錢 程，錢葉旺，許亞男

（池州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 池州 247100）

0 引 言

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和信號處理技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸方式、傳輸速率及工作性能等方面都獲得了明顯改善。為了確保雷達(dá)接收機(jī)工作的穩(wěn)定性和精確性，對雷達(dá)接收機(jī)的測試和維護(hù)要求也不斷提升。傳統(tǒng)的測試維護(hù)通常采用手工操作儀表讀數(shù)的方式對被測系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)測量。測試專用性強(qiáng)、測試周期長及兼容性差，且測試過程繁瑣，難以保證準(zhǔn)確性。同時，對測試數(shù)據(jù)的采集、整理、存儲及分析都存在不便。采用真實(shí)儀器組與虛擬儀器相結(jié)合的基于PC的綜合測試系統(tǒng)可以將計算機(jī)硬件資源與儀器硬件資源有效結(jié)合，更好地完成雷達(dá)接收機(jī)的測試維護(hù)工作。

本文采用基于FPGA的數(shù)據(jù)采集卡作為橋接部件，將噪聲測試儀HP8970B、頻譜儀HP71100C及信號源HP83752B等真實(shí)儀器與雷達(dá)系統(tǒng)專用虛擬儀器分析軟件配合工作，構(gòu)成一套完整的雷達(dá)接收機(jī)綜合測試系統(tǒng)。使用過程中，可以方便地在工控機(jī)上對虛擬測試儀器進(jìn)行編程設(shè)置，且操作靈活、更新周期短，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理與存儲，便于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)接收機(jī)測試維護(hù)的自動化、智能化，更好地掌握雷達(dá)接收機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)和工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

虛擬儀器與真實(shí)儀器相結(jié)合的綜合調(diào)試及測試系統(tǒng)充分利用了真實(shí)儀器的高精度和虛擬儀器的靈活性，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)接收機(jī)參數(shù)的綜合測量。雷達(dá)接收機(jī)綜合測試系統(tǒng)主要由工控機(jī)、測試儀器組、基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集卡及專用虛擬儀器分析軟件組成。測試儀器組包括噪聲測試儀、功率計、信號源、矢量電壓表及頻譜儀等[1]。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

真實(shí)儀器的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)分析可由專用虛擬儀器分析軟件控制。工控機(jī)通過GPIB接口模塊完成與真實(shí)儀器組的交互。根據(jù)測試步驟發(fā)出雷達(dá)接收機(jī)狀態(tài)控制信號，并用來設(shè)置雷達(dá)接收機(jī)的工作狀態(tài)、儀表工作狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)采集卡采集雷達(dá)接收機(jī)送來的數(shù)據(jù)，整理后將數(shù)據(jù)通過CPCI接口傳送到工控機(jī)。綜合分析測量結(jié)果，產(chǎn)生測試報表，繪制測試曲線，便捷地以自動化方式完成對雷達(dá)接收機(jī)的調(diào)試和檢測[2]。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計中，采用LTP-ST11MB光纖接口接收雷達(dá)接收機(jī)的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。在數(shù)據(jù)采集卡中進(jìn)行整理，然后將數(shù)據(jù)存入高速RAM。專用虛擬分析軟件通過CPCI總線讀取數(shù)據(jù)，在工控機(jī)中進(jìn)行分析處理，并將處理結(jié)果直觀顯示在終端上。同時，通過GPIB總線對真實(shí)儀器組進(jìn)行控制。通過光纖接口接收數(shù)據(jù)，可以滿足雷達(dá)接收機(jī)高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?；CPCI總線可以滿足運(yùn)行過程中高可靠性和強(qiáng)通用性的要求[3]。

2.1 高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

雷達(dá)接收機(jī)綜合測試系統(tǒng)的關(guān)鍵在于基于CPCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計。高速數(shù)據(jù)采集卡用來采集雷達(dá)接收機(jī)的各類數(shù)據(jù)信號，并進(jìn)行整理，其采集的速度及準(zhǔn)確度直接影響整個測試系統(tǒng)的工作效率和性能。高速數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計框圖如圖2所示[4]。

