鄭宏斌

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

微波超寬帶多通道接收組件為微波接收系統(tǒng)功能模塊，該接收組件具有待測指標(biāo)多、測試儀器種類多、測試過程復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理難度大等難點(diǎn)；本文提供了一種高效、靈活、方便、具有通用性的自動測試系統(tǒng)。

1 自動測試系統(tǒng)的需求

根據(jù)組件研發(fā)及生產(chǎn)需求，自動測試系統(tǒng)需實現(xiàn)一鍵化測試，指標(biāo)測試覆蓋率達(dá)到百分之百；測試指標(biāo)包括：頻率參數(shù)、功率參數(shù)、幅度參數(shù)、相位參數(shù)等常規(guī)及特定指標(biāo)，并完成組件工作溫度范圍內(nèi)所有頻點(diǎn)的功率參數(shù)自動補(bǔ)償。

微波超寬帶多通道接收組件自動測試系統(tǒng)需求如下：

（1）自動測試系統(tǒng)測試軟件具有接收組件測試指標(biāo)的參數(shù)設(shè)置輸入、自動測試臺控制、測試過程狀態(tài)監(jiān)測、測試結(jié)果輸出等功能；測試軟件支持遠(yuǎn)程控制和本地控制兩種模式，本地控制模式下可手動測試；

（2）測試儀器包括示波器、信號源、頻譜分析儀、開關(guān)矩陣、功分網(wǎng)絡(luò)、測試臺、溫箱等，所有的測試儀器均為自動測試系統(tǒng)中可控節(jié)點(diǎn)，并且可以實現(xiàn)系統(tǒng)自檢，檢查儀器是否處于正常連接狀態(tài)；

（3）接口連接狀態(tài)檢測功能：組件測試過程中需實時監(jiān)測各接口的連接狀態(tài)，后臺記錄設(shè)置故障判斷的基準(zhǔn)，并輸出至自動測試軟件的場景應(yīng)用層；

（4）自動測試軟件校準(zhǔn)功能：在實際測試中，接收通道測試的激勵信號由信號源輸出經(jīng)適配器后進(jìn)入功分網(wǎng)絡(luò)，適配接口輸出至組件輸入接口，組件輸出后經(jīng)適配器至測試臺的程控開關(guān)矩陣交換輸出后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；通道校準(zhǔn)時從輸入至輸出的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)全部由自動測試軟件完成測試并寫入配置文件，測試過程中可讀取配置文件中的存儲數(shù)據(jù)完成校準(zhǔn)處理；

（5）自適應(yīng)性溫補(bǔ)數(shù)據(jù)寫入：接收組件中數(shù)字單元的溫補(bǔ)數(shù)據(jù)存儲單元需存儲不同頻點(diǎn)、不同溫度狀態(tài)下的功率溫補(bǔ)數(shù)據(jù)；測試完成后，以遠(yuǎn)程控制的方式發(fā)送寫入指令將測試數(shù)據(jù)寫入溫補(bǔ)數(shù)據(jù)的指定地址，整個過程實現(xiàn)了自適應(yīng)性溫補(bǔ)數(shù)據(jù)補(bǔ)償，不需更改控制單元的內(nèi)嵌軟件。

2 自動測試系統(tǒng)功能描述

自動測試系統(tǒng)由硬件平臺和測試軟件組成；硬件平臺包括測試儀器設(shè)備和自制測試臺等部分，測試臺實現(xiàn)與自動測試軟件的通信、組件和儀器的轉(zhuǎn)接互連；測試軟件完成儀器的控制和數(shù)據(jù)讀取，具有接收組件測試指標(biāo)的參數(shù)設(shè)置輸入、自動測試臺控制、測試過程狀態(tài)監(jiān)測、測試結(jié)果輸出等功能；自動測試系統(tǒng)在人工完成組件控制線纜、射頻線纜和測試儀器、設(shè)備的連接后，實現(xiàn)各組成部分的交互，啟動測試軟件完成組件參數(shù)的一鍵化自動測試。

測試軟件為自動測試系統(tǒng)的核心，測試軟件實現(xiàn)測試儀器、測試臺、組件之間的交互、同步管理，使得軟件和硬件各部分協(xié)作應(yīng)用，最終實現(xiàn)組件的自動測試。

3 硬件平臺設(shè)計

3.1 硬件平臺組成

硬件平臺包括計算機(jī)平臺、測試儀器設(shè)備和測試臺三部分；測試儀器包括示波器、信號源、頻譜分析儀、開關(guān)矩陣、功分網(wǎng)絡(luò)、測試臺、溫箱等，儀器接口為GPIB、USB、LNA 等類型；各部分之間的互連設(shè)計如下：

