多通道T/R組件自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件優(yōu)化

呂　楊　王團(tuán)結(jié)　李　兵　任鵬宇　肖　秋

(西安電子工程研究所　西安　710100)

0　簡(jiǎn)介

雷達(dá)相控陣天線具有幾十甚至數(shù)百個(gè)T/R組件。T/R組件包含微波開關(guān)、功率放大器、低噪聲放大器、移相器、電源，饋電網(wǎng)絡(luò)等部分，結(jié)構(gòu)和電路功能較為復(fù)雜，其性能對(duì)整個(gè)雷達(dá)的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)都會(huì)有重大影響，是相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵部分。傳統(tǒng)的T/R組件測(cè)試采用人工進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，手工記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量過程特別復(fù)雜，更由于頻點(diǎn)多、參數(shù)多、數(shù)量多導(dǎo)致測(cè)試量巨大的現(xiàn)實(shí)問題。

本文采用通用儀表，配合微波開關(guān)系統(tǒng)及必要的適配器接口，節(jié)約大量成本，建立適合雷達(dá)T/R組件的測(cè)試方法和自動(dòng)測(cè)試軟件，達(dá)到了高效簡(jiǎn)化測(cè)試、降低測(cè)試時(shí)間和人力、規(guī)范化測(cè)量流程、提高測(cè)試質(zhì)量的目的。

1　系統(tǒng)組成

系統(tǒng)根據(jù)某雷達(dá)型號(hào)的T/R組件成品的測(cè)量要求，確定測(cè)量方案。測(cè)量參數(shù)包括發(fā)射相位和增益、接收相位和增益、發(fā)射功率、前后沿、頂降、噪聲系數(shù)等參數(shù)。由測(cè)量方案確定的測(cè)量設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率計(jì)、噪聲系數(shù)儀、脈沖信號(hào)發(fā)生器等儀表。儀表的型號(hào)根據(jù)頻段要求、總線形式、參數(shù)功能等要求進(jìn)行確定。由于測(cè)量項(xiàng)目、數(shù)量，以及連接數(shù)量巨大，為減少連接耗時(shí)，實(shí)現(xiàn)真正意義的自動(dòng)測(cè)量，設(shè)計(jì)了專用微波開關(guān)系統(tǒng)。通過微波開關(guān)的組合應(yīng)用可以解決二十路組件的切換，測(cè)量?jī)x表的切換，組件相移的切換等問題。

測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2　硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要集中在微波開關(guān)系統(tǒng)上。為了在測(cè)量中最大程度的自動(dòng)化，微波開關(guān)系統(tǒng)需要完成組件的切換、組件的功能控制、測(cè)量連接的切換。這樣就使得在每組20個(gè)組件在測(cè)量中，在可以基本不需拆卸電纜等人為干預(yù)的情況下完成所有參數(shù)和組件的測(cè)量，提高自動(dòng)化程度，從而達(dá)到提高測(cè)量效率和質(zhì)量的目的。

2.1　微波開關(guān)

微波開關(guān)系統(tǒng)以串口控制，其中串口定義如表1所示。串口設(shè)置為比特率：19200；數(shù)據(jù)位：8位；停止位：1位；校驗(yàn)位：odd(奇校驗(yàn))；流控制：none；DTR,RTS有效；HEX發(fā)送，HEX顯示；該開關(guān)系統(tǒng)還可對(duì)TR組件進(jìn)行控制，包括對(duì)組件收發(fā)通道的控制和對(duì)移相的控制。一列共10個(gè)組件，每個(gè)組件上有3個(gè)端口XS01、XS02、XS04，分別為“接收信號(hào)輸出端”“發(fā)射信號(hào)輸入端”“收發(fā)共用端口”。

表1串口定義

串口數(shù)據(jù)定義完成功能十六進(jìn)制D7D6D5D4D3D2D1D0數(shù)據(jù)無效無任何功能00～3F00XXXXXXTR移相數(shù)據(jù)關(guān)閉收發(fā)電源打開收發(fā)電源移相狀態(tài)位40～5F60～7F010XXXXX011XXXXX011P4P3P2P1P0通道選擇通道通道狀態(tài)位80～9F100XXXXX100C4C3C2C1C0測(cè)試功能選擇發(fā)射相位C011000000發(fā)射功率C111000001接收相位C211000010接收噪聲C311000011

系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)以上述定義，通過串行總線對(duì)開關(guān)系統(tǒng)發(fā)出指令，完成被測(cè)20個(gè)組件的切換控制、組件幾十個(gè)移相控制、組件收發(fā)狀態(tài)的控制等。

