某型機載通信對抗設備自動測試系統設計與實現

張 強，黃家成，趙文俊，陶 祁

(航空機務士官學校 航空電子工程系，河南 信陽 464000)

機載通信對抗設備是我軍網電一體和戰役信息攻擊的核心裝備，其通過偵察、干擾等手段，造成敵方通信中斷、指揮控制混亂，從而掩護航空兵空中突防作戰，極大地提高了我軍電子戰能力和支援保障能力[1]。機載通信對抗設備具有工作頻率范圍寬、信號樣式復雜、航空總線類型多和LRU(Line Replaceable Unit)數量多等特點，其測試過程涉及矢量信號調制、接口通信技術、數據采集、信號處理、時域分析、頻域分析、數據域分析、存儲等多種技術。如果采用人工測試的方法，存在測試速度慢、測量精度差、測試診斷困難、綜合保障效費比低、對測試人員素質要求高等問題。因此，迫切需要一種集成度高、通用性好的自動測試系統，以滿足不同類型通信對抗設備的測試需求。

隨著自動測試技術的不斷進步，自動測試系統在多個領域都發展迅猛，但基于該系統的開發成本及后期維護的考慮，它的發展還是受到了很大的制約[2]。在軍用領域，測試儀器的更新換代往往比被測設備要快，而測試儀器的更換會導致ATS(Automatic Test System,自動測試系統)的不兼容和TPS(Test Program Set,測試程序集)的失效，主要原因是測試儀器的驅動各不相同，測試程序的編寫又涉及到儀器控制。另一方面，在軟件開發時，依然存在TPS可移植性差和儀器互換性弱的問題，其根源在自動測試系統軟件平臺的面向儀器特征。基于以上原因，自動測試系統的通用化進程勢在必行[3]。目前，發達國家對自動測試系統的研究已獲得很大的成就。在軍用領域，如美國馬丁公司研制的RTCASS系統(用于航空電子設備的測試)、法國研制的SESAR3000系統(用于三軍通用測試)、美國休斯公司研制的CTS系統(用于制導導彈的測試)。這些通用測試系統基本采用以下軟件平臺：① 美國 NI公司的TestStand 軟件；② 美國航空無線電公司的SMART軟件；③ 美國TYX公司的PAWS開發環境[4]。國內對自動測試系統的研究起步晚，資金投入也不如發達國家，因此已有較大差距。隨著國家對自動測試的不斷重視，軍方、科研單位、高校及民營公司紛紛加入自動測試系統的研究隊伍當中，也取得了一些成果，如北京聯合信標測試技術公司研制的GPTS軟件。但我國還未提出針對自動測試領域的自主標準，各單位對測試通用化的理解也各不相同，因此在短時間內，我國的自動測試系統研制還無法滿足通用性要求[5]。

本文在分析當前國內外自動測試領域最新技術發展現狀基礎上，采用“PXI/GPIB總線規范+模塊化硬件+軟件開發平臺”系統架構，實現了在硬件層面的通用化；在軟件開發方面，采用北京聯合信標測試技術公司最新研制的GPTS3.1作為軟件開發平臺。GPTS3.1軟件采用ATML標準定義測試資源的層次結構，并以規范性的格式描述保存，解決TPS的可移植性問題，從而使TPS的開發不再針對具體儀器；采用STD總線標準定義了通用信號描述結構，實現了儀器能力的通用化。本文設計的基于PXI儀器、GPIB儀器的硬件平臺和面向信號的軟件平臺搭建方案，可為自動測試系統的通用化研究提供一定的參考，具有較大的實用價值。

1 系統組成

機載通信對抗設備自動測試系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。硬件系統由6個便攜式貫通型機箱組合而成的ATE(Automatic Test Equipment,自動測試設備)和6個接口適配器(Test Unit Adapter,TUA)(5個測試適配器、1個校驗適配器)以及相關測試電纜、附件、夾具等組成。系統測試資源被合理地集成在6個獨立的機箱內，6個機箱之間通過同軸電纜、低頻信號電纜和有關通信數據總線進行連接。自動測試系統外形實物如圖1所示，結構組成框圖如圖2所示。

