何 謙,宋海軍,陶 敏,丁求啟

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

船載USB/UCB自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何 謙,宋海軍,陶 敏,丁求啟

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

由于船載USB/UCB測控系統(tǒng)微波器件眾多、信號線纜接線關(guān)系復(fù)雜，從而給技術(shù)指標(biāo)測試和日常設(shè)備標(biāo)校帶來繁雜的工作量；為了解決上述問題，文章通過分析USB/UCB測控系統(tǒng)的信號流程關(guān)系及關(guān)鍵信號節(jié)點(diǎn)，借助LabWindows/CVI軟件及GPIB總線的支持，構(gòu)建船載USB/UCB自動化測試系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件組成和軟件編程；在系統(tǒng)監(jiān)控臺軟件的統(tǒng)一組織下，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)其它設(shè)備，通過測試控制軟件控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對多種接口和多路通道的控制，靈活組建測試平臺，實(shí)現(xiàn)無線/有線、射頻/中頻等工作方式，完成相應(yīng)指標(biāo)的自動化測試并對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；系統(tǒng)擴(kuò)展性好，自動化程度高，改進(jìn)了以往手動對硬件進(jìn)行設(shè)置和測試方法，節(jié)約了時間成本，操作界面友好，在上行鏈路三階交調(diào)測試中進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)果表明該自動化測試系統(tǒng)操作簡便快捷、測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

測量船；測控系統(tǒng)；自動化測試；通用接口總線

0 引言

根據(jù)我國航天測控網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)步和裝備發(fā)展需要，新一代航天測量船配備有微波統(tǒng)一S頻段(Unified S Band，USB)和微波統(tǒng)一C頻段(Unified C Band，UCB)測控系統(tǒng)，是兩種可根據(jù)不同航天器的工作頻段需要，將航天器的跟蹤測軌、遙測、遙控和天地通信等功能合成一體的無線電測控系統(tǒng)。這兩種測控系統(tǒng)采用綜合一體化設(shè)計(jì)思想，其天伺饋部分及接收發(fā)射信道獨(dú)立，系統(tǒng)監(jiān)控臺、時頻矩陣及綜合基帶等部分共用。

船載USB/UCB測控系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)測試、功能和性能驗(yàn)證，系統(tǒng)模擬自檢等都是重要而必不可少的工作內(nèi)容，這些工作繁雜且占用大量的工作時間，需投入大量的人力和物力才能完成，通過研制船載USB/UCB自動化測試系統(tǒng)，可以徹底改變以往落后的、分散的，以人工為主的測試和校準(zhǔn)方法，達(dá)到提高系統(tǒng)測量精度和工作效率的目的。

船載USB/UCB自動化測試系統(tǒng)是在系統(tǒng)監(jiān)控臺的統(tǒng)一組織下完成自動化測試，通過集中的物理接口設(shè)備，GPIB儀器、PXI虛擬儀器及測試計(jì)算機(jī)等配合下，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)其它設(shè)備，采取無線/有線、射頻/中頻等方式，靈活組建測試平臺，完成相應(yīng)的指標(biāo)測試任務(wù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

船載USB/UCB自動化測試系統(tǒng)主要完成這兩種測控系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)的自動化測試，主要包括指標(biāo)檢查、功能和性能驗(yàn)證、系統(tǒng)模擬自檢等工作，設(shè)計(jì)力求提高測試精度及測試數(shù)據(jù)可靠性，并對外部結(jié)構(gòu)、人機(jī)接口軟件采用人性化設(shè)計(jì)，提高自動化測試系統(tǒng)的可用性。

1.1 設(shè)備組成

自動化測試系統(tǒng)設(shè)備組成主要包括測試計(jì)算機(jī)、測試軟件、測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、測試儀器和GIPB接口轉(zhuǎn)換卡等設(shè)備，其中測試儀器的具體型號根據(jù)系統(tǒng)測試來確定[1]。自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下。

圖1 自動化測試系統(tǒng)原理框圖

自動化測試計(jì)算機(jī)及其軟件主要完成自動化測試過程中控制儀器、讀取測試結(jié)果數(shù)據(jù)，控制測試開關(guān)，進(jìn)行測試配置等功能；測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)主要根據(jù)不同的設(shè)備組合、不同的測試項(xiàng)目，連接測試儀器與測試設(shè)備，完成測試配置；測試計(jì)算機(jī)通過GPIB接口轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)對測試儀器的控制和讀取操作。

自動化測試軟件運(yùn)行在測試計(jì)算機(jī)上，并通過GPIB接口卡及GPIB 總線發(fā)送命令控制測試儀器的設(shè)置并讀取測試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)儀器操作的自動化，測試計(jì)算機(jī)通過串口控制測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)測試連接的自動化，從而實(shí)現(xiàn)測試過程的自動化。

