童颖飞,吴小强,宋 云,肖苏飞
(1.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153;2.海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京 210003)
一种通用数字T/R组件自动测试系统
童颖飞1,吴小强2,宋云1,肖苏飞1
(1.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153;2.海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京 210003)
摘要:介绍了一种通用数字T/R组件自动测试系统。根据不同的T/R组件测试要求,灵活开发相应的测试方法,合理配置可程控测量仪器。利用PCIe波控及数据采集板卡与组件通讯、LAN接口实现PC机与可编程仪器之间的通讯,获取被测件测试数据,并对测试数据进行数据处理并形成测试报表。
关键词:相控阵雷达;自动测试;软件平台;T/R组件;可编程仪表
0引言
近年来,随着相控阵雷达的广泛应用,雷达系统的复杂程度显著增加。T/R组件是构成相控阵雷达的基础,是相控阵雷达的核心部件。T/R组件的各项指标直接影响雷达相应的整机指标。在T/R组件研制前期以及大规模批量生产阶段,大量全面的电性能指标测试是必需的[1-2]。
传统测试方法自动化程度低,多为手工操作测试,测试过程相当繁琐,需进行大量的重复测试,并且测试数量繁多、测试数据统计量大,测试覆盖大量的频点、通道,涉及的测试指标包含移相、衰减、噪声系数等复杂指标。传统的人工测试方法在当前的测试需求下呈现出测试周期长、效率低下等缺点,已很难满足现代雷达的研制需求。因此,需要构建自动测试系统,为现代雷达系统的研制生产提供保障。
本文在通用测试开发平台的基础上,根据被测对象特点和测试系统要求,研究和设计T/R 组件自动测试系统。
1通用测试开发平台
通用测试开发平台是面向一般的微波/射频设备复杂系统的自动化测试工具软件平台。系统软件采用Microsoft Visual Studio作为开发工具,基于.NET Framework 4.0平台。系统软件采用Microsoft Access 2003以及Microsoft SQL Server 2008作为数据库,可以运行于Windows XP及以上的平台。通用测试开发平台作为涵盖测试创建、执行、分析和管理的一体化自动测试平台,具有以下一些特点:
以通用化设计为原则,可对一般的微波/射频设备进行电性能指标测试。面向对象,依据接口编程,将测试过程模块化,模块之间通过平台交互,达到易于维护的目的:
(1) 系统软件具有开放性、灵活性和扩展性,无需编程,通过简单的图形界面即可创建测试,测试方法易于编辑、仪表资源可扩充/裁减,对于不同测试对象可迅速建立相应的测试流程;
(2) 利用数据库配置系统的测试参数,便于管理,同时具备自动化的测试结果收集、可视化的测试文档和报告生成,以及数据输出和自动文档记录等功能;
(3) 支持多种测试测量仪器及多种测试仪器控制总线接入方式,具备通用仪器的标准操作函数库,能够灵活地实现仪器仪表的操作;
(4) 软件界面友好、操作方便、易于学习和使用。
2T/R组件自动测试系统实现方法
本文在自研的通用测试开发平台的基础上,根据被测T/R组件的特点和测试系统要求,对测试系统信号中枢、波控及数据采集板卡等方面进行设计,最后利用通用测试开发平台对具体的T/R组件自动测试系统进行配置,形成T/R 组件自动测试系统,并对其进行验证。
本文中的自动测试系统针对数字T/R组件的电性能指标进行设计。该电性能指标包含了近40个指标,每个指标又包含了很多通道及频点。在手动测试的情况下完成此项工作非常耗时费力,而自动测试则可将工作时间和人力大大缩减。
2.1通用测试开发平台构成及功能
通用测试开发平台由系统管理平台、资源管理平台、测试程序开发平台、测试程序执行平台及数据管理平台等5个子平台组成。组成框图如图1所示。
本文中主要使用的功能模块如下:
(1) 资源管理平台
资源管理平台主要实现对系统内硬件测试设备的配置,可实现新增、删除、修改硬件设备的功能。通过资源管理平台,测试系统能够针对不同的被测件进行灵活的系统硬件配置。
图1 通用测试开发平台组成框图
(2) 测试程序开发平台
测试程序开发平台主要实现针对不同测试对象、测试指标。在平台中根据已配置的硬件资源编辑对应的测试动作,将测试动作按正确的测试时序排列,构成完整的测试流程,并保存到计算机硬盘。
(3) 测试程序执行平台
测试程序执行平台主要实现对测试流程执行前系统的自检及自检后执行测试程序开发模块中保存的测试流程,自动记录测试结果并实时显示。
(4) 数据管理平台
数据管理平台主要实现测试结果的查询、测试数据的导出及测试结果的自动报表输出。
