某型机载通信对抗设备自动测试系统设计与实现

张 强，黄家成，赵文俊，陶 祁

(航空机务士官学校 航空电子工程系，河南 信阳 464000)

机载通信对抗设备是我军网电一体和战役信息攻击的核心装备，其通过侦察、干扰等手段，造成敌方通信中断、指挥控制混乱，从而掩护航空兵空中突防作战，极大地提高了我军电子战能力和支援保障能力[1]。机载通信对抗设备具有工作频率范围宽、信号样式复杂、航空总线类型多和LRU(Line Replaceable Unit)数量多等特点，其测试过程涉及矢量信号调制、接口通信技术、数据采集、信号处理、时域分析、频域分析、数据域分析、存储等多种技术。如果采用人工测试的方法，存在测试速度慢、测量精度差、测试诊断困难、综合保障效费比低、对测试人员素质要求高等问题。因此，迫切需要一种集成度高、通用性好的自动测试系统，以满足不同类型通信对抗设备的测试需求。

随着自动测试技术的不断进步，自动测试系统在多个领域都发展迅猛，但基于该系统的开发成本及后期维护的考虑，它的发展还是受到了很大的制约[2]。在军用领域，测试仪器的更新换代往往比被测设备要快，而测试仪器的更换会导致ATS(Automatic Test System,自动测试系统)的不兼容和TPS(Test Program Set,测试程序集)的失效，主要原因是测试仪器的驱动各不相同，测试程序的编写又涉及到仪器控制。另一方面，在软件开发时，依然存在TPS可移植性差和仪器互换性弱的问题，其根源在自动测试系统软件平台的面向仪器特征。基于以上原因，自动测试系统的通用化进程势在必行[3]。目前，发达国家对自动测试系统的研究已获得很大的成就。在军用领域，如美国马丁公司研制的RTCASS系统(用于航空电子设备的测试)、法国研制的SESAR3000系统(用于三军通用测试)、美国休斯公司研制的CTS系统(用于制导导弹的测试)。这些通用测试系统基本采用以下软件平台：① 美国 NI公司的TestStand 软件；② 美国航空无线电公司的SMART软件；③ 美国TYX公司的PAWS开发环境[4]。国内对自动测试系统的研究起步晚，资金投入也不如发达国家，因此已有较大差距。随着国家对自动测试的不断重视，军方、科研单位、高校及民营公司纷纷加入自动测试系统的研究队伍当中，也取得了一些成果，如北京联合信标测试技术公司研制的GPTS软件。但我国还未提出针对自动测试领域的自主标准，各单位对测试通用化的理解也各不相同，因此在短时间内，我国的自动测试系统研制还无法满足通用性要求[5]。

本文在分析当前国内外自动测试领域最新技术发展现状基础上，采用“PXI/GPIB总线规范+模块化硬件+软件开发平台”系统架构，实现了在硬件层面的通用化；在软件开发方面，采用北京联合信标测试技术公司最新研制的GPTS3.1作为软件开发平台。GPTS3.1软件采用ATML标准定义测试资源的层次结构，并以规范性的格式描述保存，解决TPS的可移植性问题，从而使TPS的开发不再针对具体仪器；采用STD总线标准定义了通用信号描述结构，实现了仪器能力的通用化。本文设计的基于PXI仪器、GPIB仪器的硬件平台和面向信号的软件平台搭建方案，可为自动测试系统的通用化研究提供一定的参考，具有较大的实用价值。

1 系统组成

机载通信对抗设备自动测试系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统由6个便携式贯通型机箱组合而成的ATE(Automatic Test Equipment,自动测试设备)和6个接口适配器(Test Unit Adapter,TUA)(5个测试适配器、1个校验适配器)以及相关测试电缆、附件、夹具等组成。系统测试资源被合理地集成在6个独立的机箱内，6个机箱之间通过同轴电缆、低频信号电缆和有关通信数据总线进行连接。自动测试系统外形实物如图1所示，结构组成框图如图2所示。

