王　燕, 曹子劍 ,水道雁

(南京電子技術(shù)研究所, 南京　210039)

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基于VPX總線的高速數(shù)字電路測(cè)試系統(tǒng)研究及應(yīng)用

王燕, 曹子劍 ,水道雁

(南京電子技術(shù)研究所, 南京210039)

為解決戰(zhàn)略預(yù)警雷達(dá)、艦載一體化等重點(diǎn)型號(hào)雷達(dá)中高速數(shù)字電路模塊的維護(hù)能力，設(shè)計(jì)了基于VPX總線的高速數(shù)字電路自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，通過自研基于VPX總線的多功能測(cè)試模塊、光纖測(cè)試模塊，以及通用VPX背板，再結(jié)合通用的儀器設(shè)備構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，可兼顧多個(gè)型號(hào)雷達(dá)高速數(shù)字電路模塊的測(cè)試;該系統(tǒng)可提供10路光纖通道，波特率最高為3.2 Gbps；16路GPIO信號(hào)，中斷響應(yīng)時(shí)間<50 μs；14路Rocket IO信號(hào)，傳輸速率2.5 Gbps；4路*4Rapid IO信號(hào)，傳輸速率3.125 Gbps；研究及實(shí)測(cè)結(jié)果表明該系統(tǒng)可解決基于VPX總線的高速數(shù)字電路模塊的測(cè)試。

VPX總線; 高速數(shù)字電路自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng); 多功能測(cè)試模塊

0　引言

現(xiàn)代雷達(dá)向著數(shù)字化、軟件化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的雷達(dá)綜合處理系統(tǒng)通常采用基于并行傳輸?shù)腃PCI總線或VME總線等構(gòu)成，模塊間通信一般采用并行總線加自定義串行的方式，整體數(shù)據(jù)傳輸率偏低。VPX總線作為新一代的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，由VME總線發(fā)展而來，在保留了VME總線機(jī)械結(jié)構(gòu)及導(dǎo)冷抗震方面的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，最主要的變化在于引入了高速串行總線來替代并行總線。VPX模塊之間的互聯(lián)可以采用Serial RapidIO、PCI Express、光纖通道、10 GB以太網(wǎng)等高速串行總線。這一改進(jìn)使得VPX總線的帶寬大大增加[1-3]。為了滿足戰(zhàn)略預(yù)警雷達(dá)、艦載一體化等新一代雷達(dá)裝備的功能和性能需要，雷達(dá)系統(tǒng)大量采用了VPX總線的高速數(shù)字電路模塊。

針對(duì)戰(zhàn)略預(yù)警雷達(dá)、艦載一體化等重點(diǎn)型號(hào)雷達(dá)，本文提出了基于VPX總線的高速數(shù)字電路模塊的測(cè)試方法，通過自研基于VPX總線的多功能測(cè)試模塊、光纖測(cè)試模塊及通用VPX背板，再結(jié)合通用的儀器設(shè)備搭建了測(cè)試系統(tǒng)，可兼顧多個(gè)型號(hào)雷達(dá)高速數(shù)字電路模塊的功能測(cè)試與驗(yàn)證需求。

1　測(cè)試需求分析

本文以某雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)中數(shù)據(jù)交換模塊為例，從需求分

析到測(cè)試方案進(jìn)行論述。數(shù)據(jù)交換模塊為VPX 6U負(fù)載板(233.35*160 mm)，由2片XC5VTX240T和1片XC5VFX100T、BCM5396、2片DDR2、Flash、電源模塊等器件組成。該模塊的功能框圖如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)交換模塊功能框圖

