俞利國 張強(qiáng) 蔣鵬

摘 ?要：為了實(shí)現(xiàn)T/R組件測(cè)試系統(tǒng)波束控制的通用性，提出了一種基于PCIe總線的可編程模塊化的波控技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用到測(cè)試系統(tǒng)里可對(duì)不同類型的T/R組件進(jìn)行靈活控制，模擬相控陣波束掃描方式進(jìn)行性能測(cè)試，可有效地提高T/R組件的測(cè)試效率和覆蓋率。

關(guān)鍵詞：PCIe;波控技術(shù);T/R組件測(cè)試系統(tǒng);覆蓋率

中圖分類號(hào)：TN958.92 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）16-0046-03

Abstract：In order to realize the universality of beam steering for test system of T/R module，a programmable modular beam steering technology based on PCIe bus is proposed in this paper. The application of this technology in the test system can flexibly control different types of T/R ?module and simulate the phased array beam scanning mode for performance testing，which can effectively improve the test efficiency and coverage of T/R module.

Keyword：PCIe;beam steering technology;T/R component testing system;coverage

0 ?引 ?言

T/R組件是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件，在批量生產(chǎn)時(shí)，數(shù)量大、測(cè)試指標(biāo)多、控制信號(hào)繁瑣、種類多成為不可回避的問題，因此設(shè)計(jì)一套通用的T/R組件測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大批量不同類型T/R組件指標(biāo)準(zhǔn)確、快速、方便的測(cè)試，意義極其重大[1]。

本文針對(duì)傳統(tǒng)T/R組件測(cè)試系統(tǒng)外接專用波束控制盒可靠性不高、通用性不強(qiáng)、覆蓋率不夠等問題，提出了基于PCIe總線的交互式波控技術(shù)。

1 ?波控技術(shù)的研究

1.1 ?設(shè)計(jì)原理

T/R組件測(cè)試系統(tǒng)中波束控制單元的功能實(shí)現(xiàn)可簡單劃分為波控界面、傳輸協(xié)議、邏輯控制、接口類型等部分，相互之間的流程關(guān)系如圖1所示。

其中波控界面主要負(fù)責(zé)對(duì)T/R組件測(cè)試系統(tǒng)下發(fā)的控制指令及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，包含了T/R組件的收發(fā)時(shí)序控制、幅相控制及監(jiān)測(cè)保護(hù)等功能數(shù)據(jù)窗口，人工交互良好;傳輸協(xié)議部分主要將軟件界面的指令按照一定的幀格式排序，考慮到傳輸速率及穩(wěn)定性，通過相應(yīng)的總線傳輸信號(hào)指令給邏輯控制部分進(jìn)行相應(yīng)的功能觸發(fā);邏輯控制部分主要用于識(shí)別傳輸?shù)闹噶钜笥|發(fā)相應(yīng)的T/R組件工作所需邏輯功能;接口類型部分主要針對(duì)不同T/R組件對(duì)接相匹配的信號(hào)，以及明確信號(hào)的傳輸方式。

1.2  波控界面設(shè)計(jì)

該波控界面是基于NI公司的虛擬儀器平臺(tái)開發(fā)的，是一種圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[2]，可以快速擴(kuò)充相應(yīng)測(cè)試功能類，是較為人性化的測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)工具。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)通用性考慮，將波控界面劃分為常規(guī)控制和特殊控制兩部分。

常規(guī)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)T/R組件通道收發(fā)待機(jī)控制、重頻調(diào)整、發(fā)射脈寬控制、收發(fā)移相衰減控制、波控速率選擇等，確保了組件通用化指標(biāo)測(cè)試。特殊控制可以實(shí)現(xiàn)T/R組件定制化時(shí)序、模擬用戶的重頻掃碼、濾波器控制，以及包含了溫度、電流值顯示，功率、電源故障指示等，確保了其他功能性測(cè)試。

