批生產(chǎn)衛(wèi)星的桌面電接口快速自動(dòng)化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 光，潘曉彤，汪 灝，曹彩霞，龔文斌，劉會(huì)杰

(1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201210；2.中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201210)

0 引言

目前，各國對太空資源的競爭越來越激烈，各國爭相開展規(guī)模龐大的衛(wèi)星星座建設(shè)計(jì)劃，SpaceX公司更是提出了包含4.2萬顆衛(wèi)星的低軌通信星座[1-3]。我國也開展了遙測、導(dǎo)航、通信衛(wèi)星星座的建設(shè)。隨著衛(wèi)星星座的規(guī)模越來越大，對衛(wèi)星研制周期的要求越來越短，對衛(wèi)星自動(dòng)化測試的要求也越來越高[4-6]。

在衛(wèi)星型號研制過程中，對星上所有設(shè)備進(jìn)行桌面電性能聯(lián)接調(diào)試是必不可少的步驟[7]。桌面接口測試是衛(wèi)星測試的重要環(huán)節(jié)之一，它決定了各單機(jī)的電性能是否符合設(shè)計(jì)及相互之間的電接口是否匹配，只有桌面接口測試驗(yàn)證合格的單機(jī)才可以跟隨整星完成后續(xù)AIT測試。桌面電接口測試的測試項(xiàng)目包括：單機(jī)的供電電壓測試、功率測試、浪涌測試、紋波測試等。

傳統(tǒng)的桌面電接口測試是通過“三通”電纜將待測的電接口信號傳輸至示波器、萬用表等測試儀器，然后由測試人員進(jìn)行測試儀器的操作完成測試數(shù)據(jù)的讀取。這種方法存在著以下問題：1)各環(huán)節(jié)均需人工進(jìn)行線纜的插拔，存在安全隱患；2)測試無法自動(dòng)化、效率低下；3)測試標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)一致性差。因此，傳統(tǒng)的桌面電接口測試方法無法適應(yīng)批生產(chǎn)衛(wèi)星的桌面電接口測試對自動(dòng)化、批量化、標(biāo)準(zhǔn)化的測試要求，亟需開展面向批生產(chǎn)衛(wèi)星的桌面電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)的研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本研究的目的是建立一套桌面電接口測試的系統(tǒng)，可以自動(dòng)化地完成批生產(chǎn)衛(wèi)星的桌面電接口測試任務(wù)，克服傳統(tǒng)的電接口測試存在的問題。

在進(jìn)行桌面電接口測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮并且遵循以下原則：

1)具備自動(dòng)化測試能力：桌面電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)需要具備全自動(dòng)化測試能力，系統(tǒng)連接完成后不需要人工手動(dòng)配合即可完成全部的桌面電接口測試內(nèi)容，避免測試過程中線纜的反復(fù)插拔所帶來的安全隱患和效率低下。

2)具備數(shù)據(jù)自主分析能力：桌面電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)的自主分析能力，可根據(jù)測試用例的要求完成待測指標(biāo)的測量，數(shù)據(jù)的測量分析要具備統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和可重復(fù)性。同時(shí)，控制分析軟件對于超差數(shù)據(jù)具備自主告警能力。

3)具備模塊化集成能力:桌面電接口的自動(dòng)化測試是衛(wèi)星整星自動(dòng)化測試系統(tǒng)的重要一環(huán)。在沒有完備的整星自動(dòng)化測試系統(tǒng)時(shí)，該環(huán)節(jié)的自動(dòng)化測試可以在一定程度上提高衛(wèi)星的測試效率，同時(shí)為整星的自動(dòng)化測試提供一定的參考和借鑒。因此，桌面電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就需要具備模塊化的能力，方便后續(xù)集成進(jìn)整星的自動(dòng)化測試系統(tǒng)中。比如，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用網(wǎng)口的控制模式，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)預(yù)留外部同步接口，控制分析軟件預(yù)留外部指令接口并且可配置成DLL形式的動(dòng)態(tài)鏈接庫或者軟件函數(shù)供整星的自動(dòng)化測試軟件調(diào)用。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對具備自動(dòng)化測試能力、具備數(shù)據(jù)自主分析能力、具備模塊化集成能力的要求，對批生產(chǎn)衛(wèi)星的桌面電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)。