图1 机载通信对抗设备自动测试系统外形图

图2 机载通信对抗设备自动测试系统结构框图

自动测试系统为各型UUT(Unit Under Test,被测装置)建立通电工作环境，提供测试必须的电源、控制信号、激励信号和检测信号等测试资源。计算机系统通过测试软件对测试资源进行控制，利用适配器这个桥梁，实现对UUT的功能检查、性能测试和故障诊断。系统还具有告警和保护功能，在UUT测试过程中对系统运行进行监控，当UUT由于外部或内部原因工作异常或发生故障时，自动终止测试，并以声、光等形式向操作人员告警，并在操作软件上给出故障提示和操作引导[6]。

2 系统硬件设计

硬件系统主要由PXI仪器、GPIB仪器以及其他总线仪器设备、通用标准测试接口、测控计算机系统、电源系统、监控电路、测试电缆以及6个适配器等组成，其组成如图3所示。

图3 机载通信对抗设备自动测试系统硬件组成原理图

2.1 测控计算机系统

测控计算机系统是硬件平台的控制核心，通过存储在计算机中的测试程序，对系统测试资源和测试过程实施控制(如施加测试激励信号、回收测试响应、故障诊断和隔离等)，进行数据处理和记录，并提供交互式的人机对话接口[7]。考虑到系统的扩展性和资源的优化配置，选用研华公司的ACP-4320型工控机作为测试系统的主控计算机，该计算机同时作为PXI仪器的外置式控制器，通过PXI-PCI8331 MXI-4 Kit组件对PXI仪器进行管理和控制。测控计算机系统由计算机主机、KVM切换器和打印机等外围设备组成。计算机主机通过PCI接口内置了多口网卡、USB扩展卡、多功能卡、PXI总线卡和GPIB总线控制卡等。

2.2 PXI模块仪器和GPIB台式仪器

因被测设备具有种类多、信号样式复杂、频率范围宽、总线数量多等特点，若只选用PXI模块仪器组建系统，不仅PXI模块仪器的性价比远没有GPIB台式仪器高，而且在射频范围内PXI仪器的测量功能、测量精度和频率范围达不到指标要求。因此，把硬件平台设计成PXI模块仪器、GPIB台式仪器相结合的混合系统。

在选用PXI模块仪器和GPIB台式仪器时，除满足被测设备测试需求外，还应满足下列基本要求：① 满足PXI测试总线规范和PXIplug&play的要求；② 可靠性高；③ 良好的性能价格比[8]。按以上要求优选的PXI总线仪器和GPIB总线仪器，分别如表1、表2所示。

表1 PXI总线仪器

表2 GPIB总线仪器

这些测试仪器从功能上分主要有激励源、信号采集仪器和开关类仪器。激励源主要用于向被测试对象施加测试激励信号，激励信号可以是时域、频域和调制域信号，主要包括各种直流电源、函数信号、差分开关类信号和复合调制射频信号等；信号采集仪器主要用于测试UUT输出的响应信号，采集的信号频率范围从直流到63.5 GHz，主要包括数字多用表、矢量网络分析仪、频谱分析仪、光功率计、直流电源监视和交流电源监视等；开关类仪器以PXI仪器为主，包括矩阵开关、微波开关、多路器和通用继电器开关，用于测量通道的构建，施加激励控制和电源控制等。

2.3 适配器

适配器是测试系统与UUT连接的桥梁，主要完成开关量的电平适配、模拟量的电平比较、响应信号与测试资源的桥连、射频信号走向的引导与控制、UUT电源供给等功能，以满足检测系统接口的电气特性需求[9]。目前，机载通信对抗设备包含5个子系统，由70多个LRU组成。在设计适配器时，在分析LRU的功能、工作波段、所需测试资源、所属子系统等因素的基础上，将适配器分为侦察、干扰1、干扰2、干扰3、天选天共等5个适配器。为了方便测试系统进行计量，以保证系统测量精度，又设计了计量适配器。适配器通过ICA和ITA接口与测试系统进行连接，ICA和ITA接口分别为测试资源的输入输出接口和被测设备适配器接口[10]。下面以干扰子系统适配器为例进行介绍。

