基于LabWindows/CVI的T/R模塊自動(dòng)化測試與數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)

姚國國,王鵬飛

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

T/R模塊作為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的重要組成部件，其性能直接決定了相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的性能，因此需要對T/R模塊的性能參數(shù)進(jìn)行精確測量和性能評估。一套相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可能包含多種不同規(guī)格的T/R模塊，每一種規(guī)格的T/R模塊由多個(gè)獨(dú)立發(fā)射、接收通道組成。僅對具有5位數(shù)控衰減器、5位數(shù)控移相器的單通道T/R模塊來說，每個(gè)頻點(diǎn)均有64個(gè)基本測試狀態(tài)，每一個(gè)T/R通道有幾十項(xiàng)指標(biāo)。完成一套相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)T/R模塊的全面測試，需要測試的通道數(shù)多、技術(shù)參數(shù)多，任務(wù)量非常龐大，測試后還需要對海量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評判。傳統(tǒng)測試方法需要手動(dòng)操作測試儀器、手動(dòng)記錄測試結(jié)果，手動(dòng)完成測試結(jié)果的分析,存在易出錯(cuò)、工作量巨大和測試效率低等缺點(diǎn)。因此傳統(tǒng)的手動(dòng)測試方法無法滿足大批量T/R模塊的測試需求[1-6]。

LabWindows/CVI是以ANSI C標(biāo)準(zhǔn)為核心的交互式虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，其將測控技術(shù)和C語言相結(jié)合，具有豐富的庫函數(shù)和靈活的交互式編程方法，為建立自動(dòng)測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等提供了良好的軟件開發(fā)環(huán)境。LabWindows/CVI和其他虛擬儀器開發(fā)工具相比，具有其獨(dú)特的特點(diǎn)[7-8]：(1)開發(fā)環(huán)境可用于創(chuàng)建基于GPIB、PXI、VXI、串口和以太網(wǎng)等虛擬儀器系統(tǒng)；(2)功能豐富和強(qiáng)大的函數(shù)庫；(3)開發(fā)的框架軟件架構(gòu)；(4)交互式的程序開發(fā)和靈活的程序調(diào)試手段。

本文基于LabWindows/CVI平臺(tái)，設(shè)計(jì)了T/R模塊自動(dòng)化測試與數(shù)據(jù)分析軟件。應(yīng)用本文設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了對多種標(biāo)準(zhǔn)測量儀器的程序控制，波束控制盒和T/R模塊的控制，測試數(shù)據(jù)的記錄、分析和判讀，測試分析報(bào)告的自動(dòng)生成，硬件排故等功能。

1 T/R模塊自動(dòng)化測試系統(tǒng)組成

T/R模塊自動(dòng)化測試系統(tǒng)的組成如圖1所示。該自動(dòng)化測試系統(tǒng)主要由主控計(jì)算機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)測量儀器(包含矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率計(jì)、噪聲儀等)、波束控制盒、測試夾具(含T/R模塊)等組成。主控計(jì)算機(jī)通過USB轉(zhuǎn)GPIB接口實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)測量儀器的通信和控制，通過USB轉(zhuǎn)RS232接口實(shí)現(xiàn)與波束控制盒的雙向通信；波束控制盒作為主控計(jì)算機(jī)和T/R模塊連接的紐帶，將主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令轉(zhuǎn)化為T/R模塊所需的電平、位指令和通信控制信號(hào)等通過SPI串行總線與T/R模塊進(jìn)行通信和控制。T/R模塊的射頻輸入和輸出接口通過射頻電纜與標(biāo)準(zhǔn)測量儀器相連，主控計(jì)算機(jī)控制標(biāo)準(zhǔn)測量儀器實(shí)現(xiàn)對T/R模塊接收和發(fā)射性能參數(shù)的測試。

圖1 T/R模塊自動(dòng)化測試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 T/R module automatic test system block diagram

2 自動(dòng)化測試與數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)

針對T/R模塊的測試需求，自動(dòng)化測試與數(shù)據(jù)分析軟件需要具備自動(dòng)測試、分析和處理能力。自動(dòng)化測試與數(shù)據(jù)分析軟件功能如下：

a.主控計(jì)算機(jī)與波束控制盒通信，可實(shí)現(xiàn)對T/R模塊各通道接收與發(fā)射狀態(tài)的供電控制。T/R模塊產(chǎn)品供電電源采用程控電源，通過程序控制其加電和斷電；對收/發(fā)轉(zhuǎn)換、數(shù)控移相狀態(tài)、數(shù)控衰減狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。具有電壓、電流指示，過壓、過流保護(hù)，供電監(jiān)測和異常提示等功能。

b.自動(dòng)測試程序控制T/R模塊各通道的切換，實(shí)現(xiàn)一次連接能完成多個(gè)通道參數(shù)的測量。

c.T/R模塊自動(dòng)化測試軟件能在控制T/R模塊工作狀態(tài)的同時(shí)，控制測量儀器(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率計(jì)、噪聲儀等)工作，同步采集測試數(shù)據(jù)，完成T/R模塊各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的自動(dòng)測試。

d.對測試的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，消除工裝轉(zhuǎn)換等影響，形成最終真實(shí)的測試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行帶內(nèi)波動(dòng)、均方根誤差、通道間不一致性等數(shù)據(jù)處理，并按要求的格式顯示、存儲(chǔ),同時(shí)具有判斷產(chǎn)品性能是否超差等功能。