（1）計算機(jī)和測試儀器設(shè)備以GPIB 及LNA 總線方式相連接，實現(xiàn)計算機(jī)發(fā)送SCPI 指令對儀器設(shè)備的控制；

（2）計算機(jī)和測試臺通過LNA 及串口相連，實現(xiàn)計算機(jī)對測試臺的遠(yuǎn)程通信控制；

（3）儀器和測試臺連接，并完成儀器和待測組件之間的射頻接口互連轉(zhuǎn)換；

（4）待測組件和測試臺以技術(shù)協(xié)議所制定的接口完成連接；自動測試系統(tǒng)組成見圖1。

圖1： 自動測試系統(tǒng)組成

自動測試系統(tǒng)硬件組成中測試臺為自主研發(fā)的設(shè)備，測試臺完成儀器和組件之間的射頻接口轉(zhuǎn)換，解決了測試過程中組件輸入/輸出端口在各儀器之間手動切換的弊端，同時完成組件的電源管理及數(shù)字接口通信管理；測試臺為上架式機(jī)箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包括AC-DC 電源、數(shù)字信號處理單元、狀態(tài)檢測單元、組件電信號及控制信號輸入/輸出接口、射頻信號鏈路切換輸入/輸出接口等功能模塊；測試臺系統(tǒng)組成見圖2。

圖2： 測試臺系統(tǒng)組成

測試臺所包括的AC-DC、數(shù)字信號處理單元、狀態(tài)檢測單元、射頻鏈路處理單元及信號輸入/輸出端口等功能模塊的內(nèi)容如下所述。

（1）AC-DC 電源：外接交流220V，直流輸出測試臺內(nèi)各功能模塊所需的工作電源和組件所需的多路工作電源，內(nèi)部模塊工作電源和組件工作電源物理隔離后輸出，組件工作電源經(jīng)過狀態(tài)檢測單元后輸出連接至組件電信號接口；

（2）數(shù)字信號處理單元：為測試臺的核心部分，控制單元ARM 通過LNA 接口接收自動測試軟件的遠(yuǎn)程控制指令并解析，完成組件電信號上電/斷電時序控制、組件控制信號時序的發(fā)送、射頻鏈路選擇切換、測試狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果上報等，組件控制時序信號輸出至組件控制信號接口；控制單元ARM 的內(nèi)嵌軟件功能模塊包括自動測試軟件數(shù)據(jù)幀接收/發(fā)送、接收數(shù)據(jù)處理、發(fā)送數(shù)據(jù)處理、組件控制信號產(chǎn)生、實時狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示、本地控制/遠(yuǎn)程控制功能模塊、射頻鏈路單元切換控制、狀態(tài)檢測單元的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送和狀態(tài)處理等子功能模塊；

（3）狀態(tài)檢測單元：完成組件每路工作電源的正常輸出、電流狀態(tài)檢測、組件的射頻狀態(tài)檢測；電信號經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)換輸出后接頭直接和組件對應(yīng)互連，避免了組件手動上電時序容易出錯的問題；控制單元MCU 的內(nèi)嵌軟件功能模塊包括與數(shù)字信號處理單元的數(shù)據(jù)收發(fā)、AC-DC 電源輸出狀態(tài)的檢測和控制、溫度采樣、A/D 采樣輸出、D/A 控制輸出及特定信號的產(chǎn)生和輸出；

（4）射頻鏈路處理單元：主要包括開關(guān)矩陣、功分網(wǎng)絡(luò)、頻率源等；面板的射頻接頭輸入端和測試儀器相連，輸出端經(jīng)過測試臺內(nèi)部射頻鏈路轉(zhuǎn)換后輸出端口和組件直接互連，解決了測試過程中組件線纜在不同儀器之間手動切換連接的難點(diǎn)；測試過程中信號處理單元控制開關(guān)矩陣切換，實現(xiàn)組件的不同輸入/輸出端口切換到不同的儀器鏈路，從而實現(xiàn)自動測試過程中遠(yuǎn)程控制切換提高測試效率；

（5）信號輸入/輸出端口：包括測試儀器的輸入/輸出端口、組件電信號輸入/輸出端口和組件控制信號輸入/輸出端口；儀器的輸入/輸出和射頻鏈路處理單元互連，完成測試過程中組件的輸入/輸出在各儀器之間的切換；組件電信號端口為AC-DC 輸出的組件工作電壓經(jīng)過狀態(tài)檢測單元后輸出并和組件工作電源輸入端口相連接；組件控制信號端口為數(shù)字信號處理單元輸出的組件工作時序脈沖信號，和組件控制信號輸入/輸出端口相連接。