數(shù)據(jù)交換模塊的測(cè)試需求分析如下：

1)內(nèi)存讀寫功能測(cè)試：操作正常，讀出的數(shù)據(jù)和寫入的數(shù)據(jù)一致；

2)FLASH空間功能測(cè)試：操作正常，讀出的數(shù)據(jù)和寫入的數(shù)據(jù)一致；

3)網(wǎng)絡(luò)功能測(cè)試：操作正常，收發(fā)數(shù)據(jù)一致；

4)Rapid IO通訊測(cè)試：數(shù)據(jù)傳輸正確，傳輸速度≥1.0 GByte/s；

5)邊界掃描測(cè)試：邊界掃描測(cè)試通過，無硬件連接故障；

6)串口功能測(cè)試：操作正常，串口收發(fā)數(shù)據(jù)正常；

7)I2C功能測(cè)試：操作正常，I2C讀寫數(shù)據(jù)正確；

8)GPIO及中斷功能測(cè)試：操作正常，GPIO收發(fā)數(shù)據(jù)正常，外部發(fā)起中斷信號(hào)，被測(cè)模塊50 μs內(nèi)響應(yīng)中斷。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1硬件組成

基于VPX總線的高速數(shù)字電路模塊測(cè)試系統(tǒng)主要由機(jī)柜、計(jì)算機(jī)、VPX總線測(cè)試插箱、多功能測(cè)試模塊、光纖測(cè)試模塊、高性能示波器、千兆以太網(wǎng)交換機(jī)、串口服務(wù)器、邊界掃描測(cè)試設(shè)備等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2　雷達(dá)高速數(shù)字電路模塊測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

測(cè)試系統(tǒng)的控制中心是主控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)口控制儀表和測(cè)試模塊，發(fā)送指令

給測(cè)試模塊，測(cè)試模塊接收指令解析后，產(chǎn)生測(cè)試命令和測(cè)試矢量，發(fā)送給被測(cè)件，然后等待并接收測(cè)試響應(yīng)矢量，分析處理后將測(cè)試結(jié)果上報(bào)給主控計(jì)算機(jī)軟件，軟件平臺(tái)根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析判斷，給出最終測(cè)試結(jié)論。

VPX總線測(cè)試插箱用于安裝VME控制器、多功能測(cè)試模塊、被測(cè)件和光纖測(cè)試模塊。基于VPX總線的多功能測(cè)試模塊是測(cè)試系統(tǒng)的核心測(cè)試設(shè)備，該模塊基于VPX總線開發(fā)設(shè)計(jì)，提供多種測(cè)試接口和多種類型的高速串行信號(hào)，如ROCKET IO、RAPID IO等。該模塊通過網(wǎng)口接收上位機(jī)測(cè)試指令，生成和發(fā)送測(cè)試矢量，接收測(cè)試響應(yīng)向量，能夠?qū)y(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析處理，最后可通過網(wǎng)口將測(cè)試結(jié)果傳回主控計(jì)算機(jī)。

光纖測(cè)試模塊主要用于測(cè)試光纖接口信號(hào)，能夠滿足多個(gè)通道同時(shí)測(cè)試，通道波特率可獨(dú)立設(shè)置，能夠通過網(wǎng)口接收上位機(jī)測(cè)試指令，能夠加載和發(fā)送測(cè)試矢量，接收測(cè)試響應(yīng)向量，對(duì)接收數(shù)據(jù)可做初級(jí)處理后傳回主控計(jì)算機(jī)，由主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。

高性能示波器用于高速信號(hào)的測(cè)試和分析，能夠進(jìn)行眼圖觀察、抖動(dòng)分析、串行數(shù)據(jù)分析、一致性分析等。

千兆以太網(wǎng)交換機(jī)具備多個(gè)千兆以太網(wǎng)接口，能夠同時(shí)滿足多個(gè)網(wǎng)口同時(shí)測(cè)試的需求。串口服務(wù)器可提供8個(gè)RS232標(biāo)準(zhǔn)串口，可滿足一個(gè)被測(cè)件具備多個(gè)串口的測(cè)試需求。邊界掃描測(cè)試設(shè)備提供邊界掃描測(cè)試所需要的多路JTAG接口，最多提供8路JTAG接口，接口電平可變，有1.8 V.2.5 V,3.3 V和5 V。

VPX插箱提供了硬件運(yùn)行環(huán)境，通用VPX背板定義了高速數(shù)字模塊連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以兼顧多個(gè)高速數(shù)字電路模塊的測(cè)試。

2.2關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.2.1基于VPX總線的多功能測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

