某型機載通信對抗設(shè)備自動測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張 強，黃家成，趙文俊，陶 祁

(航空機務(wù)士官學(xué)校 航空電子工程系，河南 信陽 464000)

機載通信對抗設(shè)備是我軍網(wǎng)電一體和戰(zhàn)役信息攻擊的核心裝備，其通過偵察、干擾等手段，造成敵方通信中斷、指揮控制混亂，從而掩護航空兵空中突防作戰(zhàn)，極大地提高了我軍電子戰(zhàn)能力和支援保障能力[1]。機載通信對抗設(shè)備具有工作頻率范圍寬、信號樣式復(fù)雜、航空總線類型多和LRU(Line Replaceable Unit)數(shù)量多等特點，其測試過程涉及矢量信號調(diào)制、接口通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、信號處理、時域分析、頻域分析、數(shù)據(jù)域分析、存儲等多種技術(shù)。如果采用人工測試的方法，存在測試速度慢、測量精度差、測試診斷困難、綜合保障效費比低、對測試人員素質(zhì)要求高等問題。因此，迫切需要一種集成度高、通用性好的自動測試系統(tǒng)，以滿足不同類型通信對抗設(shè)備的測試需求。

隨著自動測試技術(shù)的不斷進步，自動測試系統(tǒng)在多個領(lǐng)域都發(fā)展迅猛，但基于該系統(tǒng)的開發(fā)成本及后期維護的考慮，它的發(fā)展還是受到了很大的制約[2]。在軍用領(lǐng)域，測試儀器的更新?lián)Q代往往比被測設(shè)備要快，而測試儀器的更換會導(dǎo)致ATS(Automatic Test System,自動測試系統(tǒng))的不兼容和TPS(Test Program Set,測試程序集)的失效，主要原因是測試儀器的驅(qū)動各不相同，測試程序的編寫又涉及到儀器控制。另一方面，在軟件開發(fā)時，依然存在TPS可移植性差和儀器互換性弱的問題，其根源在自動測試系統(tǒng)軟件平臺的面向儀器特征?；谝陨显?，自動測試系統(tǒng)的通用化進程勢在必行[3]。目前，發(fā)達國家對自動測試系統(tǒng)的研究已獲得很大的成就。在軍用領(lǐng)域，如美國馬丁公司研制的RTCASS系統(tǒng)(用于航空電子設(shè)備的測試)、法國研制的SESAR3000系統(tǒng)(用于三軍通用測試)、美國休斯公司研制的CTS系統(tǒng)(用于制導(dǎo)導(dǎo)彈的測試)。這些通用測試系統(tǒng)基本采用以下軟件平臺：① 美國 NI公司的TestStand 軟件；② 美國航空無線電公司的SMART軟件；③ 美國TYX公司的PAWS開發(fā)環(huán)境[4]。國內(nèi)對自動測試系統(tǒng)的研究起步晚，資金投入也不如發(fā)達國家，因此已有較大差距。隨著國家對自動測試的不斷重視，軍方、科研單位、高校及民營公司紛紛加入自動測試系統(tǒng)的研究隊伍當(dāng)中，也取得了一些成果，如北京聯(lián)合信標測試技術(shù)公司研制的GPTS軟件。但我國還未提出針對自動測試領(lǐng)域的自主標準，各單位對測試通用化的理解也各不相同，因此在短時間內(nèi)，我國的自動測試系統(tǒng)研制還無法滿足通用性要求[5]。

本文在分析當(dāng)前國內(nèi)外自動測試領(lǐng)域最新技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，采用“PXI/GPIB總線規(guī)范+模塊化硬件+軟件開發(fā)平臺”系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了在硬件層面的通用化；在軟件開發(fā)方面，采用北京聯(lián)合信標測試技術(shù)公司最新研制的GPTS3.1作為軟件開發(fā)平臺。GPTS3.1軟件采用ATML標準定義測試資源的層次結(jié)構(gòu)，并以規(guī)范性的格式描述保存，解決TPS的可移植性問題，從而使TPS的開發(fā)不再針對具體儀器；采用STD總線標準定義了通用信號描述結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了儀器能力的通用化。本文設(shè)計的基于PXI儀器、GPIB儀器的硬件平臺和面向信號的軟件平臺搭建方案，可為自動測試系統(tǒng)的通用化研究提供一定的參考，具有較大的實用價值。

