一种适用于POP工艺GNC模块的测试系统设计

2022-08-02程瑞楚郭刚强

计算机测量与控制 2022年7期

程瑞楚，柴波，郭刚强

(西安微电子技术研究所，西安 710065)

0 引言

制导、导航与控制系统(GNC，guidance navigation and control system)是导弹/火箭的大脑和神经中枢，是支撑导弹/火箭各个系统正常运转、实现目标的核心，是航天飞行任务成功与否的关键[1-3]。随着导弹武器系统不断向小型化、智能化、低成本等方向发展，弹上系统逐步向集各功能模块于一体的综合电子系统过渡[4]。综合电子系统具有缩小系统体积、减少弹上资源的浪费、提高系统可靠性、降低产品成本等优势，是目前弹上控制系统的发展趋势。

传统的导航制导控制产品由大量PCB单板及各种功能模块组成，体积大、质量重、功耗高、成本高等问题严重限制了它们的应用范围。随着我国在智能弹药、小型化精确制导导弹、微小型无人机和微纳卫星等领域研究的逐步深入，对弹上系统小型化、轻量化、高集成、低成本、低功耗等方面提出了更高的要求。

堆叠封装(POP,package on package)也称为叠层封装，是一种新兴的、低廉的、集成逻辑和存储器件的3D封装解决方案，通过堆叠工艺实现小型化和多功能[5-6]。GNC模块就是针对弹上系统上述需求研发的一款产品，以传感器技术、信息处理技术、微电子技术为基础的GNC模块，是支撑其小型化发展的核心之一。基于POP工艺的GNC模块是一个以多核处理器为核心，集成MEMS惯性传感器、地磁传感器、卫星导航模块等多个组件，具有多种外设接口的正交立体集成结构的导航制导通信模块[7]。

基于POP工艺的GNC模块其集成功能多、体积小、工艺过程复杂且不可逆，如果测试不到位会导致最终产品的成品率低，低成本控制目标难以实现。为了解决该问题，本文设计了一款测试系统，可以满足整个工艺过程的测试需求，实现对制导导航控制系统的部件测试、综合测试，验证制导导航控制系统的功能和性能，解决了该产品大量生产的测试需求难题，提高了产品的可测试性和可靠性[8]。

1 基于POP工艺的GNC模块功能结构特征

GNC模块采用双核处理器，可使飞行控制计算与导航解算相互独立运行，一个处理器负责飞行控制计算，另一个处理器负责导航解算。为了充分发挥双核处理器在算法解算和信息处理方面的优势，GNC模块采用DSP+FPGA的架构实现数据运算及多种通讯协议，FPGA实现逻辑译码及其它功能扩展。另外，由于FPGA本身的可配置、修改容易和调试方便等特点，使系统具备重构性强、升级容易等特点。GNC模块采用单5 V供电，经过供电单元转化成3.3 V和1.2 V，两路电压都可以保证最大3 A的电流输出能力，给整个系统供电，方便用户使用。传感器包含单轴陀螺仪、单轴加速度计、三轴地磁模块，组成IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元)，可实现对弹体X、Y、Z三个方向的角速度、加速度及地磁信息的采集和处理[9]。卫导部分集成了射频前端和基带处理部分，与IMU组成组合导航系统，实现对弹体姿态和位置的测量。其原理框图如图1所示。

图1 GNC功能原理框图

GNC模组叠层设计中，充分考虑了体积、重心、散热、供电和信号线互连等方面。按照功能将GNC模组划分为信息处理、AD/地磁测量、卫导、惯性采集、电源等组件，其结构示意图如图2所示。从上往下依次为信息处理组件、AD/地磁组件、卫导、惯导组件(正交结构)、电源组件和对外接口组件。

图2 GNC模块叠层规划图

GNC模块采用高可靠POP封装技术，该封装兼容裸芯片和成品器件三维叠层，可实现传感器和数字系统的一体化集成。采用的工艺技术路线为有机基板型叠层方式，将器件以尽量少的三维互连为层规划准则，按功能进行分块规划，分别组装到数个有机基板上，形成单层封装结构，再将基板进行三维堆叠，实现立体互连，对外形成PGA引出封装，这也使GNC模块的测试难度大大增加[10]。

利用POP工艺实体封装的特点，GNC模块创新采用了无框架结构，在没有支架的情况下，保证了惯导组件敏感轴的互相正交，在保证传感器安装精度的同时，大大减小了体积，减轻了重量，简化了模块组装的难度，减少了内部材料的类型，提高了封装结构的可靠性。GNC封装产品外形图如图3所示。

