雷達(dá)裝備自動測試系統(tǒng)的通用性設(shè)計(jì)

段道聚，張永禎，張 鵬，朱傳明

(1. 武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 武漢 430072； 2. 武漢軍械士官學(xué)校 雷達(dá)系， 武漢 430075)

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·測試技術(shù)·

雷達(dá)裝備自動測試系統(tǒng)的通用性設(shè)計(jì)

段道聚1，2，張永禎2，張 鵬2，朱傳明2

(1. 武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 武漢 430072； 2. 武漢軍械士官學(xué)校 雷達(dá)系， 武漢 430075)

為了滿足雷達(dá)裝備對自動測試設(shè)備的通用化要求,文中采用混合總線技術(shù)，開發(fā)了基于PXI和VXI總線的自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用連接器-適配器的接口設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)測試接口的通用性設(shè)計(jì)，并采用面向信號的思想開發(fā)了自動測試系統(tǒng)軟件平臺。文中對雷達(dá)自動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和通用硬件平臺、測試接口適配器及自動測試系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。該系統(tǒng)可用于多種現(xiàn)役雷達(dá)裝備的自動測試，克服了雷達(dá)裝備維修測試中自動化程度低、設(shè)備復(fù)用率低和人員素質(zhì)要求高的缺點(diǎn)。

自動測試系統(tǒng); 通用化; 雷達(dá)

0 引 言

雷達(dá)作為戰(zhàn)場上的眼睛，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中占據(jù)了越來越重要的位置，良好的雷達(dá)維修測試技術(shù)是縮短維修時間的重要手段。當(dāng)前，雷達(dá)裝備型號眾多，配套的自動測試系統(tǒng)專用性強(qiáng)，通用性不高，造成了裝備維修保障設(shè)備的配套成本較高，保障效益比較低。在信息化戰(zhàn)爭形勢下，如何將各種自動測試系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行有效集成，減小測試平臺的種類，實(shí)現(xiàn)一套自動測試系統(tǒng)能完成對多種雷達(dá)裝備的自動化測試工作，成為雷達(dá)裝備保障科研人員的重要課題。

自動測試系統(tǒng)(automatic test system ，ATS)由自動測試設(shè)備(automatic test equipment，ATE)和自動測試軟件組成。文獻(xiàn)[1-3]指出了我軍ATS正處于專用向通用的轉(zhuǎn)變過程中，基于VXI、PXI總線的ATS正陸續(xù)推出，通用ATS軟件平臺技術(shù)的研究也正在開展，但通用化的雷達(dá)ATS還沒有推出。文獻(xiàn)[4]指出ATE與待測設(shè)備的接口部分需遵循一定的接口標(biāo)準(zhǔn)，才能使多種類型待測裝備的接口適配器都能方便地接到同一臺ATE，有利用增強(qiáng)ATS的擴(kuò)展性。文獻(xiàn)[5]比較了面向儀器和面向信號的ATS軟件的優(yōu)劣，提出了面向信號的平臺化ATS軟件設(shè)計(jì)框架,代表了當(dāng)今ATS的研制方向。鑒于此，我們在分析雷達(dá)裝備測試需求的基礎(chǔ)上，提出了基于VXI、PXI總線的設(shè)計(jì)方案，利用標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為雷達(dá)測試提供豐富的測試資源，以貨架產(chǎn)品形式提供的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境作為ATS軟件開發(fā)工具，開發(fā)面向信號的自動測試軟件，通過通用接口連接器組件和測試適配器模塊的方法，實(shí)現(xiàn)測試接口裝置的通用化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)裝備ATS的通用性設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體方案

