T/R组件电老练测试系统设计

贾守波，吴文超，王 博，陈一凡，王淑秀，徐立航

(1.上海无线电设备研究所，上海 201108；2.上海神添实业有限公司，上海 200090)

有源相控阵是目前雷达天线研制与发展的主流。在有源相控阵雷达中，每个发射机和接收机被整合成为一个发射接收模块，即T/R(Transmit and Receive)组件[1-2]。有源相控阵雷达由几百个甚至上万个发射接收模块组成，T/R 组件是有源相控阵雷达的核心部件，它的性能直接影响雷达天线的性能指标[3]。在T/R组件的研制和生产过程中，T/R组件的电老练测试至关重要，每个组件需花费数十小时的电老练时间，以验证产品的稳定性和可靠性。

我国相控阵雷达技术起步较晚，与T/R组件电性能测试相比，T/R组件电老练业界研究较少，传统电老练测试方法进行T/R组件测试时，需要手动操作测试仪器、手动记录测试结果，手动完成测试数据分析时存在易出错、工作量大和测试效率低等缺点，耗费了大量的人力和物力[4-6]。近年来，国内开始有少数研究机构和公司进行T/R组件电性能测试和电老练相关测试系统的开发。这些测试系统一般只支持单通道测试，虽然能够实现自动测试，但测试效率不够高，数据实时处理和可追溯性较差，且系统的扩展性不强，维护成本较高，无法满足不同型号、大批量T/R组件的测试需求。

相控阵技术的发展使得雷达产品包含的T/R 组件数量增大、种类增多[7]，T/R组件电老练过程已经成为影响雷达研制与生产的瓶颈[8]。在此背景下，基于项目的实际情况，提出一种批量组合式T/R组件电老练测试系统。介绍了电老练测试系统搭建、系统设计和测试方法，对测试系统软硬件技术方案进行了详细论述。测试系统采用多通道并行的分布式结构，各测试单元被设计为独立模块，每个测试单元可独立设置电流、脉冲、温度和时间等参数，各模块通过数据流与总控模块进行通信，实现数据上传与分发。系统具有完整的自动化测试功能，软硬件均采用模块化结构，可以根据实际情况灵活配置，具备良好的通用性和扩展性，能够对不同种类、不同数量、不同测试策略的T/R组件进行电老练测试，具有较高的应用价值。

1 功能需求

电老练系统需要完成T/R组件在预设条件下的电老练测试工作，以判断被测T/R产品性能是否合格。功能需求如下：

① 老练控制。包括对单个或多个T/R组件的电老练控制启停。

② 状态监控功能。实时监控T/R组件老练温度。

③ 组件保护。在T/R组件供电电压值、电流值和壳体或内部温度超出限值时，自动对T/R组件执行断电保护操作。

④ 状态显示。在工控机上显示T/R组件的实时老练情况。

⑤ 异常警报。老练过程中出现异常时，需报警并记录相应异常工位和原因。

⑥ 数据记录。自动记录老练过程产品的电压、电流、温度和老练时间等数据，并支持批量导出。

2 系统设计

2.1 系统组成

T/R组件电老练系统组成框图如图1所示。系统主要由工控机、交换机、微波信号源、功率放大器、模拟电源、数字电源、电老练单元和射频相关部件等组成。

图1 系统组成框图

T/R组件电老练系统采用机柜式结构，由3个单体机柜组合而成，柜体承载了T/R组件电老练需要用到的相关夹具和仪器仪表。设备总尺寸为1800 mm×800 mm×1800 mm，系统功能分布分为：电老练单元区、仪器仪表区和人机交互区。电老练单元区为主要的工作区，设计成抽屉式结构，方便拆装T/R组件，每个单元容纳2块组件，共设计了12层抽屉，最多可同时进行24块T/R组件的电老练任务，可灵活配置。电源仪表区相应地布置了12组程控电源，为电老练T/R组件和控制板供电。人机交互区主要为显控单元，可进行电老练任务的信息分配、控制、监视和数据存储工作；也可接入制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)，进行任务分发和数据上传等操作[9]。

