批生产卫星的桌面电接口快速自动化测试系统设计

李 光，潘晓彤，汪 灏，曹彩霞，龚文斌，刘会杰

(1.上海微小卫星工程中心，上海 201210；2.中科院微小卫星创新研究院，上海 201210)

0 引言

目前，各国对太空资源的竞争越来越激烈，各国争相开展规模庞大的卫星星座建设计划，SpaceX公司更是提出了包含4.2万颗卫星的低轨通信星座[1-3]。我国也开展了遥测、导航、通信卫星星座的建设。随着卫星星座的规模越来越大，对卫星研制周期的要求越来越短，对卫星自动化测试的要求也越来越高[4-6]。

在卫星型号研制过程中，对星上所有设备进行桌面电性能联接调试是必不可少的步骤[7]。桌面接口测试是卫星测试的重要环节之一，它决定了各单机的电性能是否符合设计及相互之间的电接口是否匹配，只有桌面接口测试验证合格的单机才可以跟随整星完成后续AIT测试。桌面电接口测试的测试项目包括：单机的供电电压测试、功率测试、浪涌测试、纹波测试等。

传统的桌面电接口测试是通过“三通”电缆将待测的电接口信号传输至示波器、万用表等测试仪器，然后由测试人员进行测试仪器的操作完成测试数据的读取。这种方法存在着以下问题：1)各环节均需人工进行线缆的插拔，存在安全隐患；2)测试无法自动化、效率低下；3)测试标准不统一，数据一致性差。因此，传统的桌面电接口测试方法无法适应批生产卫星的桌面电接口测试对自动化、批量化、标准化的测试要求，亟需开展面向批生产卫星的桌面电接口自动化测试系统的研究。

1 系统总体设计

本研究的目的是建立一套桌面电接口测试的系统，可以自动化地完成批生产卫星的桌面电接口测试任务，克服传统的电接口测试存在的问题。

在进行桌面电接口测试系统总体设计时，需要考虑并且遵循以下原则：

1)具备自动化测试能力：桌面电接口自动化测试系统需要具备全自动化测试能力，系统连接完成后不需要人工手动配合即可完成全部的桌面电接口测试内容，避免测试过程中线缆的反复插拔所带来的安全隐患和效率低下。

2)具备数据自主分析能力：桌面电接口自动化测试系统需要具备数据的自主分析能力，可根据测试用例的要求完成待测指标的测量，数据的测量分析要具备统一的标准和可重复性。同时，控制分析软件对于超差数据具备自主告警能力。

3)具备模块化集成能力:桌面电接口的自动化测试是卫星整星自动化测试系统的重要一环。在没有完备的整星自动化测试系统时，该环节的自动化测试可以在一定程度上提高卫星的测试效率，同时为整星的自动化测试提供一定的参考和借鉴。因此，桌面电接口自动化测试系统在设计时就需要具备模块化的能力，方便后续集成进整星的自动化测试系统中。比如，在系统设计时，采用网口的控制模式，数据采集系统预留外部同步接口，控制分析软件预留外部指令接口并且可配置成DLL形式的动态链接库或者软件函数供整星的自动化测试软件调用。

2 系统方案设计

针对具备自动化测试能力、具备数据自主分析能力、具备模块化集成能力的要求，对批生产卫星的桌面电接口自动化测试系统进行了详细的方案设计。

桌面电接口自动化测试系统由程控接线盒、数据采集系统、控制分析软件组成。程控接线盒可根据指令完成被测节点的选通功能。数据采集系统完成被测信号的模数转换和数据存储。控制分析软件可根据被测项目完成采集数据的分析处理、超差数据告警、自动报告生成等。

控制分析软件运行在NI的工控机中，通过人机交互界面接收用户的指令，通过PCIe与数据采集系统进行数据交互，通过网口对程控接线盒进行指令控制。桌面电接口自动化测试系统的组成如图1所示。

图1 电接口自动化测试系统组成框图

2.1 程控接线盒设计

程控接线盒设计是桌面电接口自动化测试系统完成自动化测试的重要环节之一，程控接线盒设计的好坏直接关系到桌面电接口自动化的程度。

程控接线盒需同时具备两个功能：1)具备信号与被测单机直通的功能，完成被测单机的供电、422信号传输等；2)程控接线盒具备将待测的节点选通到数据采集系统的能力，节点的选通可通过远程指令进行控制。