1 系統(tǒng)組成

機載通信對抗設(shè)備自動測試系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)由6個便攜式貫通型機箱組合而成的ATE(Automatic Test Equipment,自動測試設(shè)備)和6個接口適配器(Test Unit Adapter,TUA)(5個測試適配器、1個校驗適配器)以及相關(guān)測試電纜、附件、夾具等組成。系統(tǒng)測試資源被合理地集成在6個獨立的機箱內(nèi)，6個機箱之間通過同軸電纜、低頻信號電纜和有關(guān)通信數(shù)據(jù)總線進行連接。自動測試系統(tǒng)外形實物如圖1所示，結(jié)構(gòu)組成框圖如圖2所示。

圖1 機載通信對抗設(shè)備自動測試系統(tǒng)外形圖

圖2 機載通信對抗設(shè)備自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

自動測試系統(tǒng)為各型UUT(Unit Under Test,被測裝置)建立通電工作環(huán)境，提供測試必須的電源、控制信號、激勵信號和檢測信號等測試資源。計算機系統(tǒng)通過測試軟件對測試資源進行控制，利用適配器這個橋梁，實現(xiàn)對UUT的功能檢查、性能測試和故障診斷。系統(tǒng)還具有告警和保護功能，在UUT測試過程中對系統(tǒng)運行進行監(jiān)控，當(dāng)UUT由于外部或內(nèi)部原因工作異常或發(fā)生故障時，自動終止測試，并以聲、光等形式向操作人員告警，并在操作軟件上給出故障提示和操作引導(dǎo)[6]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由PXI儀器、GPIB儀器以及其他總線儀器設(shè)備、通用標準測試接口、測控計算機系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、監(jiān)控電路、測試電纜以及6個適配器等組成，其組成如圖3所示。

圖3 機載通信對抗設(shè)備自動測試系統(tǒng)硬件組成原理圖

2.1 測控計算機系統(tǒng)

測控計算機系統(tǒng)是硬件平臺的控制核心，通過存儲在計算機中的測試程序，對系統(tǒng)測試資源和測試過程實施控制(如施加測試激勵信號、回收測試響應(yīng)、故障診斷和隔離等)，進行數(shù)據(jù)處理和記錄，并提供交互式的人機對話接口[7]?？紤]到系統(tǒng)的擴展性和資源的優(yōu)化配置，選用研華公司的ACP-4320型工控機作為測試系統(tǒng)的主控計算機，該計算機同時作為PXI儀器的外置式控制器，通過PXI-PCI8331 MXI-4 Kit組件對PXI儀器進行管理和控制。測控計算機系統(tǒng)由計算機主機、KVM切換器和打印機等外圍設(shè)備組成。計算機主機通過PCI接口內(nèi)置了多口網(wǎng)卡、USB擴展卡、多功能卡、PXI總線卡和GPIB總線控制卡等。

2.2 PXI模塊儀器和GPIB臺式儀器

因被測設(shè)備具有種類多、信號樣式復(fù)雜、頻率范圍寬、總線數(shù)量多等特點，若只選用PXI模塊儀器組建系統(tǒng)，不僅PXI模塊儀器的性價比遠沒有GPIB臺式儀器高，而且在射頻范圍內(nèi)PXI儀器的測量功能、測量精度和頻率范圍達不到指標要求。因此，把硬件平臺設(shè)計成PXI模塊儀器、GPIB臺式儀器相結(jié)合的混合系統(tǒng)。

在選用PXI模塊儀器和GPIB臺式儀器時，除滿足被測設(shè)備測試需求外，還應(yīng)滿足下列基本要求：① 滿足PXI測試總線規(guī)范和PXIplug&play的要求；② 可靠性高；③ 良好的性能價格比[8]。按以上要求優(yōu)選的PXI總線儀器和GPIB總線儀器，分別如表1、表2所示。