电老练系统的工作过程为：将T/R组件固定在散热模块上，通过工控机控制软件指令控制电源供电；信号源发出激励信号，通过功分器输出给24个T/R组件；电老练控制板控制T/R组件按一定时序工作，同时采集T/R组件内部和外部的温度传感器信号，并根据控制策略控制散热风扇工作，将T/R组件的温度控制在一定的范围区间；开始进行电老练工作，如某模组出现温度异常，立即启动保护机制，自动停止该模组老练任务并报警，实现全自动无人值守批量电老练工作。

2.2 电老练单元

电老练单元采用模块化集成方式，主要用于固定组件，并提供组件老练所必需的老练温度环境[10]。电老练单元的组成框图如图2所示。主要包括T/R固定工装、散热系统、射频连接系统、老练控制板和功分器等模块。每个电老练单元可支撑2块T/R组件的老练工作。

图2 电老练单元组成框图

电老练单元为系统的主要组成部分，对T/R组件的四路电源(+28 V、+8 V、-8 V、+5 V)的电流和电压进行采集，具备温度监控和温度保护功能。对T/R组件的壳体温度和内部温度进行实时监控，根据采集到的温度对外部散热系统进行控制，以保持产品在设定的温度范围内工作，并自动记录和保存测试数据。

针对T/R组件电老练环境定制化的特点，固定工装将T/R组件固定在散热器模块上，使组件紧贴散热模块，并保证壳体和散热器以及嵌在散热模块正中间的温度传感器良好接触，从而保证实时采集到的温度数据的准确性，同时保证老练单元良好的散热性能。风扇固定在散热器外部，通过控制策略调节风扇的输出功率，实现对组件工作环境温度的控制，使其保持在一定的温度下(设定为70±1 ℃)。射频负载固定于负载面板上，通过射频电缆实现与T/R组件之间的连接，老练时需手动连接。

3 测试方法

为实现对T/R组件电老练任务的管理和执行，需要明确测试设备各业务节点的时序[11]，其主要功能和关键数据均体现在电老练业务的执行过程中。电老练业务时序如图3所示。TR电老练业务主要过程如下。

图3 电老练业务时序

① 开始老练前，操作人员可以通过软件观察电老练控制单元和脉冲调制单元的状态，确认其工作状态。

② 系统将老练控制单元和脉冲调制单元状态反馈到人机交互界面上，状态正确的条件下，可配置老练条件和参数上下限阈值，在完成该配置后，系统依据配置进行电老练输出前准备业务。

③ 依次控制系统仪器仪表开启设备输出，主要配置组件电源输出和信号源输出。

④ 系统启动老练业务，配置参数和上传单元状态信息，对TR组件进行上电并提供输出调制脉冲。

⑤ 在人机界面观察电老练控制单元信息和脉冲调制单元信息，定时监控记录各模块单元状态和故障信息，并对监控信息进行存储。

⑥ 在达到老练预设的条件后，系统自动结束老练，断开TR组件的供电电压和输出调制脉冲。

⑦ 组件电源和信号源关闭，关闭设备输出，老练结束。

老练测试过程中，采用自适应调节控制算法进行电老练的自动化测试管理。自适应调节控制算法流程如图4所示。

图4 自适应调节控制算法流程图

测试单元设计有禁用、正常、异常和完成4个状态，电老练测试状态设计有未老练、老练中、老练结束和老练终止4个状态。自动调节控制时，通过定期刷新电老练单元的状态，根据电老练单元状态确定电老练状态的切换动作，并遍历完成所有电老练单元T/R组件产品的电老练状态的控制。例如，当测试单元状态为正常时，T/R组件处于老练中，则该组件将继续保持老练中的状态；当测试单元状态为完成，T/R组件处于老练中，则会将该组件切换到老练完成的状态，并控制相应的仪器仪表自动切换到相应状态。

4 软件设计

4.1 软件系统架构

电老练自动化测试软件是整个测试设备工作的上位机操作软件。软件开发基于LabVIEW软件平台，老练系统提供老练测试的参数配置界面接口，实现对电源、T/R组件控制板和散热风扇的控制，采用自适应调节控制算法，可以实现对T/R组件的电老练测试的全程自动化管理。测试软件采用模块化设计思想[12]，针对测试系统的技术特点，通过设计不同的操作单元模块进行功能组合，实现整体软件的设计开发。