3.2 硬件平臺實現(xiàn)

測試臺采用上架式機(jī)箱設(shè)計方式，機(jī)箱前面板包括組件電信號及控制信號接口、射頻鏈路處理輸入/輸出接口、狀態(tài)檢測單元輸入/輸出接口、測試儀器轉(zhuǎn)接輸入/輸出接口等功能接頭、測試狀態(tài)顯示指示燈、調(diào)試接口等；后面板包括交流220V 工作電源供電接口、與計算機(jī)相連的LNA 和串口等通信接口；

硬件平臺儀器通信接口管理設(shè)計采用了GPIB 控制卡和LNA 接口兩種并存的接口方式實現(xiàn)了計算機(jī)和測試儀器的連接功能并組成自動測試系統(tǒng)，使得測試過程更加精確和高效，并實現(xiàn)了一鍵化測試；

數(shù)字信號處理單元通過LNA 接口接收自動測試軟件發(fā)送的控制指令并解析，指令功能包括組件電源上電、斷電、組件頻率控制碼發(fā)送、控制脈沖信號發(fā)送、組件檢測狀態(tài)查詢等；

測試儀器接收自動測試軟件發(fā)送的SCPI 指令，儀器切換至所測試參數(shù)的工作狀態(tài)，完成組件鏈路狀態(tài)的選通；

狀態(tài)檢測單元接收AC-DC 電源輸出的多路工作電壓，并對每路電壓的電流和功耗進(jìn)行狀態(tài)實時檢測，多路電壓可實現(xiàn)依次打開和關(guān)斷控制，狀態(tài)檢測單元同時與信號處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換回報檢測結(jié)果；

射頻鏈路處理單元包括開關(guān)矩陣、網(wǎng)絡(luò)功分等射頻鏈路處理單元模塊，內(nèi)置于測試臺機(jī)箱中，由數(shù)字信號處理單元同步控制，完成組件與儀器設(shè)備互連選通的鏈路切換。

4 測試軟件設(shè)計

自動測試軟件運(yùn)行在主控計算機(jī)上，主要包括以下功能：

（1）完成測試軟件與測試儀器的SCPI 通信協(xié)議交互，讀取儀器的測試數(shù)據(jù)結(jié)果；測試開始時，測試軟件需設(shè)置好儀器的地址，實現(xiàn)PC 機(jī)與各儀器的連接；測試過程中啟動線程，實現(xiàn)組件指標(biāo)的自動測試及測試數(shù)據(jù)上傳功能；

（2）完成測試臺的遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)測試臺對各功能模塊的控制及組件控制指令的發(fā)送、檢測狀態(tài)的接收并處理；

（3）實現(xiàn)組件不同溫度下功率自動補(bǔ)償：控制溫箱，測試得出不同溫度下、不同頻點(diǎn)的功率參數(shù)，運(yùn)算得出功率補(bǔ)償數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后寫入組件的控制單元。

4.1 測試軟件設(shè)計

自動測試系統(tǒng)軟件部分包括用戶層、核心層、驅(qū)動層和設(shè)備層，各層次之間協(xié)作工作，按照時間順序完成自動測試的流程；各部分內(nèi)容如下所述。

（1）用戶層：實現(xiàn)與用戶交互，提供用戶操作界面；包括通信接口設(shè)置、測試參數(shù)配置、測試結(jié)果輸出等內(nèi)容；儀器地址接口、測試配置文件、測試參數(shù)設(shè)置、校準(zhǔn)文件配置及測試狀態(tài)自檢配置等功能；儀器地址、測試參數(shù)、儀器參數(shù)、測試選項、組件信息等內(nèi)容均以可視化窗口頁面輸入、修改、選擇、保存為配置文件的方式存儲，啟動軟件時可自動加載存儲的配置項；

（2）核心層：測試系統(tǒng)及測試程序的運(yùn)行平臺；包括測試程序的主程序和子程序模塊集，實現(xiàn)自動測試軟件線程設(shè)計、調(diào)用和管理，可視化頁面測試配置參數(shù)輸入、保存和讀取，測試狀態(tài)參數(shù)讀取、測試結(jié)果數(shù)據(jù)處理等功能；

（3）驅(qū)動層：實現(xiàn)計算機(jī)測試軟件和測試設(shè)備之間及內(nèi)部功能模塊的信息傳輸；包括硬件驅(qū)動管理和軟件驅(qū)動管理；硬件驅(qū)動管理包括儀器設(shè)備的接口驅(qū)動管理、通信接口管理、SCPI 指令交互；軟件驅(qū)動管理包括自動測試軟件的線程管理和數(shù)據(jù)管理；