表1 PXI總線儀器

表2 GPIB總線儀器

這些測試儀器從功能上分主要有激勵源、信號采集儀器和開關(guān)類儀器。激勵源主要用于向被測試對象施加測試激勵信號，激勵信號可以是時域、頻域和調(diào)制域信號，主要包括各種直流電源、函數(shù)信號、差分開關(guān)類信號和復(fù)合調(diào)制射頻信號等；信號采集儀器主要用于測試UUT輸出的響應(yīng)信號，采集的信號頻率范圍從直流到63.5 GHz，主要包括數(shù)字多用表、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、光功率計、直流電源監(jiān)視和交流電源監(jiān)視等；開關(guān)類儀器以PXI儀器為主，包括矩陣開關(guān)、微波開關(guān)、多路器和通用繼電器開關(guān)，用于測量通道的構(gòu)建，施加激勵控制和電源控制等。

2.3 適配器

適配器是測試系統(tǒng)與UUT連接的橋梁，主要完成開關(guān)量的電平適配、模擬量的電平比較、響應(yīng)信號與測試資源的橋連、射頻信號走向的引導(dǎo)與控制、UUT電源供給等功能，以滿足檢測系統(tǒng)接口的電氣特性需求[9]。目前，機載通信對抗設(shè)備包含5個子系統(tǒng)，由70多個LRU組成。在設(shè)計適配器時，在分析LRU的功能、工作波段、所需測試資源、所屬子系統(tǒng)等因素的基礎(chǔ)上，將適配器分為偵察、干擾1、干擾2、干擾3、天選天共等5個適配器。為了方便測試系統(tǒng)進行計量，以保證系統(tǒng)測量精度，又設(shè)計了計量適配器。適配器通過ICA和ITA接口與測試系統(tǒng)進行連接，ICA和ITA接口分別為測試資源的輸入輸出接口和被測設(shè)備適配器接口[10]。下面以干擾子系統(tǒng)適配器為例進行介紹。

干擾子系統(tǒng)適配器由激勵信號調(diào)理電路、測量信號調(diào)理電路、通道選擇電路、總線電路和功分器等組成。其組成如圖4所示。

圖4 干擾子系統(tǒng)適配器基本組成框圖

① 激勵信號調(diào)理電路：用于將ATE產(chǎn)生的激勵信號調(diào)整到符合被測設(shè)備接收的要求范圍內(nèi)，主要包括電源濾波電路、阻抗變換、幅值調(diào)理、射頻信號通道切換等電路。

② 信號測量調(diào)理電路：用于將UUT設(shè)備輸出的測信號進行合適的調(diào)理，調(diào)整到PXI儀器測量量程內(nèi)，主要包括負載模擬、幅值調(diào)理、射頻信號通道切換等電路。

③ 通道選擇電路：按指令從多個測量通道中選擇需要測量的通道接到智能儀器的測量端。

④ 總線電路：用于將ATE產(chǎn)生自身的各種總線與UUT的總線接口進行連接，用于控制各個UUT設(shè)備的工作狀態(tài)。對于干擾子系統(tǒng)，總線電路主要是RS232總線和RS422總線。

⑤ 功分器：功分器為一分十四功分器，用于將ATE系統(tǒng)內(nèi)信號發(fā)生器輸出的信號進行功率分配，主要用來測試波束控制器、發(fā)射機控制器、天線選擇器、幅相處理器、功率合成器等設(shè)備的相關(guān)參數(shù)(插損、駐波比)。

⑥ UUT識別電路：由于被測對象數(shù)量較多，為了防止接錯UUT,在適配器內(nèi)部設(shè)計有UUT識別電路，對各UUT所對應(yīng)的適配器進行識別，檢查測試系統(tǒng)上所掛接的適配器是否正確；再對連接電纜進行識別，檢查連接電纜與UUT是否正確；連接電纜檢測通過后，對測試章節(jié)進行選擇并開始測試。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件平臺

軟件系統(tǒng)主要由測試程序開發(fā)環(huán)境、測試程序運行環(huán)境、測試程序集(TPS)、儀器驅(qū)動和數(shù)據(jù)庫等組成[11]。測試程序?qū)崿F(xiàn)被測對象的功能、性能和故障隔離測試，1個被測對象(LRU)對應(yīng)1個TP。軟件組成框圖如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)組成框圖

