微波超宽带多通道接收组件自动测试系统设计及实现

时间：2024-05-04

郑宏斌

（中国电子科技集团公司第十三研究所河北省石家庄市 050051）

微波超宽带多通道接收组件为微波接收系统功能模块，该接收组件具有待测指标多、测试仪器种类多、测试过程复杂、数据处理难度大等难点；本文提供了一种高效、灵活、方便、具有通用性的自动测试系统。

1 自动测试系统的需求

根据组件研发及生产需求，自动测试系统需实现一键化测试，指标测试覆盖率达到百分之百；测试指标包括：频率参数、功率参数、幅度参数、相位参数等常规及特定指标，并完成组件工作温度范围内所有频点的功率参数自动补偿。

微波超宽带多通道接收组件自动测试系统需求如下：

（1）自动测试系统测试软件具有接收组件测试指标的参数设置输入、自动测试台控制、测试过程状态监测、测试结果输出等功能；测试软件支持远程控制和本地控制两种模式，本地控制模式下可手动测试；

（2）测试仪器包括示波器、信号源、频谱分析仪、开关矩阵、功分网络、测试台、温箱等，所有的测试仪器均为自动测试系统中可控节点，并且可以实现系统自检，检查仪器是否处于正常连接状态；

（3）接口连接状态检测功能：组件测试过程中需实时监测各接口的连接状态，后台记录设置故障判断的基准，并输出至自动测试软件的场景应用层；

（4）自动测试软件校准功能：在实际测试中，接收通道测试的激励信号由信号源输出经适配器后进入功分网络，适配接口输出至组件输入接口，组件输出后经适配器至测试台的程控开关矩阵交换输出后进行数据采集；通道校准时从输入至输出的校准数据全部由自动测试软件完成测试并写入配置文件，测试过程中可读取配置文件中的存储数据完成校准处理；

（5）自适应性温补数据写入：接收组件中数字单元的温补数据存储单元需存储不同频点、不同温度状态下的功率温补数据；测试完成后，以远程控制的方式发送写入指令将测试数据写入温补数据的指定地址，整个过程实现了自适应性温补数据补偿，不需更改控制单元的内嵌软件。

2 自动测试系统功能描述

自动测试系统由硬件平台和测试软件组成；硬件平台包括测试仪器设备和自制测试台等部分，测试台实现与自动测试软件的通信、组件和仪器的转接互连；测试软件完成仪器的控制和数据读取，具有接收组件测试指标的参数设置输入、自动测试台控制、测试过程状态监测、测试结果输出等功能；自动测试系统在人工完成组件控制线缆、射频线缆和测试仪器、设备的连接后，实现各组成部分的交互，启动测试软件完成组件参数的一键化自动测试。

测试软件为自动测试系统的核心，测试软件实现测试仪器、测试台、组件之间的交互、同步管理，使得软件和硬件各部分协作应用，最终实现组件的自动测试。

3 硬件平台设计

3.1 硬件平台组成

硬件平台包括计算机平台、测试仪器设备和测试台三部分；测试仪器包括示波器、信号源、频谱分析仪、开关矩阵、功分网络、测试台、温箱等，仪器接口为GPIB、USB、LNA 等类型；各部分之间的互连设计如下：

（1）计算机和测试仪器设备以GPIB 及LNA 总线方式相连接，实现计算机发送SCPI 指令对仪器设备的控制；

（2）计算机和测试台通过LNA 及串口相连，实现计算机对测试台的远程通信控制；

（3）仪器和测试台连接，并完成仪器和待测组件之间的射频接口互连转换；

（4）待测组件和测试台以技术协议所制定的接口完成连接；自动测试系统组成见图1。

图1：自动测试系统组成

自动测试系统硬件组成中测试台为自主研发的设备，测试台完成仪器和组件之间的射频接口转换，解决了测试过程中组件输入/输出端口在各仪器之间手动切换的弊端，同时完成组件的电源管理及数字接口通信管理；测试台为上架式机箱结构，内部包括AC-DC 电源、数字信号处理单元、状态检测单元、组件电信号及控制信号输入/输出接口、射频信号链路切换输入/输出接口等功能模块；测试台系统组成见图2。

图2：测试台系统组成

测试台所包括的AC-DC、数字信号处理单元、状态检测单元、射频链路处理单元及信号输入/输出端口等功能模块的内容如下所述。

（1）AC-DC 电源：外接交流220V，直流输出测试台内各功能模块所需的工作电源和组件所需的多路工作电源，内部模块工作电源和组件工作电源物理隔离后输出，组件工作电源经过状态检测单元后输出连接至组件电信号接口；

（2）数字信号处理单元：为测试台的核心部分，控制单元ARM 通过LNA 接口接收自动测试软件的远程控制指令并解析，完成组件电信号上电/断电时序控制、组件控制信号时序的发送、射频链路选择切换、测试状态监测结果上报等，组件控制时序信号输出至组件控制信号接口；控制单元ARM 的内嵌软件功能模块包括自动测试软件数据帧接收/发送、接收数据处理、发送数据处理、组件控制信号产生、实时状态数据显示、本地控制/远程控制功能模块、射频链路单元切换控制、状态检测单元的数据接收/发送和状态处理等子功能模块；