圖1 機載通信對抗設備自動測試系統外形圖

圖2 機載通信對抗設備自動測試系統結構框圖

自動測試系統為各型UUT(Unit Under Test,被測裝置)建立通電工作環境，提供測試必須的電源、控制信號、激勵信號和檢測信號等測試資源。計算機系統通過測試軟件對測試資源進行控制，利用適配器這個橋梁，實現對UUT的功能檢查、性能測試和故障診斷。系統還具有告警和保護功能，在UUT測試過程中對系統運行進行監控，當UUT由于外部或內部原因工作異常或發生故障時，自動終止測試，并以聲、光等形式向操作人員告警，并在操作軟件上給出故障提示和操作引導[6]。

2 系統硬件設計

硬件系統主要由PXI儀器、GPIB儀器以及其他總線儀器設備、通用標準測試接口、測控計算機系統、電源系統、監控電路、測試電纜以及6個適配器等組成，其組成如圖3所示。

圖3 機載通信對抗設備自動測試系統硬件組成原理圖

2.1 測控計算機系統

測控計算機系統是硬件平臺的控制核心，通過存儲在計算機中的測試程序，對系統測試資源和測試過程實施控制(如施加測試激勵信號、回收測試響應、故障診斷和隔離等)，進行數據處理和記錄，并提供交互式的人機對話接口[7]。考慮到系統的擴展性和資源的優化配置，選用研華公司的ACP-4320型工控機作為測試系統的主控計算機，該計算機同時作為PXI儀器的外置式控制器，通過PXI-PCI8331 MXI-4 Kit組件對PXI儀器進行管理和控制。測控計算機系統由計算機主機、KVM切換器和打印機等外圍設備組成。計算機主機通過PCI接口內置了多口網卡、USB擴展卡、多功能卡、PXI總線卡和GPIB總線控制卡等。

2.2 PXI模塊儀器和GPIB臺式儀器

因被測設備具有種類多、信號樣式復雜、頻率范圍寬、總線數量多等特點，若只選用PXI模塊儀器組建系統，不僅PXI模塊儀器的性價比遠沒有GPIB臺式儀器高，而且在射頻范圍內PXI儀器的測量功能、測量精度和頻率范圍達不到指標要求。因此，把硬件平臺設計成PXI模塊儀器、GPIB臺式儀器相結合的混合系統。

在選用PXI模塊儀器和GPIB臺式儀器時，除滿足被測設備測試需求外，還應滿足下列基本要求：① 滿足PXI測試總線規范和PXIplug&play的要求；② 可靠性高；③ 良好的性能價格比[8]。按以上要求優選的PXI總線儀器和GPIB總線儀器，分別如表1、表2所示。

表1 PXI總線儀器

表2 GPIB總線儀器

這些測試儀器從功能上分主要有激勵源、信號采集儀器和開關類儀器。激勵源主要用于向被測試對象施加測試激勵信號，激勵信號可以是時域、頻域和調制域信號，主要包括各種直流電源、函數信號、差分開關類信號和復合調制射頻信號等；信號采集儀器主要用于測試UUT輸出的響應信號，采集的信號頻率范圍從直流到63.5 GHz，主要包括數字多用表、矢量網絡分析儀、頻譜分析儀、光功率計、直流電源監視和交流電源監視等；開關類儀器以PXI儀器為主，包括矩陣開關、微波開關、多路器和通用繼電器開關，用于測量通道的構建，施加激勵控制和電源控制等。

2.3 適配器

適配器是測試系統與UUT連接的橋梁，主要完成開關量的電平適配、模擬量的電平比較、響應信號與測試資源的橋連、射頻信號走向的引導與控制、UUT電源供給等功能，以滿足檢測系統接口的電氣特性需求[9]。目前，機載通信對抗設備包含5個子系統，由70多個LRU組成。在設計適配器時，在分析LRU的功能、工作波段、所需測試資源、所屬子系統等因素的基礎上，將適配器分為偵察、干擾1、干擾2、干擾3、天選天共等5個適配器。為了方便測試系統進行計量，以保證系統測量精度，又設計了計量適配器。適配器通過ICA和ITA接口與測試系統進行連接，ICA和ITA接口分別為測試資源的輸入輸出接口和被測設備適配器接口[10]。下面以干擾子系統適配器為例進行介紹。