基于VPX總線的多功能測(cè)試模塊用于多個(gè)品種的高速數(shù)字電路模塊測(cè)試，基于VPX總線開發(fā)設(shè)計(jì)，提供多種測(cè)試接口，如網(wǎng)口、光口、232串口等；提供多種類型的高速總線測(cè)試信號(hào)，多種如ROCKET IO、RAPID IO等，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下圖所示。

圖3　雷達(dá)高速數(shù)字電路模塊測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2.2 基于VPX總線的多通道光纖測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

多通道光纖測(cè)試模塊為標(biāo)準(zhǔn)6U VPX板卡，系統(tǒng)框圖如圖4所示，通過以太網(wǎng)網(wǎng)口與上位機(jī)相連。其中光纖通道1和光纖通道2共參考時(shí)鐘，可設(shè)置為的波特率為1.6 Gbps和2 Gbps，通道速率可以不一致。光纖通道3～10共參考時(shí)鐘，可設(shè)置的波特率為1.25 Gbps、1.6 Gbps 、2 Gbps、2.5 Gbps、3.125 Gbps、3.2 Gbps。光纖通道3～10一共分為四組，即F3-F4、F5-F6、F7-F8、F9-F10，每組光纖波特率可以獨(dú)立設(shè)置，組內(nèi)光纖波特率必須相同，光纖通道3～10可同時(shí)支持4種速率，但是4種波特率對(duì)應(yīng)的參考時(shí)鐘必須相同(共生頻點(diǎn)：1.25 Gbps、2 Gbps、2.5 Gbps、3.125 Gbps或者1.6 Gbps、2 Gbps、2.5 Gbps、3.2 Gbps)。另外，同一光纖接口的發(fā)送通道與接收通道的波特率必須一致。測(cè)試模塊給每個(gè)光纖通道分配了20 MB的發(fā)送緩沖和20 MB的接收緩沖(以2 Gbps速率收發(fā)可以支持80 ms的連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送和連續(xù)數(shù)據(jù)接收)。

圖4　光纖測(cè)試模塊設(shè)計(jì)框圖

2.3測(cè)試方案

以被測(cè)對(duì)象中的數(shù)據(jù)交換模塊為例，本文重點(diǎn)論述該模塊的測(cè)試方案，根據(jù)第2節(jié)測(cè)試需求分析，該模塊的測(cè)試框圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)交換模塊測(cè)試框圖

數(shù)據(jù)交換模塊安裝在VPX插箱的插槽XS7，多功能測(cè)試模塊將分時(shí)安裝在VPX插箱的插槽XS3、XS6、XS8。數(shù)據(jù)交換模塊的被測(cè)信號(hào)有一路RJ45、1路串口、12路Serdes、14路4×RapidIO，由于交換板被測(cè)信號(hào)數(shù)量較多，多功能測(cè)試模塊單次測(cè)試無法完成，因此需要分時(shí)將多功能測(cè)試模塊安裝在不同插槽中來完成測(cè)試資源共用。所有的網(wǎng)絡(luò)和串口信號(hào)都連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和串口服務(wù)器上，將由多功能測(cè)試模塊的一路網(wǎng)絡(luò)和串口統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試。Serdes信號(hào)通過背板被連接至多功能測(cè)試模塊的FPGA高速接口上，通過FPGA的可重配置特性實(shí)現(xiàn)12通道的分別測(cè)試。通過分時(shí)測(cè)試方法，數(shù)據(jù)交換模塊上的每一路RapidIO通道在多功能測(cè)試模塊上都有一路RapidIO與之對(duì)應(yīng)，多功能測(cè)試模塊將根據(jù)實(shí)際通信速率對(duì)每一對(duì)RapidIO測(cè)試通道進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試，數(shù)據(jù)量應(yīng)在1 MByte以上。

2.4軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化、層次化、插件式、可擴(kuò)展的構(gòu)建思路，各功能模塊相互獨(dú)立，軟件配置管理員根據(jù)系統(tǒng)需求動(dòng)態(tài)選擇相應(yīng)子模塊，快速構(gòu)建新的軟件系統(tǒng)。

