基于VPX總線的無線電指令收發(fā)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 媛1，賈 凡，唐學(xué)術(shù)

(1.軍委裝備發(fā)展部，北京 100032； 2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

無線電指令收發(fā)單元是導(dǎo)彈制導(dǎo)回路中的重要彈上儀器，是無線電跟蹤設(shè)備的控制通道，與制導(dǎo)雷達(dá)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制信號的傳輸。無線電指令收發(fā)單元是導(dǎo)彈制導(dǎo)控制的關(guān)鍵部件，內(nèi)部組成與功能復(fù)雜，指標(biāo)要求高，其維修檢測也需要依賴復(fù)雜的儀器，因此有必要研制無線電指令收發(fā)單元自動測試設(shè)備，有效提升導(dǎo)彈維修和保障能力。

VPX總線采用高速串行總線替代并行總線，在VME系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了對RapidIO、PCI Express、1/10GEthernet高速串行總線的支持，適合大數(shù)據(jù)量交換的儀器應(yīng)用[1]； VPX總線的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有加固，抗震、支持風(fēng)冷液冷等技術(shù)優(yōu)勢，更加適合惡劣環(huán)境要求[2]；其高密度的結(jié)構(gòu)符合IEEE1101的3U和6U標(biāo)準(zhǔn)，保證了系統(tǒng)良好的兼容性，滿足了軍事、航空航天領(lǐng)域越來越高的性能要求與高可靠性的指標(biāo)，成為現(xiàn)有模塊化總線電子設(shè)備的理想替代者，并作為下一代軍用通訊計(jì)算平臺的標(biāo)準(zhǔn)[3,4]。

結(jié)合無線電指令收發(fā)測試的需求，采用VPX總線模塊化設(shè)備構(gòu)建自動測試系統(tǒng)。

1 無線電指令收發(fā)單元測試需求及總體設(shè)計(jì)方案

無線電指令收發(fā)單元安裝于導(dǎo)彈內(nèi)部，功能主要是接收和處理地面制導(dǎo)雷達(dá)發(fā)送給導(dǎo)彈的遙控指令，向地面回傳導(dǎo)彈的遙測數(shù)據(jù)等信息，從而構(gòu)成導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制回路。

無線電指令收發(fā)單元測試主要檢測其接收無線遙控指令的功能、指令譯碼功能、遙測信息回傳功能、接收發(fā)送性能等指標(biāo)。

測試系統(tǒng)采用基于VPX總線的模塊化測試架構(gòu)，測試系統(tǒng)的而核心是VPX總線主控制器模塊，系統(tǒng)采用VPX總線控制各類測試儀器模塊，運(yùn)行自動化測試軟件，通過圖形界面與操作人員交互。這種結(jié)構(gòu)具有構(gòu)建靈活、集成化程度高、易于擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點(diǎn)[5]。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

主控制器上運(yùn)行自動測試軟件，通過VPX總線儀器驅(qū)動控制各VPX總線測試模塊，將激勵信號通過信號調(diào)理/測試轉(zhuǎn)接組合分配到被測對象，同時將測試響應(yīng)信號轉(zhuǎn)接到測試模塊。

測試執(zhí)行時，由自動測試程序調(diào)取測試流程(TP)控制各個測試模塊，發(fā)出測試激勵、采集測試信號，最后將信號分析結(jié)果保存和顯示，根據(jù)測試結(jié)果實(shí)施被測對象的故障診斷和性能評估。

2 基于VPX總線的測試設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

由于VPX總線與傳統(tǒng)總線相比，不僅在帶寬上突破千兆，而且非常好地解決了加固、高速互聯(lián)、系統(tǒng)管理等各個方面的問題，可廣泛應(yīng)用于航空、航天、通信等領(lǐng)域[6]，因此特別適用于構(gòu)建無線電微波設(shè)備的自動測試系統(tǒng)[7]。

