基于多平台的辐射耐受测试系统的设计与实现

2017-07-06方丹丹曾春年

中国电子科学研究院学报 2017年3期

关键词：暗室电磁波探针

郑悠，方丹丹，曾春年

(1. 宁波工程学院电子与信息工程学院，浙江宁波 315000；2. 武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉 430070)

工程与应用

基于多平台的辐射耐受测试系统的设计与实现

郑悠1,2，方丹丹2，曾春年2

(1. 宁波工程学院电子与信息工程学院，浙江宁波 315000；2. 武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉 430070)

通过对传统辐射耐受测试系统的研究，针对传统测试中低效率和高误差的问题，本文提出了一种融合LabVIEW、MATLAB、HFSS等开发、仿真和计算工具的多平台的辐射耐受测试系统的方案，并详细分析和讨论了系统软硬件平台的实现。文中选择一个简单的反向器作为被测对象，在不同使用场景中对本系统的测试效果进行实验。实验结果表明，由于使用了计算机控制的智能系统，使得本系统较传统的测试系统在测试效率和准确度上有了大幅的提高。

辐射耐受测试系统; 多平台; 通用接口总线; LabVIEW; MATLAB; HFSS

0 引言

随着信息时代的到来，辐射耐受(Radiated Immunity，RI)测试的重要性越来越突出。但是在传统的测试中，由于电磁测试设备和测试项目繁多,往往要在数据搬运、仪器操作等流程中耗费大量的人力和时间，从而导致工作效率的降低和失误可能性的增加。

随着嵌入式系统的快速发展，辐射耐受测试的指标的综合性和项目的复杂性变得越来越强，传统的测试方法已经无法适应当前技术发展的需求，因此如何利用新的技术有效的解决了传统测试上的一些缺点成为近年来研究的热点。通过前期研究发现，利用分布式控制技术和虚拟仪器技术，将计算机和各类仪器设备通过网络组成一个智能测试系统，是一个很好的解决方案。本文提出了一种多平台的基于GPIB (General Purpose Interface Bus)总线的辐射耐受测试系统，并且测试证明该系统在便捷及效率方面较传统测试系统有了大幅度的提高。

1 系统概述

辐射耐受测试平台一般可以分成暗室测试平台和近场测试平台两部分。暗室测试平台是一个相对成熟的技术，它能提供芯片辐射耐受能力的全局特征，典型设备包括回波暗室(Anechoic Chamber)，横电磁波暗室(TEM Cell)和吉赫兹横电磁波暗室(GTEM Cell)等[1]。而近场(Near Field)测试平台是相对较新的技术，原先用于芯片辐射发射(Radiated Emission，RE)的测量上，近年来开始被用于辐射耐受的测量上。它能够将器件受高频信号干扰时辐射耐受的局部信息提取出来，成功地弥补了横电磁波暗室或回波暗室等不足[2]，所以这两类平台有着较好的互补性。本系统通过结合HFSS的电磁仿真软件、科学计算软件和虚拟仪器平台，将各种测试平台以模块化的方式进行集成，从而实现辐射耐受系统测量的自动化。辐射耐受测试系统的整体框架图如图1所示。

图1 辐射耐受测试系统的整体结构

仪器设备通过同轴电缆与实验台相连，负责供电，提供电磁环境以及测试工作。计算机机与各个设备相连控制各个设备的输出输入并实时采集数据，经过处理后通过可视界面显示给用户。用户只需设置软件平台上的参数就可远程控制整个平台，完成测试。

2 系统的硬件平台

2.1 横电磁波暗室测试平台

横电磁波暗室测试硬件平台的仪器设备包括示波器、信号发生器、频率合成器、放大器、功率表、和稳压直流电源。实验台是一个横电磁波暗室。所有的设备之间以及和实验台的相连都选用的是50欧姆的接口，以便使电磁耗损降到最低点。计算机通过GPIB总线与各个设备相连。图2是横电磁波暗室平台测试系统的简图。

图2 横电磁波暗室测试平台测试系统的简图

频率合成器在计算机的控制下发出某一频率和功率的信号，传输给实验台。由电磁理论可知，在某一带宽下实验台内能产生均匀并互相垂直的电磁场[3,4]。被测芯片由稳压直流电源供电，芯片的输入端波形发生器，输出端接示波器。

2.2 近场测试平台

近场测试需要控制探针在一定范围内移动，所以近场测试平台除了测量部分以外，还包含一个三轴的机械臂和三种用于产生不同的电磁场的探针(图3)。

图3 三轴的机械臂和三种探针

近场测试硬件平台的测量部分由信号发生器、功率放大器、示波器、频率合成器等测量仪器组成。计算机利用GPIB总线与测量部分和机械部分相连。图4是近场测试平台测试系统的简图。

