基于LABVIEW的T/R组件自动测试系统设计

Design of Automatic Test System of the T/R Component Based on LABVIEW

摘要: T/R组件的射频指标测试传统采用的是手动操作仪表测试，这种测试方法的测试效率比较低，仪器操作步骤繁琐，测试消耗时间长，因此设计一种快速且准确的自动测试系统是必要的。一种基于LABVIEW软件平台开发的自动测试系统，实现了测试流程的可视化编辑、数据采集、图形显示、测试报告的自动生成等功能。实验结果表明，开发的自动测试系统与传统的手动测试方法相比，测试操作更简单方便、测试效率更高，并且具有很强的灵活性，方便升级和扩展。自动测试系统能根据不同的需求应用在多种场合，大大提高了产品的开发和生产效率，最后对自动测试系统的发展进行了展望。

Abstract: The traditional test method of the T/R component is manual operation instrument test. This test method has low test efficiency, complicated instrument operation steps and long test time, so it is necessary to design a new fast and exact automatic test system. A new automatic test method developed based on LABVIEW achieves visual editing, data collection, graph display and automatic generation of test reports. The experiment results show that compared with the traditional manual test method, the developed automatic test system is more simple and convenient in test operation, higher in test efficiency, and has strong flexibility, easy to upgrade and expand. In addition, the automatic test system can be applied in various occasions according to different needs, which greatly improves the development and production efficiency of products. Finally, the development direction of the automatic test system is forecasted.

1. 引言

随着科学技术的飞速发展，在现在雷达T/R组件的研发和生产过程中，设计和制造自动化程度不断提高，人工干预逐渐减少，产品的测试、诊断和性能分析显得也越来越重要。无论是研发测试，还是生产测试，在面临被测件和测试项目多、数据处理量大的情况时，若采用传统的手动操作仪表的测试方法，将耗费大量的人力和时间成本[1] [2]。

随着仪器仪表技术的发展以及电气接口和通信接口标准的建立，以及完善仪器仪表远程控制的普及，将计算机和仪表紧密结合的自动测试系统可以很大程度上解放人力，减少测试时间。雷达T/R组件作为雷达的核心组成部分，实现发射信号的放大、微弱信号的接收，其性能直接影响雷达整机的性能。雷达T/R组件通道数量多，一套相控阵雷达具有数百个乃至上千个T/R通道，而且T/R组件的技术指标种类多，测试数据量非常大，依靠传统人工手动测试效率太低。此外，在雷达T/R组件的研发和生产过程中，自动测试可以避免测试结果因不同测试人员读数带来的差异，提高测试结果的准确性和一致性，为组件的性能分析提供可靠的理论依据。同时，大大减少了测试所消耗的时间，降低了人工成本，保证了研发和生产任务高质高效的完成[3]。

这里秉承着功能软件化、软件模块化的设计理念，针对有源相控阵雷达数量巨大的T/R组件参数测试需求，文章设计了一套自动化测试系统，通过对多种仪表的控制，实现了对T/R组件的自动测试和数据处理，极大地提高了测试效率、测试的准确性和可靠性[4]。

2. 系统组成

2.1. 自动测试系统的组成

自动测试系统大致上可划分为硬件和软件两部分。其中，硬件部分又可以划分为计算机、各类程控仪表和传输总线。计算机为软件平台和测试程序提供运行环境，程控仪表完成各类指标的测试，通信总线实现程控仪表和计算机之间的数据传输。软件部分包括测试软件平台(LABVIEW)和测试程序，软件平台是测试程序编写的基础，测试程序是整个自动测试系统的核心部分，主要进行仪表的控制管理、数据传输、数据分析、图形显示等[3]。

这里设计的雷达功率组件自动测试系统硬件部分有：计算机、信号源(N5181)、频谱分析仪(N9010A)、功率计(N1911)、程控电源(IT6322B和IT6521A)，仪表尽量选用带有GPIB和LAN接口的主流厂商仪表。软件部分主要是基于LABVIEW软件平台编写的测试程序。

2.2. 测试系统的工作原理

该测试系统采用GPIB总线，将计算机、雷达T/R组件和多种测试仪器相连接，计算机利用编写的自动测试程序对测试仪器下发控制指令，通过GPIB总线控制各个标准仪器，实现对雷达T/R组件的自动测试。首先通过计算机控制程控电源给T/R组件提供正常的工作电压，接着控制信号源为T/R组件提供信号输入，然后控制频谱仪、功率计和矢量网络分析仪等进行相关指标测试，最后通过程序读取和记录测试数据，并完成数据计算分析。

2.3. 自动测试系统的连接方式

程控仪表的总线接口有USB接口、网线接口和GPIB接口标准配置，通信连接线可使用USB线、网线和GPIB线，根据计算机和仪表的硬件接口可任意选择[5]。在一个由多台程控仪表组成的测试系统中，一般采用网线或GPIB总线连接，也可以采用两种连线方式混合的接线方式，因为多台仪表之间需要级联或并联，使用网线加路由器或GPIB的接线方式比较容易。只需要控制单个仪表情况下，三种接线方式都可以采用。

