數(shù)字陣列模塊自動(dòng)測試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

馬小芳

摘 要： 數(shù)字陣列模塊是數(shù)字陣列雷達(dá)的核心組成部分，利用高集成技術(shù)將數(shù)字收發(fā)模塊和模擬收發(fā)模塊封裝成一個(gè)組件。由于數(shù)字陣列模塊數(shù)量多、通道數(shù)目多、測試指標(biāo)多，對其進(jìn)行自動(dòng)測試變得尤為重要。針對數(shù)字陣列模塊的自動(dòng)測試給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過應(yīng)用VC與LabVIEW動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)、VC++多線程技術(shù)、UDP數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)后處理技術(shù)，較好地解決了數(shù)字陣列模塊測試數(shù)據(jù)量大、難處理的問題。通過對某型雷達(dá)數(shù)字陣列模塊的測試，表明該測試系統(tǒng)達(dá)到了很高的測試精度。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字陣列模塊； 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換； VC++多線程技術(shù)； UDP數(shù)據(jù)傳輸； 數(shù)據(jù)后處理技術(shù)； 自動(dòng)測試系統(tǒng)

中圖分類號： TN407?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）19?0125?03

Abstract： The digital array module is the core component of digital array radar. A component is packaged with digital transceiver module and analog transceiver module by applying high integration technology. Since the digital array has multi?module， multi?channel and multiply test index， the automatic testing to it has become particularly important. The system design is provided for automatic testing of digital array module， which includes hardware and software design. The large size of test data and hard processing problems of digital array module are solved better by using VC and LabVIEW dynamic data exchange technology， VC++ multithreading technology， UDP data transmission and data post?processing technology. This testing system has reached the higher test precision by testing the digital array module of a certain type radar.

Keywords： digital array module； dynamic data exchange； VC++ multithreading technology； UDP data transmission； data post?processing technology； automatic testing system

隨著數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）方法研究的不斷深入[1]，雷達(dá)設(shè)備日趨高集成，數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用越來越多，通道數(shù)目不斷增加。數(shù)字陣列雷達(dá)是一種接收和發(fā)射波束都以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)[2]，數(shù)字陣列雷達(dá)因具有大動(dòng)態(tài)范圍、多波束、低損耗、低副瓣等優(yōu)點(diǎn)[3]，受到雷達(dá)行業(yè)工作者的親睞。數(shù)字陣列模塊是數(shù)字陣列雷達(dá)的核心部件，一臺數(shù)字陣列雷達(dá)有成千上萬個(gè)數(shù)字陣列模塊[4]。數(shù)字陣列模塊（Digital Array Module）是采用集成技術(shù)、數(shù)字收發(fā)技術(shù)、光電調(diào)制解調(diào)技術(shù)，完成雷達(dá)射頻收發(fā)數(shù)字化及數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸（一般通過光纖）的數(shù)字化收發(fā)模塊[5]。數(shù)字陣列模塊通道數(shù)模多，測試指標(biāo)種類多，測試精度要求高，通過采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)、VC++多線程技術(shù)、UDP數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)后處理技術(shù)解決數(shù)字陣列模塊測試數(shù)據(jù)量大，處理難度大等問題。

1 數(shù)字陣列模塊原理及其測試指標(biāo)需求

數(shù)字陣列模塊主要由射頻收發(fā)單元、中頻數(shù)字收發(fā)單元及供電模塊構(gòu)成，如圖1所示。

其中，模擬收發(fā)單元主要是完成天線接收的回波信號的放大、下變頻以及發(fā)射激勵(lì)信號的上變頻和放大；數(shù)字收發(fā)單元完成射頻收發(fā)單元輸出的中頻信號的A/D變換、數(shù)字正交解調(diào)及產(chǎn)生發(fā)射激勵(lì)信號。供電模塊給模擬收發(fā)單元和數(shù)字收發(fā)單元供電。

數(shù)字陣列模塊測試指標(biāo)包括接收指標(biāo)和發(fā)射指標(biāo)。接收指標(biāo)包括接收增益、通道間一致性、接收信噪比、I/Q鏡像抑制和噪聲系數(shù)；發(fā)射指標(biāo)包括發(fā)射功率和發(fā)射脈內(nèi)信噪比。