图4 近场测试平台测试系统的简图

频率合成器在计算机的控制下发出某一频率和功率的信号，传输给探针。探头在计算机的控制下分别沿工作台的横轴方向和纵轴方向依次在被测芯片的表面移动，对芯片表面产生局部场强。被测芯片由稳压直流电源供电，芯片的输入端波形发生器，输出端接示波器。

3 系统的软件平台

本系统的软件采用模块化、结构化的多软件平台多线程的设计思想。

3.1 辐射耐受测试算法

在电子系统的电磁兼容测试中，主要是对集成电路进行测试。通常，集成电路在运行中既产生信号又产生噪声干扰。当芯片把低频信号转换成高频信号时会产生的辐射和耦合噪声。在一个典型的电路的所有元件中，集成电路是最容易被过高的电压和电流所损坏的。即使没有被损坏，耦合到输入或电源管脚的噪声也会造成芯片的失灵，所以，芯片的辐射耐受能力的测试是EMC测试中很重要的部分。EMC辐射耐受的测试的算法如图5所示(P代表着能量或电场强度或磁场强度，f代表着输出场强的频率)[5]。

对于辐射耐受测试中，如何评判芯片处于故障运行状态是的是一个难点。因为对于集成电路芯片，目前还没有一个通用的芯片故障运行状态评判准则。通过实验综合分析和研究被测芯片管脚电压或电流对芯片故障运行的影响，最后选用稳定性相对好的输入信号的电平离散度的作为评判准则，并定义当芯片的输出信号在包络(基准输出电平与容忍误差之和)之外时认定芯片运行故障。此外，电平离散幅度也可利用示波器的peak-detect功能实现自动侦查，易于软件的开发和实现[6]。

图5 辐射耐受测试算法

3.2 软件平台的选择

本测试平台作为智能化的系统，需要实现较多的功能。例如，除了要是实现测试系统的自动化功能，还需要对测试结果进行综合分析和对比。目前，常用的方法是采用多软件平台融合的方案，充分发挥各个软件对系统测试与分析的优势，弥补各自在某些方面的缺陷，提供程序编写效率，降低软件运行所消耗的计算资源，即考虑软件运行的时间复杂度和空间冗余度，提高测试效率[7]。

软件平台选用LabVIEW为主体平台。LabVIEW是NI公司出品的虚拟仪器开发环境，它集成GPIB、PXI、DAQ、VXI、RS232/485等各种常用的仪器通信总线标准的驱动，能通过编程实现数据卡采集，测试仪器控制及网络数据传输等功能[8]。

LabVIEW实现了测试系统的自动化，但是欠缺本软件平台所需的信号数据的分析处理以及电磁场3D模拟方面功能。本平台通过集成MATLAB数据接口和HFSS数据接口实现以上两个功能。

MATLAB是Mathworks公司推出的工程计算软件，其特色是内置众多强大的软件工具包。通过相关软件工具包的调用，可在本平台上实现各种数据的分析处理功能[9]。LabVIEW可通过ActiveX服务控件实现和MATLAB的数据交换和软件工具包的调用。为了方便开发，目前有第三方又将这些ActiveX服务函数重新封装成易于调用的API库函数，更易于MATLAB与LabVIEW之间混合编程的开发[10]。

Ansoft公司的HFSS是电磁领域常用的仿真软件，其能够快速可靠地计算各种射频或微波部件的电磁特性，提供S参数、传播特性、高功率击穿特性等参数的查询[11]。目前，对于LabVIEW软件，HFSS并未直接提供合适的脚本接口，但是可以通过HFSS-MATLAB-API来实现MATLAB对HFSS的编程，从而间接实现在HFSS中设置参数，创建2D或3D模型，控制仿真以及数据传递的操作[12]。在本软件平台中，主要是利用HFSS来计算特定区域的电磁场的场强，S参数等用户所需的特定信息并反馈给用户。由于HFSS的电磁仿真需要花费大量的时间，所以所有的平台都事先经过仿真和矫正，放置在指定的数据库中，通过库中选择特定平台即可获得所需信息