系统采用并行测试技术，同时对多个T/R组件进行测试，各测试对象是独立并行的。测试系统软件设计架构如图5所示。在软件测试过程中测试单元对所有测试项进行测试，实现一个线程测试一个功能模块，实现多线程并行测试。并行测试充分利用了处理器时间和测试资源，减少了测试时间，改善了测试系统的性能。

图5 软件设计架构图

在该软件架构中，所有功能单元进行数据交互的核心是数据库，无论是硬件资源、测试数据、产品信息和用户参数配置等，均需要通过对数据库的操作完成映射关系的转化。同时，用户配置管理信息也都存储在数据库中，以方便统一管理和查询。该数据库基于ACCESS进行开发，系统软件为用户提供了对数据库进行表的创建、插入、查询和删除等操作功能。

系统测试时，将所有的测试数据和系统信息存储至数据库，并通过网络同步到中央服务器，然后数据浏览模块可以与数据库建立连接，对存储至数据库的信息进行查询、分析和浏览等操作。

测试软件的人机界面模块包括了用户管理模块、自动测试执行模块、数据处理模块、故障诊断模块和自检模块。测试系统通过测试总线将模块化仪器连接在一起，自动测试模块的调试界面可以针对单工位进行手动调试，以便于验证产品的功能和性能指标。用户可通过仪器面板完成系统自检功能，该自检功能主要是对测试设备中的全部工位的电源模块和控制板模块进行功能检查，并将自检结果显示在软件界面上。

自动测试流程模块是一个级联的模组，通过自动执行模块执行；自动执行模块根据任务配置分配测试程序模块，同时配置测试管理模块和启动测试项目；测试项目通过驱动接口控制相关仪表，实现了自上而下的软件控制流程。

4.2 自动测试管理

测试系统中使用了较多的非标仪器，应用程序接口(Application Programming Interface,API)数量和类型众多，没有标准的驱动接口和资源库，因此，借助于一些开源库，自行编写驱动模块，并对非标仪器驱动进行封装，提高了开发效率。将仪器驱动接口封装为模块后，再参考可互换虚拟仪器(Interchangeable Virtual Instrument，IVI)的实现机制，面向对象的特性，逐步将测试软件与底层仪器解耦，提高仪器的可互换性。在分布式和跨平台的环境下，操作和调试仪器更方便快捷[13-15]。

IVI是在即插即用(VXI plug&play,VPP)规范之上定义标准的仪器接口和模型，能够实现仪器驱动器的可互换性、开发灵活性和测试高效性，以及保证测试品质。IVI技术采用属性管理机制的方法实现更好的运行性能和更灵活的驱动操作[16]。建立在IVI引擎驱动的属性机制的基础上，IVI实现了状态缓存、范围检测、取值强制、状态检测和仪器的仿真功能[17]。

测试配置文件在主控计算机上进行编辑和执行，测试执行过程示意图如图6所示。测试执行过程描述如下，在主控计算机上的测试软件下编辑好测试配置参数并保存为.ini文件，在测试执行时，测试管理引擎按照测试序列逐步发送出测试语句。测试语句按照ATLAS标准测试语言规范进行编辑，便于软件的移植和型号升级等[18]。指令分析模块收到ATLAS测试语句后分析并发送给驱动管理引擎，由驱动管理引擎解析并进行语法判断和状态判断等，调用相应的仪器驱动程序完成测试任务。自动测试管理模块实现的功能主要包括以下4个部分。

图6 测试执行过程示意图

① 测试配置管理功能：负责对被测T/R产品的测试项目、测试参数和技术指标等进行配置和管理，同时对当前所进行的测试项目的测试结果进行实时分析和显示，通过与测试管理数据库的交互，实现测试项目的实时更新和存储功能。

② 数据采集监控功能：负责采集温度、电压和电流等信号，设计为独立的数据采集引擎。数据采集引擎是针对硬件任务管理的引擎，可实现多个硬件任务的管理，包括参数配置、数据采集和显示、数据分析和报警、采集数据保存等功能。