干扰子系统适配器由激励信号调理电路、测量信号调理电路、通道选择电路、总线电路和功分器等组成。其组成如图4所示。

图4 干扰子系统适配器基本组成框图

① 激励信号调理电路：用于将ATE产生的激励信号调整到符合被测设备接收的要求范围内，主要包括电源滤波电路、阻抗变换、幅值调理、射频信号通道切换等电路。

② 信号测量调理电路：用于将UUT设备输出的测信号进行合适的调理，调整到PXI仪器测量量程内，主要包括负载模拟、幅值调理、射频信号通道切换等电路。

③ 通道选择电路：按指令从多个测量通道中选择需要测量的通道接到智能仪器的测量端。

④ 总线电路：用于将ATE产生自身的各种总线与UUT的总线接口进行连接，用于控制各个UUT设备的工作状态。对于干扰子系统，总线电路主要是RS232总线和RS422总线。

⑤ 功分器：功分器为一分十四功分器，用于将ATE系统内信号发生器输出的信号进行功率分配，主要用来测试波束控制器、发射机控制器、天线选择器、幅相处理器、功率合成器等设备的相关参数(插损、驻波比)。

⑥ UUT识别电路：由于被测对象数量较多，为了防止接错UUT,在适配器内部设计有UUT识别电路，对各UUT所对应的适配器进行识别，检查测试系统上所挂接的适配器是否正确；再对连接电缆进行识别，检查连接电缆与UUT是否正确；连接电缆检测通过后，对测试章节进行选择并开始测试。

3 系统软件设计

3.1 软件平台

软件系统主要由测试程序开发环境、测试程序运行环境、测试程序集(TPS)、仪器驱动和数据库等组成[11]。测试程序实现被测对象的功能、性能和故障隔离测试，1个被测对象(LRU)对应1个TP。软件组成框图如图5所示。

图5 软件系统组成框图

软件开发平台由通用集成测试软件平台(GPTS3.1)、LabWindows CVI 9.0和Microsoft SQL Server 2000 后台数据库组成。GPTS3.1提供测试程序的开发环境和运行环境，在GPTS3.1软件平台上使用ATLAS语言编译器编写各型UUT的维护程序；SQL Server 2000 主要用于存储各型UUT测试结果数据,两者间通过Windows操作系统提供的ODBC接口进行数据的交换[12]。LabWindows CVI 9.0用于编写人机交互界面，生成动态链接函数，GPTS通过动态链接调用人机交互界面。

GPTS3.1软件平台采用类ATLAS语言技术研制的测试程序软件平台，采用标准ATLAS716，满足标准ATLAS716-1995语法的任何测试程序都能在GPTS上编译，信号库开放，可由用户任意扩充。底层驱动同时支持IVI-COM和IVI-C，完全开放的底层驱动程序接口及系统连线表,具有良好的系统无关性和仪器驱动互换性，测试信号通过配置文件进行配置，测试程序开发时只需关心测试信号，而与测量仪器无关[13]，用户可以完全自主地集成测试系统。GPTS3.1软件平台系统组成如图6所示。

图6 GPTS3.1软件平台系统组成框图

在测试程序开发环境中进行，为每一个UUT开发对应的测试程序，多个开发人员可以在多台计算机上并行脱机仿真调试测试程序，仿真调试完成后，再进行系统连接调试测试程序，最后，编译生成对应的dll文件，它与适配器连线表、安装文件及测试程序说明文档并称为TPS。开发人员将其制作的TPS软件包发布给最终用户，并由最终用户使用测试程序管理模块安装到运行环境中。这种测试程序结构确保了系统的开放性，即用户可以不断地在一个系统上开发新的测试程序来扩展系统的功能。

3.2 测试程序设计

机载通信对抗设备测试流程如图7所示，将TPS按6个适配器进行分类，每个适配器对应若干个被测组件，每1个组件的TP又分为若干个章节，章节的划分是根据被测组件的测试项目数来确定。

图7 测试流程图

启动运行环境后，首先选择测试对象(UUT)，软件对该UUT所对应的适配器进行识别，检查自动测试系统所挂接的适配器是否正确，再对连接电缆进行检查。连接电缆检测通过后，对测试章节进行选择并开始测试，在测试程序控制模块的控制下，对系统连线表、适配器连线表、虚拟资源分配表进行查询；在访问控制组件的控制下，调IVI驱动、进一步调下一层VISA驱动，完成对仪器的操控，将数据在C环境处理后，得到测试结果。如果测试正常进则将测试结果入库保存或生成报表打印，否则进入诊断测试子程序以诊断故障或进入故障隔离子程序以隔离故障。诊断测试子程序测试性建模诊断软件生成，通过诊断执行器执行，执行结果一方面生成故障诊断报告提供给用户，另一方面送入知识库，进一步丰富知识库的内容，完成知识的积累。