2.2测试系统配置
T/R组件的测试过程中主要关注发射通道及接收通道的测试参数。发射通道的主要指标有输出功率、杂散、谐波、波形参数、幅相特性等。接收通道的主要指标有噪声系数、动态范围、衰减精度、移相精度、幅相一致性等。此外,收发切换时间、布相时间等也是需要关注的指标[2]。
根据上述测试指标的需求,在通用测试开发平台中配置测试所需要的硬件设备。配置后的自动测试系统基本原理框图如图2所示,图中虚线框内为测试系统组成。
系统上行通道测试原理为计算机通过波控及数据采集板卡控制组件直接产生输出信号。组件输出通过信号转接中枢建立测试通路,由计算机控制测试系统内的仪器设备对被测件进行自动测试,并对测试数据进行相应的数据处理。下行通路测试由计算机控制信号源或噪声源产生激励信号。通过信号转接中枢建立测试通路,由计算机控制系统内的各仪器设备对被测件进行自动测试。通过波控及数据采集板卡采集组件
图2 基本测试原理框图
图3 信号转接中枢原理图
输出的IQ数据。计算机回读后对测试数据进行相应的数据处理,并生成测试报表。
2.3系统硬件组成
T/ R 组件测试系统硬件部分主要由信号转接中枢、波控和数据采集板卡、测试仪器、冷却系统、计算机和其他辅助设备组成。测试仪表主要是功率计、频谱仪、信号源、矢量网络分析仪、示波器等。进行测试仪表的选择,通过信号转接中枢将测试仪表、被测组件以及计算机连接起来,形成测试通路[3]。
2.3.1信号转接中枢
信号转接中枢是T/R组件自动化测试系统中实现系统灵活性、开放性、可扩展性的关键设备,其性能指标的优劣直接影响到整个系统的测试指标。
信号转接中枢主要功能是根据测试项建立相应的激励通道和测试通道,提供系统测试用的微波通路。系统中的激励信号和测试仪器的测试端口均连接到信号转接中枢。被测件的RF测试端口、时钟及本振信号也连接到该设备。信号通路的建立是通过信号转接中枢中的微波开关完成的。被测件连接到信号转接中枢后可以不需要进行其他的连接就可以测试全部的性能参数。原理图如图3所示。
2.3.2波控及数据采集板卡
波控及数据采集板卡的主要功能是对宽带T/R组件的所有工作状态进行控制和对接收通道数字信号进行采集,板卡的数据率及格式适应宽带T/R组件测试及调试要求。
波控及数据采集板卡包括FPGA模块、光纤模块和PCI-Express模块,其中FPGA模块为主控芯片,系统通过光纤模块将数据送入PCI-Express模块。PCI-Express模块将接收到的数据通过PCI-Express总线传输到计算机内存的COM-E模块进行后续进一步的信息处理。该系统的全部逻辑电路均在FPGA中实现,所需的外围器件少,硬件结构简单。同时,采用PCI-Express总线,传输速率能够达到160~200 MB/s,彻底解决了雷达数据传输的速度瓶颈。该板卡可以将实时采集到的数据进行各种信号处理,大大提高了系统的实时性和准确性[4]。
2.4系统软件设计
硬件系统配置完成后,需要在测试系统中对软件进行设计。测试软件是整个系统指挥控制的调度中心。通过仪器接口总线[5],对系统设备初始化,发出各类仪器的操作及校准命令,同时接收系统中测试仪器的返回信息,并对其进行分析处理,从而迅速地完成测量的全过程及相应的数据处理,全面完成系统的自动化测试。本自动测试系统软件通过通用测试开发平台的图形化测试开发环境进行设计。
通过测试程序开发平台,根据规定的测试方法按设计好的测试时序添加测试系统硬件资源节点或者逻辑控制节点。通过可视化界面设置各个节点的行为及属性,构成完整的测试流程,并利用其调试功能对测试方法进行验证。
在被测件对象中设置需要的测试项,并将调试完成后的测试方法并联至对应的测试项中。通过测试程序执行平台执行测试被测件的测试项目。方法流程执行到每个节点时按照设置好的动作或者属性控制对应的测试资源,并在显示面板上实时显示测试结果,最后保存至数据库中。
测试软件的控制流程如图4所示。
图4 测试软件控制流程图
2.5系统校准
测试系统还需要提供系统校准功能。在通用测试平台上设置好对应的校准项后,运行相应的校准测试项后校准数据将存入校准数据库中。在测量时从校准数据库获取相应测试条件下的数据进行修正,得到待测参数的真实值。采用这样的方式校准具有较高的灵活性,能够自主选择校准时机。
(1) 功率测试校准
系统进行功率测试时会引入从被测件输入/输出端口到功率计/激励源端口的通道损耗。在进行校准测试前先对矢网进行全二端口校准,然后测出通路的S21值,这样修正的同时也确保了将系统失配造成的误差降到最低。在进行功率校准时,要注意灌入信号的大小以及整个通路的衰减,保证测试信号在功率探头良好的线性区内[6]。
(2) 幅相测试校准
在校准通路的设计上,确保尽可能减少开关次数,以减小开关重复性的影响。系统在进行幅相测试时,直接在与被测件连接的测试端口进行校准的方法。在高准确度测试要求下采用矢网的全二端口校准,以提高仪器测试准确度,并减小失配的影响。
