基于VPX總線的無線電指令收發測試系統設計

高 媛1，賈 凡，唐學術

(1.軍委裝備發展部，北京 100032； 2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

無線電指令收發單元是導彈制導回路中的重要彈上儀器，是無線電跟蹤設備的控制通道，與制導雷達進行通信，實現導彈制導和控制信號的傳輸。無線電指令收發單元是導彈制導控制的關鍵部件，內部組成與功能復雜，指標要求高，其維修檢測也需要依賴復雜的儀器，因此有必要研制無線電指令收發單元自動測試設備，有效提升導彈維修和保障能力。

VPX總線采用高速串行總線替代并行總線，在VME系統基礎上增加了對RapidIO、PCI Express、1/10GEthernet高速串行總線的支持，適合大數據量交換的儀器應用[1]； VPX總線的機械結構具有加固，抗震、支持風冷液冷等技術優勢，更加適合惡劣環境要求[2]；其高密度的結構符合IEEE1101的3U和6U標準，保證了系統良好的兼容性，滿足了軍事、航空航天領域越來越高的性能要求與高可靠性的指標，成為現有模塊化總線電子設備的理想替代者，并作為下一代軍用通訊計算平臺的標準[3,4]。

結合無線電指令收發測試的需求，采用VPX總線模塊化設備構建自動測試系統。

1 無線電指令收發單元測試需求及總體設計方案

無線電指令收發單元安裝于導彈內部，功能主要是接收和處理地面制導雷達發送給導彈的遙控指令，向地面回傳導彈的遙測數據等信息，從而構成導彈的制導控制回路。

無線電指令收發單元測試主要檢測其接收無線遙控指令的功能、指令譯碼功能、遙測信息回傳功能、接收發送性能等指標。

測試系統采用基于VPX總線的模塊化測試架構，測試系統的而核心是VPX總線主控制器模塊，系統采用VPX總線控制各類測試儀器模塊，運行自動化測試軟件，通過圖形界面與操作人員交互。這種結構具有構建靈活、集成化程度高、易于擴展、標準化程度高等特點[5]。系統架構圖如圖1所示。

圖1 系統架構圖

主控制器上運行自動測試軟件，通過VPX總線儀器驅動控制各VPX總線測試模塊，將激勵信號通過信號調理/測試轉接組合分配到被測對象，同時將測試響應信號轉接到測試模塊。

測試執行時，由自動測試程序調取測試流程(TP)控制各個測試模塊，發出測試激勵、采集測試信號，最后將信號分析結果保存和顯示，根據測試結果實施被測對象的故障診斷和性能評估。

2 基于VPX總線的測試設備硬件設計

由于VPX總線與傳統總線相比，不僅在帶寬上突破千兆，而且非常好地解決了加固、高速互聯、系統管理等各個方面的問題，可廣泛應用于航空、航天、通信等領域[6]，因此特別適用于構建無線電微波設備的自動測試系統[7]。

整個測試系統硬件由VPX測試組合、信號調理轉接組合和程控電源三部分組成，如圖2所示。

圖2 測試系統硬件組成圖

測試系統硬件組成及功能設計如下：

1)VPX測試組合由VPX機箱、VPX主控制器以及VPX功能模塊組成。

VPX機箱包含箱體結構、VPX總線背板、VPX供電電源，用于安裝各類VPX模塊，構成模塊化測試儀器系統。本方案機箱采用采用導冷設計、全封閉EMC屏蔽設計，滿足高可靠應用要求。

VPX功能模塊包括AD采集、數字IO、無線電測試、數字示波器以及串行通信模塊。

2)信號調理轉接組合提供被測對象到VPX測試組合之間的信號轉接和調理功能

3)程控電源通過串行通信模塊控制，用于對被測對象提供電源。

2.1 VPX硬件選型設計

針對無線電指令收發單元測試需求，選取了VPX總線機箱及功能模塊。

1)VPX機箱采用一個8槽背板即可滿足要求，為了保留擴展能力，選用14槽VPX背板，支持VITA62和OpenVPX標準，背板采用高速Multi-Gig RT-2連接器，總線支持SRIO、PCIe和GbE等高速總線

2)VPX主控制器提供標準VPX總線主板功能，板載CPU、內存、固態硬盤，提供提供1路前面板VGA接口，1路前面板以太網接口，2路前面板USB2.0接口，控制器上運行自動測試軟件，并通過外接顯示器和鍵盤/鼠標提供用戶交互功能。