图3 GNC封装产品外形图

2 GNC模块测试需求分析

根据GNC产品功能和封装成品的工艺特点，结合GNC模块生产调试与试验的实际流程需要，可以将GNC产品的测试分为：静态测试、单项功能测试和专项性能测试。

静态测试：由于GNC模块体积小，集成度高，采用PGA封装，采用侧面互连工艺，模块间连线是在外表面，互联线条细、密度高，在加电测试前必须进行模块的互联、导通及绝缘测试，这些测试不能在模块本体上实现，必须通过转接关系变成万用表、示波器等可以直接测量。静态测试既要满足封装过程中的测试，也要满足成品的测试。

单项功能测试：由于GNC模块集成的功能非常多，各个功能模块都具有自身的功能与性能指标，这些功能性能指标必须满足产品指南规定的要求，因此，测试系统必须能够实现对组成GNC模块产品的各项功能性能指标进行单项测试。单项测试既要满足封装过程中的测试，也要满足最终成品的各种测试需求。

专项性能测试：由于GNC模块集成了MEMS、卫导和地磁等功能，这些功能的性能测试必须在转台、卫星模拟转发器和跑车等特殊环境条件下才能完成，因此测试系统应该满足这些特殊环境测试的安装要求。专项性能测试只适应于最终成品的测试。

3 主从协同测试系统硬件架构设计

根据上述GNC模块测试需求分析结果，对于一个高度集成封装的小型化综合电子模块产品，构筑了一套主从协同测试系统，测试系统硬件设计图4所示。

图4 GNC主从协同测试系统图

其中GNC模块硬件测试主系统包括工控机、测试用电缆、GNC模块供电电源、万用表、示波器等。主要功能是实现对GNC模块测试从系统的供电和通过通信接口进行的命令传输以及测试结果信息传递。

为解决高集成度封装的GNC模块测试不便的问题，将协同测试从系统设计为一块多功能印制板，把GNC模块作为被测对象，在该测试板上安装测试插座，用于可重复插装封装好的GNC模块，使得多个GNC模块可共用同一块测试板，测试过程中可直接插拔替换，大大节省了资源，提高了工作效率。GNC模块的对外接口单元主要由可配置IO接口、CAN接口、SCI接口、SPI接口、AD接口等部分组成，这些对外接口的辅助测试逻辑都通过对此印制板的合理布局来实现。

1)为了实现静态测试，在测试板的原理设计中，将GNC模块功能接口引出，同时将GNC模块的全部引脚引出，并在测试板上设计独立测试点，可以用于万用表、示波器等测量仪器的直接测试。

2)为了实现单项功能测试，将测试主机工控机通过MOXA卡与测试板连接，通过422通信接口将主从协同系统之间进行互联，由测试系统主机通过工控机向GNC协同测试系统发送指令，由GNC模块接收指令并执行，进而实现对GNC模块的各项功能测试。

①GNC模块的4路IO采用自环方式测试接口的功能，随机选择2个IO接口进行自环测试，任意一个输出、另一个输入，对比输入和输出的数值，结果一致则表示测试正确；

②SPI通信接口的测试，将CS、CLK、SDIN、SDOUT信号分别接入4路IO，在IO上观测SPI接口的数据状态，SPI接口和IO接口之间相互发送、接收的数据一致则表示测试正确；

③SCI接口和CAN接口通过各自的接口转换芯片，与对外插座相连，与工控机实现422通信和CAN通信；

④AD接口测试配合测试板上的拨码开关设计，其中前3路采集的是三轴地磁传感器的输出信息，将后5路引出，在测试板上分别采样5 V、3.3 V、1.2 V、GND和悬空，每次拨动一位拨码开关，可观察5路采样值的变化。

3)为了实现专项功能测试，协同测试从系统设计为一块小型化的印制板，该板除了可以插拔不同的GNC模块以外，还可以通过螺钉被固定在转台或跑车台上，以便能够满足MEMS、地磁以及卫星导航定位功能等特殊环境下的测试。

4 主从协同测试系统软件架构设计

GNC模块测试系统软件分为两类，测试系统主机软件和协同测试系统软件。测试系统软件采用分层构件化设计，在软件体系结构层次上与综合电子软件的设计理念一一对应，分为测试应用层、测试核心层、测试硬件支持层，从设计上保证了测试环境的有效性[11]。通过分层并制定每一层的标准业务及接口，如其中一层发生变化，则不会影响到其它层，便于在以后技术的升级换代中可以快速适应。同时，在软件设计中，制定设备驱动程序框架，使得软件能够适应不同的设备控制需求，并对上层提供统一的接口。将测试系统中的标准业务采用构件实现，在后续新任务软件的开发中可以通过组装标准化的构件以及任务的特殊需求构件，达到加快软件开发速度的目的，进而缩短软件的研制周期[12]。