(3) 噪声系数测试校准
在系统校准中采取了分段补偿,对噪声源到被测件前端以及后端的损耗分别进行补偿,保证自动测试时噪声系数真实可靠。最后根据被测件噪声系数的大小选择相应的最接近的噪声源,可以保证达到较好的测试结果。
3应用实例
下面就某一实际测试过程中采集的数据及应用情况对系统的可靠性加以论证说明。测试数据通过测试系统自动采集并生成,测试结果取自动测试及手动测试10次结果的RMS值作比较,以认定的手动测试结果为基准。表1、表2为测试数据管理平台在测试后自动生成的实际测试过程中手动与自动方式分别采集的输出功率及噪声系数的测试结果。
表1 输出功率测试结果
表2 噪声系数测试结果
从表中不难看出,自动测试的数据与基准相比误差均在1%左右,能满足测试的要求,从而说明了数字T/R组件自动测试系统具有较高的可靠性。
4成效分析
本测试系统经使用比对,原本需要2名人员配合1天的手动测试、原有自动测试系统2 h的测试量缩短为只需1名人员20 min左右即可完成,测试效率得到大大提高。该系统简单实用,可满足大批量T/R组件生产过程中的调试、试验、论证。测试人员能够摆脱对组件设计人员的依赖,能单独承担对组件的调测工作,减少了人力成本,对提高效率和减少人为事故、提高对产品性能分析等有着重要的意义。
参考文献:
[1]胡明春,周志鹏,严伟.相控阵雷达收发组件技术[M].北京:国防工业出版社,2010:2-5.
[2]张光义,赵玉杰.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006:30-35.
[3]蔡晓波.基于GPIB的雷达接收机自动测试系统[J].现代雷达,2011,33(9):69-71.
[4]张泽宇.基于PCIE接口的数据处理实现[D].北京交通大学,2012:18-20.
[5]Agilent Technologies.Signal Generators Programming Guide.(FEB.2010).
[6]Joel P Dunsmore.微波器件测量手册[M].北京:电子工业出版社,2014:25-27.
A general automatic test system of digital T/R module
TONG Ying-fei1, WU Xiao-qiang2, SONG Yun1, XIAO Su-fei1
(1.No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153;2.Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)
Abstract:A general automatic test system of the digital T/R module is introduced. According to different test requirements of the T/R module, the corresponding test methods are flexibly developed with the program-controlled measuring instruments configured appropriately. The communication between the PC and the programmable instruments is realized through the communication and LAN interfaces with the PCIe waveform control and data collection PCB to obtain the test data of the unit under test. Finally, the data processing is performed and the test reports are formed.
Keywords:phased array radar; automatic test; software platform; T/R module; programmable instrument
中图分类号:TP311.52
文献标志码:A
文章编号:1009-0401(2016)01-0064-05
作者简介:童颜飞(1989-),男,工程师,硕士,研究方向:软件工程、自动化仪器仪表;吴小强(1971-),男,工程师,研究方向:雷达总体技术;宋云(1968-),女,高级工程师,研究方向:计量测试及其管理;肖苏飞(1989-),男,助理工程师,硕士,研究方向:软件工程化、自动化仪器仪表。
收稿日期:2015-12-11;修回日期:2016-01-05