雷達(dá)ATS的開發(fā)按照“通用化、系列化、組合化”的原則設(shè)計(jì)，選擇Lab Windows CVI作為測試程序集的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)內(nèi)容包括通用測試平臺和測試接口適配器兩部分。通用測試平臺主要由硬件測試平臺和自動測試軟件組成，硬件平臺由主控計(jì)算機(jī)、VXI模塊、PXI模塊和系統(tǒng)機(jī)柜及標(biāo)準(zhǔn)的測試連接器組成，采用“VXI+PXI”的總線體系結(jié)構(gòu)搭建儀器設(shè)備，兼顧多種不同公司、不同型號的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)硬件平臺的通用化，采用面向信號的軟件方案開發(fā)ATS軟件平臺和測試程序集(test program sets，TPS)，測試程序集是針對不同型號雷達(dá)的測試程序，包括TPS管理模塊、TPS開發(fā)模塊、故障診斷模塊等，并為用戶進(jìn)行系統(tǒng)的二次開發(fā)提供了軟件編程接口；雷達(dá)測試接口適配器采用連結(jié)器-適配器結(jié)構(gòu)，針對不同雷達(dá)開發(fā)了不同雷達(dá)的測試接口適配器，連接器-適配器實(shí)現(xiàn)ATS測試資源與被測對象的物理連接，包括連接器和適配器，它們共同完成信號分配和信號調(diào)理功能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)工作時，在軟件平臺的協(xié)調(diào)下，主控計(jì)算機(jī)通過1394接口卡和MXI-3接口卡分別對安裝在PXI和VXI機(jī)箱中的儀器模塊進(jìn)行控制。首先，控制開關(guān)矩陣將接口適配器引出的被測信號通過標(biāo)準(zhǔn)連接器分時地送到模塊儀器的測試端口；然后，根據(jù)被測信號特征，預(yù)設(shè)模塊儀器的測量狀態(tài)；最后，進(jìn)行測量并將測量結(jié)果讀回主控計(jì)算機(jī)中。為了保證測試系統(tǒng)與不同類型雷達(dá)的連接，在本項(xiàng)目中面向測試儀器端口方向采用了VPC公司的通用標(biāo)準(zhǔn)的連接器，該連接器可以安裝接口測試適配器模塊(interface test adapter, ITA)和接口連接適配器組件(interface connection adapter, ICA)，實(shí)現(xiàn)被測信號與測試儀器的可靠連接。在使用的過程中，可以根據(jù)不同的被測對象改換ITA和ICA，從而實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的通用性、靈活性和擴(kuò)展性。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 通用測試平臺

通用測試平臺安裝在兩個8U高的標(biāo)準(zhǔn)加固組裝柜中，機(jī)箱內(nèi)安裝了當(dāng)前各種雷達(dá)裝備性能檢測所需的各種虛擬儀器模塊，接口采用標(biāo)準(zhǔn)接口與適配器相連的方式；機(jī)箱上下層疊放置，底部加裝腳輪，方便現(xiàn)場測試時移動。其中，上部標(biāo)準(zhǔn)加固組裝柜是NI公司的17槽PXI系統(tǒng)機(jī)箱及主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)采用2U標(biāo)準(zhǔn)厚的機(jī)架型工控計(jì)算機(jī)，內(nèi)部安裝VXI、PXI的接口卡，滿足對VXI、PXI模塊儀器的控制和系統(tǒng)及外部計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信要求。顯示器和鍵盤為折疊推拉式結(jié)構(gòu)，安裝高度為標(biāo)準(zhǔn)2U。PXI系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)部包括嵌入式控制器和儀器模塊，儀器模塊包括通用的示波器、萬用表、頻譜儀和數(shù)字I/O等，也包括雷達(dá)檢測專用的寬帶微波信號源和微波開關(guān)模塊；下部標(biāo)準(zhǔn)加固組裝柜安裝Agilent公司的C尺寸13槽 VXI機(jī)箱，內(nèi)部安裝嵌入式控制器及功率計(jì)、頻率計(jì)、數(shù)字I/O等通用模塊；另外，自主研制了VXI總線的伺服控制信號模擬器模塊和毫米波信號測量模塊，用于毫米雷達(dá)信號和伺服單元的信號測試，各模塊之間通過背部連接，前面板安裝通用接口連接適配器。該系統(tǒng)硬件平臺可以完成電壓信號、模數(shù)信號、離散信號、總線信號和射頻信號的測量，能以手動、自動、單獨(dú)測量的方式實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號的檢測和性能測試。

2.2 接口適配器的設(shè)計(jì)

接口適配器介于自動測量設(shè)備通用標(biāo)準(zhǔn)接口與被測雷達(dá)之間，用于轉(zhuǎn)接和分配各種激勵、控制、采樣和電壓等信號，完成通用平臺總線儀器模塊與被測設(shè)備之間的信號轉(zhuǎn)接與傳遞[4]。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，采用信號集中轉(zhuǎn)接法，集中管理全系統(tǒng)的測試信號的輸入和輸出。本系統(tǒng)的ATE和待測設(shè)備組件(UUT)的連接通常采用常用的ICA-ITA的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。ICA連接測試儀器模塊；ITA一端連接UUT設(shè)備，適配器和ICA之間封裝了信號調(diào)理模塊，通過插座模塊實(shí)現(xiàn)接口互連。測試不同的UUT只需更換相對應(yīng)的接口適配器便可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)不同系統(tǒng)的測試工作。由ICA轉(zhuǎn)接的雷達(dá)系統(tǒng)UUT的信號包括交流、直流電源、總線信號、數(shù)字邏輯信號、高頻和微波信號等，個別高壓、大電流或特殊信號可以單獨(dú)轉(zhuǎn)接。在組建測試系統(tǒng)時，根據(jù)測量對象的不同，設(shè)計(jì)不同的接口適配器，通常稱之為可更換接口測試適配器。ITA和ICA上的插座成對稱關(guān)系，由于不同的UUT所擁有的信號類型不一樣，一個被測單元上不可能擁有全部的ICA信號，相應(yīng)的ITA插座的組成是不一樣的。為了實(shí)現(xiàn)TPS 的可移植，接口適配器與測試平臺中硬件的接口必需遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)接口連接規(guī)范。在設(shè)計(jì)中采用了VPC公司的接口連接器，并制定了詳細(xì)的開發(fā)規(guī)范。