軟件對(duì)測(cè)試流程的開發(fā)采用了免編程的設(shè)計(jì)理念，對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)試對(duì)象，TP(測(cè)試程序)設(shè)計(jì)師不需要編寫程序代碼，即可完成測(cè)試流程的開發(fā)。平臺(tái)軟件提供了單步執(zhí)行、斷點(diǎn)設(shè)置等調(diào)試手段，便于TP設(shè)計(jì)師對(duì)測(cè)試流程的調(diào)試驗(yàn)證。

軟件平臺(tái)對(duì)儀表的控制采用IVI的設(shè)計(jì)思想，按照IVI規(guī)范將測(cè)試系統(tǒng)中的所有儀表進(jìn)行相應(yīng)的儀器驅(qū)動(dòng)封裝，能夠輕松實(shí)現(xiàn)儀表的可互換性，解決了儀表損壞或停產(chǎn)造成的升級(jí)障礙，提高了系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)的效率，降低了維護(hù)成本。[5]

軟件的功能框圖如圖6所示。

圖6　軟件功能框圖

3　結(jié)束語

本文提出了一種基于VPX總線的高速數(shù)字電路模塊的測(cè)試方法，通過研究設(shè)計(jì)了通用的基于VPX總線的多功能測(cè)試模塊、光纖測(cè)試模塊，以及通用VPX背板，設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可兼顧多個(gè)型號(hào)雷達(dá)高速數(shù)字電路模塊的測(cè)試，改變了以往高速數(shù)字電路測(cè)試系統(tǒng)中多利用雷達(dá)裝機(jī)件搭建測(cè)試平臺(tái)的現(xiàn)狀。該系統(tǒng)可提供10路光纖通道，波特率最高為3.2 Gbps；16路GPIO信號(hào)，中斷響應(yīng)時(shí)間<50 μs；14路Rocket IO信號(hào)，傳輸速率2.5 Gbps；4路*4Rapid IO信號(hào)，傳輸速率3.125 Gbps。試驗(yàn)證明該方法對(duì)于解決VPX總線的高速數(shù)字電路模塊的測(cè)試是切實(shí)可行的，目前該測(cè)試系統(tǒng)已應(yīng)用到國內(nèi)戰(zhàn)略預(yù)警、艦載一體化等重點(diǎn)型號(hào)雷達(dá)多個(gè)分系統(tǒng)中高速數(shù)字模塊的維護(hù)和功能測(cè)試，輔助進(jìn)行故障定位，降低了對(duì)實(shí)際操作人員的技能要求，可有效提高部隊(duì)維護(hù)保障能力。

[1]包利民，潘奇.VPX總線技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)[J].電子機(jī)械工程,2012,28(2):57-60.

[2]王麗，付月生，陳思思.基于VPX總線的系統(tǒng)主控模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2004,22(14):117-119.

[3]吉玉潔，張小林.VPX總線標(biāo)準(zhǔn)研究及其在無人機(jī)中的應(yīng)用展望[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(4):1112-1115.

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Research and Application of High Speed Digital Circuit Testing System Based on VPX Bus

Wang Yan, Cao Zijian, Shui Daoyan

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing210039,China)

An automatic test system of high speed digital circuit based on VPX bus is designed in this paper to resolve maintenance ability of high speed digital circuit modules in the important strategic early warning radar and shipboard integrated radar. The system can test high speed digital circuit modules of multiple model radars. We establish the test system by researching multiple function test module, fibre-optical test module and universal backboard based on VPX bus, universal instruments are also used in the system. The system can provide ten fibre-optical channels which the highest transport frequency is 3.2 Gbps; sixteen GPIO signals which interrupt response time is less than 50 μs; fourteen Rocket IO signals which transport frequency is 2.5 Gbps; 4 *4Rapid IO signals which transport frequency is 3.125 Gbps. The research and test results show the system can resolve the test problem of high speed digital circuit modules based on VPX bus.

VPX bus; automatic test system of high speed digital circuit; multiple function test module

2015-06-25；

2015-08-25。

王燕(1978-)，女，碩士，主要從事雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)的研制開發(fā)工作方向的研究。

1671-4598(2016)01-0004-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.002

TB114.3

A