該波控界面設(shè)計(jì)既考慮到T/R組件的測(cè)試通用性，也涉及到了定制化功能的測(cè)試覆蓋性，集合在測(cè)試系統(tǒng)里可以大大提高不同類型組件的測(cè)試效率。

1.3 ?傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

波束控制單元制定的軟件界面與邏輯控制模塊傳輸協(xié)議接口選用了PCIe總線，屬于一種基于數(shù)據(jù)包的串行連接總線，為第三代I/O總線，支持雙向傳輸模式和數(shù)據(jù)分通道傳輸，支持X1、X4、X8、X16等模式。能夠通過差分鏈路來提供高性能、高速、點(diǎn)到點(diǎn)的串行雙工數(shù)據(jù)傳輸，可以對(duì)單板上的分層總線結(jié)構(gòu)提供最理想的支持，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工控機(jī)與各種外設(shè)組件之間的互連領(lǐng)域[3]。

此次設(shè)計(jì)采用了X1模式，其單向傳輸帶寬可以達(dá)到250MByte/s，完全能滿足協(xié)議傳輸速率要求。為了降低設(shè)計(jì)難度，加快開發(fā)速度，采用了MosChip等公司設(shè)計(jì)的專用接口芯片，可以實(shí)現(xiàn)PCIe主控模塊和目標(biāo)模塊接口功能，將復(fù)雜的PCIe總線轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡單的本地總線。

傳輸?shù)膮f(xié)議內(nèi)容包含了相應(yīng)的功能類指令下發(fā)或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回傳，其幀格式如表1所示。

該傳輸協(xié)議采用PCIe總線接口，可以方便移植到各類工控機(jī)內(nèi)，其自定義的幀格式實(shí)現(xiàn)了各類T/R組件功能類指令擴(kuò)充。

1.4 ?邏輯控制模塊設(shè)計(jì)

邏輯控制模塊主要用于接收PCIe總線轉(zhuǎn)換的本地自定義總線協(xié)議內(nèi)容，分別控制相應(yīng)尋址后的功能單元，包含了波束控制、監(jiān)測(cè)保護(hù)、狀態(tài)回傳、收發(fā)定時(shí)等單元。按照波控界面的控制要求對(duì)TR組件或子陣進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，配合測(cè)試系統(tǒng)完成性能測(cè)試。

由于該模塊涉及自定義本地總線和邏輯功能部分設(shè)計(jì)，因此無法采用專用分立器件進(jìn)行搭建。而可編程邏輯器件FPGA具有可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性好、高集成度等特點(diǎn)成為該模塊設(shè)計(jì)的首選[4]。

控制模塊劃分了兩總線三單元設(shè)計(jì)。其中，兩總線包含了幀地址/數(shù)據(jù)的本地總線，主要接收協(xié)議中的功能類，按照地址和數(shù)據(jù)分發(fā)給功能尋址模塊和功能實(shí)現(xiàn)模塊。而并行雙向總線主要是與功能實(shí)現(xiàn)模塊互聯(lián)傳輸相應(yīng)功能信號(hào);三單元包含了功能尋址模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊、信號(hào)傳輸模塊，其中功能尋址模塊主要對(duì)地址進(jìn)行識(shí)別分類提供觸發(fā)信號(hào)到功能實(shí)現(xiàn)模塊。而功能實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部劃分成了波束控制單元、監(jiān)測(cè)保護(hù)單元、狀態(tài)回傳單元、收發(fā)定時(shí)單元以及待擴(kuò)充單元，受到功能尋址模塊輸出的觸發(fā)信號(hào)選擇相應(yīng)單元輸出。最后經(jīng)過信號(hào)傳輸模塊，根據(jù)地址選擇單元內(nèi)對(duì)應(yīng)的組件控制信號(hào)傳輸。