2.2　適配器組

在測(cè)量T/R組件的發(fā)射狀態(tài)時(shí)，這里巧妙地借用了網(wǎng)絡(luò)分析儀的源輸出，省去了信號(hào)源的介入，信號(hào)經(jīng)過組件后，由于發(fā)射功率很高，不能直接接至儀表，我們?cè)O(shè)計(jì)了一組由定向耦合器組成的適配器組，根據(jù)耦合度吸收的功率，再計(jì)算實(shí)際功率值。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1　程序結(jié)構(gòu)

該測(cè)量系統(tǒng)的程序部分，包括了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(微波開關(guān)及組件驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)分析儀驅(qū)動(dòng)、功率計(jì)驅(qū)動(dòng)、噪聲系數(shù)儀驅(qū)動(dòng))、檢測(cè)功能程序(發(fā)射相位及增益、接收相位及增益、發(fā)射功率及脈沖、接收噪聲系數(shù))、系統(tǒng)設(shè)置程序、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)程序、測(cè)量報(bào)告程序等。程序中涉及儀表功能及組件較多，程序結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。通過整理和優(yōu)化，利用LabVIEW平臺(tái)下靈活且可視的模塊化設(shè)計(jì)，將程序設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)潔易讀且易于維護(hù)的形式。

由于引入了微波開關(guān)系統(tǒng)，增加了電纜連接和轉(zhuǎn)接過程，產(chǎn)生了插損和相移。在測(cè)量開始前需要對(duì)每個(gè)測(cè)量通道進(jìn)行校準(zhǔn)，主要包括功率計(jì)校準(zhǔn)、噪聲儀校準(zhǔn)、接收通道校準(zhǔn)、發(fā)射通道的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存于控制器中，用于后期測(cè)量結(jié)果處理。程序結(jié)構(gòu)如圖3所示：

其中檢測(cè)程序的測(cè)量流程是嚴(yán)格按照被測(cè)件交付驗(yàn)收方法和要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得測(cè)量結(jié)果符合實(shí)際測(cè)量應(yīng)用，經(jīng)過驗(yàn)證即可投入使用。

3.2　數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

由于系統(tǒng)中含有眾多微波開關(guān)和大量連接線纜，引入了測(cè)量偏差必須經(jīng)過校準(zhǔn)修正后方可使用。大量的連接線纜和通道數(shù)，使得在測(cè)量前不可能進(jìn)行反復(fù)校準(zhǔn)，因此這里采用了一次校準(zhǔn)多次測(cè)量的方法。在所有通道的測(cè)量線纜不變的前提下，首先對(duì)接收和發(fā)射各個(gè)通道逐一自動(dòng)進(jìn)行包括幅度和相位的直通校準(zhǔn)，并將每條校準(zhǔn)曲線進(jìn)行保存。在每次測(cè)量時(shí)只需對(duì)儀器本身進(jìn)行一次普通校準(zhǔn)即可。

本系統(tǒng)S21參數(shù)測(cè)量會(huì)產(chǎn)生大量的測(cè)量文件，以10通道TR組件30次相移為例，每通道因相移產(chǎn)生31個(gè)文件，共十個(gè)通道，即310個(gè)文件，發(fā)射和接收合起來就會(huì)共產(chǎn)生620個(gè)文件。因此文件的取名需要規(guī)定。

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件名規(guī)范：Cal_T/R(發(fā)射/接收)_ChannelN_Amp/Phase(幅度/相位)

例如：發(fā)射狀態(tài)通道1相位校準(zhǔn)該文件起名為Cal_T_Channel1_Phase；接收狀態(tài)通道1幅度校準(zhǔn)文件起名為Cal_R_Channel1_ Amp。這樣命名的優(yōu)勢(shì)在于，有利于模塊化編程形式且便于修改和查找。

在測(cè)量程序中，只需找到對(duì)應(yīng)通道的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，對(duì)應(yīng)不同的頻率，對(duì)實(shí)測(cè)幅度和相位數(shù)據(jù)加以修正。

3.3　參數(shù)測(cè)量

T/R組件需要測(cè)量的參數(shù)很多，其主要參數(shù)包括發(fā)射或接收相位和增益測(cè)量、發(fā)射功率、前后沿、頂降、噪聲系數(shù)等。

