魏志強(qiáng)，王 兵，馬 敏，聶繼鑫，閆佳暉

（北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076）

1 引 言

隨著自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展，將多種無(wú)線電計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備整合成一套能夠適應(yīng)各類常規(guī)無(wú)線電儀器設(shè)備的自動(dòng)計(jì)量測(cè)試平臺(tái)的技術(shù)已經(jīng)成熟，不存在技術(shù)瓶頸，具有很好的技術(shù)基礎(chǔ)，只需根據(jù)具體計(jì)量檢定需求整合計(jì)量流程、接口驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)切換等資源，就可以研制出滿足需求的電學(xué)無(wú)線電自動(dòng)計(jì)量測(cè)試平臺(tái)。 本文針對(duì)無(wú)線電類通用儀器設(shè)備的自動(dòng)計(jì)量測(cè)試需求，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室已有的各類計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加接口及開(kāi)關(guān)設(shè)備，構(gòu)建通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展、可刪減、可重構(gòu)的無(wú)線電自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電儀器的自動(dòng)化、智能化改造，提升儀器測(cè)試效率，降低計(jì)量測(cè)試服務(wù)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 總體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)不同類型的無(wú)線電儀器的自動(dòng)測(cè)試。 采用綜合一體化設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用成熟技術(shù)，采用自動(dòng)測(cè)試?yán)砟畲罱y(cè)試系統(tǒng)。 硬件設(shè)計(jì)采用主控平臺(tái)搭建、測(cè)試資源集成、接口交聯(lián)與適配模塊化的自頂向下的設(shè)計(jì)方法，做到平臺(tái)通用、資源可擴(kuò)展、接口適配可替換。 軟件設(shè)計(jì)采用“核心平臺(tái)＋測(cè)試流程”的方式，通過(guò)統(tǒng)一的操作界面展現(xiàn)給不同級(jí)別的用戶，為用戶提供權(quán)限管理、信息共享、平臺(tái)維護(hù)等功能。

2．1 系統(tǒng)組成及架構(gòu)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要用于頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備的自動(dòng)計(jì)量校準(zhǔn)／檢定，該系統(tǒng)通過(guò)GPIB、LAN、USB 以及串口等總線協(xié)議，使用GPIB 控制線、五類屏蔽網(wǎng)線、USB 電纜或串口電纜等連接標(biāo)準(zhǔn)儀器和被校儀器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)所連接儀器的自動(dòng)控制，對(duì)頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備按照測(cè)試流程進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)量校準(zhǔn)／檢定，計(jì)量校準(zhǔn)／檢定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至主控計(jì)算機(jī)硬盤(pán)，軟件平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)收集，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，界面展現(xiàn)及數(shù)據(jù)管理，最終形成計(jì)量校準(zhǔn)／檢定測(cè)試報(bào)告，如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成及架構(gòu)框圖Fig．1 Block diagram of automatic test system composition and architecture

2．2 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由核心層、儀器層和被測(cè)件層組成，如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件組成框圖Fig．2 Block diagram of automatic test system hardware

核心層是指系統(tǒng)的控制核心，即主控計(jì)算機(jī)。主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部安裝有自動(dòng)計(jì)量測(cè)試程序，測(cè)試程序通過(guò)GPIB、LAN、USB、COM 等控制總線控制測(cè)試儀器完成所有測(cè)試流程的運(yùn)行、測(cè)量及后級(jí)處理等操作。 儀器層主要是指測(cè)試儀器，包括自動(dòng)測(cè)試所需的全部標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器。 針對(duì)無(wú)線電參數(shù)測(cè)試所用的測(cè)試儀器包括信號(hào)發(fā)生器、功率分析儀、頻率計(jì)數(shù)器、函數(shù)發(fā)生器、頻譜分析儀、接收機(jī)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等。 被測(cè)件層主要是指頻譜分析儀、信號(hào)源、衰減器等微波測(cè)試儀器及微波部件。

為了解決手動(dòng)更換電纜的問(wèn)題以提升測(cè)試效率，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需引入開(kāi)關(guān)矩陣。 在測(cè)試過(guò)程中，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)矩陣的控制，選擇開(kāi)關(guān)的通斷組合來(lái)控制被測(cè)件與測(cè)試儀器的連接，實(shí)現(xiàn)儀器的互通互連及一鍵全自動(dòng)測(cè)試功能。