整個測試系統(tǒng)硬件由VPX測試組合、信號調(diào)理轉(zhuǎn)接組合和程控電源三部分組成，如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)硬件組成圖

測試系統(tǒng)硬件組成及功能設(shè)計(jì)如下：

1)VPX測試組合由VPX機(jī)箱、VPX主控制器以及VPX功能模塊組成。

VPX機(jī)箱包含箱體結(jié)構(gòu)、VPX總線背板、VPX供電電源，用于安裝各類VPX模塊，構(gòu)成模塊化測試儀器系統(tǒng)。本方案機(jī)箱采用采用導(dǎo)冷設(shè)計(jì)、全封閉EMC屏蔽設(shè)計(jì)，滿足高可靠應(yīng)用要求。

VPX功能模塊包括AD采集、數(shù)字IO、無線電測試、數(shù)字示波器以及串行通信模塊。

2)信號調(diào)理轉(zhuǎn)接組合提供被測對象到VPX測試組合之間的信號轉(zhuǎn)接和調(diào)理功能

3)程控電源通過串行通信模塊控制，用于對被測對象提供電源。

2.1 VPX硬件選型設(shè)計(jì)

針對無線電指令收發(fā)單元測試需求，選取了VPX總線機(jī)箱及功能模塊。

1)VPX機(jī)箱采用一個8槽背板即可滿足要求，為了保留擴(kuò)展能力，選用14槽VPX背板，支持VITA62和OpenVPX標(biāo)準(zhǔn)，背板采用高速M(fèi)ulti-Gig RT-2連接器，總線支持SRIO、PCIe和GbE等高速總線

2)VPX主控制器提供標(biāo)準(zhǔn)VPX總線主板功能，板載CPU、內(nèi)存、固態(tài)硬盤，提供提供1路前面板VGA接口，1路前面板以太網(wǎng)接口，2路前面板USB2.0接口，控制器上運(yùn)行自動測試軟件，并通過外接顯示器和鍵盤/鼠標(biāo)提供用戶交互功能。

3)AD采集模塊集成了16路AD采集，用于對測試對象的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行測試，同時可用于系統(tǒng)自檢。

4)數(shù)字IO模塊用于對被測對象的數(shù)字量輸出信號進(jìn)行采集，對被測對象輸出開關(guān)量控制信號，用于通道選通等控制。

5)數(shù)字示波器主要用于對被測對象的數(shù)字脈沖及譯碼時序信號進(jìn)行采集處理。

6)串行通信模塊主要用于控制程控電源，并預(yù)留串行通信測試功能。

7)調(diào)制解調(diào)模塊用于將被測對象來的射頻信號解調(diào)為基帶信號，或?qū)⒒鶐盘栒{(diào)制出射頻信號，同時通過程控實(shí)現(xiàn)射頻信號功率控制，以滿足被測對象的適配需要。

8)無線電測試模塊用于產(chǎn)生與被測對象通信的基帶信號，接收并處理被測對象回傳的信息，該模塊是本系統(tǒng)中的核心測試設(shè)備，基于VPX功能模塊構(gòu)建，如圖3所示。

圖3 無線電測試模塊組成圖

無線電測試模塊以ARM處理器和FPGA為核心，由FPGA負(fù)責(zé)基帶信號解析和處理，ARM處理器用于實(shí)現(xiàn)部分實(shí)時測試功能。由于指令收發(fā)測試對實(shí)時性要求較高，系統(tǒng)需要在較短時間內(nèi)完成信號調(diào)制解調(diào)、基帶編解碼、信息處理等流程，ARM處理器即用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時性高的測試。

