張曉曦，吳翼虎，劉永強(qiáng)

(中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，西安　710065)

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雷達(dá)信號處理機(jī)并行自動測試系統(tǒng)設(shè)計

張曉曦，吳翼虎，劉永強(qiáng)

(中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，西安710065)

為了測試和評價某型雷達(dá)信號處理機(jī)的功能與性能，提供了一種以PCI總線為基礎(chǔ)，結(jié)合虛擬儀器、數(shù)據(jù)庫和直接數(shù)字頻率合成等技術(shù)的多機(jī)并行自動測試系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了為雷達(dá)信號處理機(jī)提供雷達(dá)回波模擬、高穩(wěn)定度ADC采集時鐘和多通道多類型信號輸入，重點完成對雷達(dá)信號處理機(jī)多類型通訊總線測試和關(guān)鍵性能實時檢測與分析，結(jié)合典型產(chǎn)品定量給出測試結(jié)果并分析，驗證了測試系統(tǒng)的有效性。

雷達(dá)；自動測試；多機(jī)并行；實時

0　引言

現(xiàn)代雷達(dá)作為軍民兩用的重要設(shè)施，已在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜性不斷提高，涉及微波、高頻、脈沖、數(shù)字、直流、開關(guān)量等各種信號和ARINC429、RS422、SPI和USB等多種總線接口，使得自動測試技術(shù)在雷達(dá)的研制、生產(chǎn)、維護(hù)和故障檢測等方面中起到的作用日益突出，因此操作方便、功能齊全自動測試系統(tǒng)(ATS)成為現(xiàn)代雷達(dá)研制和生產(chǎn)的必需設(shè)備。設(shè)計一種結(jié)合ARINC429通訊總線、PCI總線、虛擬儀器(VI)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)等技術(shù)和方法的雷達(dá)信號處理機(jī)機(jī)自動測試系統(tǒng)，可并行對多臺信號處理機(jī)進(jìn)行主要性能參數(shù)測試，該系統(tǒng)平臺可靠性好、測試精度高、軟件架構(gòu)易擴(kuò)展，滿足雷達(dá)信號處理機(jī)硬件平臺多機(jī)并行測試的需求。

1　ATS需求分析和功能組成

1.1待測單元描述

待測雷達(dá)信號處理機(jī)為彈載雷達(dá)信號處理硬件平臺，包括4路AD采集單元、通信接口單元、離散量控制單元等功能模塊。雷達(dá)信號處理機(jī)對雷達(dá)接收機(jī)解調(diào)后的基帶信號進(jìn)行采集處理，并與制導(dǎo)系統(tǒng)中飛控、波控和遙測等功能單元進(jìn)行通信。

1.2ATS功能需求及組成

通過對被測單元的分析，ATS需要提供如下功能：為信號處理機(jī)提供+5 V和±15 V電源、提供4路中頻雷達(dá)回波模擬信號、提供雷達(dá)信號處理機(jī)的工作時鐘及采樣時鐘、多路位指令輸入輸出信號和多路同步脈沖輸出信號及其相關(guān)信號測試，以及ARINC429接口、SPI接口，USB接口和RS422等多種接口及測試。

ATS是集信號發(fā)生、信號檢測和通訊測試為一體的雷達(dá)信號處理機(jī)綜合測試系統(tǒng)，包括硬件平臺和軟件平臺兩大部分。

2　ATS硬件設(shè)計

硬件平臺主要包括主控計算機(jī)、程控電源、頻譜分析儀、主控制器模塊、中頻信號源(包括采樣信號發(fā)生器、基準(zhǔn)信號發(fā)生器)、通訊接口測試模塊和同步脈沖/位指令測試模塊組成。整個硬件平臺以工業(yè)控制微機(jī)(主控計算機(jī))為核心，通過標(biāo)準(zhǔn)的儀器總線、網(wǎng)口、RS232和PCI等總線將測試資源連接，構(gòu)成測試儀器網(wǎng)絡(luò)，由虛擬儀器軟件進(jìn)行統(tǒng)一控制。主控計算機(jī)通過PCI總線訪問主控制器模塊和各個通訊模塊，主控制器模塊通過ARINC429總線和被測單元交互信息。ATS硬件平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　ATS硬件平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1主控計算機(jī)

主控計算機(jī)是整套系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的管理協(xié)調(diào)，安裝有Windows操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件，它通過PCI總線來控制測試板卡資源，負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有儀器資源調(diào)度及測試流程控制執(zhí)行等，是整個測試設(shè)備的頂層控制中心，被測單元的USB接口和主控計算機(jī)直接相連。