2．3 測(cè)試系統(tǒng)軟件組成

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是采用“核心平臺(tái)＋測(cè)試流程”的設(shè)計(jì)思想，包括人機(jī)界面和TestCenter 軟件平臺(tái)兩部分，如圖3 所示。 TestCenter 軟件平臺(tái)是由中電41 所研發(fā)的一款國(guó)產(chǎn)化通用測(cè)試軟件，該軟件類似于NI 的LabVIEW 軟件，所不同的是軟件的開(kāi)發(fā)方式由編碼型轉(zhuǎn)變?yōu)椴寮停M(jìn)一步簡(jiǎn)化了測(cè)試程序的開(kāi)發(fā)，但同時(shí)也具有編碼型的功能，滿足不同編程人員需求。 人機(jī)界面是基于TestCenter軟件平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)實(shí)際操作需求和操作界面的美觀性進(jìn)行自行開(kāi)發(fā)。 通過(guò)人機(jī)界面控制TestCenter 軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的數(shù)據(jù)交互。

圖3 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件組成框圖Fig．3 Block diagram of automatic test system software

人機(jī)界面為統(tǒng)一的操作員界面，包括測(cè)試信息管理、設(shè)備管理、標(biāo)準(zhǔn)文件管理、測(cè)試執(zhí)行和數(shù)據(jù)管理模塊。 各模塊功能如下：

①測(cè)試信息管理主要包括測(cè)試單位信息、測(cè)試人員信息、送檢單位信息和測(cè)試地點(diǎn)信息的管理；

②設(shè)備管理主要為測(cè)試系統(tǒng)提供設(shè)備硬件信息、驅(qū)動(dòng)信息以及測(cè)試附件信息的管理功能；

③標(biāo)準(zhǔn)文件管理主要是指對(duì)自動(dòng)測(cè)試所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行信息編輯和信息查看；

④測(cè)試執(zhí)行主要用于測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試單位、測(cè)試人員等參數(shù)的配置及測(cè)試程序的執(zhí)行；

⑤數(shù)據(jù)管理主要是將測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，或生成Word、Excel、TXT、XML 等格式數(shù)據(jù)文件。

TestCenter 軟件平臺(tái)為測(cè)試流程編輯平臺(tái)，包括設(shè)備控制、差損管理、測(cè)試編輯、數(shù)據(jù)采集和報(bào)告輸出模塊，各模塊功能如下：

①設(shè)備控制主要是軟件平臺(tái)通過(guò)LAN、GPIB、USB 和COM 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)儀器的控制；

②差損管理主要實(shí)現(xiàn)通道差損、相位等數(shù)據(jù)的收集，為測(cè)試結(jié)果修正提供補(bǔ)償數(shù)據(jù)；

③測(cè)試編輯主要是對(duì)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行編輯，可以實(shí)現(xiàn)程序的循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、延時(shí)及其他復(fù)雜的控制流程設(shè)計(jì)；

④數(shù)據(jù)采集可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目流程中儀器儀表數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)交互功能；

⑤報(bào)告輸出是指在軟件測(cè)試結(jié)束能夠生成用戶所需的測(cè)試報(bào)告。

3 自動(dòng)測(cè)試設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，考慮到軟件設(shè)計(jì)的通用性、可擴(kuò)展性以及設(shè)計(jì)人員的編程能力等因素，本設(shè)計(jì)采用TestCenter 軟件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。TestCenter 軟件平臺(tái)為用戶提供了可視化、組裝式的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它將測(cè)試序列的開(kāi)發(fā)方式由編碼型轉(zhuǎn)變?yōu)椴寮?，用戶只需從插件?kù)中拖放所需插件并組裝即可完成測(cè)試序列開(kāi)發(fā)，大大降低開(kāi)發(fā)人員的編程能力。 該平臺(tái)不僅包含了豐富的基礎(chǔ)插件和行業(yè)應(yīng)用插件，而且插件可持續(xù)更新和擴(kuò)充。 同時(shí)，TestCenter 軟件平臺(tái)兼容符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的IVI 驅(qū)動(dòng)，針對(duì)不兼容的儀器設(shè)備也可自行開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，該功能提高了軟件的可擴(kuò)展性。 本設(shè)計(jì)的軟件測(cè)試流程如圖4 所示，測(cè)試步驟如下：

圖4 軟件測(cè)試流程圖Fig．4 Flow chart of software test

（1）啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)試軟件，對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行初始化配置，主要是配置被測(cè)儀器設(shè)備類型、型號(hào)、序列號(hào)，以及測(cè)試日期、測(cè)試地點(diǎn)、客戶單位等信息。

（2）儀器設(shè)備基本信息配置完成后，加載對(duì)應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目。 測(cè)試項(xiàng)目加載完成后，軟件界面顯示所有測(cè)試參數(shù)，用戶可根據(jù)實(shí)際測(cè)試需求進(jìn)行靈活配置，也可對(duì)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行臨時(shí)編輯，參數(shù)選擇完成后并保存，生成自動(dòng)測(cè)試流程文件。