軟件開發(fā)平臺由通用集成測試軟件平臺(GPTS3.1)、LabWindows CVI 9.0和Microsoft SQL Server 2000 后臺數(shù)據(jù)庫組成。GPTS3.1提供測試程序的開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境，在GPTS3.1軟件平臺上使用ATLAS語言編譯器編寫各型UUT的維護程序；SQL Server 2000 主要用于存儲各型UUT測試結(jié)果數(shù)據(jù),兩者間通過Windows操作系統(tǒng)提供的ODBC接口進行數(shù)據(jù)的交換[12]。LabWindows CVI 9.0用于編寫人機交互界面，生成動態(tài)鏈接函數(shù)，GPTS通過動態(tài)鏈接調(diào)用人機交互界面。

GPTS3.1軟件平臺采用類ATLAS語言技術(shù)研制的測試程序軟件平臺，采用標準ATLAS716，滿足標準ATLAS716-1995語法的任何測試程序都能在GPTS上編譯，信號庫開放，可由用戶任意擴充。底層驅(qū)動同時支持IVI-COM和IVI-C，完全開放的底層驅(qū)動程序接口及系統(tǒng)連線表,具有良好的系統(tǒng)無關(guān)性和儀器驅(qū)動互換性，測試信號通過配置文件進行配置，測試程序開發(fā)時只需關(guān)心測試信號，而與測量儀器無關(guān)[13]，用戶可以完全自主地集成測試系統(tǒng)。GPTS3.1軟件平臺系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 GPTS3.1軟件平臺系統(tǒng)組成框圖

在測試程序開發(fā)環(huán)境中進行，為每一個UUT開發(fā)對應(yīng)的測試程序，多個開發(fā)人員可以在多臺計算機上并行脫機仿真調(diào)試測試程序，仿真調(diào)試完成后，再進行系統(tǒng)連接調(diào)試測試程序，最后，編譯生成對應(yīng)的dll文件，它與適配器連線表、安裝文件及測試程序說明文檔并稱為TPS。開發(fā)人員將其制作的TPS軟件包發(fā)布給最終用戶，并由最終用戶使用測試程序管理模塊安裝到運行環(huán)境中。這種測試程序結(jié)構(gòu)確保了系統(tǒng)的開放性，即用戶可以不斷地在一個系統(tǒng)上開發(fā)新的測試程序來擴展系統(tǒng)的功能。

3.2 測試程序設(shè)計

機載通信對抗設(shè)備測試流程如圖7所示，將TPS按6個適配器進行分類，每個適配器對應(yīng)若干個被測組件，每1個組件的TP又分為若干個章節(jié)，章節(jié)的劃分是根據(jù)被測組件的測試項目數(shù)來確定。

圖7 測試流程圖

啟動運行環(huán)境后，首先選擇測試對象(UUT)，軟件對該UUT所對應(yīng)的適配器進行識別，檢查自動測試系統(tǒng)所掛接的適配器是否正確，再對連接電纜進行檢查。連接電纜檢測通過后，對測試章節(jié)進行選擇并開始測試，在測試程序控制模塊的控制下，對系統(tǒng)連線表、適配器連線表、虛擬資源分配表進行查詢；在訪問控制組件的控制下，調(diào)IVI驅(qū)動、進一步調(diào)下一層VISA驅(qū)動，完成對儀器的操控，將數(shù)據(jù)在C環(huán)境處理后，得到測試結(jié)果。如果測試正常進則將測試結(jié)果入庫保存或生成報表打印，否則進入診斷測試子程序以診斷故障或進入故障隔離子程序以隔離故障。診斷測試子程序測試性建模診斷軟件生成，通過診斷執(zhí)行器執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果一方面生成故障診斷報告提供給用戶，另一方面送入知識庫，進一步豐富知識庫的內(nèi)容，完成知識的積累。

4 實驗結(jié)果與分析

針對機載通信對抗設(shè)備的測試需求，自動測試系統(tǒng)必須滿足以下要求：① UUT數(shù)量較多，地面維護人員掌握所有被測件的工作原理有一定困難，所以對系統(tǒng)的自動化程度要求較高；② 除了正常對UUT主要技、戰(zhàn)術(shù)指標進行測試外，系統(tǒng)還要具有故障診斷和故障隔離功能；③ 為了保證測試結(jié)果的精度，需要定期對自動測試系統(tǒng)進行計量[14]。