干擾子系統適配器由激勵信號調理電路、測量信號調理電路、通道選擇電路、總線電路和功分器等組成。其組成如圖4所示。

圖4 干擾子系統適配器基本組成框圖

① 激勵信號調理電路：用于將ATE產生的激勵信號調整到符合被測設備接收的要求范圍內，主要包括電源濾波電路、阻抗變換、幅值調理、射頻信號通道切換等電路。

② 信號測量調理電路：用于將UUT設備輸出的測信號進行合適的調理，調整到PXI儀器測量量程內，主要包括負載模擬、幅值調理、射頻信號通道切換等電路。

③ 通道選擇電路：按指令從多個測量通道中選擇需要測量的通道接到智能儀器的測量端。

④ 總線電路：用于將ATE產生自身的各種總線與UUT的總線接口進行連接，用于控制各個UUT設備的工作狀態。對于干擾子系統，總線電路主要是RS232總線和RS422總線。

⑤ 功分器：功分器為一分十四功分器，用于將ATE系統內信號發生器輸出的信號進行功率分配，主要用來測試波束控制器、發射機控制器、天線選擇器、幅相處理器、功率合成器等設備的相關參數(插損、駐波比)。

⑥ UUT識別電路：由于被測對象數量較多，為了防止接錯UUT,在適配器內部設計有UUT識別電路，對各UUT所對應的適配器進行識別，檢查測試系統上所掛接的適配器是否正確；再對連接電纜進行識別，檢查連接電纜與UUT是否正確；連接電纜檢測通過后，對測試章節進行選擇并開始測試。

3 系統軟件設計

3.1 軟件平臺

軟件系統主要由測試程序開發環境、測試程序運行環境、測試程序集(TPS)、儀器驅動和數據庫等組成[11]。測試程序實現被測對象的功能、性能和故障隔離測試，1個被測對象(LRU)對應1個TP。軟件組成框圖如圖5所示。

圖5 軟件系統組成框圖

軟件開發平臺由通用集成測試軟件平臺(GPTS3.1)、LabWindows CVI 9.0和Microsoft SQL Server 2000 后臺數據庫組成。GPTS3.1提供測試程序的開發環境和運行環境，在GPTS3.1軟件平臺上使用ATLAS語言編譯器編寫各型UUT的維護程序；SQL Server 2000 主要用于存儲各型UUT測試結果數據,兩者間通過Windows操作系統提供的ODBC接口進行數據的交換[12]。LabWindows CVI 9.0用于編寫人機交互界面，生成動態鏈接函數，GPTS通過動態鏈接調用人機交互界面。

GPTS3.1軟件平臺采用類ATLAS語言技術研制的測試程序軟件平臺，采用標準ATLAS716，滿足標準ATLAS716-1995語法的任何測試程序都能在GPTS上編譯，信號庫開放，可由用戶任意擴充。底層驅動同時支持IVI-COM和IVI-C，完全開放的底層驅動程序接口及系統連線表,具有良好的系統無關性和儀器驅動互換性，測試信號通過配置文件進行配置，測試程序開發時只需關心測試信號，而與測量儀器無關[13]，用戶可以完全自主地集成測試系統。GPTS3.1軟件平臺系統組成如圖6所示。

圖6 GPTS3.1軟件平臺系統組成框圖

在測試程序開發環境中進行，為每一個UUT開發對應的測試程序，多個開發人員可以在多臺計算機上并行脫機仿真調試測試程序，仿真調試完成后，再進行系統連接調試測試程序，最后，編譯生成對應的dll文件，它與適配器連線表、安裝文件及測試程序說明文檔并稱為TPS。開發人員將其制作的TPS軟件包發布給最終用戶，并由最終用戶使用測試程序管理模塊安裝到運行環境中。這種測試程序結構確保了系統的開放性，即用戶可以不斷地在一個系統上開發新的測試程序來擴展系統的功能。

3.2 測試程序設計

機載通信對抗設備測試流程如圖7所示，將TPS按6個適配器進行分類，每個適配器對應若干個被測組件，每1個組件的TP又分為若干個章節，章節的劃分是根據被測組件的測試項目數來確定。

圖7 測試流程圖

啟動運行環境后，首先選擇測試對象(UUT)，軟件對該UUT所對應的適配器進行識別，檢查自動測試系統所掛接的適配器是否正確，再對連接電纜進行檢查。連接電纜檢測通過后，對測試章節進行選擇并開始測試，在測試程序控制模塊的控制下，對系統連線表、適配器連線表、虛擬資源分配表進行查詢；在訪問控制組件的控制下，調IVI驅動、進一步調下一層VISA驅動，完成對儀器的操控，將數據在C環境處理后，得到測試結果。如果測試正常進則將測試結果入庫保存或生成報表打印，否則進入診斷測試子程序以診斷故障或進入故障隔離子程序以隔離故障。診斷測試子程序測試性建模診斷軟件生成，通過診斷執行器執行，執行結果一方面生成故障診斷報告提供給用戶，另一方面送入知識庫，進一步豐富知識庫的內容，完成知識的積累。