3)AD采集模塊集成了16路AD采集，用于對測試對象的電壓、電流等參數進行測試，同時可用于系統自檢。

4)數字IO模塊用于對被測對象的數字量輸出信號進行采集，對被測對象輸出開關量控制信號，用于通道選通等控制。

5)數字示波器主要用于對被測對象的數字脈沖及譯碼時序信號進行采集處理。

6)串行通信模塊主要用于控制程控電源，并預留串行通信測試功能。

7)調制解調模塊用于將被測對象來的射頻信號解調為基帶信號，或將基帶信號調制出射頻信號，同時通過程控實現射頻信號功率控制，以滿足被測對象的適配需要。

8)無線電測試模塊用于產生與被測對象通信的基帶信號，接收并處理被測對象回傳的信息，該模塊是本系統中的核心測試設備，基于VPX功能模塊構建，如圖3所示。

圖3 無線電測試模塊組成圖

無線電測試模塊以ARM處理器和FPGA為核心，由FPGA負責基帶信號解析和處理，ARM處理器用于實現部分實時測試功能。由于指令收發測試對實時性要求較高，系統需要在較短時間內完成信號調制解調、基帶編解碼、信息處理等流程，ARM處理器即用于實現實時性高的測試。

VPX總線可以提供64對差分信號，可以傳輸PCIe、RapidIO、快速以太網等信號，本設計選擇PCIe信號。

PCIe總線是一種高速串行傳輸協議，由串行時鐘和PCIe通道組成，PCIe通道分為發送通道和接收通道，每通道由兩對差分信號線(發送和接收各一對)組成，實現高速全雙工串行通信。PCIe能夠實現兩臺設備間點對點互聯，兩臺PCIe設備間的通道數量有1、2、4、8、16、32等多種組合，對應PCIe速度等級的×1、×2、×4、×8、×16、×32，每對差分信號線的最大傳輸速度為2.5Gbps，物理層信號采用8b/10b編碼，因此PCIe×1的傳輸帶寬即可達到4Gbps，適合高速數據處理和實時采集控制的高帶寬應用。

PCIe總線規范定義了三層的設備結構，分別是處理層、數據鏈路層和物理層，各層都具備相應的發送和接收模塊。處理層是整個體系結構的最高層，其數據包包含數據頭、校驗與有效數據；數據鏈路層負責數據交換、錯誤檢測與判斷、電源管理與初始化等功能，在數據傳輸時鏈路層具有數據比特錯誤檢測和重傳的功能，通過CRC校驗判斷數據包是否有錯，錯誤出現時對鏈路對端請求重新傳輸，確保PCIe總線傳輸可靠。物理層用于確定鏈路電氣特性、速度、極性等配置，同時管理電源[8]。

PCIe接口部分采用專用PCIe橋芯片實現，這類芯片性能穩定，功能完善，設計資源豐富，在產品開發中設計人員可以不用太多關注總線協議的實現[9]。

本設計選用博通公司(原PLX)的PEX8311協議芯片實現VPX總線模塊接口設計。PEX8311是單通道PCIe總線橋芯片，可以作為總線根設備也可作為終端設備[10]。PEX8311芯片技術特點如下：

1)PCI Express 與本地總線橋接芯片，符合PCIe r1.0a規范；

2)本地總線：32位地址和32位數據獨立模式，或32位數據/地址復用模式；

3)本地總線時鐘達66MHz；

4)單通道PCI Express端口(PCIe×1)，全雙工，2.5Gbps每方向；

5)自動極性翻轉匹配；

6)2個獨立DMA通道；

7)功率：1W，鏈路和設備功耗管理功能；

8)內置的鏈路CRC校驗。

圖4是無線電測試模塊內部框圖。

圖4 無線電測試模塊框圖

其中PEX8311工作于終端(外設)模式，PEX8311通過背板連接器與機箱VPX背板連接，主控制器通過PCIe總線配置無線電測試模塊的PEX8311，當需要與主控制器進行高速數據傳輸時，可采用DMA通道以高優先級并發直接訪問的方式傳輸。