为了进一步地提高响应速度和更有效的后台处理，减少运行过程和用户界面的相互影响，最大程度利用多处理器的性能，可在LabVIEW中利用While结构，通过在固定时间间隔内执行的任务，实现软件平台的多线程工作。在本系统的平台中有两个线程，分别是读取并显示平台数据和存储平台数据到硬盘，经测试存储数据的时间略小于读取并显示平台数据的时间，因此通过定时器在固定时间间隔内执行的数据的存储，进而实现双线程的运行。但是由于这两个线程都需要对存储波形数据的全局变量进行操作，所以要进行多线程间的数据保护。本测试平台利用线程安全队列实现多线程间的数据保护。软件通过使用指针来直接获取线程安全队列的内部缓存来实现数据的操作。在LabVIEW中提供了CmtGetTSQReadPtr和CmtGetTSQWritePtr两个API函数用来返回安全队列的内部缓存指针[13]。

3.3 软件平台的实现

软件主体使用父子面板和菜单栏的形式实现对在同一主面板中对不同子面板的调用。根据硬件平台的不同，可分为横电磁波暗室测试软件平台和近场测试软件平台两大部分。

横电磁波暗室测试软件平台的软件菜单中有从仪器获取数据和辐射耐受测试。可选择从仪器获取新数据并保存，在再从计算机读取数据进行辐射耐受测试，或直接从计算机读取数据进行辐射耐受测试。图6是横电磁波暗室测试软件平台程序流程图。

图6 横电磁波暗室测试软件平台程序流程图

图7是测试仪器校正部分的界面图。这个部分包括两个功能，一是对暗小室能量输入和输出的系数进行测量以确保小室输出能量计算的准确性；二是对衰减器和放大器所带来的其它传输的损耗进行测量以确保传输线路上能量计算的准确性。

图7 测试仪器校正部分的界面图

图8是运行状态数据采集部分的界面。在平台运行时，设置参数和标准波形的信息会被保存在预选路径下的ini配置文件中，所有受干扰波形的信息会被依次保存在同路径下的txt文件中。

图8 运行状态数据采集部分的界面

图9是运行状态数据分析和处理部分的界面。在此部分中，用户可将需要分析的运行状态数据导入平台中。在完成故障运行判定准则的设置后，运行状态数据将在后台被自动处理并绘制出相应的故障状态曲线。本平台中，横电磁波暗室测试的故障运行判定准则设定包括错误抽样的比例、错误点的比例、可容忍的误差、可忽略点的比例等几个参数。在计算，软件平台通过调用MATLAB的滤波器工具包来消除传输线和示波器对芯片的输出信号电平的干扰，提高测试的精准度。此外，软件平台也可以通过调用MATLAB自动绘制出特定可容忍误差参数下的数据图，通过输入试验台的坐标查询试验台内部对应的场强值。

图9 数据处理部分的界面

同横电磁波暗室测试软件平台类似，近场测试软件平台的也分为数据采集和辐射耐受测试两部分。其中在仪器采集部分除了对频率合成器的控制外，还包括对机械臂的控制。图10是近场测试软件平台程序流程图。

图10 横电磁波暗室测试软件平台程序流程图

由于机械臂控制软件的API兼容性问题，近场测试的数据采集部分在通过编写VBScript在后台运行，用户通过改写ini配置文件中对相关参数进行配置，包括频率合成器的设置参数和机械臂的设置参数。所有受干扰波形的信息也会被依次保存在同路径下的txt文件中。

图11是近场测试的数据处理部分的界面，这个是针对某一频率和探针功率的场景进行分析的。近场测试的数据处理算法与横电磁波暗室测试类似，同样也可以通过调用MATLAB自动绘制出被测芯片干扰点的分布，也可以通过HFSS查询相关探针的场强分布情况。

图11 数据处理部分的界面

4 平台的测试

当被测设备输出和输入关系越复杂，所需的外界干扰电平往往越低[14]。为了更好地评估辐射耐受测试平台的功能，实验选择一个输出和输入较为简单的反向器(74AHC1G)作为被测对象，同时根据平台的不同，分为横电磁波暗室测试场景和近场测试场景。

在横电磁波暗室测试场景中，考虑到输出电平的抽样数量和芯片的安置方向对实验结果的影响，实验场景设置中将依次改变芯片的安置方向和输出电平的抽样数量。在实验中每次只更换一个参数，然后比较更换后的结果。具体的实验参数如下所示：

频率： 800 MHz-2000 MHz；步进间隔：10 MHz。

功率：20.8 dBm-36 dBm；步进间隔：1 dBm。

电场：26 V/m-128.6 V/m；步进间隔：2.6 V/m。

抽样数：10、20；

芯片放置：水平与竖直(如图12所示)。

图12 水平和竖直放置方向的定义

通过采集芯片运行时的故障状态数据，根据场景参数(抽样数和芯片放置)的不同，获取了四个场景的故障状态数据。接着进行辐射耐受测试的计算，并绘出相应的测试曲线。考虑到篇幅的限制，这里只介绍芯片不同放置方向时的比较结果。