桌面電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)由程控接線盒、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制分析軟件組成。程控接線盒可根據(jù)指令完成被測節(jié)點(diǎn)的選通功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成被測信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?？刂品治鲕浖筛鶕?jù)被測項(xiàng)目完成采集數(shù)據(jù)的分析處理、超差數(shù)據(jù)告警、自動(dòng)報(bào)告生成等。

控制分析軟件運(yùn)行在NI的工控機(jī)中，通過人機(jī)交互界面接收用戶的指令，通過PCIe與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過網(wǎng)口對程控接線盒進(jìn)行指令控制。桌面電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)組成框圖

2.1 程控接線盒設(shè)計(jì)

程控接線盒設(shè)計(jì)是桌面電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)完成自動(dòng)化測試的重要環(huán)節(jié)之一，程控接線盒設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到桌面電接口自動(dòng)化的程度。

程控接線盒需同時(shí)具備兩個(gè)功能：1)具備信號與被測單機(jī)直通的功能，完成被測單機(jī)的供電、422信號傳輸?shù)龋?)程控接線盒具備將待測的節(jié)點(diǎn)選通到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的能力，節(jié)點(diǎn)的選通可通過遠(yuǎn)程指令進(jìn)行控制。

由于一顆衛(wèi)星的接線盒的可能包含幾十個(gè)不同類型的接插件(根據(jù)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)不同而不同)，同時(shí)每個(gè)接插件所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同，因此滿足一顆衛(wèi)星測試的程控接線盒中的接插件的總點(diǎn)位數(shù)可能達(dá)到上千個(gè)。然而，為了避免測試過程中需要手動(dòng)的插拔操作，保證測試節(jié)點(diǎn)選通的自動(dòng)化原則，每個(gè)接插件的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均需要通過多路選擇開關(guān)與被測節(jié)點(diǎn)的總線進(jìn)行連接。因此接線盒的矩陣開關(guān)設(shè)計(jì)將非常龐大和復(fù)雜。

考慮到接線盒的小型化及電接口測試的項(xiàng)目的需求，為避免復(fù)雜的接線，待測接口僅保留3個(gè)，3路中兩路進(jìn)行電壓的測量，1路進(jìn)行電流的測量。同時(shí)，采用PCB板進(jìn)行接線盒線纜的連接和多路開關(guān)的控制，達(dá)到設(shè)備小型化和易控制的目的。

程控接線盒如圖2所示，其由主接插件、備接插件、被測接口組成。主接插件和副接插件是同類型的接插件。主副接插件之間通過單路通斷開關(guān)連接PCB上的導(dǎo)線進(jìn)行連接，主接插件通過PCB上的導(dǎo)線與多路選擇開關(guān)進(jìn)行連接，然后多路選擇開關(guān)通過PCB上的導(dǎo)線與分別與被測接口1、2、3的總線進(jìn)行連接。為了保證信號傳輸時(shí)序的一致性，對應(yīng)的主、副接插件之間在PCB板上的直通導(dǎo)線的長度要盡量一致。

圖2 程控接線盒示意圖

為了方便進(jìn)行電流的測量，設(shè)計(jì)中采用霍爾電流測量器件，通過電磁感應(yīng)對電流進(jìn)行測量。在進(jìn)行電流測量測量時(shí)，將主副接插件之間的選通開關(guān)斷開，主接插件的開關(guān)選擇3號口，同時(shí)將3號總線的對應(yīng)點(diǎn)位的開關(guān)與副接插件進(jìn)行連通。該種方式可以無感進(jìn)行單機(jī)的穩(wěn)態(tài)電流、浪涌電流等的測量。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要作用是將電壓或者電流等模擬量測量信號，經(jīng)過信號采集和A/D變換后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用市場上成熟的基于 PXI 總線通信協(xié)議的數(shù)據(jù)采集板卡實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的采集[8-9]。PXI 是 PCI 在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它將 Compact PCI 規(guī)范定義的 PCI 總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器(VI)體系結(jié)構(gòu)。以 PXI 總線和 VI 技術(shù)為基礎(chǔ)，可組建高速、大數(shù)據(jù)吞吐量的自動(dòng)測試系統(tǒng)，大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的體積、重量。同時(shí)， PXI硬件是基于標(biāo)準(zhǔn)PC技術(shù)，如PCI總線以及標(biāo)準(zhǔn)的CPU和外設(shè)，用戶就可以使用熟悉的標(biāo)準(zhǔn)Windows軟件架構(gòu)，以節(jié)約時(shí)間和成本[10-11]。

