雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)并行自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉曦，吳翼虎，劉永強(qiáng)

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安　710065)

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雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)并行自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉曦，吳翼虎，劉永強(qiáng)

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710065)

為了測(cè)試和評(píng)價(jià)某型雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的功能與性能，提供了一種以PCI總線為基礎(chǔ)，結(jié)合虛擬儀器、數(shù)據(jù)庫和直接數(shù)字頻率合成等技術(shù)的多機(jī)并行自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了為雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)提供雷達(dá)回波模擬、高穩(wěn)定度ADC采集時(shí)鐘和多通道多類型信號(hào)輸入，重點(diǎn)完成對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)多類型通訊總線測(cè)試和關(guān)鍵性能實(shí)時(shí)檢測(cè)與分析，結(jié)合典型產(chǎn)品定量給出測(cè)試結(jié)果并分析，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的有效性。

雷達(dá)；自動(dòng)測(cè)試；多機(jī)并行；實(shí)時(shí)

0　引言

現(xiàn)代雷達(dá)作為軍民兩用的重要設(shè)施，已在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜性不斷提高，涉及微波、高頻、脈沖、數(shù)字、直流、開關(guān)量等各種信號(hào)和ARINC429、RS422、SPI和USB等多種總線接口，使得自動(dòng)測(cè)試技術(shù)在雷達(dá)的研制、生產(chǎn)、維護(hù)和故障檢測(cè)等方面中起到的作用日益突出，因此操作方便、功能齊全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(ATS)成為現(xiàn)代雷達(dá)研制和生產(chǎn)的必需設(shè)備。設(shè)計(jì)一種結(jié)合ARINC429通訊總線、PCI總線、虛擬儀器(VI)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)等技術(shù)和方法的雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可并行對(duì)多臺(tái)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行主要性能參數(shù)測(cè)試，該系統(tǒng)平臺(tái)可靠性好、測(cè)試精度高、軟件架構(gòu)易擴(kuò)展，滿足雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)硬件平臺(tái)多機(jī)并行測(cè)試的需求。

1　ATS需求分析和功能組成

1.1待測(cè)單元描述

待測(cè)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)為彈載雷達(dá)信號(hào)處理硬件平臺(tái)，包括4路AD采集單元、通信接口單元、離散量控制單元等功能模塊。雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)對(duì)雷達(dá)接收機(jī)解調(diào)后的基帶信號(hào)進(jìn)行采集處理，并與制導(dǎo)系統(tǒng)中飛控、波控和遙測(cè)等功能單元進(jìn)行通信。

1.2ATS功能需求及組成

通過對(duì)被測(cè)單元的分析，ATS需要提供如下功能：為信號(hào)處理機(jī)提供+5 V和±15 V電源、提供4路中頻雷達(dá)回波模擬信號(hào)、提供雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的工作時(shí)鐘及采樣時(shí)鐘、多路位指令輸入輸出信號(hào)和多路同步脈沖輸出信號(hào)及其相關(guān)信號(hào)測(cè)試，以及ARINC429接口、SPI接口，USB接口和RS422等多種接口及測(cè)試。

ATS是集信號(hào)發(fā)生、信號(hào)檢測(cè)和通訊測(cè)試為一體的雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)，包括硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩大部分。

2　ATS硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)主要包括主控計(jì)算機(jī)、程控電源、頻譜分析儀、主控制器模塊、中頻信號(hào)源(包括采樣信號(hào)發(fā)生器、基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器)、通訊接口測(cè)試模塊和同步脈沖/位指令測(cè)試模塊組成。整個(gè)硬件平臺(tái)以工業(yè)控制微機(jī)(主控計(jì)算機(jī))為核心，通過標(biāo)準(zhǔn)的儀器總線、網(wǎng)口、RS232和PCI等總線將測(cè)試資源連接，構(gòu)成測(cè)試儀器網(wǎng)絡(luò)，由虛擬儀器軟件進(jìn)行統(tǒng)一控制。主控計(jì)算機(jī)通過PCI總線訪問主控制器模塊和各個(gè)通訊模塊，主控制器模塊通過ARINC429總線和被測(cè)單元交互信息。ATS硬件平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　ATS硬件平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1主控計(jì)算機(jī)

主控計(jì)算機(jī)是整套系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的管理協(xié)調(diào)，安裝有Windows操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件，它通過PCI總線來控制測(cè)試板卡資源，負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有儀器資源調(diào)度及測(cè)試流程控制執(zhí)行等，是整個(gè)測(cè)試設(shè)備的頂層控制中心，被測(cè)單元的USB接口和主控計(jì)算機(jī)直接相連。

2.2主控單元

主控單元是主控計(jì)算機(jī)控制下的二級(jí)調(diào)度核心，主控計(jì)算機(jī)通過PCI總線訪問和控制主控單元，主控單元通過ARINC429總線與被測(cè)單元進(jìn)行信息交互，它能夠產(chǎn)生各類控制信號(hào)，完成主控計(jì)算機(jī)各項(xiàng)測(cè)試任務(wù)到各功能單元任務(wù)下發(fā)和被測(cè)單元反饋測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)的上報(bào)。通過RS232接口控制程控電源輸出。