（3）状态检测单元：完成组件每路工作电源的正常输出、电流状态检测、组件的射频状态检测；电信号经过内部转换输出后接头直接和组件对应互连，避免了组件手动上电时序容易出错的问题；控制单元MCU 的内嵌软件功能模块包括与数字信号处理单元的数据收发、AC-DC 电源输出状态的检测和控制、温度采样、A/D 采样输出、D/A 控制输出及特定信号的产生和输出；

（4）射频链路处理单元：主要包括开关矩阵、功分网络、频率源等；面板的射频接头输入端和测试仪器相连，输出端经过测试台内部射频链路转换后输出端口和组件直接互连，解决了测试过程中组件线缆在不同仪器之间手动切换连接的难点；测试过程中信号处理单元控制开关矩阵切换，实现组件的不同输入/输出端口切换到不同的仪器链路，从而实现自动测试过程中远程控制切换提高测试效率；

（5）信号输入/输出端口：包括测试仪器的输入/输出端口、组件电信号输入/输出端口和组件控制信号输入/输出端口；仪器的输入/输出和射频链路处理单元互连，完成测试过程中组件的输入/输出在各仪器之间的切换；组件电信号端口为AC-DC 输出的组件工作电压经过状态检测单元后输出并和组件工作电源输入端口相连接；组件控制信号端口为数字信号处理单元输出的组件工作时序脉冲信号，和组件控制信号输入/输出端口相连接。

3.2 硬件平台实现

测试台采用上架式机箱设计方式，机箱前面板包括组件电信号及控制信号接口、射频链路处理输入/输出接口、状态检测单元输入/输出接口、测试仪器转接输入/输出接口等功能接头、测试状态显示指示灯、调试接口等；后面板包括交流220V 工作电源供电接口、与计算机相连的LNA 和串口等通信接口；

硬件平台仪器通信接口管理设计采用了GPIB 控制卡和LNA 接口两种并存的接口方式实现了计算机和测试仪器的连接功能并组成自动测试系统，使得测试过程更加精确和高效，并实现了一键化测试；

数字信号处理单元通过LNA 接口接收自动测试软件发送的控制指令并解析，指令功能包括组件电源上电、断电、组件频率控制码发送、控制脉冲信号发送、组件检测状态查询等；

测试仪器接收自动测试软件发送的SCPI 指令，仪器切换至所测试参数的工作状态，完成组件链路状态的选通；

状态检测单元接收AC-DC 电源输出的多路工作电压，并对每路电压的电流和功耗进行状态实时检测，多路电压可实现依次打开和关断控制，状态检测单元同时与信号处理单元进行数据交换回报检测结果；

射频链路处理单元包括开关矩阵、网络功分等射频链路处理单元模块，内置于测试台机箱中，由数字信号处理单元同步控制，完成组件与仪器设备互连选通的链路切换。

4 测试软件设计

自动测试软件运行在主控计算机上，主要包括以下功能：

（1）完成测试软件与测试仪器的SCPI 通信协议交互，读取仪器的测试数据结果；测试开始时，测试软件需设置好仪器的地址，实现PC 机与各仪器的连接；测试过程中启动线程，实现组件指标的自动测试及测试数据上传功能；

（2）完成测试台的远程控制，实现测试台对各功能模块的控制及组件控制指令的发送、检测状态的接收并处理；

（3）实现组件不同温度下功率自动补偿：控制温箱，测试得出不同温度下、不同频点的功率参数，运算得出功率补偿数据转化后写入组件的控制单元。

4.1 测试软件设计

自动测试系统软件部分包括用户层、核心层、驱动层和设备层，各层次之间协作工作，按照时间顺序完成自动测试的流程；各部分内容如下所述。

（1）用户层：实现与用户交互，提供用户操作界面；包括通信接口设置、测试参数配置、测试结果输出等内容；仪器地址接口、测试配置文件、测试参数设置、校准文件配置及测试状态自检配置等功能；仪器地址、测试参数、仪器参数、测试选项、组件信息等内容均以可视化窗口页面输入、修改、选择、保存为配置文件的方式存储，启动软件时可自动加载存储的配置项；

（2）核心层：测试系统及测试程序的运行平台；包括测试程序的主程序和子程序模块集，实现自动测试软件线程设计、调用和管理，可视化页面测试配置参数输入、保存和读取，测试状态参数读取、测试结果数据处理等功能；

（3）驱动层：实现计算机测试软件和测试设备之间及内部功能模块的信息传输；包括硬件驱动管理和软件驱动管理；硬件驱动管理包括仪器设备的接口驱动管理、通信接口管理、SCPI 指令交互；软件驱动管理包括自动测试软件的线程管理和数据管理；