經(jīng)過產(chǎn)品的選型和對比分析，擬采用NI公司的PXIe-5162采集板卡完成桌面電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能。PXIe-5162高速采集板卡設(shè)備具有4個(gè)通道，采樣速率高達(dá)5 GS/s，采樣位數(shù)可達(dá)到10 bit，可滿足高速、靈敏的浪涌電流等的測量需求。同時(shí)，該板卡提供靈活的耦合、電壓范圍和濾波設(shè)置，滿足衛(wèi)星電壓信號測量要求。此外，PXIe-5164采集板卡還具有多個(gè)觸發(fā)模式、高容量板載內(nèi)存和一個(gè)包含數(shù)據(jù)流和分析功能的儀器驅(qū)動(dòng)程序，還具有用戶可編程FPGA以及PXI同步和數(shù)據(jù)流傳輸功能，滿足外部觸發(fā)測量及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成如圖3所示，包括信號適調(diào)、濾波、放大、A/D變換、FPGA、PCIe總線等組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理：待采樣的模擬信號通過信號調(diào)理電路后, 經(jīng)放大器放大、濾波后, 由 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信后送入FPGA。FPGA 將處理后的數(shù)據(jù)存入在 FPGA 內(nèi)部開辟的 FIFO 緩存里，通過 PICe總線快速地將數(shù)據(jù)傳送到工控機(jī)端。其中，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，F(xiàn)PGA將接收到的數(shù)據(jù)以乒乓方式將交替存于兩片SRAM中，以保證采集和傳輸速率的匹配性。

系統(tǒng)開始工作前，要先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化操作。工控機(jī)通過總線向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送初始化的命令和參數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)初始化的命令和參數(shù)的要求，通過FPGA 對系統(tǒng)進(jìn)行配置,包括參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)控、采集控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存、數(shù)據(jù)傳輸方式等。這些命令通過 PI 硬核傳給 FPGA, 然后 FPGA 通過內(nèi)置程序把命令傳給各個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)主機(jī)命令功能。

FPGA的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心，主要由控制模塊、A/D模塊、時(shí)鐘模塊、PCIe模塊等組成。控制的主要作用是解析控制協(xié)議，控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括：系統(tǒng)啟動(dòng) / 停止數(shù)據(jù)采集、授時(shí)等。時(shí)鐘模塊。A/D模塊主要是負(fù)責(zé)與 A/D 芯片進(jìn)行通信，控制 A/D 轉(zhuǎn)換的進(jìn)程并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，同時(shí)將結(jié)果的記錄時(shí)間組幀后發(fā)送到緩存區(qū)。時(shí)鐘模塊的主要作用是進(jìn)行整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時(shí)序控制，并將時(shí)間信息提供給A/D模。PCIe 模塊實(shí)現(xiàn)了 PCIe 總線的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、配置管理層的協(xié)議，完成PCIe總線相關(guān)的傳輸任務(wù)。

2.3 控制分析軟件設(shè)計(jì)

控制分析軟件分為與用戶交互及整個(gè)系統(tǒng)控制的控制軟件部分，和進(jìn)行測量數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)分析部分。控制分析軟件運(yùn)行在NI的工控機(jī)中，通過人機(jī)交互界面接收用戶的指令，通過PCIe與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過網(wǎng)口對程控接線盒進(jìn)行指令控制。

控制軟件接收用戶的測試用例，根據(jù)測試用例的測試項(xiàng)目和測試順序進(jìn)行測試的控制。首先，控制軟件根據(jù)測試項(xiàng)目自動(dòng)生成測試報(bào)告模板，并將測試項(xiàng)目的類型發(fā)送數(shù)據(jù)分析軟件；其次，根據(jù)測試節(jié)點(diǎn)給程控接線盒發(fā)送指令進(jìn)行選通控制，并獲取該次測試時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的測量數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)分析軟件；然后，數(shù)據(jù)分析軟件根據(jù)測試項(xiàng)目的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將測量結(jié)果交給控制軟件，由控制軟件寫入到測試報(bào)告中?？刂栖浖臏y試控制流程如圖4所示。

