進行封裝，提高了開發效率。將儀器驅動接口封裝為模塊后，再參考可互換虛擬儀器(Interchangeable Virtual Instrument，IVI)的實現機制，面向對象的特性，逐步將測試軟件與底層儀器解耦，提高儀器的可互換性。在分布式和跨平臺的環境下，操作和調試儀器更方便快捷[13-15]。

IVI是在即插即用(VXI plug&play,VPP)規范之上定義標準的儀器接口和模型，能夠實現儀器驅動器的可互換性、開發靈活性和測試高效性，以及保證測試品質。IVI技術采用屬性管理機制的方法實現更好的運行性能和更靈活的驅動操作[16]。建立在IVI引擎驅動的屬性機制的基礎上，IVI實現了狀態緩存、范圍檢測、取值強制、狀態檢測和儀器的仿真功能[17]。

測試配置文件在主控計算機上進行編輯和執行，測試執行過程示意圖如圖6所示。測試執行過程描述如下，在主控計算機上的測試軟件下編輯好測試配置參數并保存為.ini文件，在測試執行時，測試管理引擎按照測試序列逐步發送出測試語句。測試語句按照ATLAS標準測試語言規范進行編輯，便于軟件的移植和型號升級等[18]。指令分析模塊收到ATLAS測試語句后分析并發送給驅動管理引擎，由驅動管理引擎解析并進行語法判斷和狀態判斷等，調用相應的儀器驅動程序完成測試任務。自動測試管理模塊實現的功能主要包括以下4個部分。

圖6 測試執行過程示意圖

① 測試配置管理功能：負責對被測T/R產品的測試項目、測試參數和技術指標等進行配置和管理，同時對當前所進行的測試項目的測試結果進行實時分析和顯示，通過與測試管理數據庫的交互，實現測試項目的實時更新和存儲功能。

② 數據采集監控功能：負責采集溫度、電壓和電流等信號，設計為獨立的數據采集引擎。數據采集引擎是針對硬件任務管理的引擎，可實現多個硬件任務的管理，包括參數配置、數據采集和顯示、數據分析和報警、采集數據保存等功能。

③ 溫度控制功能：負責控制組件溫度，采用雙閉環的控制策略對組件溫度進行調節，使其保持在一定的范圍內。控制板通過溫度采集模塊對T/R組件的溫度值進行實時采集，并上傳給上位機，上位機控制軟件通過分析采集溫度和設定溫度的差值對散熱風扇進行調節，進而實現對T/R組件的溫度控制，使其保持在一定范圍內。當散熱風扇功率達到最大值時，如果T/R組件溫度仍然超出控制范圍，再通過調節波控輸出脈沖的占空比對T/R組件的消耗功率進行調節，從而實現降低組件溫度的功能。

④ 通信配置管理功能：設計為獨立運行的線程，由主程序界面進行調度和管理，主要負責對各個儀器模塊以及波控板的以太網通信和控制，包括測試指令的封裝和解析、Modbus命令控制等功能。

4.3 軟件設計界面

系統主程序根據用戶需求進行自定義設計，主界面中包含了用戶常用的控制命令和顯示內容，如圖7所示。

圖7 測試程序主界面設計

該測試軟件主界面主要包括以下5部分內容。

① 主功能選擇菜單區。包括測試軟件所有的功能選項，包括菜單選項和按鈕選項2個部分；通過選擇不同的操作項可以實現對測試軟件和設備的操作管理功能。實時操作日志管理，該部分功能為軟件整體操作記錄和匯總，用戶可以通過單擊操作日志按鈕查看所有的操作過程，便于在設備遇到故障時提供排故信息。

② 主測試項目數據采集顯示區。在測試期間實時顯示測試項目信息，包括測試工位信息、測試產品信息、測試實時監測電壓/電流/溫度等數據、測試時間和測試結果等；數據采集監控功能模塊負責采集溫度、電壓和電流等信號，設計為獨立的數據采集引擎。數據采集引擎是針對硬件任務管理的引擎，可實現多個硬件任務的管理，包括參數配置、數據采集及顯示、數據分析及報警、采集數據保存等功能。

③ 溫度曲線顯示區。在測試期間實時顯示產品溫度曲線，方便測試員觀察產品溫度在測試過程中的變化情況；產品測試數據查詢，該功能主要是對被測產品的記錄信息進行查詢和數據回放。

④ 報警信息顯示區。在測試期間實時顯示報警信息，報警源主要包括測試電壓和電流是否超限、產品溫度是否超限等。故障信息查詢，提供了設備IP地址、控制板和測試產品數量信息、軟件操作狀態以及系統時間等信息。測試結果匯總信息查詢，為查詢測試過程中發生的軟件故障或硬件模塊故障信息的記錄功能，可以通過查看故障信息按鈕查詢故障數據庫，為用戶提供產品和測試設備的排故定位功能。

⑤ 狀態欄顯示區。主要顯示測試軟件的基本狀態信息，包括測試人員和測試結果等匯總信息；查詢測試結果時可以設置查詢條件，包括產品編號、工位號和測試時間等條件，查詢結果顯示在表格控件中，主要包括測試產品信息、測試時間信息、工位號信息和測試結果信息等，同時將查詢到的測試結果進行統計分析，并給出測試結果統計直方圖。

5 測試結果分析

通過對某型T/R組件為例進行電老練測試，得到了電老練系統運行過程監控實測結果，如圖8和圖9所示。其中，圖8為電老練測試開始階段，T/R組件溫度緩慢上升過程中，通過溫度曲線監控可以看出此階段為溫度線性上升階段。圖9為電老練穩定工作階段，此時通過散熱控制，將TR組件溫度穩定控制在69～71 ℃之間，平均溫度70 ℃，滿足±1 ℃溫度設定控制誤差范圍。老練系統對各項老練指標的監測和老練條件的控制準確。

圖8 電老練測試開始階段

圖9 電老練穩定工作階段

通過對某型T/R組件電老練前后的各參數進行對比，結果表明，T/R組件電老練前后，其各項參數均滿足指標要求，且各參數測試前后差值不大，均屬正常波動范圍，該電老練測試系統滿足設計要求。

6 結束語

本系統平臺開放程度高，可完成多通道同步任務，實現多模塊實時數據采集、處理、顯示和存儲功能，提高了產品電老練數據查看和對比的用戶體驗。整機采用模塊化結構，組合靈活、方便拆卸，能夠適應不同的場合。相比于常規單個T/R 組件電老練測試系統，有效地減少了測試機柜數量。實際應用表明: 該系統的使用極大減輕了測試人員的工作強度，提高了T/R組件的電老練測試的工作效率，具有一定的應用推廣價值。