2.2主控單元

主控單元是主控計算機(jī)控制下的二級調(diào)度核心，主控計算機(jī)通過PCI總線訪問和控制主控單元，主控單元通過ARINC429總線與被測單元進(jìn)行信息交互，它能夠產(chǎn)生各類控制信號，完成主控計算機(jī)各項測試任務(wù)到各功能單元任務(wù)下發(fā)和被測單元反饋測試結(jié)果數(shù)據(jù)的上報。通過RS232接口控制程控電源輸出。

2.3雷達(dá)回波模擬單元

該單元恒溫晶振為基準(zhǔn)，經(jīng)濾波、倍頻后輸入到AD9910，DDS芯片在主控單元控制下按照測試項目需要，經(jīng)過濾波、倍頻、放大、衰減和調(diào)制等功能電路，產(chǎn)生4路的模擬基帶的中頻信號，該單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　雷達(dá)回波模擬單元

為了模擬實際應(yīng)用場景，ADC采樣時鐘輸入采用另外的一路恒溫晶振經(jīng)濾波放大處理后輸出。

2.4通訊接口測試單元

通訊接口單元包括ARINC429通訊模塊、SPI串行通訊模塊和RS422通訊模塊，在主控制器的作用下，ATS系統(tǒng)通過ARINC429總線與被測單元通信，其他兩模塊完成對被測單元的SPI和RS422等接口的通訊測試，所有通訊板卡均為標(biāo)準(zhǔn)PCI通訊卡。

2.5脈沖和位指令測試單元

同步信號測試包括時序關(guān)系和脈沖寬度等信息的測量。ATS的主控單元通過ARINC429總線對被測單元發(fā)出指令，被測單元產(chǎn)生時序可控和脈沖寬度可控的各脈沖信號并輸出到ATS，脈沖和位指令測試單元通過計數(shù)器計算各信號時序和脈寬；通過標(biāo)準(zhǔn)IO口完成離散量信號的采集和輸出工作。脈沖和位指令測量結(jié)果通過PCI總線傳輸?shù)街骺赜嬎銠C(jī)。

2.6程控電源

雷達(dá)信號處理機(jī)需要對輸入中頻信號進(jìn)行譜分析，為防止電源帶來的寄生干擾引起處理指標(biāo)下降，電源選用線性電源，提供高分辨率、高精確度的純凈直流電。程控電源由主控計算機(jī)通過RS232接口控制，實時控制其向被檢測單元提供工作電源，包括+5 V和±15 V。

這里指出：測試系統(tǒng)硬件設(shè)計難點在于高精度、高穩(wěn)定度中頻信號設(shè)計。如果給DDS提供較低精度的時鐘源將直接影響測試系統(tǒng)對雷達(dá)信號處理機(jī)的評價精度。因此選用高精度、高穩(wěn)定度時鐘源、利用直接頻率合成技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)低相噪DDS源是實現(xiàn)中頻信號源的核心和難點，也是實現(xiàn)評價系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

3　ATS軟件設(shè)計

3.1ATS軟件組成及基本工作流程

軟件平臺主要由平臺內(nèi)核、用戶工具、測試程序集、故障診斷模塊等組成。從通用性和后期維護(hù)角度考慮，本系統(tǒng)選擇Windows XP作為主控計算機(jī)的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)的開發(fā)工具選擇Lab Windows/CVI。該軟件采用通用的C語言編程，功能強(qiáng)大且靈活性強(qiáng)，具有豐富的測試用圖形控件，內(nèi)含虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VISA)庫及智能虛擬儀器(IVI)庫等。測試程序按功能劃分包括：儀器校準(zhǔn)模塊、測試配置模塊、系統(tǒng)自檢模塊、用戶管理模塊、自動測試模塊、手動測試模塊和報表生成模塊等，測試軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　ATS系統(tǒng)功能組成

其中，自動測試模塊又包含BIT功能測試、中頻信號采集功能測試、ARINC429總線測試、波控SPI串行接口測試、遙測RS422串行接口測試、USB接口測試、位指令接口測試和供電接口控制等功能，測試軟件工作的基本流程如圖4所示。

3.2ATS與被測單元的數(shù)據(jù)通訊

根據(jù)被測單元的接口情況，ATS和被測單元采用標(biāo)準(zhǔn)的ARINC429總線協(xié)議交互信息，數(shù)據(jù)由32位二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，包括8位標(biāo)志位(LABEL)、21位數(shù)據(jù)位(DATA)、2位狀態(tài)位(SSM)和1位奇偶校驗位(P)。其中：P為奇偶校驗位；SSM為符號/狀態(tài)矩陣：00表示正常數(shù)據(jù)、01表示未準(zhǔn)備好、10表示進(jìn)行功能測試、11表示故障；DATA為傳輸數(shù)據(jù)；SDI為源/目標(biāo)標(biāo)識位；LABEL為傳輸參數(shù)標(biāo)識，數(shù)據(jù)格式定義見表1。