該邏輯控制模塊設(shè)計(jì)從組件通用性測(cè)試方面進(jìn)行了考慮，固化了各類組件的波束控制方式，可以通過可視化界面對(duì)相應(yīng)類型的組件進(jìn)行選擇性控制。

1.5 ?接口類型設(shè)計(jì)

接口類型主要考慮能夠與T/R組件邏輯接口實(shí)現(xiàn)匹配互連，涵蓋了大多數(shù)邏輯接口電平。其中接口芯片的供電舍棄了外接電源，而是采用PCIe總線自帶電源接口，其3.3V供電能力達(dá)到了3A，12V供電能力為0.5A，3.3V AUX供電能力為0.4A[5]，可以滿足波束控制單元的正常工作所需。在接口互聯(lián)方面，采用了通用的工業(yè)DB接頭將所需信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)接，確保了測(cè)試的通用性。

該部分設(shè)計(jì)采用了通用型和擴(kuò)展型接口，其中插座采用了針孔防插錯(cuò)設(shè)計(jì)。且從接口信號(hào)的傳輸方式、距離、傳速率等方面考慮，涵蓋了CMOS、TTL、LVDS、RS422/RS485、RS232等信號(hào)。信號(hào)種類比較全面，可滿足目前大多數(shù)T/R組件的波束控制接口要求。

2 ?波控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)波束控制單元的設(shè)計(jì)原理，基于以下幾個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)：

（1）通用性，各類T/R組件波控方式進(jìn)行模塊化封裝，通過波控界面實(shí)現(xiàn)功能切換;

（2）可靠性，供電來源于PCIe總線，摒棄外部供電方

式，既美觀又可靠;

（3）可移植性，波束控制單元可裝配到各類含有PCIe總線的工控機(jī)、計(jì)算機(jī)等測(cè)試平臺(tái);

（4）接口全面，涵蓋大多數(shù)T/R組件的控制接口電平，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)展。

考慮安裝空間的大小以及PCIe總線高速傳輸匹配的要求，對(duì)波束控制單元硬件部分進(jìn)行元器件合理布局。為了實(shí)現(xiàn)便捷性安裝測(cè)試，最終以板卡的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體實(shí)物如圖2所示。

采用通用化的波控卡與自定義波束控制界面共同構(gòu)建了波束控制單元，配合T/R組件測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多通道組件或子陣的性能測(cè)試。

3 ?結(jié) ?論

本文介紹了T/R組件測(cè)試系統(tǒng)的波控技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)，將設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分解后，對(duì)各組成部分做了相應(yīng)的設(shè)計(jì)分析。以測(cè)試的通用性、可靠性、可移植、接口全為設(shè)計(jì)目標(biāo)，最終制作了相應(yīng)波束控制單元實(shí)物。

該波束控制單元已廣泛應(yīng)用于本單位的T/R組件測(cè)試系統(tǒng)中。根據(jù)性能測(cè)試劃分為了常規(guī)測(cè)試和特殊功能篩選測(cè)試，既提升了不同類型組件的測(cè)試效率，又模擬了用戶相控陣波束掃描方式，加大了測(cè)試覆蓋率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂春明.收發(fā)組件測(cè)試技術(shù)研究 [J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2012，10（3）：324-327.

[2] 金肖依，張勇，魯爭艷.一種基于LabVIEW的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].集成電路通訊，2016，34（4）：15-17.

[3] 張鵬泉，褚孝鵬，曹曉冬，等.基于FPGA的PCIE總線DMA傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) [J].電子測(cè)試，2016（21）：4-6.

[4] 高東博.一種新型相控陣體制的波控單元設(shè)計(jì) [J].無線電工程，2016，46（5）：49-52+84.

[5] BUDRUK R，ANDRESON D，SHANLEY T.PCI Express系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)教材 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

作者簡介：俞利國（1987.05-），男，漢族，浙江寧波人，工程師，碩士，研究方向：數(shù)字相控陣收發(fā)前端設(shè)計(jì)。