3.3.1發(fā)射或接收相位和增益自動(dòng)測(cè)量

測(cè)量時(shí)，令矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作在脈沖測(cè)試狀態(tài)，測(cè)發(fā)射或接收通道的S21的相位和幅度。連接好待測(cè)的20組T/R組件，自動(dòng)選擇所測(cè)T/R組件的通道，分別測(cè)量發(fā)射相位和增益。測(cè)量時(shí)，從相位為0開始測(cè)量，然后相位依次為1、2……m。一組相位和增益測(cè)量完畢后，再選擇下一個(gè)通道，以此類推，直至測(cè)量完所有通道。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過與前面保存的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，處理過的數(shù)據(jù)保存在測(cè)量數(shù)據(jù)文件中。測(cè)量文件由于數(shù)量很大，也制定了命名規(guī)范如下：

(發(fā)射/接收)(X通道)_(相位/幅度)_相位偏移.后綴

例如：T1_Phase_P0.prn，T1_Amp_P0.prn

T1_Phase_P1.prn, T1_Amp_P1.prn

……

T1_Phase_Pm.prn，T1_Amp_Pm.prn

以上為發(fā)射1通道，相移從1至m的相位和幅度的測(cè)量數(shù)據(jù)文件名。

3.3.2發(fā)射功率、前后沿、頂降等自動(dòng)測(cè)量

測(cè)量時(shí)，令矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作在脈沖測(cè)試狀態(tài)。連接被測(cè)組件經(jīng)過耦合器組接至微波開關(guān)系統(tǒng)再至功率計(jì)。將校準(zhǔn)曲線中對(duì)應(yīng)的該頻率的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為功率計(jì)的OFFSET數(shù)據(jù)，矢網(wǎng)作為射頻輸出，保證在有射頻輸出的掃描時(shí)間內(nèi)，測(cè)出脈沖內(nèi)功率的最大值(或上升沿后1us處的值)，最小值(或下降沿前1us處的值)，以及上升沿時(shí)間，下降沿時(shí)間，頂降，并保存測(cè)量數(shù)據(jù)；改變到下一個(gè)工作頻率，將校準(zhǔn)曲線中該頻率對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為功率計(jì)的OFFSET數(shù)據(jù)。依次類推將所有的頻率點(diǎn)測(cè)量完，再切換T/R組件通道，保存數(shù)據(jù)表格文件。

功率測(cè)量保存文件命名方式

T1_POWER_F1 ……T1_POWER_Fn

T2_POWER_F1 ……T2_POWER_Fn

……

Tm_POWER_F1 ……Tm_POWER_Fn

3.3.3噪聲系數(shù)自動(dòng)測(cè)量

該測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，微波開關(guān)與被測(cè)件及儀表連接不作任何更改，設(shè)置組件工作在接收狀態(tài)，然后分別對(duì)各通道分別測(cè)量噪聲系數(shù)，并保存測(cè)量結(jié)果。噪聲系數(shù)參數(shù)測(cè)量產(chǎn)生少量的測(cè)量文件，規(guī)定了測(cè)量文件名。例如 CH1_NIOSE……CHX_NIOSE

3.4　程序優(yōu)化

在測(cè)試系統(tǒng)中，其主要功能以參數(shù)測(cè)量為主，在軟件設(shè)計(jì)之初，根據(jù)需求分析規(guī)劃出所有的功能模塊?；竟δ苣K包括頻率、功率測(cè)量，相位測(cè)量，噪聲系數(shù)測(cè)量，脈沖參數(shù)測(cè)量等，另外，還有測(cè)量校準(zhǔn)功能，儀表設(shè)置功能等。

3.4.1模塊劃分

軟件按照功能，將功能類似或流程類似的功能合并，從頂層劃分模塊，用以封裝不同的子程序，各模塊功能劃分如下。

3.4.2參數(shù)測(cè)量模塊與接口定義

參數(shù)測(cè)量的幾個(gè)模塊雖然測(cè)量的參數(shù)不同，流程也不同，但其與主程序的交換數(shù)據(jù)卻是基本一致的，因此可以將這幾個(gè)模塊進(jìn)行統(tǒng)一定義，模塊接口如表2所列。這樣規(guī)定之后,可由不同的設(shè)計(jì)師完成不同的模塊，完成之后每一個(gè)模塊可以快捷方便的與主程序銜接。

表2

接口名稱變量形式數(shù)據(jù)類型儀器地址StringVISAstring儀器狀態(tài)ClusterDouble頻率點(diǎn)、頻率索引、技術(shù)指標(biāo)2DArrayDouble(國(guó)際單位)測(cè)試端口、狀態(tài)StringString錯(cuò)誤輸入errorinCluster…錯(cuò)誤輸出erroroutCluster…測(cè)試結(jié)果(無接口寫入文件)2DArrayDouble項(xiàng)目信息ClusterString