由于一颗卫星的接线盒的可能包含几十个不同类型的接插件(根据卫星的设计不同而不同)，同时每个接插件所包含的节点数量不同，因此满足一颗卫星测试的程控接线盒中的接插件的总点位数可能达到上千个。然而，为了避免测试过程中需要手动的插拔操作，保证测试节点选通的自动化原则，每个接插件的每个节点均需要通过多路选择开关与被测节点的总线进行连接。因此接线盒的矩阵开关设计将非常庞大和复杂。

考虑到接线盒的小型化及电接口测试的项目的需求，为避免复杂的接线，待测接口仅保留3个，3路中两路进行电压的测量，1路进行电流的测量。同时，采用PCB板进行接线盒线缆的连接和多路开关的控制，达到设备小型化和易控制的目的。

程控接线盒如图2所示，其由主接插件、备接插件、被测接口组成。主接插件和副接插件是同类型的接插件。主副接插件之间通过单路通断开关连接PCB上的导线进行连接，主接插件通过PCB上的导线与多路选择开关进行连接，然后多路选择开关通过PCB上的导线与分别与被测接口1、2、3的总线进行连接。为了保证信号传输时序的一致性，对应的主、副接插件之间在PCB板上的直通导线的长度要尽量一致。

图2 程控接线盒示意图

为了方便进行电流的测量，设计中采用霍尔电流测量器件，通过电磁感应对电流进行测量。在进行电流测量测量时，将主副接插件之间的选通开关断开，主接插件的开关选择3号口，同时将3号总线的对应点位的开关与副接插件进行连通。该种方式可以无感进行单机的稳态电流、浪涌电流等的测量。

2.2 数据采集系统设计

数据采集系统的主要作用是将电压或者电流等模拟量测量信号，经过信号采集和A/D变换后，转换成数字信号并将数据送入上位机。数据采集系统在设计中采用市场上成熟的基于 PXI 总线通信协议的数据采集板卡实现测量数据的采集[8-9]。PXI 是 PCI 在仪器领域的扩展，它将 Compact PCI 规范定义的 PCI 总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器(VI)体系结构。以 PXI 总线和 VI 技术为基础，可组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统，大大降低了整个系统的体积、重量。同时， PXI硬件是基于标准PC技术，如PCI总线以及标准的CPU和外设，用户就可以使用熟悉的标准Windows软件架构，以节约时间和成本[10-11]。

经过产品的选型和对比分析，拟采用NI公司的PXIe-5162采集板卡完成桌面电接口自动化测试系统的数据采集功能。PXIe-5162高速采集板卡设备具有4个通道，采样速率高达5 GS/s，采样位数可达到10 bit，可满足高速、灵敏的浪涌电流等的测量需求。同时，该板卡提供灵活的耦合、电压范围和滤波设置，满足卫星电压信号测量要求。此外，PXIe-5164采集板卡还具有多个触发模式、高容量板载内存和一个包含数据流和分析功能的仪器驱动程序，还具有用户可编程FPGA以及PXI同步和数据流传输功能，满足外部触发测量及数据实时传输的需求。

图3 数据采集系统组成框图

数据采集系统的组成如图3所示，包括信号适调、滤波、放大、A/D变换、FPGA、PCIe总线等组成。数据采集系统工作原理：待采样的模拟信号通过信号调理电路后, 经放大器放大、滤波后, 由 A/D 转换器将模拟信号转换为数字信后送入FPGA。FPGA 将处理后的数据存入在 FPGA 内部开辟的 FIFO 缓存里，通过 PICe总线快速地将数据传送到工控机端。其中，在进行数据传输时，FPGA将接收到的数据以乒乓方式将交替存于两片SRAM中，以保证采集和传输速率的匹配性。

系统开始工作前，要先进行系统的初始化操作。工控机通过总线向数据采集系统发送初始化的命令和参数。数据采集系统根据初始化的命令和参数的要求，通过FPGA 对系统进行配置,包括参数设置、状态监控、采集控制、数据转存、数据传输方式等。这些命令通过 PI 硬核传给 FPGA, 然后 FPGA 通过内置程序把命令传给各个芯片实现主机命令功能。