機載通信對抗設(shè)備測試系統(tǒng)根據(jù)使用人員的要求，對軟件操作界面進行改進，使人機交互界面操作簡便，降低對用戶的技術(shù)要求[15]。系統(tǒng)運行界面如圖8～圖11所示，當(dāng)用戶選擇完測試對象后，系統(tǒng)會自動出現(xiàn)電纜連接提示，用戶只需按照提示進行操作即可。開始測試前會進行適配器、連接電纜和UUT識別，以防止人為差錯。

圖8 UUT選擇軟件界面

圖9 電纜連接提示界面

圖10 測試章節(jié)(項目)選擇對話框

圖11 測試結(jié)果輸出界面

在整個測試過程中，維護人員只需要通過適配器和電纜將UUT與系統(tǒng)進行連接，系統(tǒng)會通過軟件控制自動完成UUT的識別和性能測試，從而極大地降低對維護人員的技術(shù)要求。

測試系統(tǒng)平臺軟件還具有故障診斷和隔離功能，可將外場可更換單元(LRU)的故障隔離到內(nèi)場可更換單元(SRU)，將可測試的SRU故障隔離到電路單元或元器件。穩(wěn)定故障檢出率95%；故障隔離到1個SRU的準確率≥80%；故障隔離到2個SRU的準確率≥90%；故障隔離到3個SRU的準確率≥96%。

為了方便測試系統(tǒng)進行計量，以保證系統(tǒng)測量精度，設(shè)計有專用計量適配器，在軟件內(nèi)部設(shè)置有“ATE維護”節(jié)點，單擊“ATE維護”左側(cè)的“+”號，可展開對應(yīng)的二級節(jié)點，即：“計量輔助”和“系統(tǒng)自檢”。雙擊“計量輔助”會啟動計量程序，在外部計量設(shè)備的配合下，對系統(tǒng)內(nèi)所包含的GPIB臺式儀器和PXI模塊化儀器進行計量；雙擊“系統(tǒng)自檢”會啟動自檢程序，在程序的控制下，自動完成對系統(tǒng)內(nèi)所有的硬件測試資源的自檢，并輸出自檢結(jié)果?！坝嬃枯o助”的相關(guān)信息如圖12所示。

圖12 “計量輔助”信息界面

目前，機載通信對抗設(shè)備自動測試系統(tǒng)已在多個航空兵部隊使用，可完成70多個型號LRU的功耗、發(fā)射功率、頻率誤差、插入損耗、駐波比、靈敏度等9類36個指標參數(shù)的測量，涵蓋了機載通信對抗設(shè)備的主要技、戰(zhàn)技術(shù)指標。自動測試系統(tǒng)在3年的使用時間內(nèi)，共完成560多臺次LRU的通電檢查和性能檢測。通過對機載通信電臺的通電檢查和性能檢測，共發(fā)現(xiàn)指標不合格組件61件，故障組件24件，有效保障了機載通信對抗系統(tǒng)的正常使用。

使用結(jié)果表明，自動測試系統(tǒng)能夠?qū)C載通信對抗系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的LRU實現(xiàn)功能檢查、性能測試、故障檢測與隔離等功能，能將故障隔離到SRU，解決了新機裝備的各型LRU功能檢驗、性能檢測與評估、排故與維修等綜合保障問題，為部隊開展視情檢查、定檢、故障檢修等維護工作提供一個通用的綜合測試平臺，極大地提高了部隊地面綜合保障能力。

5 結(jié)束語

機載通信對抗設(shè)備自動測試系統(tǒng)采用先進的ATS設(shè)計理念，綜合運用虛擬儀器、人工智能、面向信號設(shè)計等多種技術(shù)，以工業(yè)控制計算機為核心，以PXI儀器、GPIB臺式儀器為主體，以多種總線為紐帶，構(gòu)建了一種技術(shù)先進、可靠性高、通用性好、便于計量、操作簡便、可擴展性強的綜合化自動測試系統(tǒng)。

自動測試系統(tǒng)具有標準化、模塊化、通用化的結(jié)構(gòu)和豐富的系統(tǒng)資源，其不僅適用于機載通信對抗設(shè)備的檢測，通過增加相應(yīng)的適配器和TPS，也適用于其他機載電子設(shè)備的檢測，保障覆蓋范圍極大地增加。因此，本文設(shè)計的機載通信對抗設(shè)備自動測試系統(tǒng)具有良好的推廣應(yīng)用前景，必將產(chǎn)生明顯的軍事和經(jīng)濟效益。