图13表现的是可容忍误差为100 mv。

图13 辐射耐受测试当可容忍误差为100 mv

在图14中，可容忍误差被提高至135 mv，以便获得更好的包容性。

图14 辐射耐受测试当可容忍误差为135mv

图13和图14中的纵轴是芯片运行产生故障时横电磁波暗室输入功率，横轴是对应的频率。由图14可见，在故障状态判据—可容忍误差被设置为100 mv时，当暗室输入功率为800 MHz-1500 MHz时，竖直放置方向的芯片更容易受干扰，而当暗室输入功率为1500 MHz-2000 MHz时，水平放置方向的芯片更容易受干扰。当将可容忍误差提高到135 mv时，由图15可见，仅有竖直放置方向的芯片在800 MHz-1500 MHz频段里面容易受干扰。综上所述，在竖直放置时，由于CMOS反相器芯片的内部电路主要铺设方向[14](图15)与暗室产生的磁场方向相交，所以磁场更容易和芯片内部电路进行耦合，也更容易受到干扰。CMOS反相器辐射耐受能力也会随着频率的增加而提高，这个结论也与他人的研究结果相符合[16]。

图15 反转芯片的电路图

在近场测试场景中，需要探针在被测芯片上方沿横纵轴方向移动。在每个测量点上，探针产生频率固定功率变化的干扰场强。综合考虑探针电场特点，测试中选用可以产生竖直和水平两种磁场方向的磁环探针。根据在横电磁波暗室测试场景中的结果，芯片在干扰频率为1.2 GHz时较易受到干扰，因此具体的实验参数如下所示：

频率：1200 MHz；

功率：30 dBm-36 dBm；步进间隔：1 dBm。

探针类型：磁环。

探针方向：水平和竖直(如图16所示)。

图16 磁环的水平方向位置示意图

通过采集芯片运行时的故障状态数据，根据场景参数(探针发射功率和探针安置方向)的不同，获取了四个场景的故障状态数据。接着进行辐射耐受测试的计算，并绘出相关的干扰点分布图。同样考虑到篇幅的限制，这里只介绍探针不同方向时的比较结果。

近场测试结果显示当探针沿水平方向放置时，芯片无任何受干扰迹象。这是因为由反转芯片内部电路是沿着水平方向铺设的(图15)，所以同方向磁场很难和芯片内部电路进行耦合。

图17表现的是当探针沿竖直方向放置时，探针功率为30 dBm，可容忍误差为100 mv。芯片运行受到干扰部分由红色点表示，芯片运行没有受到干扰蓝色点表示。

图17 当探针沿竖直方向放置时反转芯片干扰点的分布

图中坏点基本集中在反正芯片内部环形电路部分，这个现象也和对芯片内部的设计造成的耦合影响的预期相符合。

5 结语

本文基于多工具平台开发模式和思路，开发和设计了基于多平台的辐射耐受测试系统，并利用反向器作为被测对象，在不同使用场景中对本系统的效用进行测试。实验结果表明，较原来传统的测试方法在效率上有了大幅的提高，节约了测试成本，有很好的工程应用价值。但是此平台还有着实验平台模块种类不够完善，例如：多平台之间的融合和协调，缺乏远程操控能力等不足。因此，在接下来的开发中，项目组将通过增加近场测试等新的平台模块，将各种测试数据进行合理的组织和共享,引入TCP/IP的控件和主客端的远程操控形式来增强软件的实用性和功能性。

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Design and Realization of the Radiated Immunity Measure System Base on Multi-Platform

ZHENG You1,2，FANG Dan-dan2，ZENG Chun-nian2

(1. School of electronic information, Ningbo university of technology, Ningbo Zhejiang 315000, China;2. School of information engineering, Wuhan university of technology, Wuhan Hubei 430070, China)

Aiming at the problems of low efficiency and high error in the traditional test method，a design of the radiated immunity measure system base on multi-platform with LabVIEW、MATLAB、HFSS is presented by studying on the radiated immunity measure system. It mainly analyzes and discusses realization and application for the hardware and software of the radiated immunity measure system. In this paper, some experiments are carried out by using intelligent control system base on computer in two test scenario. The results indicate that the efficiency and accuracy of the multi-platform system are both increasing greatly compared to the former system.

Radiated Immunity Measure System; Multi-Platform; GPIB; LabVIEW; MATLAB; HFSS

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.010

2017-03-01

2017-05-25

浙江省自然科学基金资助项目(LQ14F010001)；国家自然科学基金资助项目(61671260)；宁波市自然科学基金资助项目(2013A610114，2013A610113)

TP274

1673-5692(2017)03-271-07