圖2 高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計框圖

雷達(dá)接收機(jī)綜合測試系統(tǒng)工作時，由一個125 MHz的晶振直接為FPGA提供工作時鐘。高速數(shù)據(jù)采集卡通過CPCI總線與工控機(jī)進(jìn)行交互，工控機(jī)發(fā)出控制指令為雷達(dá)接收機(jī)設(shè)置本振頻率等工作狀態(tài)。雷達(dá)接收機(jī)工作狀態(tài)穩(wěn)定后，工控機(jī)向高速數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令。經(jīng)過FPGA內(nèi)部譯碼，經(jīng)由LTPST11MB接口的集成收發(fā)模塊向雷達(dá)接收機(jī)下發(fā)指令，并采集數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)進(jìn)行高速處理，完成串并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖后被存入到高速RAM。等待工控機(jī)繼續(xù)發(fā)出上報數(shù)據(jù)的指令，高速數(shù)據(jù)采集卡將處理后的數(shù)據(jù)送入到工控機(jī)。工控機(jī)收到數(shù)據(jù)后統(tǒng)一送至專用虛擬儀器分析軟件進(jìn)行雷達(dá)接收機(jī)的工作參數(shù)分析。

2.2 主控芯片F(xiàn)PGA設(shè)計

高速數(shù)據(jù)采集卡選用Altera Stratix Ⅱ GX系列的FPGA作為主控核心芯片，主要完成數(shù)據(jù)采集過程中的指令控制、時序規(guī)劃、數(shù)據(jù)整理以及存儲等功能。利用可編程邏輯芯片設(shè)計的硬件電路具有高并發(fā)的并行特性，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時高速運(yùn)算。Altera Stratix Ⅱ GX系列可以實(shí)現(xiàn)大量的片內(nèi)RAM，便于實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的處理運(yùn)算。同時采用FPGA作為主控芯片的設(shè)計方式具有功耗低、結(jié)構(gòu)靈活、開發(fā)周期短及易于擴(kuò)展和移植等優(yōu)點(diǎn)[5]。

采用自上而下的設(shè)計方式，在Quartus Ⅱ開發(fā)環(huán)境中將Altera Stratix Ⅱ GX FPGA配置成以下主要模塊：總線接口模塊、光纖接口模塊、時鐘分配模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊及數(shù)據(jù)存儲模塊，其設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 FPGA結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

外部晶振為FPGA工作提供125 MHz時鐘，時鐘分配模塊根據(jù)外部時鐘輸入對信號進(jìn)行整形。為了優(yōu)化設(shè)計，時鐘分配模塊中直接采用Stratix Ⅱ GX芯片提供的時鐘管理解決方案。利用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）電路為FPGA各模塊配置時鐘。

指令控制模塊是FPGA設(shè)計的核心，用來協(xié)調(diào)各模塊之間的配合工作。通過與光纖接口和總線接口的信息交互，對當(dāng)前指令操作進(jìn)行譯碼解析，在合適的時鐘下對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、整理，并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)存儲模塊主要負(fù)責(zé)FPGA將處理好的數(shù)據(jù)存儲到外部高速RAM。根據(jù)控制模塊給出的存入數(shù)據(jù)或讀出數(shù)據(jù)的操作指令及地址對高速RAM進(jìn)行讀寫操作。

總線接口模塊主要負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)的通信工作。協(xié)調(diào)工控機(jī)與高速數(shù)據(jù)采集卡的工作時序，完成數(shù)據(jù)與指令的傳輸。

Stratix Ⅱ GX系列的FPGA兼容光纖通道，內(nèi)部具有嵌入式千兆位收發(fā)器功能塊，該功能塊具有4個全雙工通道。光纖接口模塊直接采用Stratix Ⅱ GX內(nèi)部的高速收發(fā)通道。本次設(shè)計中主要使用其8B/10B編解碼模塊及光纖通道協(xié)議。