2 數(shù)字陣列模塊自動(dòng)測試系統(tǒng)的研制

2.1 數(shù)字陣列模塊自動(dòng)測試系統(tǒng)的硬件研制

數(shù)字陣列模塊自動(dòng)測試系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示。

數(shù)字陣列模塊自動(dòng)測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由測試工裝、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)、儀表及數(shù)字陣列模塊組成。其中測試工裝向測試系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘、同步信號、本振信號以及各種模擬適配接口、數(shù)據(jù)采集模塊是測試系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它是連接計(jì)算機(jī)和數(shù)字陣列模塊的橋梁，數(shù)據(jù)采集模塊上具有并口、網(wǎng)口、光纖等接口，可以將計(jì)算機(jī)發(fā)布的控制命令下載到數(shù)字陣列模塊中，控制數(shù)字陣列模塊的工作模式和發(fā)射波形碼，同時(shí)把數(shù)字陣列模塊里采集的數(shù)據(jù)上傳給計(jì)算機(jī)。由于計(jì)算機(jī)的處理能力有限，數(shù)據(jù)處理會占用大量的CPU時(shí)間，降低數(shù)據(jù)采集的效率，因此數(shù)據(jù)采集中還應(yīng)集成脈壓等數(shù)據(jù)處理功能，這樣可以降低計(jì)算機(jī)與采集卡間的傳輸數(shù)據(jù)率。數(shù)據(jù)采集模塊的原理框圖如圖3所示。endprint

數(shù)據(jù)采集模塊采用的FPGA是Altera公司的Stratix GX系列，開發(fā)工具采用Quartus 9.1。計(jì)算機(jī)是整個(gè)測試系統(tǒng)的核心，通過測試軟件控制整個(gè)測試系統(tǒng)的流程。儀表包括信號源、頻譜儀和功率計(jì)。其中信號源用于模擬產(chǎn)生接收回波信號，作為數(shù)字收發(fā)模塊接收模式的輸入信號；頻譜儀完成數(shù)字陣列模塊發(fā)射改善因子的測量；功率計(jì)完成發(fā)射功率的測量。

2.2 數(shù)字陣列模塊自動(dòng)測試系統(tǒng)的軟件研制

自動(dòng)測試軟件是對計(jì)算機(jī)獲取的數(shù)據(jù)讀入并對數(shù)據(jù)做分析運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果以數(shù)據(jù)、圖形等形式顯示，同時(shí)將運(yùn)算結(jié)果生成數(shù)據(jù)報(bào)表。

該系統(tǒng)的軟件組成框圖如圖4所示。

測試軟件采用LabVIEW，VC語言。LabVIEW平臺負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)通過UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸給VC平臺；在VC平臺中主要完成儀器校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)分析處理、測試報(bào)表及數(shù)據(jù)存儲功能。

（1） 儀器校準(zhǔn)

VC平臺通過GPIB協(xié)議訪問儀表并控制儀表，將儀器的測量誤差數(shù)據(jù)讀取。

（2） 數(shù)據(jù)傳遞

LabVIEW和VC平臺的數(shù)據(jù)傳遞是雙向的，后者準(zhǔn)備好后向前者發(fā)送握手請求信號，前者向后者發(fā)送握手應(yīng)答信號并按序發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)報(bào)文。

（3） 數(shù)據(jù)分析處理

VC平臺收到發(fā)來的報(bào)文數(shù)據(jù)后，將根據(jù)報(bào)文中的數(shù)字陣列模塊編號、頻率碼和數(shù)據(jù)類型碼等解析原始報(bào)文，解析后的數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)融合后進(jìn)行有效性分析、誤差計(jì)算和誤差分析等。

（4） 測試報(bào)表

最終結(jié)果數(shù)據(jù)是根據(jù)數(shù)據(jù)采樣率的大小進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的。由于數(shù)據(jù)量、信息量較大，為了方便用戶測試以標(biāo)簽加報(bào)表的形式呈現(xiàn)。測量數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)以區(qū)分度較大的顏色顯示以提醒用戶。

（5） 數(shù)據(jù)存儲

隨著采集數(shù)據(jù)量的急速增加，若采用內(nèi)存對中間數(shù)據(jù)存儲會使內(nèi)存消耗很大、占用資源。本系統(tǒng)采用ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲中間數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，采用Excel外部文件存儲最終數(shù)據(jù)。

除了以上功能外，為了解決數(shù)字陣列模塊測試指標(biāo)多、處理數(shù)據(jù)量大、難度大的問題，在本系統(tǒng)中還采用了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)、VC++多線程技術(shù)、UDP數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)后處理技術(shù)。

（1） VC與LabVIEW動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)