表1　ARINC429字格式

ATS與被測單元的通信機(jī)制采取應(yīng)答式通信機(jī)制，測試的基本流程如下：

圖4　ATS軟件工作流程

自動測試從ARINC429測試開始，當(dāng)該項測試通過后繼續(xù)進(jìn)行其它測試項測試。ATS發(fā)送測試命令后，被測單元返回該測試項測試字，ATS在正確識別測試字后根據(jù)測試項進(jìn)入測試狀態(tài)或等待狀態(tài)。測試狀態(tài)時ATS測量被測單元輸出信號并將測試結(jié)果送到主控計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。等待狀態(tài)時輸出被測單元所需的測試信號并接收被測單元輸出結(jié)果后進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)段將所有測試項按要求編成測試通道號，第一包先發(fā)送測試通道號，后發(fā)測試數(shù)據(jù)。

3.3測試實例與結(jié)果分析

ATS測試程序集包括多個功能和性能測試測試函數(shù)。為驗證系統(tǒng)測試效果，采用ATS同時對4臺雷達(dá)信號處理機(jī)進(jìn)行了功能和性能測試。ATS系統(tǒng)通過ARINC429總線接收被測雷達(dá)ADC采集的原始數(shù)據(jù)，調(diào)用ATS測試集Matlab函數(shù)進(jìn)行性能分析后得到ADC采集的主要指標(biāo)。

表2給出了4臺雷達(dá)信號處理機(jī)同時測試時第1通道的主要性能指標(biāo)，表3給出了同一臺信號處理機(jī)4個通道ADC采集通道間性能指標(biāo)。通過ATS測試分析，可以準(zhǔn)確評價雷達(dá)硬件處理硬件平臺的ADC采集性能，為信號處理機(jī)硬件平臺的科學(xué)評價提供有效依據(jù)。

表2　單通道ADC測試主要指標(biāo)

表3　通道間ADC測試主要指標(biāo)

這里指出：軟件設(shè)計關(guān)鍵在于設(shè)計合理的窗函數(shù)，對中頻信號采集后將數(shù)據(jù)在合理帶寬內(nèi)處理，保證測試系統(tǒng)對硬件評價的科學(xué)性，該ATS自動測試平臺能夠?qū)Χ嗯_信號處理機(jī)多通道進(jìn)行并行測量，對于理論有效位數(shù)為14位的ADC，其ENOB最高可達(dá)12.4，SFDR最高為87.4，表明軟件設(shè)計參數(shù)選擇合理。產(chǎn)品多通道間隔離度、幅相一致性指標(biāo)測試結(jié)果亦滿足設(shè)計需求，測試平臺引入通道間的測試誤差小，測試結(jié)果能夠反映實際信號處理機(jī)的實際性能。

4　結(jié)束語

討論了雷達(dá)信號處理機(jī)自動測試系統(tǒng)的研制問題，利用多項通用測試技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計思想，自動測試系統(tǒng)具有了良好的通用性和可擴(kuò)展性。該測試系統(tǒng)性能可靠、操作簡便、自動化程度高、測試速度快、測試結(jié)果準(zhǔn)確，并能夠同時對多臺產(chǎn)品并行測試和數(shù)據(jù)分析。在系統(tǒng)資源允許的情況下，只需更換測試模塊及電纜，即可測試其它類型雷達(dá)信號處理機(jī)，采用的技術(shù)和方法也可推廣應(yīng)用到其它機(jī)彈載電子設(shè)備測試。

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Design of Automatic Test System for Parallel Radar Single Processor

Zhang Xiaoxi，Wu Yihu，Liu Yongqiang

(Xi’an Aeronautics Computing Technique search Institute，AVIC，Xi’an710065，China)

In order to test and evaluate the features and performance of a kind of radar single processor， this article provides a multi-parallel automatic test system design .It is on the basis of PCI bus combined with Lab Windows/CVI, Database and Direct Digital Synthesis technology. It has achieved a radar signal processor which can provide radar echo simulation, high stability ADC acquisition clock and multi-channel type pulse input. Furthermore it is focused on the completion of the multi-type radar signal processor bus test and analysis of key performance. Also it can provide quantitative test results and analysis combined with typical products. Finally，it has completed the verification of the effectiveness of the test system.

radar; automatic test; multi-parallel; real-time

2015-07-13；

2015-09-06。

張曉曦(1983-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，工程師，主要從事導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，高速實時信號處理方向的研究。

1671-4598(2016)01-0126-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.035

TP3

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