3.4.3數(shù)據(jù)庫定義

在設(shè)計(jì)該軟件之前，設(shè)計(jì)師希望能將軟件設(shè)計(jì)成為不同的項(xiàng)目能夠通用的操作軟件，因此在這里專門設(shè)置了導(dǎo)入項(xiàng)目信息的模塊。由它產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)庫，保存在電腦中。操作人員使用前，只需進(jìn)行項(xiàng)目選擇，就可以進(jìn)行不同項(xiàng)目的自動(dòng)測(cè)試。

該數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，這里利用office Excel作為數(shù)據(jù)庫源，每一個(gè)表單為一個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱即為表單名稱等。 表單“列”為頻點(diǎn)數(shù)量等內(nèi)容，“行”為參數(shù)內(nèi)容。內(nèi)容是經(jīng)過需求分析得到的參數(shù)集合。

表3

測(cè)試方式全部頻點(diǎn)通道選擇儀表1參數(shù)設(shè)置儀表2參數(shù)設(shè)置儀表3參數(shù)設(shè)置儀表4參數(shù)設(shè)置接收狀態(tài)F1—Fn1組CFXXXXXX12組SpanXXXXXX1…PiontXXXXXX110組AmplitudeXXXXXX……20組…………

表3(續(xù)表)

為避免設(shè)計(jì)師提出進(jìn)一步功能要求時(shí)對(duì)程序結(jié)構(gòu)的顛覆，程序中運(yùn)用了事件結(jié)構(gòu)。事件結(jié)構(gòu)是捕獲用戶事件的最佳方式。只有在收到操作系統(tǒng)注冊(cè)事件時(shí)，GUI 事件處理循環(huán)才會(huì)執(zhí)行，平時(shí)他們處于休眠狀態(tài)，不占用處理器時(shí)間。這比在一個(gè)循環(huán)中加條件選擇更有效，響應(yīng)會(huì)更敏捷。同時(shí)在界面菜單中有很多預(yù)留選項(xiàng)，為軟件功能擴(kuò)展提供方便。

LabVIEW內(nèi)存分配由四部分組成：Front panel、Block diagram、Data space、Code，優(yōu)化的高效的LabVIEW應(yīng)用程序會(huì)盡量節(jié)省內(nèi)存分配空間。“Front panel and block diagram”內(nèi)存區(qū)域分別存儲(chǔ)前面板和程序框圖的圖形或圖像。高效的LabVIEW程序執(zhí)行速度非?？?，因?yàn)樗粫?huì)執(zhí)行冗余操作，尤其是會(huì)在循環(huán)中反復(fù)執(zhí)行的操作。通過以上的設(shè)計(jì)，主程序大幅瘦身，程序框圖簡(jiǎn)潔明了，層次分明，可維護(hù)性、可讀性顯著增強(qiáng)。由于統(tǒng)一了模塊定義，不同的模塊可以快速集成。不僅避免了牽一發(fā)而動(dòng)全局的危險(xiǎn)，而且代碼冗余能減少60%以上。

4　結(jié)束語

本系統(tǒng)在測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生大量的測(cè)量文件。舉例來說，如果10通道TR組件有30次相移，每通道因相移產(chǎn)生30個(gè)文件，共十個(gè)通道，即300個(gè)文件，發(fā)射和接收合起來就會(huì)共產(chǎn)生600個(gè)文件。功率參數(shù)會(huì)產(chǎn)生300個(gè)文件，噪聲系數(shù)10個(gè)文件。合起來每10組TR組件就能產(chǎn)生910個(gè)測(cè)量文件，如果雷達(dá)有100個(gè)這樣的組件，僅常溫條件測(cè)試完，會(huì)產(chǎn)生9100個(gè)文件。這樣的數(shù)據(jù)是海量的，對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量難以完成。

本系統(tǒng)集成了通用儀表、微波矩陣開關(guān)等設(shè)備，結(jié)合先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)了10至20路TR組件的多參數(shù)自動(dòng)測(cè)量；采用軟件控制下的分步測(cè)量計(jì)算處理的校準(zhǔn)方法，解決了網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的校準(zhǔn)問題；采用了模塊化軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方法，簡(jiǎn)化了程序結(jié)構(gòu)，規(guī)范了數(shù)據(jù)保存形式。通過自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，大大縮短了測(cè)試時(shí)間，大幅提高了效率。

另外，本系統(tǒng)無需除微波開關(guān)與定向耦合器組外，無需更多的專用測(cè)試設(shè)備，組健靈活，成本低、開發(fā)時(shí)間短，易于系統(tǒng)擴(kuò)展，且便于量值溯源，對(duì)于雷達(dá)組件的研發(fā)與調(diào)試階段非常實(shí)用。

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