VPX總線可以提供64對差分信號，可以傳輸PCIe、RapidIO、快速以太網(wǎng)等信號，本設(shè)計(jì)選擇PCIe信號。

PCIe總線是一種高速串行傳輸協(xié)議，由串行時鐘和PCIe通道組成，PCIe通道分為發(fā)送通道和接收通道，每通道由兩對差分信號線(發(fā)送和接收各一對)組成，實(shí)現(xiàn)高速全雙工串行通信。PCIe能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺設(shè)備間點(diǎn)對點(diǎn)互聯(lián)，兩臺PCIe設(shè)備間的通道數(shù)量有1、2、4、8、16、32等多種組合，對應(yīng)PCIe速度等級的×1、×2、×4、×8、×16、×32，每對差分信號線的最大傳輸速度為2.5Gbps，物理層信號采用8b/10b編碼，因此PCIe×1的傳輸帶寬即可達(dá)到4Gbps，適合高速數(shù)據(jù)處理和實(shí)時采集控制的高帶寬應(yīng)用。

PCIe總線規(guī)范定義了三層的設(shè)備結(jié)構(gòu)，分別是處理層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，各層都具備相應(yīng)的發(fā)送和接收模塊。處理層是整個體系結(jié)構(gòu)的最高層，其數(shù)據(jù)包包含數(shù)據(jù)頭、校驗(yàn)與有效數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換、錯誤檢測與判斷、電源管理與初始化等功能，在數(shù)據(jù)傳輸時鏈路層具有數(shù)據(jù)比特錯誤檢測和重傳的功能，通過CRC校驗(yàn)判斷數(shù)據(jù)包是否有錯，錯誤出現(xiàn)時對鏈路對端請求重新傳輸，確保PCIe總線傳輸可靠。物理層用于確定鏈路電氣特性、速度、極性等配置，同時管理電源[8]。

PCIe接口部分采用專用PCIe橋芯片實(shí)現(xiàn)，這類芯片性能穩(wěn)定，功能完善，設(shè)計(jì)資源豐富，在產(chǎn)品開發(fā)中設(shè)計(jì)人員可以不用太多關(guān)注總線協(xié)議的實(shí)現(xiàn)[9]。

本設(shè)計(jì)選用博通公司(原PLX)的PEX8311協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)VPX總線模塊接口設(shè)計(jì)。PEX8311是單通道PCIe總線橋芯片，可以作為總線根設(shè)備也可作為終端設(shè)備[10]。PEX8311芯片技術(shù)特點(diǎn)如下：

1)PCI Express 與本地總線橋接芯片，符合PCIe r1.0a規(guī)范；

2)本地總線：32位地址和32位數(shù)據(jù)獨(dú)立模式，或32位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用模式；

3)本地總線時鐘達(dá)66MHz；

4)單通道PCI Express端口(PCIe×1)，全雙工，2.5Gbps每方向；

5)自動極性翻轉(zhuǎn)匹配；

6)2個獨(dú)立DMA通道；

7)功率：1W，鏈路和設(shè)備功耗管理功能；

8)內(nèi)置的鏈路CRC校驗(yàn)。

圖4是無線電測試模塊內(nèi)部框圖。

圖4 無線電測試模塊框圖

其中PEX8311工作于終端(外設(shè))模式，PEX8311通過背板連接器與機(jī)箱VPX背板連接，主控制器通過PCIe總線配置無線電測試模塊的PEX8311，當(dāng)需要與主控制器進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸時，可采用DMA通道以高優(yōu)先級并發(fā)直接訪問的方式傳輸。

FPGA負(fù)責(zé)處理中頻信號編、解碼，ARM處理器負(fù)責(zé)處理與主控制器的數(shù)據(jù)交互。當(dāng)運(yùn)行實(shí)時測試程序時，測試流程文件(ATML)通過PCIe總線傳到ARM處理器，并保存到SDRAM用于執(zhí)行。由ARM處理器解析ATML后，按流程執(zhí)行實(shí)時測試，包括輸出基帶信號通過FPGA編碼輸出，采集FPGA解碼的信號并實(shí)時計(jì)算處理等。