（3）在所有的配置結(jié)束后，點(diǎn)擊開(kāi)始，軟件將自動(dòng)執(zhí)行配置完成的測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)試結(jié)束后生成測(cè)試報(bào)告。 自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中若發(fā)生錯(cuò)誤，軟件將進(jìn)行錯(cuò)誤報(bào)警并彈出提示，詢問(wèn)用戶是否繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試：如用戶選擇“是”，軟件將繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試；如用戶選擇“否”，軟件將結(jié)束測(cè)試，并記錄錯(cuò)誤信息。

測(cè)試項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)是自動(dòng)測(cè)試程序開(kāi)發(fā)的核心。首先，在TestCenter 軟件平臺(tái)建立一個(gè)工程文件，然后在該工程文件下新建不同參數(shù)的測(cè)試項(xiàng)目，不同測(cè)試項(xiàng)目屬于并列關(guān)系。 其次，在新建的測(cè)試項(xiàng)目根目錄下，再次新建多個(gè)測(cè)試組，多個(gè)測(cè)試組之間屬于并列關(guān)系，且每個(gè)測(cè)試組可單獨(dú)完成一條語(yǔ)序的控制。 在測(cè)試組的根目錄下是編程的最小顆粒度，即測(cè)試節(jié)點(diǎn)。 在測(cè)試節(jié)點(diǎn)的根目錄下，開(kāi)發(fā)人員可以完成儀器調(diào)用、初始化、復(fù)位、信號(hào)的開(kāi)啟與關(guān)閉、數(shù)據(jù)的讀取等所有功能的控制。 在測(cè)試節(jié)點(diǎn)的編程過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員只需調(diào)研TestCenter 插件庫(kù)中的插件即可完成測(cè)試節(jié)點(diǎn)編程。 豐富的插件庫(kù)可滿足大部分的編程需求，對(duì)于缺少的極少數(shù)插件，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)編程調(diào)用程控命令直接控制或單獨(dú)開(kāi)發(fā)插件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。 最后，待多個(gè)測(cè)試組開(kāi)發(fā)完成后，通過(guò)軟件調(diào)試功能來(lái)驗(yàn)證整個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。 在整個(gè)測(cè)試項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員幾乎不需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)程序的編寫(xiě)，極大地降低了開(kāi)發(fā)難度，這也正是本設(shè)計(jì)選擇TestCenter 軟件平臺(tái)的原因。 頻率響應(yīng)測(cè)試參數(shù)的開(kāi)發(fā)界面如圖5 所示，圖中①為新建的工程文件，圖中②為新建的測(cè)試項(xiàng)目，圖中③為新建的測(cè)試組，圖中④為節(jié)點(diǎn)編輯界面，圖中⑤為插件庫(kù)界面。 開(kāi)發(fā)界面簡(jiǎn)潔清晰，適合非專業(yè)軟件人員開(kāi)發(fā)使用。

圖5 頻率響應(yīng)開(kāi)發(fā)界面圖Fig．5 Frequency response development interface diagram

4 應(yīng)用與驗(yàn)證

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已應(yīng)用于頻譜分析儀、信號(hào)源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試。 為了驗(yàn)證自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)選擇E4447A 頻譜分析儀作為被測(cè)對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證。 依據(jù)《JJF 1396－2013 頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》，針對(duì)“分辨率帶寬”和“頻率響應(yīng)”兩個(gè)核心指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，如表1 和表2 所示。

表1 分辨率帶寬（3 dB）Tab．1 Resolution bandwidth （3 dB）

表2 頻率響應(yīng)Tab．2 Frequency response

表1 和表2 為手動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試兩種方式的測(cè)試結(jié)果，兩種方式的測(cè)試結(jié)果均滿足指標(biāo)上、下限要求，但數(shù)據(jù)略有差別，這主要是因?yàn)閮x器在運(yùn)行過(guò)程中容易受到溫漂和測(cè)試線纜連接的影響。

為了提高測(cè)試效率，在本設(shè)計(jì)中使用了微波開(kāi)關(guān)矩陣，省去了人工手動(dòng)更換電纜的工作，減少了更換電纜引入的誤差。 通過(guò)對(duì)頻譜分析儀E4447A的手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試時(shí)間由原來(lái)的人工手動(dòng)測(cè)試時(shí)間約80 min／臺(tái)提升到約20 min／臺(tái)，大大提升了測(cè)試效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了頻譜分析儀、信號(hào)源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的自動(dòng)測(cè)試，該軟件的使用提升了儀器測(cè)試效率，降低了測(cè)試服務(wù)成本，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 同時(shí)，作為一款通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展、可刪減、可重構(gòu)的自動(dòng)測(cè)試軟件，后續(xù)可擴(kuò)展至具有通信接口的儀器設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試。