测试系统主机软件和协同测试系统软件共同实现对GNC模块的单元测试和专项测试。单元测试是软件测试的第一步，单元测试通过对每个最小的软件模块进行测试，对源代码的每一个程序单元实行测试，来检查各个程序模块是否正确地实现了规定的功能，确保其能正常工作；而专项功能测试根据某一复杂功能验证需求而专项开展测试。此测试系统的单元测试部分用于测试GNC模块的各项基本功能是否正常工作，专项测试部分用于GNC成品状态下，采集各传感器的输出数据，然后采取一些数据处理与补偿方法，测试GNC模块的性能[13]。测试系统主机软件的开发环境为C++ Builder；协同测试系统软件的运行环境为TI公司TMS320f28377D，开发环境为CCS6.1；CAN通信使用广州致远电子生产的USB CAN-Ⅱ智能接口卡实现。

4.1 单元测试

单元测试中，协同测试系统软件负责接收测试系统主机软件发出的单元测试命令，并返回测试结果消息给测试系统主机软件，完成对被测设备所有硬件单元的单项功能测试，GNC模块的单项功能测试项目表如表1所示。当测试结果错误时，单元测试软件应下发错误记录，用于故障原因的分析，测试系统主机软件对测试过程中的所有错误数据以测试日志的形式进行记录，测试日志显示测试的开始时间、已运行时间、结束时间等与测试过程相关的信息，便于测试实验状态的查找[14]。

表1 单项功能测试项目表

根据上述单项功能测试项目，设计单元测试软件流程，如图5所示。

图5 GNC测试系统软件流程图

4.2 专项测试

专项测试软件主要完成对GNC模块的性能测试，采集GNC模块的地磁传感器、陀螺仪和加速度计的三轴原始数据以及温度信息，并通过对原始数据的补偿处理。输出地磁三轴磁场信息、陀螺仪三轴角速度和温度、加速度计三轴加速度和温度，然后对采集到的数据进行解算，将最终数据在测试系统主机软件的专项测试界面显示[15]。专项测试软件流程如图6所示。

图6 GNC测试系统专项测试流程图

1)IMU专项测试:

IMU的零偏及初始姿态误差是导航误差快速发散的主要误差源，因此，对IMU全部零偏的标定和补偿是减少初始姿态误差和提高导航精度的有效方法[16]。因此，在开始IMU性能测试前需完成IMU的标定工作。由于MEMS陀螺仪相比于加速度计对标定的精度要求更高，因此我们采取先标定加速度计后标定陀螺仪的方案[17]。

将GNC模块通过测试板固定安装在三轴转台上，保证GNC模块的轴向与转台轴向尽可能平行。首先，建立陀螺仪定温输出模型为：

(1)

公式(1)中，ωx、ωy、ωz为补偿后的三轴陀螺仪输出(即理论输出真值)，εx、εy、εz为3个轴向陀螺仪的常值零偏，kgx、kgy、kgz为三轴陀螺仪的刻度系数；轴间安装偏差系数分别为kgxy、kgxz、kgyx、kgyz、kgzx、kgzy；三轴陀螺仪输出的原始数据为NGx、NGy、NGz。

加速度计定温输出模型建立为：

(2)

式中，ax、ay、az为补偿后的三轴加速度计输出(即理论输出真值)，▽x、▽y、▽z为3个轴向加速度计的常值零偏，kax、kay、kaz为三轴加速度计的刻度系数；轴间安装偏差系数分别为kaxy、kaxz、kayx、kayz、kazx、kazy；三轴加速度计输出的原始数据为NAx、NAy、NAz。

①加速度计标定方法：

②陀螺仪标定方法:

(3)

其中:N为转动圈数，N=3。

(4)

IMU标定测试完成后，开始IMU性能测试，获取IMU标定测试中的标定系数，然后测试系统主机软件向协同测试软件发送数据采集指令，开始IMU数据采集，并将采集到的三轴陀螺和三轴加速度计数据进行解算，最终将陀螺和加速度计的零偏、零偏稳定性、交叉耦合等数据在测试系统主机软件的专项测试界面显示。

2)AD/地磁测试:

调整转台位置使得地磁Z轴方向平行于北向，产品正常工作后启动转台，设置转台的转速为15转/秒。等转台速率稳定后，连续采样3 min数据。传感器的X轴和Y轴可以测量OXY平面上的磁场强度，并且随着GNC模块旋转，X轴和Y轴测量到的磁场强度周期性变化。

如果敏感轴上的磁场强度为0，而传感器的输出不为0时，则会带来零点误差。X轴和Y轴的零位为：

(5)

(6)

修正零位之后的输出为：

x=xout-ΔX

(7)

y=yout-ΔY

(8)

正交误差出现时，采集到的数据所表现的现象是：Y轴输出为最大时，X轴输出不为0，此时X轴的实际输出为x=Ymax×sinα。对此，可以采用公式4～5进行补偿：

x=xout-yout×sinα

(9)