按照自動(dòng)化測試與數(shù)據(jù)分析軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能，將自動(dòng)化測試與數(shù)據(jù)分析軟件分為屏顯與任務(wù)調(diào)度模塊、產(chǎn)品通信與控制模塊、標(biāo)準(zhǔn)測量儀器控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊。

屏顯與任務(wù)調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)屏顯可視化工作界面、測試任務(wù)調(diào)度等功能。利用LabWindows/CVI軟件平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建用戶工作界面、控件、修改和添加控件的屬性、回調(diào)函數(shù)等。

產(chǎn)品通信與控制模塊實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)與波束控制盒的通信，將控制碼發(fā)送給波束控制盒，通過波束控制盒建立對T/R模塊各種工作模式的控制，波束控制盒將控制碼進(jìn)行譯碼、信號(hào)電平轉(zhuǎn)換后送給T/R模塊，T/R模塊接收可識(shí)別的26位串行控制碼，實(shí)現(xiàn)對T/R模塊各通道的工作狀態(tài)控制，如單通道加電和斷電、數(shù)字移相控制、數(shù)字衰減控制、接收和發(fā)射控制等。LabWindows/CVI具有豐富的函數(shù)庫，可實(shí)現(xiàn)對底層的通信，圖2為設(shè)置波特率、奇偶檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)長度等參數(shù)的軟件代碼，通過調(diào)用庫函數(shù)完成對RS232接口的配置。

圖2 串行口配置代碼Fig.2 Serial port parameter configuration code

標(biāo)準(zhǔn)測量儀器控制模塊實(shí)現(xiàn)對各種測量儀器(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率計(jì)、噪聲儀等)的通信控制與數(shù)據(jù)采集。T/R模塊的S參數(shù)測試由主控計(jì)算機(jī)控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)，可以在連續(xù)波或脈沖調(diào)制信號(hào)激勵(lì)下完成T/R模塊指標(biāo)的測試：

a.接收通道端口駐波；

b.接收通道增益；

c.數(shù)控衰減范圍、不同衰減狀態(tài)附加相移、衰減精度；

d.數(shù)控移相范圍、不同移相狀態(tài)插入損耗、移相精度；

e.T/R模塊各通道間幅度、相位一致性；

f.失真特性(功率壓縮、交調(diào)等)，以及失真狀態(tài)下S參數(shù)測試。

對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的參數(shù)設(shè)置[9-10]代碼如圖3所示。

圖3 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)配置代碼Fig.3 Vector network analyzer parameter configuration code

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊實(shí)現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、測試數(shù)據(jù)的判讀、測試分析報(bào)告的生成等功能。本文測試軟件在LabWindows/CVI環(huán)境下，基于ActiveX技術(shù)訪問Excel，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的交互、存儲(chǔ)、運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)，并以圖表和圖形方式直觀展示和分析數(shù)據(jù)。應(yīng)用ActiveX技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對Excel軟件的控制[11-14]，最終生成Excel格式的測試分析報(bào)告。圖4是在LabWindows/CVI平臺(tái)環(huán)境下建立Excel文件的部分代碼以及測試軟件生成的部分測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果報(bào)表。

自動(dòng)化測試與數(shù)據(jù)分析軟件通過程序控制各種標(biāo)準(zhǔn)測量儀器、產(chǎn)品通道狀態(tài)切換、同步采集測試數(shù)據(jù)、軟件自動(dòng)生成測試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)等多種途徑，減少了測試人員繁瑣、重復(fù)的測試工作量，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無紙化測試，從而提高了產(chǎn)品的測試和交付效率。實(shí)測結(jié)果，該軟件可將32通道T/R模塊下64種衰減和移相狀態(tài)進(jìn)行全狀態(tài)測試的時(shí)間控制在8 min以內(nèi)。

圖4 Excel文件代碼和測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.4 Excel file code and diagram of test data statistics results

在產(chǎn)品測試前，通過控制自動(dòng)化測試與數(shù)據(jù)分析軟件對測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)誤差提前存入軟件中，在產(chǎn)品測試完成后，軟件利用校準(zhǔn)誤差對測試結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，將補(bǔ)償后的測試結(jié)果存儲(chǔ)并進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀和統(tǒng)計(jì)，從而提高了產(chǎn)品測試指標(biāo)的精度。由于對產(chǎn)品測試前進(jìn)行了測試系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)，產(chǎn)品的測試誤差僅來源于校準(zhǔn)殘差、測試儀器誤差、測試系統(tǒng)本身的波動(dòng)等因素。通過對產(chǎn)品的大量實(shí)測結(jié)果進(jìn)行分析得知，產(chǎn)品的增益、功率等指標(biāo)的測量精度在0.5 dB以內(nèi)，相位測量精度在10°以內(nèi)，滿足系統(tǒng)的使用要求。