③ 温度控制功能：负责控制组件温度，采用双闭环的控制策略对组件温度进行调节，使其保持在一定的范围内。控制板通过温度采集模块对T/R组件的温度值进行实时采集，并上传给上位机，上位机控制软件通过分析采集温度和设定温度的差值对散热风扇进行调节，进而实现对T/R组件的温度控制，使其保持在一定范围内。当散热风扇功率达到最大值时，如果T/R组件温度仍然超出控制范围，再通过调节波控输出脉冲的占空比对T/R组件的消耗功率进行调节，从而实现降低组件温度的功能。

④ 通信配置管理功能：设计为独立运行的线程，由主程序界面进行调度和管理，主要负责对各个仪器模块以及波控板的以太网通信和控制，包括测试指令的封装和解析、Modbus命令控制等功能。

4.3 软件设计界面

系统主程序根据用户需求进行自定义设计，主界面中包含了用户常用的控制命令和显示内容，如图7所示。

图7 测试程序主界面设计

该测试软件主界面主要包括以下5部分内容。

① 主功能选择菜单区。包括测试软件所有的功能选项，包括菜单选项和按钮选项2个部分；通过选择不同的操作项可以实现对测试软件和设备的操作管理功能。实时操作日志管理，该部分功能为软件整体操作记录和汇总，用户可以通过单击操作日志按钮查看所有的操作过程，便于在设备遇到故障时提供排故信息。

② 主测试项目数据采集显示区。在测试期间实时显示测试项目信息，包括测试工位信息、测试产品信息、测试实时监测电压/电流/温度等数据、测试时间和测试结果等；数据采集监控功能模块负责采集温度、电压和电流等信号，设计为独立的数据采集引擎。数据采集引擎是针对硬件任务管理的引擎，可实现多个硬件任务的管理，包括参数配置、数据采集及显示、数据分析及报警、采集数据保存等功能。

③ 温度曲线显示区。在测试期间实时显示产品温度曲线，方便测试员观察产品温度在测试过程中的变化情况；产品测试数据查询，该功能主要是对被测产品的记录信息进行查询和数据回放。

④ 报警信息显示区。在测试期间实时显示报警信息，报警源主要包括测试电压和电流是否超限、产品温度是否超限等。故障信息查询，提供了设备IP地址、控制板和测试产品数量信息、软件操作状态以及系统时间等信息。测试结果汇总信息查询，为查询测试过程中发生的软件故障或硬件模块故障信息的记录功能，可以通过查看故障信息按钮查询故障数据库，为用户提供产品和测试设备的排故定位功能。

⑤ 状态栏显示区。主要显示测试软件的基本状态信息，包括测试人员和测试结果等汇总信息；查询测试结果时可以设置查询条件，包括产品编号、工位号和测试时间等条件，查询结果显示在表格控件中，主要包括测试产品信息、测试时间信息、工位号信息和测试结果信息等，同时将查询到的测试结果进行统计分析，并给出测试结果统计直方图。

5 测试结果分析

通过对某型T/R组件为例进行电老练测试，得到了电老练系统运行过程监控实测结果，如图8和图9所示。其中，图8为电老练测试开始阶段，T/R组件温度缓慢上升过程中，通过温度曲线监控可以看出此阶段为温度线性上升阶段。图9为电老练稳定工作阶段，此时通过散热控制，将TR组件温度稳定控制在69～71 ℃之间，平均温度70 ℃，满足±1 ℃温度设定控制误差范围。老练系统对各项老练指标的监测和老练条件的控制准确。

图8 电老练测试开始阶段

图9 电老练稳定工作阶段

通过对某型T/R组件电老练前后的各参数进行对比，结果表明，T/R组件电老练前后，其各项参数均满足指标要求，且各参数测试前后差值不大，均属正常波动范围，该电老练测试系统满足设计要求。

6 结束语

本系统平台开放程度高，可完成多通道同步任务，实现多模块实时数据采集、处理、显示和存储功能，提高了产品电老练数据查看和对比的用户体验。整机采用模块化结构，组合灵活、方便拆卸，能够适应不同的场合。相比于常规单个T/R 组件电老练测试系统，有效地减少了测试机柜数量。实际应用表明: 该系统的使用极大减轻了测试人员的工作强度，提高了T/R组件的电老练测试的工作效率，具有一定的应用推广价值。