1.2 測試系統(tǒng)的建立

根據(jù)系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級自動化測試項(xiàng)目，分別在船載USB/UCB系統(tǒng)的射頻、中頻信號傳輸?shù)年P(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行信號注入和信號采集，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時考慮系統(tǒng)測試的相應(yīng)線纜連接，自動化測試系統(tǒng)與被測設(shè)備的具體連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 自動化測試系統(tǒng)連接框圖

由圖2可以看出，測試系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)信號注入或信號采集共有12路輸入信號和4路輸出信號，其信號特性如表1所示。

1.3 自動化監(jiān)控管理

自動化測試流程具有自動和人工兩種工作方式。自動方式下，系統(tǒng)監(jiān)控臺與自動化測試軟件可以對測試項(xiàng)目、設(shè)備組合以及測試參數(shù)進(jìn)行預(yù)先裝訂，按任務(wù)啟動測試流程自動進(jìn)行自動化測試，該方式可將自動化測試納入任務(wù)計(jì)劃或者設(shè)備工作計(jì)劃的統(tǒng)一安排，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測試、標(biāo)校、跟蹤等全程自動化。人工方式下，操作員人工實(shí)時進(jìn)行設(shè)備配置，選擇測試項(xiàng)目，發(fā)出測試命令來進(jìn)行自動化測試。

表1 自動化測試系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)信號特性

在系統(tǒng)監(jiān)控臺控制下自動化測試的測試流程圖如圖3所示。測試流程說明如下：系統(tǒng)監(jiān)控臺根據(jù)測試任務(wù)，確定對應(yīng)的設(shè)備參數(shù)宏，完成并檢測被測設(shè)備的設(shè)備配置及參數(shù)設(shè)置；系統(tǒng)監(jiān)控臺發(fā)送測試命令到自動化測試系統(tǒng)；自動測試系統(tǒng)配置測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，將測試設(shè)備和被測設(shè)備正確連接，并設(shè)置信號源和頻譜儀參數(shù)，接入測試信號，準(zhǔn)備進(jìn)行性能測試；自動化測試系統(tǒng)從測試設(shè)備采集數(shù)據(jù)，分析和處理數(shù)據(jù)，形成并存儲測試結(jié)果報(bào)告，將測試結(jié)果上報(bào)系統(tǒng)監(jiān)控臺，由系統(tǒng)監(jiān)控臺進(jìn)行結(jié)果顯示，至此完成一個測試項(xiàng)目的自動化測試。

圖3 自動化測試流程圖

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 硬件設(shè)計(jì)

自動化測試系統(tǒng)硬件主要由自動化測試計(jì)算機(jī)、測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、GPIB接口卡以及儀器控制電纜組成。自動化測試計(jì)算機(jī)可選用研華工控機(jī)的主流配置，測試儀器可根據(jù)系統(tǒng)及分系統(tǒng)測試項(xiàng)目中涉及被測信號的頻率、功率及測試功能需要進(jìn)行相關(guān)型號的配置。

2.2 測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)

船載USB/UCB自動化測試系統(tǒng)的關(guān)鍵是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多臺儀器同時連接，并且可對USB/UCB測控系統(tǒng)射頻、中頻信號傳輸?shù)亩嗵庩P(guān)鍵測試點(diǎn)進(jìn)行在線連接切換，避免了手動更換測試信號線纜，更換儀器連接的麻煩，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化，提高了工作效率。

考慮到射頻開關(guān)的衰減及對測試精度的影響，對測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)提出指標(biāo)為：測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)插箱設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)1U的插箱，外部接口全部采用N型接口，內(nèi)置開關(guān)以及控制電路，自動化測試軟件可通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行開關(guān)的狀態(tài)控制和監(jiān)視。工作頻帶能夠覆蓋所有工作頻率，插損≤6.5 dB，輸入/輸入端口隔離度>40 dB，帶內(nèi)平坦度≤0.25 dB/100 MHz。其中測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)引腳定義見圖4。

圖4 測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)引腳定義

測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)插箱主要包括4個切換開關(guān)、監(jiān)控處理器以及電源、串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)模塊等組成。其中監(jiān)控處理器主要功能是采集插箱內(nèi)電源的工作狀態(tài)(正常/告警)，控制插箱內(nèi)4個測試開關(guān)的切換及顯示系統(tǒng)信號流程圖。插箱具有分控/本控選擇功能，分控時在本插箱上進(jìn)行手動控制，本控時接受測試計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)監(jiān)控臺的遠(yuǎn)程控制。測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)插箱接受測試計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)監(jiān)控臺每秒一次的查詢并及時響應(yīng)。

