批生產衛星的桌面電接口快速自動化測試系統設計

李 光，潘曉彤，汪 灝，曹彩霞，龔文斌，劉會杰

(1.上海微小衛星工程中心，上海 201210；2.中科院微小衛星創新研究院，上海 201210)

0 引言

目前，各國對太空資源的競爭越來越激烈，各國爭相開展規模龐大的衛星星座建設計劃，SpaceX公司更是提出了包含4.2萬顆衛星的低軌通信星座[1-3]。我國也開展了遙測、導航、通信衛星星座的建設。隨著衛星星座的規模越來越大，對衛星研制周期的要求越來越短，對衛星自動化測試的要求也越來越高[4-6]。

在衛星型號研制過程中，對星上所有設備進行桌面電性能聯接調試是必不可少的步驟[7]。桌面接口測試是衛星測試的重要環節之一，它決定了各單機的電性能是否符合設計及相互之間的電接口是否匹配，只有桌面接口測試驗證合格的單機才可以跟隨整星完成后續AIT測試。桌面電接口測試的測試項目包括：單機的供電電壓測試、功率測試、浪涌測試、紋波測試等。

傳統的桌面電接口測試是通過“三通”電纜將待測的電接口信號傳輸至示波器、萬用表等測試儀器，然后由測試人員進行測試儀器的操作完成測試數據的讀取。這種方法存在著以下問題：1)各環節均需人工進行線纜的插拔，存在安全隱患；2)測試無法自動化、效率低下；3)測試標準不統一，數據一致性差。因此，傳統的桌面電接口測試方法無法適應批生產衛星的桌面電接口測試對自動化、批量化、標準化的測試要求，亟需開展面向批生產衛星的桌面電接口自動化測試系統的研究。

1 系統總體設計

本研究的目的是建立一套桌面電接口測試的系統，可以自動化地完成批生產衛星的桌面電接口測試任務，克服傳統的電接口測試存在的問題。

在進行桌面電接口測試系統總體設計時，需要考慮并且遵循以下原則：

1)具備自動化測試能力：桌面電接口自動化測試系統需要具備全自動化測試能力，系統連接完成后不需要人工手動配合即可完成全部的桌面電接口測試內容，避免測試過程中線纜的反復插拔所帶來的安全隱患和效率低下。

2)具備數據自主分析能力：桌面電接口自動化測試系統需要具備數據的自主分析能力，可根據測試用例的要求完成待測指標的測量，數據的測量分析要具備統一的標準和可重復性。同時，控制分析軟件對于超差數據具備自主告警能力。

3)具備模塊化集成能力:桌面電接口的自動化測試是衛星整星自動化測試系統的重要一環。在沒有完備的整星自動化測試系統時，該環節的自動化測試可以在一定程度上提高衛星的測試效率，同時為整星的自動化測試提供一定的參考和借鑒。因此，桌面電接口自動化測試系統在設計時就需要具備模塊化的能力，方便后續集成進整星的自動化測試系統中。比如，在系統設計時，采用網口的控制模式，數據采集系統預留外部同步接口，控制分析軟件預留外部指令接口并且可配置成DLL形式的動態鏈接庫或者軟件函數供整星的自動化測試軟件調用。

2 系統方案設計

針對具備自動化測試能力、具備數據自主分析能力、具備模塊化集成能力的要求，對批生產衛星的桌面電接口自動化測試系統進行了詳細的方案設計。

桌面電接口自動化測試系統由程控接線盒、數據采集系統、控制分析軟件組成。程控接線盒可根據指令完成被測節點的選通功能。數據采集系統完成被測信號的模數轉換和數據存儲。控制分析軟件可根據被測項目完成采集數據的分析處理、超差數據告警、自動報告生成等。

控制分析軟件運行在NI的工控機中，通過人機交互界面接收用戶的指令，通過PCIe與數據采集系統進行數據交互，通過網口對程控接線盒進行指令控制。桌面電接口自動化測試系統的組成如圖1所示。

圖1 電接口自動化測試系統組成框圖

2.1 程控接線盒設計

程控接線盒設計是桌面電接口自動化測試系統完成自動化測試的重要環節之一，程控接線盒設計的好壞直接關系到桌面電接口自動化的程度。

程控接線盒需同時具備兩個功能：1)具備信號與被測單機直通的功能，完成被測單機的供電、422信號傳輸等；2)程控接線盒具備將待測的節點選通到數據采集系統的能力，節點的選通可通過遠程指令進行控制。