（4）设备层：测试仪器设备及接口设备；硬件驱动管理包括通信管理和设备管理，通信管理完成测试仪器设备的通信接口管理，设备管理完成测试仪器及设备的数据读取、状态切换等功能；软件驱动管理包括线程管理和数据管理，线程管理实现测试过程中测试进程、功能模块、测试状态的交互，数据管理包括测试数据及输出、测试状态检测、配置文件管理等；自动测试系统软件平台层级分布见图3。

图3：自动测试系统软件平台层级分布

4.2 测试软件实现

自动测试软件选择Microsoft Visual Studio 的C#为开发环境，完成可视化、面向对象的自动测试软件平台；

主程序是整个测试系统软件核心部分,完成测试时从开始测试到测试结束所有测试步骤的控制，以及与其它子模块的交互，还包括可视化页面管理及参数输入、输出显示等窗体加载，程序运行初始化数据加载、测试程序中子模块调用、线程调用等功能；测试程序收到主程序的指令后，执行子模块的测试用例，并将测试结果上报主程序；

通信管理完成仪器、设备的接口地址初始化、接口地址保存、接口更新、仪器设备的地址输入、保存和读取等功能；设备管理完成仪器设备对象构造、仪器设备初始化参数设置、加载及保存，测试参数设置；各测试仪器通信对象创建、通信对象的打开和关闭、SCPI 指令函数集管理；

自动测试过程中，为了防止测试程序假死等状况出现，软件设计多线程模式，包括启动、暂停、继续、结束等，测试过程中可以完成测试仪器数据读取和测试数据显示同时进行且互不影响；线程管理实现了线程创建、线程运行、测试进程显示、数据显示更新、测试、数据处理、当前状态显示等若干流程；

自动测试过程中包括大量的配置文件数据、校准数据、测试数据、温补数据等，软件设计采用了配置文件方式进行数据处理：

（1）配置文件数据包括仪器通信地址、测试参数配置、测试预处理数据等，该部分数据在测试软件启动运行的时间自动加载，在测试过程中如有更改可对更改结果进行保存处理；

（2）校准数据包括测试过程中，射频信号经过射频线缆、功分网络、开关矩阵等链路会对功率参数进行影响，因此在功率参数测试中校准是很重要的环节；测试软件设计中进行了单独的数据校准配置文件和软件自动校准功能模块，测试过程中如有线缆、器件等更换可快速完成系统校准并保存校准数据，实现幅度和相位测试一致性的精确测试；

（3）测试数据再显示前先以配置文件方式存储后再处理显示，实现了测试数据线程处理实时性及数据备份；

（4）自动测试过程中运算得出不同环境温度下功率补偿数据并以配置文件存储，测试完成后将配置文件数据转换为组件内部控制单元嵌入式程序可写入的数据文件格式并直接写入，整个过程中无人工操作，避免了人为操作引起的误差并提高了在线补偿的效率。

5 自动测试系统的工作流程

将组件和测试平台相连，启动自动测试系统软件，计算机发送控制命令至仪器及测试台，根据设置参数控制信号源以步进变化的方式输出频率和功率；从频谱仪读取输出频点的杂散、谐波、功率等，将读取结果以报表的方式实时输出；从示波器读取各个通道幅度、相位，将读取结果以报表的方式实时输出；功分网络校准存储数据在自动测试过程中调用相应文件；功率衰减温度补偿在测试过程中进行实时采样及函数拟合处理，不同工作频点、不同温度状态下的温补参数完成实数据处理后写入配置文件，组件中的控制单元调用配置文件数据生成下载文件并自动写入。

微波超宽带多通道接收组件指标自动测试工作流程具体如下：

（1）完成射频线缆、网络功分、开关矩阵等链路的校准，保存为相应的配置文件；该步骤可在更换链路后完成一次校准保存即可，为了确保测试精度也可以在系统运行相应的测试周期后进行校准，保存的校准数据配置文件保存后供自动测试过程中调用；

（2）将接收组件模块置入测试夹具，连接控制接口数据线、射频测试线缆、电源接口线缆等，启动自动测试系统软件程序，测试程序默认为自动测试状态；

（3）启动设备、仪器硬件驱动管理，检测示波器、信号源、频谱仪、开关矩阵、功分网络、测试台、温箱等控制状态是否正常；完成测试仪器硬件驱动管理及初始化状态设置；

（4）选择测试组件型号，测试程序自动加载、调用已校准数据文件和存储参数状态自动完成可配置参数选择性设置、可重构配置文件参数设置及自动测试软件自校准；运行自动测试软件主程序，软件平台主程序完成对线程管理模块、功能处理模块、参数读取模块、数据处理模块的初始化，完成测试平台软件驱动管理；自动测试软件系统线程管理启动，进行各指标测试；

（5）生成采样数据文件所转换的接收组件中数据信号处理数据电路单元所对应的可下载温补数据文件；温补数据自动写入接收组件中数据信号处理数据电路单元，程序运行对写入的温补数据进行验证，测试结果以报表或自定义数据模板将测试结果输出；

（6）如需要对某些频点、指标单独测试，将测试方式切换到手动测试，完成既定指标的测试验证。