2.3雷達(dá)回波模擬單元

該單元恒溫晶振為基準(zhǔn)，經(jīng)濾波、倍頻后輸入到AD9910，DDS芯片在主控單元控制下按照測(cè)試項(xiàng)目需要，經(jīng)過濾波、倍頻、放大、衰減和調(diào)制等功能電路，產(chǎn)生4路的模擬基帶的中頻信號(hào)，該單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　雷達(dá)回波模擬單元

為了模擬實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，ADC采樣時(shí)鐘輸入采用另外的一路恒溫晶振經(jīng)濾波放大處理后輸出。

2.4通訊接口測(cè)試單元

通訊接口單元包括ARINC429通訊模塊、SPI串行通訊模塊和RS422通訊模塊，在主控制器的作用下，ATS系統(tǒng)通過ARINC429總線與被測(cè)單元通信，其他兩模塊完成對(duì)被測(cè)單元的SPI和RS422等接口的通訊測(cè)試，所有通訊板卡均為標(biāo)準(zhǔn)PCI通訊卡。

2.5脈沖和位指令測(cè)試單元

同步信號(hào)測(cè)試包括時(shí)序關(guān)系和脈沖寬度等信息的測(cè)量。ATS的主控單元通過ARINC429總線對(duì)被測(cè)單元發(fā)出指令，被測(cè)單元產(chǎn)生時(shí)序可控和脈沖寬度可控的各脈沖信號(hào)并輸出到ATS，脈沖和位指令測(cè)試單元通過計(jì)數(shù)器計(jì)算各信號(hào)時(shí)序和脈寬；通過標(biāo)準(zhǔn)IO口完成離散量信號(hào)的采集和輸出工作。脈沖和位指令測(cè)量結(jié)果通過PCI總線傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)。

2.6程控電源

雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)需要對(duì)輸入中頻信號(hào)進(jìn)行譜分析，為防止電源帶來的寄生干擾引起處理指標(biāo)下降，電源選用線性電源，提供高分辨率、高精確度的純凈直流電。程控電源由主控計(jì)算機(jī)通過RS232接口控制，實(shí)時(shí)控制其向被檢測(cè)單元提供工作電源，包括+5 V和±15 V。

這里指出：測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于高精度、高穩(wěn)定度中頻信號(hào)設(shè)計(jì)。如果給DDS提供較低精度的時(shí)鐘源將直接影響測(cè)試系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的評(píng)價(jià)精度。因此選用高精度、高穩(wěn)定度時(shí)鐘源、利用直接頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低相噪DDS源是實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)源的核心和難點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

3　ATS軟件設(shè)計(jì)

3.1ATS軟件組成及基本工作流程

軟件平臺(tái)主要由平臺(tái)內(nèi)核、用戶工具、測(cè)試程序集、故障診斷模塊等組成。從通用性和后期維護(hù)角度考慮，本系統(tǒng)選擇Windows XP作為主控計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)的開發(fā)工具選擇Lab Windows/CVI。該軟件采用通用的C語言編程，功能強(qiáng)大且靈活性強(qiáng)，具有豐富的測(cè)試用圖形控件，內(nèi)含虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VISA)庫及智能虛擬儀器(IVI)庫等。測(cè)試程序按功能劃分包括：儀器校準(zhǔn)模塊、測(cè)試配置模塊、系統(tǒng)自檢模塊、用戶管理模塊、自動(dòng)測(cè)試模塊、手動(dòng)測(cè)試模塊和報(bào)表生成模塊等，測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　ATS系統(tǒng)功能組成

其中，自動(dòng)測(cè)試模塊又包含BIT功能測(cè)試、中頻信號(hào)采集功能測(cè)試、ARINC429總線測(cè)試、波控SPI串行接口測(cè)試、遙測(cè)RS422串行接口測(cè)試、USB接口測(cè)試、位指令接口測(cè)試和供電接口控制等功能，測(cè)試軟件工作的基本流程如圖4所示。

3.2ATS與被測(cè)單元的數(shù)據(jù)通訊

根據(jù)被測(cè)單元的接口情況，ATS和被測(cè)單元采用標(biāo)準(zhǔn)的ARINC429總線協(xié)議交互信息，數(shù)據(jù)由32位二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，包括8位標(biāo)志位(LABEL)、21位數(shù)據(jù)位(DATA)、2位狀態(tài)位(SSM)和1位奇偶校驗(yàn)位(P)。其中：P為奇偶校驗(yàn)位；SSM為符號(hào)/狀態(tài)矩陣：00表示正常數(shù)據(jù)、01表示未準(zhǔn)備好、10表示進(jìn)行功能測(cè)試、11表示故障；DATA為傳輸數(shù)據(jù)；SDI為源/目標(biāo)標(biāo)識(shí)位；LABEL為傳輸參數(shù)標(biāo)識(shí)，數(shù)據(jù)格式定義見表1。