由于一顆衛星的接線盒的可能包含幾十個不同類型的接插件(根據衛星的設計不同而不同)，同時每個接插件所包含的節點數量不同，因此滿足一顆衛星測試的程控接線盒中的接插件的總點位數可能達到上千個。然而，為了避免測試過程中需要手動的插拔操作，保證測試節點選通的自動化原則，每個接插件的每個節點均需要通過多路選擇開關與被測節點的總線進行連接。因此接線盒的矩陣開關設計將非常龐大和復雜。

考慮到接線盒的小型化及電接口測試的項目的需求，為避免復雜的接線，待測接口僅保留3個，3路中兩路進行電壓的測量，1路進行電流的測量。同時，采用PCB板進行接線盒線纜的連接和多路開關的控制，達到設備小型化和易控制的目的。

程控接線盒如圖2所示，其由主接插件、備接插件、被測接口組成。主接插件和副接插件是同類型的接插件。主副接插件之間通過單路通斷開關連接PCB上的導線進行連接，主接插件通過PCB上的導線與多路選擇開關進行連接，然后多路選擇開關通過PCB上的導線與分別與被測接口1、2、3的總線進行連接。為了保證信號傳輸時序的一致性，對應的主、副接插件之間在PCB板上的直通導線的長度要盡量一致。

圖2 程控接線盒示意圖

為了方便進行電流的測量，設計中采用霍爾電流測量器件，通過電磁感應對電流進行測量。在進行電流測量測量時，將主副接插件之間的選通開關斷開，主接插件的開關選擇3號口，同時將3號總線的對應點位的開關與副接插件進行連通。該種方式可以無感進行單機的穩態電流、浪涌電流等的測量。

2.2 數據采集系統設計

數據采集系統的主要作用是將電壓或者電流等模擬量測量信號，經過信號采集和A/D變換后，轉換成數字信號并將數據送入上位機。數據采集系統在設計中采用市場上成熟的基于 PXI 總線通信協議的數據采集板卡實現測量數據的采集[8-9]。PXI 是 PCI 在儀器領域的擴展，它將 Compact PCI 規范定義的 PCI 總線技術發展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范，從而形成了新的虛擬儀器(VI)體系結構。以 PXI 總線和 VI 技術為基礎，可組建高速、大數據吞吐量的自動測試系統，大大降低了整個系統的體積、重量。同時， PXI硬件是基于標準PC技術，如PCI總線以及標準的CPU和外設，用戶就可以使用熟悉的標準Windows軟件架構，以節約時間和成本[10-11]。

經過產品的選型和對比分析，擬采用NI公司的PXIe-5162采集板卡完成桌面電接口自動化測試系統的數據采集功能。PXIe-5162高速采集板卡設備具有4個通道，采樣速率高達5 GS/s，采樣位數可達到10 bit，可滿足高速、靈敏的浪涌電流等的測量需求。同時，該板卡提供靈活的耦合、電壓范圍和濾波設置，滿足衛星電壓信號測量要求。此外，PXIe-5164采集板卡還具有多個觸發模式、高容量板載內存和一個包含數據流和分析功能的儀器驅動程序，還具有用戶可編程FPGA以及PXI同步和數據流傳輸功能，滿足外部觸發測量及數據實時傳輸的需求。

圖3 數據采集系統組成框圖

數據采集系統的組成如圖3所示，包括信號適調、濾波、放大、A/D變換、FPGA、PCIe總線等組成。數據采集系統工作原理：待采樣的模擬信號通過信號調理電路后, 經放大器放大、濾波后, 由 A/D 轉換器將模擬信號轉換為數字信后送入FPGA。FPGA 將處理后的數據存入在 FPGA 內部開辟的 FIFO 緩存里，通過 PICe總線快速地將數據傳送到工控機端。其中，在進行數據傳輸時，FPGA將接收到的數據以乒乓方式將交替存于兩片SRAM中，以保證采集和傳輸速率的匹配性。

系統開始工作前，要先進行系統的初始化操作。工控機通過總線向數據采集系統發送初始化的命令和參數。數據采集系統根據初始化的命令和參數的要求，通過FPGA 對系統進行配置,包括參數設置、狀態監控、采集控制、數據轉存、數據傳輸方式等。這些命令通過 PI 硬核傳給 FPGA, 然后 FPGA 通過內置程序把命令傳給各個芯片實現主機命令功能。