FPGA負責處理中頻信號編、解碼，ARM處理器負責處理與主控制器的數據交互。當運行實時測試程序時，測試流程文件(ATML)通過PCIe總線傳到ARM處理器，并保存到SDRAM用于執行。由ARM處理器解析ATML后，按流程執行實時測試，包括輸出基帶信號通過FPGA編碼輸出，采集FPGA解碼的信號并實時計算處理等。

無線電測試模塊具有三種工作模式：

1)由主控制器獨立運行測試任務。該模式適用于應用程序復雜、數據處理量大，且對實時性要求不高的場合，此時ARM處理器不需解析運行實時測試流程，僅用于接收主控制的指令收發命令，并控制FPGA完成指令發送、數據接收解碼工作。

2)測試模塊獨立運行測試任務。該模式適用于應用程序簡單、數據量小，且對信號的實時性要求較高的場合。在此工作模式下，測試任務完全由測試模塊中的ARM處理器運行，主控制器可進行參數回讀、執行數據狀態讀取、控制停止測試模塊任務并下裝新的測試任務等操作。此時實時測試程序需要先傳輸到ARM處理器并保存在SDRAM中，然后由主控制器下發啟動實時測試指令，ARM處理器開始解析實時測試流程并執行，再將過程數據和測試結果返回主控制器。通常會在實時測試流程中設置實時測試中止條件，包括接收數據達到門限、循環運行一定次數、接收到特定信號，也可由主控制器下發指令停止實時測試。

3)測試模塊輔助主控制器運行測試任務。該模式適用于應用程序復雜、數據量大，且對部分信號的實時性有一定要求的場合。在此工作模式下，實時測試任務由上位機下裝并運行，測試模塊的ARM處理器輔助運行一部分對實時性要求較高的子測試任務。

由于VPX總線及其結構形式特別針對高帶寬和高速處理應用進行了優化，使得單模塊散熱性能大幅提升，因此能夠支持復雜的實時測試任務下放到模塊級處理器(ARM)運行，模塊中的處理器與系統主控制器質檢通過VPX實現高帶寬連接，允許實時傳輸復雜數據，并且僅需被動散熱即可滿足環境要求，適用于軍用高可靠測試應用場景。

2.2 信號調理轉接組合

信號調理轉接組合是測試儀器與被測對象間的橋梁，主要完成測試信號轉接，浮地信號的隔離調理、開關量信號調理以及各類負載適配。

信號調理轉接組合采用標準機箱和歐卡式機籠結構，內部調理電路采用歐卡式模塊構成，調理模塊包括模塊信號隔離放大、隔離濾波、開關量輸出、數字信號隔離等，通過調理背板將各類信號轉接到外部接口。

信號調理轉接組合中配置調理專用隔離電源，用于對各個調理模塊提供隔離電源，實現隔離模塊前后端電源和信號的隔離。

2.3 程控電源

選用成熟貨架產品，用于被測對象供電，通過串行通信接口進行程控輸出，可提供多路直流、交流電壓、電流源輸出。

3 軟件設計

結合具體測試項目需求，測試軟件選用成熟的分層通用化體系結構。同時綜合考慮人工智能，專家系統，數據庫管理等技術，建立友好的人機交互環境，為維修人員提供適時、適度、高效的過程指導和技術信息支持，達到縮短測試時間，提高診斷效能，降低技術資料管理費用之目的。

3.1 軟件平臺設計

根據測試需求和上述原則，測試軟件選用VITE平臺開發。VITE 是基于用戶界面的虛擬儀器集成開發環境，為測試系統、控制系統及信號分析處理等提供了簡單易用的編程環境。VITE在構建大型分布式測試系統時具有開發迅速、支持全壽命周期維護、易于升級等優勢。測試軟件整體架構如圖5所示。其中嵌入式實時測試程序位于無線電測試模塊上的ARM程序存儲器中，由ARM處理器運行，配合主控制器VITE測試軟件完成實時測試。

圖5 測試軟件平臺架構

圖6為VITE 集成開發環境界面。

圖6 VITE3.0集成開發環境

平臺軟件在功能上主要包括TPS開發功能、測試執行功能和數據分析管理功能。

1)TPS開發：該模塊是軟件進行測試任務的總入口，用戶必須通過測試對象的需求分析，生成測試項目與系統測試資源的映射關系。在軟件平臺中進行TPS流程開發，生成直接面向底層VPX儀器驅動的測試流程序列，通過與硬件和系統的聯調，完善軟件TPS。