4 实验结果与分析

针对机载通信对抗设备的测试需求，自动测试系统必须满足以下要求：① UUT数量较多，地面维护人员掌握所有被测件的工作原理有一定困难，所以对系统的自动化程度要求较高；② 除了正常对UUT主要技、战术指标进行测试外，系统还要具有故障诊断和故障隔离功能；③ 为了保证测试结果的精度，需要定期对自动测试系统进行计量[14]。

机载通信对抗设备测试系统根据使用人员的要求，对软件操作界面进行改进，使人机交互界面操作简便，降低对用户的技术要求[15]。系统运行界面如图8～图11所示，当用户选择完测试对象后，系统会自动出现电缆连接提示，用户只需按照提示进行操作即可。开始测试前会进行适配器、连接电缆和UUT识别，以防止人为差错。

图8 UUT选择软件界面

图9 电缆连接提示界面

图10 测试章节(项目)选择对话框

图11 测试结果输出界面

在整个测试过程中，维护人员只需要通过适配器和电缆将UUT与系统进行连接，系统会通过软件控制自动完成UUT的识别和性能测试，从而极大地降低对维护人员的技术要求。

测试系统平台软件还具有故障诊断和隔离功能，可将外场可更换单元(LRU)的故障隔离到内场可更换单元(SRU)，将可测试的SRU故障隔离到电路单元或元器件。稳定故障检出率95%；故障隔离到1个SRU的准确率≥80%；故障隔离到2个SRU的准确率≥90%；故障隔离到3个SRU的准确率≥96%。

为了方便测试系统进行计量，以保证系统测量精度，设计有专用计量适配器，在软件内部设置有“ATE维护”节点，单击“ATE维护”左侧的“+”号，可展开对应的二级节点，即：“计量辅助”和“系统自检”。双击“计量辅助”会启动计量程序，在外部计量设备的配合下，对系统内所包含的GPIB台式仪器和PXI模块化仪器进行计量；双击“系统自检”会启动自检程序，在程序的控制下，自动完成对系统内所有的硬件测试资源的自检，并输出自检结果。“计量辅助”的相关信息如图12所示。

图12 “计量辅助”信息界面

目前，机载通信对抗设备自动测试系统已在多个航空兵部队使用，可完成70多个型号LRU的功耗、发射功率、频率误差、插入损耗、驻波比、灵敏度等9类36个指标参数的测量，涵盖了机载通信对抗设备的主要技、战技术指标。自动测试系统在3年的使用时间内，共完成560多台次LRU的通电检查和性能检测。通过对机载通信电台的通电检查和性能检测，共发现指标不合格组件61件，故障组件24件，有效保障了机载通信对抗系统的正常使用。

使用结果表明，自动测试系统能够对机载通信对抗系统中各子系统的LRU实现功能检查、性能测试、故障检测与隔离等功能，能将故障隔离到SRU，解决了新机装备的各型LRU功能检验、性能检测与评估、排故与维修等综合保障问题，为部队开展视情检查、定检、故障检修等维护工作提供一个通用的综合测试平台，极大地提高了部队地面综合保障能力。

5 结束语

机载通信对抗设备自动测试系统采用先进的ATS设计理念，综合运用虚拟仪器、人工智能、面向信号设计等多种技术，以工业控制计算机为核心，以PXI仪器、GPIB台式仪器为主体，以多种总线为纽带，构建了一种技术先进、可靠性高、通用性好、便于计量、操作简便、可扩展性强的综合化自动测试系统。

自动测试系统具有标准化、模块化、通用化的结构和丰富的系统资源，其不仅适用于机载通信对抗设备的检测，通过增加相应的适配器和TPS，也适用于其他机载电子设备的检测，保障覆盖范围极大地增加。因此，本文设计的机载通信对抗设备自动测试系统具有良好的推广应用前景，必将产生明显的军事和经济效益。