一種雷達(dá)的一個接口適配器裝置的設(shè)計(jì)，如圖2所示。適配器通過ICA-ITA實(shí)現(xiàn)測試資源與被測對象的物理連接，它們共同完成信號分配和信號調(diào)理功能。ICA包括接卡器和測試資源接口(指開關(guān)系統(tǒng)或直接電纜連接)等部分；ICA是測試資源和信號的匯集接口，是連接被測信號和向UUT輸出激勵的統(tǒng)一接口，它一面連接ITA，另一面連接測試資源，經(jīng)過變換的UUT信號和測試資源要在這里實(shí)現(xiàn)對接。

圖2 接口適配器示意圖

適配器ITA模塊包括UUT連接電纜、UUT接口、外層框架、多路通用轉(zhuǎn)接開關(guān)模塊、信號連接電纜和調(diào)理電路模塊等部分，它實(shí)現(xiàn)對被測信號和激勵信號的變換，在適ITA結(jié)構(gòu)中UUT接口是連接被測對象的測試端口，該接口上的信號通過ITA內(nèi)部電纜或信號調(diào)理電路，最終在ITA接口上形成與連接器對接的信號，完成測試資源和信號的連接、分配和變換等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件模型的構(gòu)建

當(dāng)前，ATS軟件的設(shè)計(jì)主要有面向儀器、面向信號和基于參數(shù)的方法，面向信號的ATS是現(xiàn)代測試領(lǐng)域的主要研究方向，該方法利用測試程序的可移植性和儀器的可互換性，對測試信號進(jìn)行了分類歸納，增強(qiáng)了ATS軟件的通用性和擴(kuò)展性，所以，我們采用面向信號的方法設(shè)計(jì)了通用型雷達(dá)ATS軟件。參照IVI(可互換虛擬儀器)基金會提出的可互換儀器信號模型思想，ATS軟件平臺的設(shè)計(jì)采用“分層”模式來實(shí)現(xiàn)開放式的系統(tǒng)架構(gòu)[6-8]。所謂的“分層”，是指整個軟件平臺自頂而下是由用戶接口層、核心層、插件層、測試驅(qū)動層與儀器設(shè)備層等共五個層次組成的，如圖3所示。

用戶接口層面向操作用戶，主要完成與操作用戶的交互工作，提供包括對話框、菜單、工具欄、快捷鍵與命令按鈕等人機(jī)交互方式。核心層是ATS軟件的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，由數(shù)據(jù)總線、事件機(jī)制、插件插拔機(jī)制、運(yùn)行引擎以及一些公用服務(wù)組成，包括了測試資源管理、測試程序維護(hù)、測試系統(tǒng)校準(zhǔn)、測試任務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析處理以及其他功能服務(wù)。插件層用來完成具體的應(yīng)用處理，包括完成特定測試任務(wù)的測試參數(shù)、測試程序與應(yīng)用程序等，它們以插件的形式存在，是動態(tài)、可擴(kuò)充與可替換的。測試驅(qū)動層主要存在于各測試參數(shù)、測試程序、應(yīng)用程序與儀器設(shè)備之間，作為測試參數(shù)、測試程序、應(yīng)用程序與測量儀器、激勵設(shè)備與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)設(shè)備測試驅(qū)動程序之間進(jìn)行通信的紐帶。設(shè)備驅(qū)動層直接面向各個儀器設(shè)備資源，其中儀器設(shè)備是通用總線模塊，主要包括VXI、PXI模塊儀器和其他標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備等。

圖3 自動測試系統(tǒng)軟件的分層示意圖

3.2 軟件平臺的模塊化設(shè)計(jì)

根據(jù)功能和實(shí)際調(diào)試流程，自動測試軟件按測試流程，劃分為系統(tǒng)搭建信息、測試序列生成、測試校準(zhǔn)、自動測量主模塊和測試數(shù)據(jù)處理五大功能模塊，另外需要一個頂層的操作平臺模塊共六大模塊。軟件模塊示意圖，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件模塊示意圖