表1　ARINC429字格式

ATS與被測(cè)單元的通信機(jī)制采取應(yīng)答式通信機(jī)制，測(cè)試的基本流程如下：

圖4　ATS軟件工作流程

自動(dòng)測(cè)試從ARINC429測(cè)試開始，當(dāng)該項(xiàng)測(cè)試通過后繼續(xù)進(jìn)行其它測(cè)試項(xiàng)測(cè)試。ATS發(fā)送測(cè)試命令后，被測(cè)單元返回該測(cè)試項(xiàng)測(cè)試字，ATS在正確識(shí)別測(cè)試字后根據(jù)測(cè)試項(xiàng)進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)或等待狀態(tài)。測(cè)試狀態(tài)時(shí)ATS測(cè)量被測(cè)單元輸出信號(hào)并將測(cè)試結(jié)果送到主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。等待狀態(tài)時(shí)輸出被測(cè)單元所需的測(cè)試信號(hào)并接收被測(cè)單元輸出結(jié)果后進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)段將所有測(cè)試項(xiàng)按要求編成測(cè)試通道號(hào)，第一包先發(fā)送測(cè)試通道號(hào)，后發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)。

3.3測(cè)試實(shí)例與結(jié)果分析

ATS測(cè)試程序集包括多個(gè)功能和性能測(cè)試測(cè)試函數(shù)。為驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)試效果，采用ATS同時(shí)對(duì)4臺(tái)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行了功能和性能測(cè)試。ATS系統(tǒng)通過ARINC429總線接收被測(cè)雷達(dá)ADC采集的原始數(shù)據(jù)，調(diào)用ATS測(cè)試集Matlab函數(shù)進(jìn)行性能分析后得到ADC采集的主要指標(biāo)。

表2給出了4臺(tái)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)同時(shí)測(cè)試時(shí)第1通道的主要性能指標(biāo)，表3給出了同一臺(tái)信號(hào)處理機(jī)4個(gè)通道ADC采集通道間性能指標(biāo)。通過ATS測(cè)試分析，可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)雷達(dá)硬件處理硬件平臺(tái)的ADC采集性能，為信號(hào)處理機(jī)硬件平臺(tái)的科學(xué)評(píng)價(jià)提供有效依據(jù)。

表2　單通道ADC測(cè)試主要指標(biāo)

表3　通道間ADC測(cè)試主要指標(biāo)

這里指出：軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合理的窗函數(shù)，對(duì)中頻信號(hào)采集后將數(shù)據(jù)在合理帶寬內(nèi)處理，保證測(cè)試系統(tǒng)對(duì)硬件評(píng)價(jià)的科學(xué)性，該ATS自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)能夠?qū)Χ嗯_(tái)信號(hào)處理機(jī)多通道進(jìn)行并行測(cè)量，對(duì)于理論有效位數(shù)為14位的ADC，其ENOB最高可達(dá)12.4，SFDR最高為87.4，表明軟件設(shè)計(jì)參數(shù)選擇合理。產(chǎn)品多通道間隔離度、幅相一致性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果亦滿足設(shè)計(jì)需求，測(cè)試平臺(tái)引入通道間的測(cè)試誤差小，測(cè)試結(jié)果能夠反映實(shí)際信號(hào)處理機(jī)的實(shí)際性能。

4　結(jié)束語

討論了雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制問題，利用多項(xiàng)通用測(cè)試技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有了良好的通用性和可擴(kuò)展性。該測(cè)試系統(tǒng)性能可靠、操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、測(cè)試速度快、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，并能夠同時(shí)對(duì)多臺(tái)產(chǎn)品并行測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。在系統(tǒng)資源允許的情況下，只需更換測(cè)試模塊及電纜，即可測(cè)試其它類型雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)，采用的技術(shù)和方法也可推廣應(yīng)用到其它機(jī)彈載電子設(shè)備測(cè)試。

[1]丁鷺飛，耿富錄．雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2001．

[2] 李行善．自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)集成技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3] 擺衛(wèi)兵，洪光，張東煜.某型地空導(dǎo)彈紅外位標(biāo)器自動(dòng)測(cè)試儀設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20(10)：2666-2668.

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Design of Automatic Test System for Parallel Radar Single Processor

Zhang Xiaoxi，Wu Yihu，Liu Yongqiang

(Xi’an Aeronautics Computing Technique search Institute，AVIC，Xi’an710065，China)

In order to test and evaluate the features and performance of a kind of radar single processor， this article provides a multi-parallel automatic test system design .It is on the basis of PCI bus combined with Lab Windows/CVI, Database and Direct Digital Synthesis technology. It has achieved a radar signal processor which can provide radar echo simulation, high stability ADC acquisition clock and multi-channel type pulse input. Furthermore it is focused on the completion of the multi-type radar signal processor bus test and analysis of key performance. Also it can provide quantitative test results and analysis combined with typical products. Finally，it has completed the verification of the effectiveness of the test system.

radar; automatic test; multi-parallel; real-time

2015-07-13；

2015-09-06。

張曉曦(1983-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，工程師，主要從事導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理方向的研究。

1671-4598(2016)01-0126-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.035

TP3

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