2.3 儀器接口卡及控制電纜

自動化測試系統(tǒng)采用通用GPIB-PCI總線接口及GPIB電纜將多臺測試儀器進(jìn)行連接。GPIB是通用總線的縮寫，是一個數(shù)字化的24腳并行總線[2]。其中16根線為TTL電平信號傳輸線，其余8根為地線和屏蔽線。該總線使用8位并行、字節(jié)串行、異步通訊方式，所有字節(jié)通過總線順序傳送。總線長度不超過20 m，系統(tǒng)中設(shè)備不能多于15個。GPIB總線采用三線掛鉤技術(shù)確保接收到的消息字節(jié)有效無誤。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了有效地運(yùn)用硬件系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)各種測試與標(biāo)校功能，自動化測試系統(tǒng)開發(fā)有相應(yīng)的測試軟件，提供自動測試、數(shù)據(jù)庫操作維護(hù)、測試數(shù)據(jù)處理、生成測試報(bào)告、打印及幫助等功能。測試軟件充分發(fā)揮或擴(kuò)充硬件效能，人機(jī)界面友好，測試功能強(qiáng)，自動化程度高，操作方便。

3.1 軟件設(shè)計(jì)

自動化測試軟件以LabWindows/CVI 8.5為編程環(huán)境，可運(yùn)行在Windows XP或更高版本的操作系統(tǒng)。Labwindows/CVI是NI儀器公司開發(fā)出來的測試系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境，它將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言與用于數(shù)據(jù)獲取、分析和顯示的測控專業(yè)工具結(jié)合起來，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了良好的軟件開發(fā)環(huán)境[3]。它還提供了各類儀器的驅(qū)動程序庫，所有這些使測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)變的更為容易。

自動化測試軟件以被測設(shè)備和所要完成的任務(wù)為對象采用模塊化設(shè)計(jì)。在測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，各個模塊之間在規(guī)定的接口標(biāo)準(zhǔn)下相互獨(dú)立，這有利于軟件的設(shè)計(jì)和后續(xù)軟件的升級改造，保證了各個模塊開發(fā)的獨(dú)立性。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要由主控模塊、測試模塊、自檢模塊、數(shù)據(jù)分析和處理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊等組成。其主體為測試模塊，測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 自動測試軟件設(shè)計(jì)框圖

主控模塊：此模塊完成對各功能模塊的控制、協(xié)調(diào)與管理。

測試模塊：此模塊是整個測試軟件的核心，根據(jù)測試功能需求，設(shè)置了相應(yīng)的測試項(xiàng)目和校準(zhǔn)功能。用戶可根據(jù)測試需要選擇相應(yīng)的測試項(xiàng)目進(jìn)行測試。每一個測試功能都通過調(diào)用儀器驅(qū)動程序及開關(guān)矩陣控制模塊來實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)分析和處理模塊：用于對測試結(jié)果進(jìn)行處理和分析。

數(shù)據(jù)庫管理：測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)出。測試數(shù)據(jù)管理包括最新測試數(shù)據(jù)的屏幕顯示、保存、測試的歷史數(shù)據(jù)文件查詢顯示等功能。

安全管理模塊：根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)立用戶帳號管理、用戶登陸、退出等功能。用于應(yīng)用測試軟件安全及用戶管理，保證軟件的正常運(yùn)行，防止重要數(shù)據(jù)的非法修改等。各用戶必須擁有合法的帳戶才能使用系統(tǒng)提供的功能、執(zhí)行各種測試任務(wù)和維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。

日志管理模塊：提供應(yīng)用測試軟件的操作日志功能，包括產(chǎn)生日志管理界面和統(tǒng)一處理日志。

3.2 軟件配置項(xiàng)接口

自動化測試軟件與外部設(shè)備的通信接口定義見圖6所示。

圖6 軟件配置項(xiàng)接口定義

(1)INTERFACE_NET_AUTOTEST_MCS：系統(tǒng)監(jiān)控軟件與自動化測試軟件之間的接口為RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，查詢命令信息幀從系統(tǒng)監(jiān)控臺發(fā)出，自動化測試軟件接收。查詢命令信息幀具體字段描述參見表2所示。

表2 查詢命令信息幀格式定義

(2)自動測試軟件與頻譜儀、信號源1、信號源2、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、調(diào)制度分析儀等測試儀器的接口為GPIB接口，通信信息主要內(nèi)容為測試儀器的控制命令、狀態(tài)查詢命令、測試結(jié)果讀取命令，通信信息格式及內(nèi)容可參考相關(guān)測試儀器的編程參考手冊。

(3)INTERFACE_NET_AUTOTEST_TSWITCH：自動測試軟件與測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的接口為RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，通信信息主要內(nèi)容為測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制命令、狀態(tài)查詢命令。