由于地磁模块在测量过程中存在系统误差，姿态解算出的滚转角误差较大，不能满足弹道控制的要求。地磁模块协同测试软件功能主要包括对地磁模块的数据采集，然后通过补偿修正模型对采集到的数据进行修正，最终将滚转角数据和地磁修正数据以422通信形式发送给测试系统主机软件，并在测试系统主机软件的专项测试界面中显示。

5 实验结果与分析

5.1 实验步骤和方法

为了验证本测试系统的准确性和可靠性，选取5台GNC产品按照以下步骤进行测试，根据GNC模块测试需求，依次完成静态测试、单项功能测试和专项性能测试。

1)静态及单项功能测试:

首先，在上电之前对GNC模块进行人工目检、尺寸检测、原理检查以及阻抗测量，确保产品阻抗测量没有问题并且不存在短路或接触不良后，采用测试插座将封装好的GNC模块固定在测试板上，并进行通电。如无异常，记录供电电压和电流，然后开始电路调试。功能测试时，应将GNC模块静置在水平平面上。然后使用单元测试软件，对CNC模块的所有功能逐一进行测试，判断系统的各项功能是否正常。

2)IMU标定:

将GNC模块安装在三轴转台上，采用6位置法对加速度计进行标定，IMU的X、Y、Z轴分别朝天向和地向一次，在转台静止情況下进行加速度计数据采集，每个位置保持时间不小于5分钟[18-19]。然后对陀螺仪进行标定，调整X轴平行于地球自转轴，开始数据采集。在5 s内控制转台绕X轴正转1 080°(三圈)。待转动结束后，继续采集10 s以上数据，命名接收文件为X+1 080°。然后保持转台方向，控制转台绕X轴反转1 080°(三圈)，数据记为X-1 080°。Y、Z两轴步骤同X轴。

3)IMU零偏:

调整转台位置，使得陀螺Z轴方向沖天，通电等待数据稳定后，测试GNC模块X、Y轴角速率的输出，共测试3 min，然后求出X、Y轴陀螺仪输出信号的平均值即为陀螺仪的零偏。将GNC模块三轴角速率数据采集时间改为1 h。对采集数据取10 s均植，共得到n组陀螺仪输出，根据计算公式得到陀螺仪的零偏稳定性。分别测试GNC模块三轴角速率10 min的零偏输出：测试6次，每次间隔10 min以上，6次求标准差，得到陀螺仪的零偏重复性。测量Y轴加速度Y1，采样3 min并求出平均值。改变转台方向，使Z轴指地，测量Y轴加速度输出Y2，采样3 min并求出平均值。根据计算公式得到加速度计的零偏。记录加速度计输出，测试时间改为1 h，对加速度计的输出取10 s均值，共得到n组加速度计输出，算得加速度计的零偏稳定性。分别测试10 min的零偏输出，测试6次，每次间隔10 min以上，算得加速度计的零偏重复性。

4)地磁输出测试:

将GNC模块安装在无磁转台上，调整转台位置，使得地磁Z轴方向平行于北向，产品正常工作后启动转台，设置转台的转速为15转/秒。等转台速率稳定后，连续采样3 min数据。地磁传感器的X轴和Y轴测量OXY平面上的磁场强度，并且随着GNC模块旋转，X轴和Y轴测量到的磁场强度呈周期性变化。

5.2 实验结果分析

根据上述实验步骤，依次对5台GNC模块完成了静态测试和动态测试，其功能测试结果良好，各功能部分均正常工作。

选取三轴IMU数据进行性能对比，以X轴为例分析，测试结果如表2所示。在没有误差的情况下，如果将三轴正交地磁传感器在均匀磁场影响下绕原点进行三维空间旋转，地磁矢量的模值不随传感器的转动而变化[20]。理想正交三轴地磁传感器的输出信号在空间的轨迹是一个球，其半径为地磁矢量的模[21]。如果绕三轴磁传感器的一个轴旋转，另两个轴则形成一个平面上的圆。以GNC模块地磁X轴的输出为横坐标，以Y轴的输出为纵坐标作图，在坐标轴上映射出一个圆心在原点的近似圆[22]。地磁传感器X、Y轴输出的电压信号会形成正弦信号，双轴的相位差近似为90°，5台GNC模块地磁输出X、Y′轴对应关系均如图7所示。

表2 IMU测试X轴数据

图7 地磁输出及X、Y轴对应关系

GNC模块具有的各项功能和性能指标如表3所示。5台GNC产品静态测试结果正常，模块尺寸和初次上电电流、电压均符合指标要求，对测试软件设置对应参数，测试了5台GNC模块的功能和性能，测试结果均满足GNC模块技术指标要求。使用秒表计时测试时间并统计结果，除专项测试中需反复多次采集数据外，5台GNC产品功能测试所需时间均为8～10 s，与同类测试系统相比，将人工测量的难度和强度降低到50%以下，大大提高了测试效率。