無線電測試模塊具有三種工作模式：

1)由主控制器獨(dú)立運(yùn)行測試任務(wù)。該模式適用于應(yīng)用程序復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理量大，且對實(shí)時性要求不高的場合，此時ARM處理器不需解析運(yùn)行實(shí)時測試流程，僅用于接收主控制的指令收發(fā)命令，并控制FPGA完成指令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收解碼工作。

2)測試模塊獨(dú)立運(yùn)行測試任務(wù)。該模式適用于應(yīng)用程序簡單、數(shù)據(jù)量小，且對信號的實(shí)時性要求較高的場合。在此工作模式下，測試任務(wù)完全由測試模塊中的ARM處理器運(yùn)行，主控制器可進(jìn)行參數(shù)回讀、執(zhí)行數(shù)據(jù)狀態(tài)讀取、控制停止測試模塊任務(wù)并下裝新的測試任務(wù)等操作。此時實(shí)時測試程序需要先傳輸?shù)紸RM處理器并保存在SDRAM中，然后由主控制器下發(fā)啟動實(shí)時測試指令，ARM處理器開始解析實(shí)時測試流程并執(zhí)行，再將過程數(shù)據(jù)和測試結(jié)果返回主控制器。通常會在實(shí)時測試流程中設(shè)置實(shí)時測試中止條件，包括接收數(shù)據(jù)達(dá)到門限、循環(huán)運(yùn)行一定次數(shù)、接收到特定信號，也可由主控制器下發(fā)指令停止實(shí)時測試。

3)測試模塊輔助主控制器運(yùn)行測試任務(wù)。該模式適用于應(yīng)用程序復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，且對部分信號的實(shí)時性有一定要求的場合。在此工作模式下，實(shí)時測試任務(wù)由上位機(jī)下裝并運(yùn)行，測試模塊的ARM處理器輔助運(yùn)行一部分對實(shí)時性要求較高的子測試任務(wù)。

由于VPX總線及其結(jié)構(gòu)形式特別針對高帶寬和高速處理應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，使得單模塊散熱性能大幅提升，因此能夠支持復(fù)雜的實(shí)時測試任務(wù)下放到模塊級處理器(ARM)運(yùn)行，模塊中的處理器與系統(tǒng)主控制器質(zhì)檢通過VPX實(shí)現(xiàn)高帶寬連接，允許實(shí)時傳輸復(fù)雜數(shù)據(jù)，并且僅需被動散熱即可滿足環(huán)境要求，適用于軍用高可靠測試應(yīng)用場景。

2.2 信號調(diào)理轉(zhuǎn)接組合

信號調(diào)理轉(zhuǎn)接組合是測試儀器與被測對象間的橋梁，主要完成測試信號轉(zhuǎn)接，浮地信號的隔離調(diào)理、開關(guān)量信號調(diào)理以及各類負(fù)載適配。

信號調(diào)理轉(zhuǎn)接組合采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱和歐卡式機(jī)籠結(jié)構(gòu)，內(nèi)部調(diào)理電路采用歐卡式模塊構(gòu)成，調(diào)理模塊包括模塊信號隔離放大、隔離濾波、開關(guān)量輸出、數(shù)字信號隔離等，通過調(diào)理背板將各類信號轉(zhuǎn)接到外部接口。

信號調(diào)理轉(zhuǎn)接組合中配置調(diào)理專用隔離電源，用于對各個調(diào)理模塊提供隔離電源，實(shí)現(xiàn)隔離模塊前后端電源和信號的隔離。

2.3 程控電源

選用成熟貨架產(chǎn)品，用于被測對象供電，通過串行通信接口進(jìn)行程控輸出，可提供多路直流、交流電壓、電流源輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合具體測試項(xiàng)目需求，測試軟件選用成熟的分層通用化體系結(jié)構(gòu)。同時綜合考慮人工智能，專家系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)，建立友好的人機(jī)交互環(huán)境，為維修人員提供適時、適度、高效的過程指導(dǎo)和技術(shù)信息支持，達(dá)到縮短測試時間，提高診斷效能，降低技術(shù)資料管理費(fèi)用之目的。