TPS流程開發使用圖形化順序編寫方式，以測試項目和測試點為基本組成部分，兼顧了圖形化開發的方便易用和代碼編寫方式的結構化順序執行形式。

2)TPS執行：測試流程執行是整個軟件的核心部分，軟件系統根據用戶選擇的TPS測試流程自動執行相應的測試操作。測試執行過程從流程的第一個測試動作開始執行，直到最后一個測試動作執行完畢。在TPS流程執行過程中，系統根據流程中的配置信息，自動選擇相應的儀器進行激勵和測量操作，完成測試數據的處理、顯示和存儲工作。執行部分提供給用戶啟動運行、暫停運行、停止運行、繼續運行等操作來控制整個測試動作的執行過程。

3)測試報表與數據分析：數據分析管理功能主要完成歷史測試數據信息的查詢工作、報表生成、打印、統計分析等功能。查詢工作提供給用戶對歷史測試數據的查詢，通過輸入測試時間、測試人員、測試內容等一系列查詢條件，界面列舉出所有滿足條件的測試結果信息，包括測試結果值、測試范圍、合格條件、判定結果等；報表生成提供給用戶針對結果的Word和Excel文件格式的標準化輸出模式，可以直接將列表結果生成友好的報表內容；打印功能提供用戶對結果內容的打印輸出；統計分析功能通過調用系統內的調度算法和Matlab的數據分析組件，可以對用戶關心的數據進行統計，可以依靠專家知識生成工具和綜合數據分析工具實現用戶對故障分析、處理和統計歸類的需求。

3.2 測試程序設計

無線電指令收發功能測試主要分為射頻測試、指令譯碼測試、回傳測試，性能測試主要是接收靈敏度測試和發射功率測試。

TPS主要在主控制器測試軟件VITE中運行，設計采用樹形列表的方式，如圖7所示。

圖7 TPS流程開發環境

測試流程中的射頻測試、信息回傳測試都需要較高的系統響應實時性，因此采用測試軟件VITE+無線電測試模塊實時測試的方式：測試初始化時將需要無線電測試模塊實時執行的編碼、發送、接收、解碼等測試流程下裝到無線電測試模塊的ARM處理器內存中，等待主控制器測試軟件調用；當執行到實時測試步驟時由主控制器測試軟件根據TPS流程，調用無線電測試模塊ARM處理器執行實時測試并返回結果，其余測試流程由主控制器測試軟件執行。既保證了測試實時性，又兼顧了通用測試系統架構，使系統具有通用性、擴展性。

實現上述流程的關鍵是設計通用的無線電測試模塊的驅動接口，使得無線電測試模塊具備通用儀器控制接口的同時，增加下裝實時測試流程的接口，并需要設計ARM處理器程序，使其配合上位測試軟件的驅動調用以及執行起停、結果上傳等操作。

ARM處理器中運行實時測試系統，負責與主控制器進行指令和數據傳輸，在實時測試模式下解析ATML文件(測試程序文件)，項目采用成熟的XML解析器組件，并定義了相應的操作函數，測試程序通過調用接口函數，采用遍歷的方式實現對所有測試節點的解析。經驗證本系統能夠實現主控制器與無線電測試模塊的良好配合，完成實時測試任務。

4 測試結果與分析

針對某無線電指令收發單元測試需求，在測試系統上位機中采用VITE開發環境編寫測試程序，對該被測對象進行指令收發功能測試。

如下圖8為VITE中測試執行結果。由圖中可見，系統通過VITE控制無線電測試模塊發出通信指令，再讀取被測對象的返回數據。圖9顯示了發出指令到接收數據的信號波形。

圖8 測試流程執行結果

圖9 測試流程執行環境

可見無線電測試模塊能夠實時處理指令信號發送和接收，并將結果返回給上位機軟件VITE。本文所述的系統設計能夠滿足無線電指令測試實時性的需求。

5 結論

無線電指令收發單元測試設備具有通用性、可擴展的軟硬件架構，在VPX總線架構下通過詳細設計無線電測試模塊等專用測試設備硬件及軟件，實現了通用測試體系與實時測試、高速數據處理的結合，實現了無線電指令收發功能性能的自動化測試。該設備測試實時性高，符合通用化設計要求，其設計思想能夠推廣到類似具有實時性測試和大容量數據處理要求的應用場合，如通信測試、雷達測試等等，具有較高實用意義。