（4）設(shè)備層：測試儀器設(shè)備及接口設(shè)備；硬件驅(qū)動管理包括通信管理和設(shè)備管理，通信管理完成測試儀器設(shè)備的通信接口管理，設(shè)備管理完成測試儀器及設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取、狀態(tài)切換等功能；軟件驅(qū)動管理包括線程管理和數(shù)據(jù)管理，線程管理實現(xiàn)測試過程中測試進(jìn)程、功能模塊、測試狀態(tài)的交互，數(shù)據(jù)管理包括測試數(shù)據(jù)及輸出、測試狀態(tài)檢測、配置文件管理等；自動測試系統(tǒng)軟件平臺層級分布見圖3。

圖3： 自動測試系統(tǒng)軟件平臺層級分布

4.2 測試軟件實現(xiàn)

自動測試軟件選擇Microsoft Visual Studio 的C#為開發(fā)環(huán)境，完成可視化、面向?qū)ο蟮淖詣訙y試軟件平臺；

主程序是整個測試系統(tǒng)軟件核心部分,完成測試時從開始測試到測試結(jié)束所有測試步驟的控制，以及與其它子模塊的交互，還包括可視化頁面管理及參數(shù)輸入、輸出顯示等窗體加載，程序運(yùn)行初始化數(shù)據(jù)加載、測試程序中子模塊調(diào)用、線程調(diào)用等功能；測試程序收到主程序的指令后，執(zhí)行子模塊的測試用例，并將測試結(jié)果上報主程序；

通信管理完成儀器、設(shè)備的接口地址初始化、接口地址保存、接口更新、儀器設(shè)備的地址輸入、保存和讀取等功能；設(shè)備管理完成儀器設(shè)備對象構(gòu)造、儀器設(shè)備初始化參數(shù)設(shè)置、加載及保存，測試參數(shù)設(shè)置；各測試儀器通信對象創(chuàng)建、通信對象的打開和關(guān)閉、SCPI 指令函數(shù)集管理；

自動測試過程中，為了防止測試程序假死等狀況出現(xiàn)，軟件設(shè)計多線程模式，包括啟動、暫停、繼續(xù)、結(jié)束等，測試過程中可以完成測試儀器數(shù)據(jù)讀取和測試數(shù)據(jù)顯示同時進(jìn)行且互不影響；線程管理實現(xiàn)了線程創(chuàng)建、線程運(yùn)行、測試進(jìn)程顯示、數(shù)據(jù)顯示更新、測試、數(shù)據(jù)處理、當(dāng)前狀態(tài)顯示等若干流程；

自動測試過程中包括大量的配置文件數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)、溫補(bǔ)數(shù)據(jù)等，軟件設(shè)計采用了配置文件方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：

（1）配置文件數(shù)據(jù)包括儀器通信地址、測試參數(shù)配置、測試預(yù)處理數(shù)據(jù)等，該部分?jǐn)?shù)據(jù)在測試軟件啟動運(yùn)行的時間自動加載，在測試過程中如有更改可對更改結(jié)果進(jìn)行保存處理；

（2）校準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括測試過程中，射頻信號經(jīng)過射頻線纜、功分網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)矩陣等鏈路會對功率參數(shù)進(jìn)行影響，因此在功率參數(shù)測試中校準(zhǔn)是很重要的環(huán)節(jié)；測試軟件設(shè)計中進(jìn)行了單獨(dú)的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)配置文件和軟件自動校準(zhǔn)功能模塊，測試過程中如有線纜、器件等更換可快速完成系統(tǒng)校準(zhǔn)并保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)幅度和相位測試一致性的精確測試；

（3）測試數(shù)據(jù)再顯示前先以配置文件方式存儲后再處理顯示，實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)線程處理實時性及數(shù)據(jù)備份；

（4）自動測試過程中運(yùn)算得出不同環(huán)境溫度下功率補(bǔ)償數(shù)據(jù)并以配置文件存儲，測試完成后將配置文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為組件內(nèi)部控制單元嵌入式程序可寫入的數(shù)據(jù)文件格式并直接寫入，整個過程中無人工操作，避免了人為操作引起的誤差并提高了在線補(bǔ)償?shù)男省?/p>