本系統(tǒng)需要在VC平臺與LabVIEW平臺上使用頻繁的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交換，因此兩軟件之間數(shù)據(jù)的交換速度和可靠性成為評估軟件設(shè)計(jì)成果的一個(gè)重要指標(biāo)。LabVIEW實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的方法主要有以下幾種：動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）；采用RDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)DAQ設(shè)備的遠(yuǎn)程控制采集；采用TCP，UDP等傳輸控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；利用Remotepanels技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制；現(xiàn)場實(shí)時(shí)發(fā)布。在VC++平臺中開發(fā)通信程序最基本的方法是應(yīng)用WindowsSocket，本系統(tǒng)基于WindowsSocket通信的API設(shè)計(jì)了用于和LabVIEW進(jìn)行通信的接口線程，設(shè)置了兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道，分別為握手?jǐn)?shù)據(jù)通道和測量數(shù)據(jù)通道。

（2） VC++多線程技術(shù)

為了對海量的、由LabVIEW采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，采用VC++多線程技術(shù)，一方面可以將網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的收發(fā)放在一個(gè)線程中，而將用戶界面處理放在另一個(gè)線程中。當(dāng)用戶對界面進(jìn)行操作時(shí)，操作系統(tǒng)將進(jìn)行線程切換，為報(bào)文收取線程提供完成任務(wù)所需的時(shí)間；另一方面，程序中需要同時(shí)進(jìn)行高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和低速數(shù)據(jù)分析處理，在VC++程序中使用多線程技術(shù)時(shí)，就能以單獨(dú)的線程分析處理數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)通信。這樣，在高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送、處理的時(shí)候，低速的數(shù)據(jù)分析處理同時(shí)進(jìn)行，減少了等待所需要的時(shí)間總開銷，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。

（3） UDP數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)后處理技術(shù)

一個(gè)數(shù)字陣列模塊的測試指標(biāo)數(shù)目達(dá)幾萬個(gè)，這么多數(shù)據(jù)的處理和傳輸是個(gè)非常繁瑣的問題，針對此種情況，采用UDP傳輸技術(shù)。即使用UDP數(shù)據(jù)包對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，此種傳輸方式數(shù)據(jù)率可達(dá)2.5 Gb/s。將數(shù)據(jù)由采集端接收生成端后需要進(jìn)行運(yùn)算，這個(gè)過程需要耗費(fèi)大量時(shí)間，采用數(shù)據(jù)后處理技術(shù)，即利用接收下一批數(shù)據(jù)的時(shí)間對上一批數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間。

3 數(shù)字陣列模塊自動(dòng)測試系統(tǒng)的測試驗(yàn)證

數(shù)字陣列模塊接收指標(biāo)的測試采用“基于虛擬儀器的接收機(jī)技術(shù)”模擬雷達(dá)數(shù)字信號處理環(huán)境，對采集到的I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到各指標(biāo)測試值。

數(shù)字陣列模塊發(fā)射指標(biāo)的測試采用儀表直接測試的方法。功率計(jì)測試發(fā)射功率，頻譜儀測試發(fā)射信噪比，利用GPIB卡對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并采用“虛擬儀器技術(shù)”將測試數(shù)據(jù)還原為圖形顯示在測試界面中。

通過對某型雷達(dá)數(shù)字陣列模塊的測試，通過計(jì)算軟件測試結(jié)果與實(shí)際測試值的均方差求出測量精度，如表1所示。由此可以看出，該系統(tǒng)測試精度較高。

4 結(jié) 論

針對數(shù)字陣列模塊集成度高、通道數(shù)目多、測試指標(biāo)種類多，給出了數(shù)字陣列模塊自動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件方面采用VC與LabVIEW動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)、VC++多線程技術(shù)、UDP數(shù)據(jù)傳輸及后處理技術(shù)解決數(shù)字陣列模塊測試數(shù)據(jù)量大、處理困難的問題。通過對某型雷達(dá)數(shù)字陣列指標(biāo)的測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)達(dá)到了很高的測試精度。同時(shí)更換測試工裝中的適配接口裝置，該自動(dòng)測試系統(tǒng)可以應(yīng)用于其他雷達(dá)的數(shù)字陣列模塊的自動(dòng)測試，具有較好的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳曾平，張?jiān)拢U慶龍.數(shù)字陣列雷達(dá)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（6）：1?7.

[2] 盛永鑫.數(shù)字T/R組件接收通道測試方法探討[J].硅谷，2011（7）：177?178.

[3] 李冬芳.數(shù)字陣列雷達(dá)收發(fā)組件自動(dòng)測試技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2011（2）：66?71.

[4] 吳新玉.數(shù)字T/R組合自動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[5] 何宏平，張偉.數(shù)字陣列模塊老煉系統(tǒng)的研制[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2011（6）：39?42.

[6] 朱宇杰.PXI總線雷達(dá)自動(dòng)測試系統(tǒng)研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.endprint