3.1 軟件平臺設(shè)計(jì)

根據(jù)測試需求和上述原則，測試軟件選用VITE平臺開發(fā)。VITE 是基于用戶界面的虛擬儀器集成開發(fā)環(huán)境，為測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及信號分析處理等提供了簡單易用的編程環(huán)境。VITE在構(gòu)建大型分布式測試系統(tǒng)時具有開發(fā)迅速、支持全壽命周期維護(hù)、易于升級等優(yōu)勢。測試軟件整體架構(gòu)如圖5所示。其中嵌入式實(shí)時測試程序位于無線電測試模塊上的ARM程序存儲器中，由ARM處理器運(yùn)行，配合主控制器VITE測試軟件完成實(shí)時測試。

圖5 測試軟件平臺架構(gòu)

圖6為VITE 集成開發(fā)環(huán)境界面。

圖6 VITE3.0集成開發(fā)環(huán)境

平臺軟件在功能上主要包括TPS開發(fā)功能、測試執(zhí)行功能和數(shù)據(jù)分析管理功能。

1)TPS開發(fā)：該模塊是軟件進(jìn)行測試任務(wù)的總?cè)肟?，用戶必須通過測試對象的需求分析，生成測試項(xiàng)目與系統(tǒng)測試資源的映射關(guān)系。在軟件平臺中進(jìn)行TPS流程開發(fā)，生成直接面向底層VPX儀器驅(qū)動的測試流程序列，通過與硬件和系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，完善軟件TPS。

TPS流程開發(fā)使用圖形化順序編寫方式，以測試項(xiàng)目和測試點(diǎn)為基本組成部分，兼顧了圖形化開發(fā)的方便易用和代碼編寫方式的結(jié)構(gòu)化順序執(zhí)行形式。

2)TPS執(zhí)行：測試流程執(zhí)行是整個軟件的核心部分，軟件系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的TPS測試流程自動執(zhí)行相應(yīng)的測試操作。測試執(zhí)行過程從流程的第一個測試動作開始執(zhí)行，直到最后一個測試動作執(zhí)行完畢。在TPS流程執(zhí)行過程中，系統(tǒng)根據(jù)流程中的配置信息，自動選擇相應(yīng)的儀器進(jìn)行激勵和測量操作，完成測試數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲工作。執(zhí)行部分提供給用戶啟動運(yùn)行、暫停運(yùn)行、停止運(yùn)行、繼續(xù)運(yùn)行等操作來控制整個測試動作的執(zhí)行過程。

3)測試報(bào)表與數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)分析管理功能主要完成歷史測試數(shù)據(jù)信息的查詢工作、報(bào)表生成、打印、統(tǒng)計(jì)分析等功能。查詢工作提供給用戶對歷史測試數(shù)據(jù)的查詢，通過輸入測試時間、測試人員、測試內(nèi)容等一系列查詢條件，界面列舉出所有滿足條件的測試結(jié)果信息，包括測試結(jié)果值、測試范圍、合格條件、判定結(jié)果等；報(bào)表生成提供給用戶針對結(jié)果的Word和Excel文件格式的標(biāo)準(zhǔn)化輸出模式，可以直接將列表結(jié)果生成友好的報(bào)表內(nèi)容；打印功能提供用戶對結(jié)果內(nèi)容的打印輸出；統(tǒng)計(jì)分析功能通過調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)度算法和Matlab的數(shù)據(jù)分析組件，可以對用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以依靠專家知識生成工具和綜合數(shù)據(jù)分析工具實(shí)現(xiàn)用戶對故障分析、處理和統(tǒng)計(jì)歸類的需求。

3.2 測試程序設(shè)計(jì)