本系統(tǒng)以操作平臺作為人機(jī)交互的接口，提供給用戶一個方便的操作平臺，完成對系統(tǒng)搭建、序列生成、系統(tǒng)校準(zhǔn)、自動測量、數(shù)據(jù)處理等模塊的調(diào)用。由系統(tǒng)搭建模塊接受用戶的搭建處理信息，搭建適合自己需要的測試系統(tǒng)，保存到系統(tǒng)搭建文件中；序列生成模塊依據(jù)系統(tǒng)搭建模塊提供的系統(tǒng)搭建文件以及用戶編輯信息生成測試序列信息，并保存到測試序列文件中；系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊依據(jù)序列生成模塊產(chǎn)生的測試序列信息以及系統(tǒng)搭建模塊提供的系統(tǒng)搭建信息進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，產(chǎn)生校準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息，并保存到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件中；自動測量模塊依據(jù)系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊產(chǎn)生的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息以及序列生成模塊提供的測試序列信息進(jìn)行自動測量，提取測量數(shù)據(jù)信息，并保存到測量數(shù)據(jù)文件中；數(shù)據(jù)處理模塊依據(jù)自動測量模塊提供的測量數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、顯示處理與報表輸出等。

3.3 軟件的實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目的軟件主界面是雷達(dá)自動測試平臺的主界面，主界面上包含了測試資源管理程序、測試程序、維護(hù)程序、測試校準(zhǔn)、測試任務(wù)執(zhí)行程序、測試數(shù)據(jù)分析處理、平臺維護(hù)和幫助等程序的窗體，系統(tǒng)運(yùn)行時，通過圖、文相結(jié)合的操作向?qū)б龑?dǎo)操作人員執(zhí)行任務(wù)，例如：在執(zhí)行測試模塊程序時，系統(tǒng)進(jìn)入自動測量模塊的主界面(如圖5所示)，打開測試序列文件，將會在測試序列信息區(qū)顯示測試序列文件所包含的全部測試參數(shù)，每個參數(shù)的執(zhí)行狀態(tài)均為復(fù)位狀態(tài)，默認(rèn)情況下選擇全部測試參數(shù)進(jìn)行測量，用戶可根據(jù)自己的需求，在需要測試的測試參數(shù)前打勾選擇，對不需要測量的參數(shù)則不選擇，這樣在將來的自動測量過程中，自動測量模塊會自動識別用戶的參數(shù)選擇，完成一次測試任務(wù)。

圖5 自動測量模塊主界面

4 結(jié)束語

應(yīng)用該系統(tǒng)在對雷達(dá)裝備進(jìn)行參數(shù)測試時，測試人員首先根據(jù)雷達(dá)裝備的測試需求配置硬件測試資源，連接相應(yīng)的測試接口適配器，然后，在測試程序的引導(dǎo)下自動完成測試，生成數(shù)據(jù)報表。實(shí)際測試表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，便于野外使用，測試頻譜、電壓范圍廣，激勵信號豐富，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。該系統(tǒng)一定程度上實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件的無關(guān)性，增強(qiáng)了系統(tǒng)擴(kuò)展性，另外，面向信號的自動測試系統(tǒng)軟件平臺提供了測試程序集的二次開發(fā)窗口，可在后期用來開發(fā)針對不同雷達(dá)的測試程序，大大降低了測試程序開發(fā)難度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)裝備ATS的“一機(jī)多用”。由于該系統(tǒng)是平臺型測試設(shè)備，當(dāng)前，只開發(fā)了部分雷達(dá)的測試程序集，下一步要逐步完善其他雷達(dá)的測試程序開發(fā)，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。

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段道聚 男，1978年生，碩士研究生，講師。研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動化裝置。

張永禎 男，1968年生，副教授。研究方向?yàn)槔走_(dá)維修工程。

Universal Design of Automated Test System for Radar

DUAN Daoju1,2，ZHANG Yongzhen2，ZHANG Peng2，ZHU Chuanming2

(1. School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China) (2. Radar Department, Wuhan Ordnance Noncommissioned Officer Academy of PLA, Wuhan 430075, China)

In order to meet the general test requirements of the radar equipment for automatic test equipment, we developed the automatic test system based on PXI and VXI bus by using mixed bus technology. This system used the design method of the connector-adapter interface to design the test interface, and the software platform for automatic test system is developed based on the method of signal oriented system. This paper introduced the design method of the radar automatic test system, and mainly explained the design method of the general hardware platform and the test interface adapter, and the software of the automatic test system was described. The system has ample test resources, compact structure and high automation degree, and can be used to test many kinds of active radar equipments. The system conquered the shortcomings of low automation degree, low equipment reuse rate and high quality requirements for the maintenance in the course of radar equipment maintenance, so this system would have a certain military significance.

automatic test system; universal; radar

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.017

段道聚 Email：ddjfriends@126.com

2015-06-15

2015-09-16

TP274；TN957

A

1004-7859(2015)10-0069-04