4 實驗結果與分析

針對機載通信對抗設備的測試需求，自動測試系統必須滿足以下要求：① UUT數量較多，地面維護人員掌握所有被測件的工作原理有一定困難，所以對系統的自動化程度要求較高；② 除了正常對UUT主要技、戰術指標進行測試外，系統還要具有故障診斷和故障隔離功能；③ 為了保證測試結果的精度，需要定期對自動測試系統進行計量[14]。

機載通信對抗設備測試系統根據使用人員的要求，對軟件操作界面進行改進，使人機交互界面操作簡便，降低對用戶的技術要求[15]。系統運行界面如圖8～圖11所示，當用戶選擇完測試對象后，系統會自動出現電纜連接提示，用戶只需按照提示進行操作即可。開始測試前會進行適配器、連接電纜和UUT識別，以防止人為差錯。

圖8 UUT選擇軟件界面

圖9 電纜連接提示界面

圖10 測試章節(項目)選擇對話框

圖11 測試結果輸出界面

在整個測試過程中，維護人員只需要通過適配器和電纜將UUT與系統進行連接，系統會通過軟件控制自動完成UUT的識別和性能測試，從而極大地降低對維護人員的技術要求。

測試系統平臺軟件還具有故障診斷和隔離功能，可將外場可更換單元(LRU)的故障隔離到內場可更換單元(SRU)，將可測試的SRU故障隔離到電路單元或元器件。穩定故障檢出率95%；故障隔離到1個SRU的準確率≥80%；故障隔離到2個SRU的準確率≥90%；故障隔離到3個SRU的準確率≥96%。

為了方便測試系統進行計量，以保證系統測量精度，設計有專用計量適配器，在軟件內部設置有“ATE維護”節點，單擊“ATE維護”左側的“+”號，可展開對應的二級節點，即：“計量輔助”和“系統自檢”。雙擊“計量輔助”會啟動計量程序，在外部計量設備的配合下，對系統內所包含的GPIB臺式儀器和PXI模塊化儀器進行計量；雙擊“系統自檢”會啟動自檢程序，在程序的控制下，自動完成對系統內所有的硬件測試資源的自檢，并輸出自檢結果。“計量輔助”的相關信息如圖12所示。

圖12 “計量輔助”信息界面

目前，機載通信對抗設備自動測試系統已在多個航空兵部隊使用，可完成70多個型號LRU的功耗、發射功率、頻率誤差、插入損耗、駐波比、靈敏度等9類36個指標參數的測量，涵蓋了機載通信對抗設備的主要技、戰技術指標。自動測試系統在3年的使用時間內，共完成560多臺次LRU的通電檢查和性能檢測。通過對機載通信電臺的通電檢查和性能檢測，共發現指標不合格組件61件，故障組件24件，有效保障了機載通信對抗系統的正常使用。

使用結果表明，自動測試系統能夠對機載通信對抗系統中各子系統的LRU實現功能檢查、性能測試、故障檢測與隔離等功能，能將故障隔離到SRU，解決了新機裝備的各型LRU功能檢驗、性能檢測與評估、排故與維修等綜合保障問題，為部隊開展視情檢查、定檢、故障檢修等維護工作提供一個通用的綜合測試平臺，極大地提高了部隊地面綜合保障能力。

5 結束語

機載通信對抗設備自動測試系統采用先進的ATS設計理念，綜合運用虛擬儀器、人工智能、面向信號設計等多種技術，以工業控制計算機為核心，以PXI儀器、GPIB臺式儀器為主體，以多種總線為紐帶，構建了一種技術先進、可靠性高、通用性好、便于計量、操作簡便、可擴展性強的綜合化自動測試系統。

自動測試系統具有標準化、模塊化、通用化的結構和豐富的系統資源，其不僅適用于機載通信對抗設備的檢測，通過增加相應的適配器和TPS，也適用于其他機載電子設備的檢測，保障覆蓋范圍極大地增加。因此，本文設計的機載通信對抗設備自動測試系統具有良好的推廣應用前景，必將產生明顯的軍事和經濟效益。