FPGA的設計數據采集系統的設計核心，主要由控制模塊、A/D模塊、時鐘模塊、PCIe模塊等組成。控制的主要作用是解析控制協議，控制設備的運行狀態，包括：系統啟動 / 停止數據采集、授時等。時鐘模塊。A/D模塊主要是負責與 A/D 芯片進行通信，控制 A/D 轉換的進程并讀取轉換結果，同時將結果的記錄時間組幀后發送到緩存區。時鐘模塊的主要作用是進行整個數據采集系統的時序控制，并將時間信息提供給A/D模。PCIe 模塊實現了 PCIe 總線的物理層、數據鏈路層、配置管理層的協議，完成PCIe總線相關的傳輸任務。

2.3 控制分析軟件設計

控制分析軟件分為與用戶交互及整個系統控制的控制軟件部分，和進行測量數據分析的數據分析部分。控制分析軟件運行在NI的工控機中，通過人機交互界面接收用戶的指令，通過PCIe與數據采集系統進行數據交互，通過網口對程控接線盒進行指令控制。

控制軟件接收用戶的測試用例，根據測試用例的測試項目和測試順序進行測試的控制。首先，控制軟件根據測試項目自動生成測試報告模板，并將測試項目的類型發送數據分析軟件；其次，根據測試節點給程控接線盒發送指令進行選通控制，并獲取該次測試時間段內數據采集系統采集的測量數據交給數據分析軟件；然后，數據分析軟件根據測試項目的要求進行數據分析，并將測量結果交給控制軟件，由控制軟件寫入到測試報告中。控制軟件的測試控制流程如圖4所示。

圖4 控制軟件的測試控制流程

控制分析軟件從數據采集系統獲取測量數據，并對測量數據進行分析。電接口測試中的測量項目主要包括：供電電壓測量、功率測量、浪涌電壓和浪涌電流測量、總線電接口測量等,其中功率測量是通過供電電壓測量和電流測量結果的乘積獲得。在控制分析軟件進行數據測量和分析時，首先根據測試項目設定分析類型和合格判據，然后根據分析類型進行信號的邊沿上升時間、脈沖寬度、信號電壓等的測量，最后將測量結果輸出至測試報告并給出符合性判斷。

3 關鍵技術

3.1 復雜開關網絡控制技術

程控接線盒的自動化設計是整個桌面電接口測試系統自動化設計的關鍵。因為衛星包含多種接插件和節點數量類型，一個程控接線盒里面可能要包換上千個開關。如何確保復雜開關網絡進行開關切換時的正確性，是進行桌面電接口自動化測試系統設計時需要重點考慮的問題。需根據整星測試實際情況，通過合理的時序控制并進行開關切換的互斥操作，以保證整星測試的安全。

3.2 數據分析挖掘技術

完成數據采集后，如何根據測試項目進行采集數據的分析挖掘，完成波形測量，是自動化數據分析的關鍵。其中，數據分析挖掘的重點是波形搜索。隨著示波器指標的不斷提高，樣點記錄長度也在逐漸增大，因此想要在巨大的信息量中去定位用戶感興趣的事件就會變得非常困難，這些事件可能會隱藏在記錄的某個地方[12]。系統根據測試項目設定搜索類型以及相應的搜索條件，搜索條件會根據搜索類型的不同而不同，大多數情況下包括信號源、閾值電平、極性、時間等的選擇。然后根據測試項目不同對搜索到的波形進行上升沿、峰峰值電壓、脈沖寬度等的測量。

4 結束語

桌面電接口測試是目前衛星測試中自動化程度較低、安全隱患較多的測試環節，嚴重影響衛星的測試效率和安全，不符合批生產衛星的高效自動化測試要求。本文提出了一種桌面電接口自動化測試方法和系統，該系統利用具備開關選通控制功能的程控接線盒進行電接口信號選通控制，利用NI的采集板卡完成信號的模數轉換、采集和存儲，利用控制分析軟件完成待測信號的電壓、功率、浪涌、紋波等的測量、分析及自動測試報告的生成。該方法具有的技術優勢如下：

1)測試更安全。通過軟件遠程控制程控接線盒的選通，可以避免測試過程中的線纜插拔等操作引起的安全隱患；

2)測試效率高。根據測試用例可自動進行測試，而且具備自動數據分析、自動生成報告的能力。

3)擴展能力強。系統設計時，采用網口的控制模式對程控線路盒進行控制，不受空間限制，方便靈活。同時，數據采集系統預留外部同步接口，控制分析軟件預留外部指令接口并且可配置成DLL形式的動態鏈接庫，可方便后續作為一個模塊集成在整星的自動化測試系統中。

桌面電接口自動化測試方法和系統可以避免測試過程中的線纜插拔等操作，而且具備自動數據分析、自動生成報告的能力，同時可完成多顆星的并行測量，可大幅提升桌面電接口的測試效率，具有較強的應用和推廣價值。