圖4 控制軟件的測試控制流程

控制分析軟件從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取測量數(shù)據(jù)，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。電接口測試中的測量項(xiàng)目主要包括：供電電壓測量、功率測量、浪涌電壓和浪涌電流測量、總線電接口測量等,其中功率測量是通過供電電壓測量和電流測量結(jié)果的乘積獲得。在控制分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和分析時(shí)，首先根據(jù)測試項(xiàng)目設(shè)定分析類型和合格判據(jù)，然后根據(jù)分析類型進(jìn)行信號的邊沿上升時(shí)間、脈沖寬度、信號電壓等的測量，最后將測量結(jié)果輸出至測試報(bào)告并給出符合性判斷。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 復(fù)雜開關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

程控接線盒的自動(dòng)化設(shè)計(jì)是整個(gè)桌面電接口測試系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因?yàn)樾l(wèi)星包含多種接插件和節(jié)點(diǎn)數(shù)量類型，一個(gè)程控接線盒里面可能要包換上千個(gè)開關(guān)。如何確保復(fù)雜開關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行開關(guān)切換時(shí)的正確性，是進(jìn)行桌面電接口自動(dòng)化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問題。需根據(jù)整星測試實(shí)際情況，通過合理的時(shí)序控制并進(jìn)行開關(guān)切換的互斥操作，以保證整星測試的安全。

3.2 數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)

完成數(shù)據(jù)采集后，如何根據(jù)測試項(xiàng)目進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的分析挖掘，完成波形測量，是自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵。其中，數(shù)據(jù)分析挖掘的重點(diǎn)是波形搜索。隨著示波器指標(biāo)的不斷提高，樣點(diǎn)記錄長度也在逐漸增大，因此想要在巨大的信息量中去定位用戶感興趣的事件就會(huì)變得非常困難，這些事件可能會(huì)隱藏在記錄的某個(gè)地方[12]。系統(tǒng)根據(jù)測試項(xiàng)目設(shè)定搜索類型以及相應(yīng)的搜索條件，搜索條件會(huì)根據(jù)搜索類型的不同而不同，大多數(shù)情況下包括信號源、閾值電平、極性、時(shí)間等的選擇。然后根據(jù)測試項(xiàng)目不同對搜索到的波形進(jìn)行上升沿、峰峰值電壓、脈沖寬度等的測量。

4 結(jié)束語

桌面電接口測試是目前衛(wèi)星測試中自動(dòng)化程度較低、安全隱患較多的測試環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響衛(wèi)星的測試效率和安全，不符合批生產(chǎn)衛(wèi)星的高效自動(dòng)化測試要求。本文提出了一種桌面電接口自動(dòng)化測試方法和系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用具備開關(guān)選通控制功能的程控接線盒進(jìn)行電接口信號選通控制，利用NI的采集板卡完成信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集和存儲(chǔ)，利用控制分析軟件完成待測信號的電壓、功率、浪涌、紋波等的測量、分析及自動(dòng)測試報(bào)告的生成。該方法具有的技術(shù)優(yōu)勢如下：

1)測試更安全。通過軟件遠(yuǎn)程控制程控接線盒的選通，可以避免測試過程中的線纜插拔等操作引起的安全隱患；

2)測試效率高。根據(jù)測試用例可自動(dòng)進(jìn)行測試，而且具備自動(dòng)數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)生成報(bào)告的能力。

3)擴(kuò)展能力強(qiáng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用網(wǎng)口的控制模式對程控線路盒進(jìn)行控制，不受空間限制，方便靈活。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)預(yù)留外部同步接口，控制分析軟件預(yù)留外部指令接口并且可配置成DLL形式的動(dòng)態(tài)鏈接庫，可方便后續(xù)作為一個(gè)模塊集成在整星的自動(dòng)化測試系統(tǒng)中。

桌面電接口自動(dòng)化測試方法和系統(tǒng)可以避免測試過程中的線纜插拔等操作，而且具備自動(dòng)數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)生成報(bào)告的能力，同時(shí)可完成多顆星的并行測量，可大幅提升桌面電接口的測試效率，具有較強(qiáng)的應(yīng)用和推廣價(jià)值。