FPGA的设计数据采集系统的设计核心，主要由控制模块、A/D模块、时钟模块、PCIe模块等组成。控制的主要作用是解析控制协议，控制设备的运行状态，包括：系统启动 / 停止数据采集、授时等。时钟模块。A/D模块主要是负责与 A/D 芯片进行通信，控制 A/D 转换的进程并读取转换结果，同时将结果的记录时间组帧后发送到缓存区。时钟模块的主要作用是进行整个数据采集系统的时序控制，并将时间信息提供给A/D模。PCIe 模块实现了 PCIe 总线的物理层、数据链路层、配置管理层的协议，完成PCIe总线相关的传输任务。

2.3 控制分析软件设计

控制分析软件分为与用户交互及整个系统控制的控制软件部分，和进行测量数据分析的数据分析部分。控制分析软件运行在NI的工控机中，通过人机交互界面接收用户的指令，通过PCIe与数据采集系统进行数据交互，通过网口对程控接线盒进行指令控制。

控制软件接收用户的测试用例，根据测试用例的测试项目和测试顺序进行测试的控制。首先，控制软件根据测试项目自动生成测试报告模板，并将测试项目的类型发送数据分析软件；其次，根据测试节点给程控接线盒发送指令进行选通控制，并获取该次测试时间段内数据采集系统采集的测量数据交给数据分析软件；然后，数据分析软件根据测试项目的要求进行数据分析，并将测量结果交给控制软件，由控制软件写入到测试报告中。控制软件的测试控制流程如图4所示。

图4 控制软件的测试控制流程

控制分析软件从数据采集系统获取测量数据，并对测量数据进行分析。电接口测试中的测量项目主要包括：供电电压测量、功率测量、浪涌电压和浪涌电流测量、总线电接口测量等,其中功率测量是通过供电电压测量和电流测量结果的乘积获得。在控制分析软件进行数据测量和分析时，首先根据测试项目设定分析类型和合格判据，然后根据分析类型进行信号的边沿上升时间、脉冲宽度、信号电压等的测量，最后将测量结果输出至测试报告并给出符合性判断。

3 关键技术

3.1 复杂开关网络控制技术

程控接线盒的自动化设计是整个桌面电接口测试系统自动化设计的关键。因为卫星包含多种接插件和节点数量类型，一个程控接线盒里面可能要包换上千个开关。如何确保复杂开关网络进行开关切换时的正确性，是进行桌面电接口自动化测试系统设计时需要重点考虑的问题。需根据整星测试实际情况，通过合理的时序控制并进行开关切换的互斥操作，以保证整星测试的安全。

3.2 数据分析挖掘技术

完成数据采集后，如何根据测试项目进行采集数据的分析挖掘，完成波形测量，是自动化数据分析的关键。其中，数据分析挖掘的重点是波形搜索。随着示波器指标的不断提高，样点记录长度也在逐渐增大，因此想要在巨大的信息量中去定位用户感兴趣的事件就会变得非常困难，这些事件可能会隐藏在记录的某个地方[12]。系统根据测试项目设定搜索类型以及相应的搜索条件，搜索条件会根据搜索类型的不同而不同，大多数情况下包括信号源、阈值电平、极性、时间等的选择。然后根据测试项目不同对搜索到的波形进行上升沿、峰峰值电压、脉冲宽度等的测量。

4 结束语

桌面电接口测试是目前卫星测试中自动化程度较低、安全隐患较多的测试环节，严重影响卫星的测试效率和安全，不符合批生产卫星的高效自动化测试要求。本文提出了一种桌面电接口自动化测试方法和系统，该系统利用具备开关选通控制功能的程控接线盒进行电接口信号选通控制，利用NI的采集板卡完成信号的模数转换、采集和存储，利用控制分析软件完成待测信号的电压、功率、浪涌、纹波等的测量、分析及自动测试报告的生成。该方法具有的技术优势如下：

1)测试更安全。通过软件远程控制程控接线盒的选通，可以避免测试过程中的线缆插拔等操作引起的安全隐患；

2)测试效率高。根据测试用例可自动进行测试，而且具备自动数据分析、自动生成报告的能力。

3)扩展能力强。系统设计时，采用网口的控制模式对程控线路盒进行控制，不受空间限制，方便灵活。同时，数据采集系统预留外部同步接口，控制分析软件预留外部指令接口并且可配置成DLL形式的动态链接库，可方便后续作为一个模块集成在整星的自动化测试系统中。

桌面电接口自动化测试方法和系统可以避免测试过程中的线缆插拔等操作，而且具备自动数据分析、自动生成报告的能力，同时可完成多颗星的并行测量，可大幅提升桌面电接口的测试效率，具有较强的应用和推广价值。