4 測試結(jié)果分析

以船載USB系統(tǒng)上行鏈路三階交調(diào)指標(biāo)為例進(jìn)行測試結(jié)果分析。三階交調(diào)是指系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)的兩個或兩個以上的信號通過功率放大器后，由于放大器的非線性特性而在輸出端產(chǎn)生三階交調(diào)頻率分量。該分量通常以三階交調(diào)的幅度與輸出功率的幅度之比來衡量功率放大器的非線性失真度[4]。系統(tǒng)連接如圖7所示。

圖7 上行鏈路三階交調(diào)測試連接圖

三階交調(diào)測試的流程說明如下：系統(tǒng)監(jiān)控臺配置上行鏈路的工作頻率及衰減值，系統(tǒng)監(jiān)控臺控制測試計(jì)算機(jī)配置測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置為2IN5--1IN1--1OUT1--2OUT6。系統(tǒng)監(jiān)控臺將測試頻率與信號源電平發(fā)往測試計(jì)算機(jī)，測試計(jì)算機(jī)控制信號源1和信號源2分別輸出間隔5 MHz的中頻頻率，功率為-15 dBm，測試計(jì)算機(jī)設(shè)置頻譜儀中心頻率為上行鏈路的工作頻率，span為10 MHz，參考電平為-10 dBm，控制頻譜儀測試當(dāng)前的三階交調(diào)數(shù)值，測試計(jì)算機(jī)從頻譜儀中讀出測試數(shù)據(jù)并將測試數(shù)據(jù)發(fā)往系統(tǒng)監(jiān)控臺。系統(tǒng)監(jiān)控臺控制測試計(jì)算機(jī)關(guān)閉信號源的輸出，結(jié)束測試。測試結(jié)果如圖8所示，由測試結(jié)果可知自動測試的數(shù)據(jù)達(dá)到指標(biāo)規(guī)定要求，且測試精度略優(yōu)于手動測試結(jié)果。

圖8 三階交調(diào)測試結(jié)果

5 結(jié)語

船載USB/UCB自動化測試系統(tǒng)采用基于計(jì)劃的管理方式，管理靈活、使用方便。采用自動化測試系統(tǒng)使得項(xiàng)目的測試過程方便快捷，操作員只需選擇需要進(jìn)行的測試項(xiàng)目，點(diǎn)擊開始測試，測試鏈路的連接和測試儀器的配置、測試結(jié)果讀取顯示、測試報(bào)告生成及存儲打印等功能均可自動進(jìn)行。測試過程由原來手動測試的數(shù)日縮短到現(xiàn)在的幾個小時，測試結(jié)束之后程序可以自動形成word形式的報(bào)表，供檢測人員核對，避免了手動測試過程中人為因素造成的錯誤和誤差，測試效率大大提高，測試精度也有所提升。

[1] 常耀龍，任光霞，王彤威，等.某型雷達(dá)高頻艙數(shù)字電路測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2015，23(7)：2308-2310.

[2] 王 倩，吳麗麗.基于GPIB的可程控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，31(6)：674-678.

[3] 胡亞軍.基于LabWindows/CVI的通信電源系統(tǒng)自動化測試的實(shí)現(xiàn)[J].通信電源技術(shù)，2010，27(4)：26-28.

[4] 譚慶艷，莊 劍.無線通信系統(tǒng)中三階交調(diào)的研究[J].電子技術(shù)，2014(12)：20-21.

Design and Implementation of Automatic Test System for USB/UCB TT&C System on Measurement Ship

He Qian，Song Haijun，Tao Min，Ding Qiuqi

(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431,China)

Because of numerous microwave equipment and complicated connection relation in TT&C system, it takes multifarious load to have technical testing and calibration about USB/UCB TT&C system on the measurement ship. To resolve the trouble, the signal flow chart in TT&C system and pivotal signal nodes are analysed. An automatic test system is designed and implemented for USB/UCB TT&C system with GPIB port by using LabWindows/CVI programming platform. In this paper, the hardware compose and software programme is also expatiated. In virtue of the system monitor cell controlling and other equipment in system, testing platform is neatly established to accomplish technical testing in the way of wireless or wire and the way of RF or IF. Multi-interface and multi-channels are controlled by measurement and control software, and completion the test function through real time data analysis and processing. The system ameliorate the traditional test method that test by intercalate hardware, and economize cost. It has good expansion, high automation, good interface and applied in the third-order intermodulation in up-link channel. It shows that the automatic test system not only has agile structure and high efficiency but also has good accuracy and well stability.

measurement ship; TT&C system; automatic test system; GPIB

2015-10-03；

2016-03-07。

何 謙(1978-)，男，陜西合陽人，高級工程師，主要從事航天測控雷達(dá)信號處理與標(biāo)校方向的研究。

1671-4598(2016)07-0137-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.036

TP216.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A