無線電指令收發(fā)功能測試主要分為射頻測試、指令譯碼測試、回傳測試，性能測試主要是接收靈敏度測試和發(fā)射功率測試。

TPS主要在主控制器測試軟件VITE中運(yùn)行，設(shè)計(jì)采用樹形列表的方式，如圖7所示。

圖7 TPS流程開發(fā)環(huán)境

測試流程中的射頻測試、信息回傳測試都需要較高的系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)時性，因此采用測試軟件VITE+無線電測試模塊實(shí)時測試的方式：測試初始化時將需要無線電測試模塊實(shí)時執(zhí)行的編碼、發(fā)送、接收、解碼等測試流程下裝到無線電測試模塊的ARM處理器內(nèi)存中，等待主控制器測試軟件調(diào)用；當(dāng)執(zhí)行到實(shí)時測試步驟時由主控制器測試軟件根據(jù)TPS流程，調(diào)用無線電測試模塊ARM處理器執(zhí)行實(shí)時測試并返回結(jié)果，其余測試流程由主控制器測試軟件執(zhí)行。既保證了測試實(shí)時性，又兼顧了通用測試系統(tǒng)架構(gòu)，使系統(tǒng)具有通用性、擴(kuò)展性。

實(shí)現(xiàn)上述流程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)通用的無線電測試模塊的驅(qū)動接口，使得無線電測試模塊具備通用儀器控制接口的同時，增加下裝實(shí)時測試流程的接口，并需要設(shè)計(jì)ARM處理器程序，使其配合上位測試軟件的驅(qū)動調(diào)用以及執(zhí)行起停、結(jié)果上傳等操作。

ARM處理器中運(yùn)行實(shí)時測試系統(tǒng)，負(fù)責(zé)與主控制器進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)傳輸，在實(shí)時測試模式下解析ATML文件(測試程序文件)，項(xiàng)目采用成熟的XML解析器組件，并定義了相應(yīng)的操作函數(shù)，測試程序通過調(diào)用接口函數(shù)，采用遍歷的方式實(shí)現(xiàn)對所有測試節(jié)點(diǎn)的解析。經(jīng)驗(yàn)證本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主控制器與無線電測試模塊的良好配合，完成實(shí)時測試任務(wù)。

4 測試結(jié)果與分析

針對某無線電指令收發(fā)單元測試需求，在測試系統(tǒng)上位機(jī)中采用VITE開發(fā)環(huán)境編寫測試程序，對該被測對象進(jìn)行指令收發(fā)功能測試。

如下圖8為VITE中測試執(zhí)行結(jié)果。由圖中可見，系統(tǒng)通過VITE控制無線電測試模塊發(fā)出通信指令，再讀取被測對象的返回?cái)?shù)據(jù)。圖9顯示了發(fā)出指令到接收數(shù)據(jù)的信號波形。

圖8 測試流程執(zhí)行結(jié)果

圖9 測試流程執(zhí)行環(huán)境

可見無線電測試模塊能夠?qū)崟r處理指令信號發(fā)送和接收，并將結(jié)果返回給上位機(jī)軟件VITE。本文所述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足無線電指令測試實(shí)時性的需求。

5 結(jié)論

無線電指令收發(fā)單元測試設(shè)備具有通用性、可擴(kuò)展的軟硬件架構(gòu)，在VPX總線架構(gòu)下通過詳細(xì)設(shè)計(jì)無線電測試模塊等專用測試設(shè)備硬件及軟件，實(shí)現(xiàn)了通用測試體系與實(shí)時測試、高速數(shù)據(jù)處理的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了無線電指令收發(fā)功能性能的自動化測試。該設(shè)備測試實(shí)時性高，符合通用化設(shè)計(jì)要求，其設(shè)計(jì)思想能夠推廣到類似具有實(shí)時性測試和大容量數(shù)據(jù)處理要求的應(yīng)用場合，如通信測試、雷達(dá)測試等等，具有較高實(shí)用意義。