5 自動測試系統(tǒng)的工作流程

將組件和測試平臺相連，啟動自動測試系統(tǒng)軟件，計算機(jī)發(fā)送控制命令至儀器及測試臺，根據(jù)設(shè)置參數(shù)控制信號源以步進(jìn)變化的方式輸出頻率和功率；從頻譜儀讀取輸出頻點(diǎn)的雜散、諧波、功率等，將讀取結(jié)果以報表的方式實時輸出；從示波器讀取各個通道幅度、相位，將讀取結(jié)果以報表的方式實時輸出；功分網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)存儲數(shù)據(jù)在自動測試過程中調(diào)用相應(yīng)文件；功率衰減溫度補(bǔ)償在測試過程中進(jìn)行實時采樣及函數(shù)擬合處理，不同工作頻點(diǎn)、不同溫度狀態(tài)下的溫補(bǔ)參數(shù)完成實數(shù)據(jù)處理后寫入配置文件，組件中的控制單元調(diào)用配置文件數(shù)據(jù)生成下載文件并自動寫入。

微波超寬帶多通道接收組件指標(biāo)自動測試工作流程具體如下：

（1）完成射頻線纜、網(wǎng)絡(luò)功分、開關(guān)矩陣等鏈路的校準(zhǔn)，保存為相應(yīng)的配置文件；該步驟可在更換鏈路后完成一次校準(zhǔn)保存即可，為了確保測試精度也可以在系統(tǒng)運(yùn)行相應(yīng)的測試周期后進(jìn)行校準(zhǔn)，保存的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)配置文件保存后供自動測試過程中調(diào)用；

（2）將接收組件模塊置入測試夾具，連接控制接口數(shù)據(jù)線、射頻測試線纜、電源接口線纜等，啟動自動測試系統(tǒng)軟件程序，測試程序默認(rèn)為自動測試狀態(tài)；

（3）啟動設(shè)備、儀器硬件驅(qū)動管理，檢測示波器、信號源、頻譜儀、開關(guān)矩陣、功分網(wǎng)絡(luò)、測試臺、溫箱等控制狀態(tài)是否正常；完成測試儀器硬件驅(qū)動管理及初始化狀態(tài)設(shè)置；

（4）選擇測試組件型號，測試程序自動加載、調(diào)用已校準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件和存儲參數(shù)狀態(tài)自動完成可配置參數(shù)選擇性設(shè)置、可重構(gòu)配置文件參數(shù)設(shè)置及自動測試軟件自校準(zhǔn)；運(yùn)行自動測試軟件主程序，軟件平臺主程序完成對線程管理模塊、功能處理模塊、參數(shù)讀取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊的初始化，完成測試平臺軟件驅(qū)動管理；自動測試軟件系統(tǒng)線程管理啟動，進(jìn)行各指標(biāo)測試；

（5）生成采樣數(shù)據(jù)文件所轉(zhuǎn)換的接收組件中數(shù)據(jù)信號處理數(shù)據(jù)電路單元所對應(yīng)的可下載溫補(bǔ)數(shù)據(jù)文件；溫補(bǔ)數(shù)據(jù)自動寫入接收組件中數(shù)據(jù)信號處理數(shù)據(jù)電路單元，程序運(yùn)行對寫入的溫補(bǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，測試結(jié)果以報表或自定義數(shù)據(jù)模板將測試結(jié)果輸出；

（6）如需要對某些頻點(diǎn)、指標(biāo)單獨(dú)測試，將測試方式切換到手動測試，完成既定指標(biāo)的測試驗證。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了微波超寬帶多通道接收組件自動測試系統(tǒng),有效解決了傳統(tǒng)自動測試過程中的難點(diǎn)及不足，實現(xiàn)了接收組件的一鍵化、高效率、高精度的自動測試，并具有通用性；主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）解決了傳統(tǒng)自動測試過程中指標(biāo)分立式測試、非系統(tǒng)級別測試所造成的不同工作狀態(tài)下指標(biāo)精度的誤差較大的缺點(diǎn)；

（2）解決了測試過程中人工進(jìn)行狀態(tài)切換導(dǎo)致測試環(huán)境引起的測試誤差；

（3）可配置參數(shù)的選擇性設(shè)置使得軟件具有易操作性；

（4）測試過程中自適應(yīng)性校準(zhǔn)方式解決了因校準(zhǔn)誤差所造成的指標(biāo)測試精度；

（5）自適應(yīng)性溫補(bǔ)數(shù)據(jù)補(bǔ)償方式解決了分立狀態(tài)下測試的溫補(bǔ)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)級應(yīng)用時所產(chǎn)生的誤差；

（6）一鍵化測試及數(shù)據(jù)處理解決了傳統(tǒng)自動測試過程中多次分立式測試工作繁瑣、人工干預(yù)、效率低下的難點(diǎn),測試時間縮短到手動測試時間的1/30 以內(nèi)。