3 虛擬儀器分析軟件設(shè)計

雷達(dá)接收機(jī)綜合測試系統(tǒng)的專用虛擬儀器分析軟件采用C++語言在Visual Studio 2010開發(fā)平臺上完成設(shè)計。頂層采用MFC框架為使用虛擬分析軟件提供了一套圖像化可視界面，可以方便地進(jìn)行操作選擇和結(jié)果觀測。該軟件系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖4所示[6]。

圖4 虛擬儀器分析軟件設(shè)計框圖

參數(shù)測試模塊是虛擬儀器分析軟件的核心部分，負(fù)責(zé)系統(tǒng)軟件的控制與數(shù)據(jù)處理。通過CPCI總線獲取高速數(shù)據(jù)采集卡傳送的數(shù)據(jù)，在該模塊中進(jìn)行整理分析，計算出雷達(dá)接收機(jī)的工作參數(shù)，如雷達(dá)接收機(jī)單通道幅頻特性、單通道工作帶寬內(nèi)噪聲系數(shù)、通道間信號帶寬內(nèi)幅相一致性及各通道信噪比SNR等。

儀器控制模塊用來控制測試中用到的真實(shí)儀器組，包括頻譜儀、噪聲系數(shù)測試儀及功率計等。程序設(shè)計中通過調(diào)用各儀器設(shè)備提供的dll實(shí)現(xiàn)接口對接。儀器控制模塊通過GPIB總線向測試儀器發(fā)出指令，測試儀器按照指令要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并返回指令所要求的返回值。

系統(tǒng)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)接收機(jī)綜合測試系統(tǒng)的初始化工作，負(fù)責(zé)設(shè)置雷達(dá)接收的工作參數(shù)、真實(shí)儀器組的工作狀態(tài)及高速數(shù)據(jù)采集卡的工作參數(shù)等。此外，該模塊還負(fù)責(zé)設(shè)置雷達(dá)接收機(jī)的工作頻點(diǎn)和待測試的接收機(jī)通道等。

數(shù)據(jù)存取模塊通過ADO的方式對ACCESS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作。主鍵約束在程序中實(shí)現(xiàn)，兩次測試參數(shù)相同時，覆蓋上一次測試結(jié)果。數(shù)據(jù)庫中包括用戶管理信息數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)庫中包括各個測試指標(biāo)表單、I路和Q路原始數(shù)據(jù)表單及測試指標(biāo)參考值表單等。

數(shù)據(jù)采集控制模塊用來控制高速數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)時的采樣時鐘、數(shù)據(jù)格式及采樣長度等參數(shù)。結(jié)果顯示模塊用于將系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)通過表格或曲線的方式顯示在控制臺，便于直觀形象的展示。

以單通道幅頻特性測試為例，其實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

根據(jù)圖5連接好雷達(dá)接收機(jī)綜合測試系統(tǒng)的硬件設(shè)備。專用虛擬儀器測試系統(tǒng)設(shè)置好信號源、接收機(jī)工作狀態(tài)及雷達(dá)接收機(jī)的工作頻點(diǎn)，指令將測試系統(tǒng)設(shè)置為測試通道幅頻特性的狀態(tài)。信號源為雷達(dá)接收機(jī)提供測試用模擬信號，在指定的信號帶寬內(nèi)，按照步長改變信號源頻率。高速數(shù)據(jù)采集卡通過光纖接口采集雷達(dá)接收機(jī)數(shù)據(jù)，并通過CPCI總線送至工控機(jī)。專用虛擬儀器分析軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測出接收機(jī)對應(yīng)信號帶內(nèi)每一頻率點(diǎn)的增益。

圖5 單通道幅頻特性測試原理圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的雷達(dá)接收機(jī)綜合測試系統(tǒng)將真實(shí)儀器組和專用虛擬儀器分析軟件結(jié)合，以自動化、智能化的方式完成對雷達(dá)接收機(jī)工作性能的測試工作。系統(tǒng)具有設(shè)計靈活、可靠性高、開發(fā)周期短及實(shí)時性高的優(yōu)點(diǎn)，對于數(shù)據(jù)處理要求高、數(shù)據(jù)量大及算法多變的雷達(dá)接收機(jī)的測試和維護(hù)工作具有重要實(shí)際意義。