由于采用网线的连接方式，需要增加交换机。首先是计算机连接交换机，然后多个仪表通过网线并联到交换机上即可。计算机通过交换机和多台仪表之间实现通信。这里采用了GPIB线串联的接线方式，接线方式比较简单容易实现，自动测试系统框图如图1所示。

Figure 1. T/R component automatic test system block diagram

图1. T/R组件自动测试系统框图

3. 主要功能

测试系统的主要功能有：

1) 实现对测试仪器的自动控制及参数设置；

2) 完成雷达T/R组件的技术指标自动测试；

3) 完成测试数据读取与分析。

这里选择LABVIEW作为软件平台，LABVIEW是一种基于虚拟仪器的图形化编程语言[6]。这种语言编程大部分情况下可以使用功能模块取代程序代码，十分快速方便，它已广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

自动测试系统针对雷达的T/R组件而设计，通过LABVIEW编程实现对信号源、频谱仪、电源和功率计的软件自动控制，利用全局变量和数据存储技术实现测试结果的跟踪显示和原始测试数据的文本保存[7]。自动测试完成的指标测试有：杂散抑制、谐波抑制、改善因子、峰值功率、脉冲上升沿、脉冲下降沿、组件工作电流、组件工作效率、功率平坦度，并针对部分指标给出曲线图。

文章基于LABVIEW图形编程语言设计的雷达T/R组件测试系统界面如图2所示。

Figure 2. Automatic test system interface

图2. 自动测试系统界面

测试前首先建立计算机和程控仪表之间的连接，在界面上仪器地址选项的下拉菜单中选择与仪表正确对应的GPIB地址，每台仪表的GPIB地址在其系统属性里面可以查询。

操作界面中的电压值和电流值设置选项，在程序设计时将两个选项的输入数值设置了门限保护，使写入的数值不能过大或者过小，这样可以避免误操作对被测件造成的损坏[8]。界面上所有的参数设置完成后，点击更新配置，参数设置就会自动保存。

指标测试具有可选择性，根据需求选择一个或者多个指标测试。进度条显示当前测试完成情况，测试开始时间和结束时间记录了测试耗时信息[9]。测试过程中可以实现多个指标的同时测试，例如测试功率的时候，改善因子或谐波测试等，这样进一步提高了测试效率。测试完成后，所有的测试结果会自动保存到之前设置的文件路径里，自动生成测试报告，同时结果也会显示在界面的表格里。

打开图形分析功能，选择其中一个指标可以看到相应的频率曲线图，可以十分直观地看出相关指标的好坏。

最终实现了测试流程的可视化编辑、数据采集、图形显示、测试报告的自动生成等功能。

4. 结论

4.1. 与传统的手动测试对比

4.1.1. 测试效率的提升

以上文的T/R组件指标测试为例，对其自动测试和手动测试所消耗的时间作对比。在工作频段内选择相同的5个频点进行测试，测试消耗时间分别记录如表1所示。

Table 1. Comparison of manual and automatic test time

表1. 手动测试与自动测试耗时对比

指标	功率	改善因子	杂散抑制	谐波抑制	上升沿	下降沿	耗时合计
手动测试	4 min	4 min	3 min	3 min	3 min	3 min	20 min
自动测试	10 s	20 s	20 s	15 s	10 s	10 s	1.5 min

从上面的统计数据可以看出，自动测试每一项指标测试都比手动测试耗时要短很多。手动测试总耗时约是自动测试的十三倍多，由此可见自动测试确实大大提高了测试工作效率。

相比已有的T/R组件自动测试系统，该自动测试系统对被测件信号输出进行功分处理，采用多个指标并行测试的设计理念，进一步提升了测试效率。

4.1.2. 测试精度的提升

除此之外，自动测试减少了测试工程师手动操作仪表记录测试结果带来的错误，以及不同测试人员读数习惯引起的误差，以下是单个指标多次重复测试的数据(以功率测试为例) (表2)。

Table 2. Automatic test system repeated test data

表2. 自动测试系统多次重复性测试的数据

测试指标	测试次数	测试频点
		f1	f2	f3	f4	f5
功率(W)	1	650.13	698.84	696.63	670.77	651.64
	2	649.14	696.43	696.61	671.08	652.53
	3	649.65	696.83	695.26	672.53	650.13
	4	649.23	697.07	695.65	669.88	651.63
	5	650.13	697.24	696.43	670.12	650.33
	6	651.69	696.43	694.82	671.56	651.27
	7	650.41	695.96	695.86	670.77	651.76
	8	649.81	697.25	696.72	671.77	651.32
	9	651.13	696.65	697.22	669.29	651.66
	10	650.91	696.76	697.21	670.91	650.69
标准偏差σ		0.62	0.54	0.59	0.81	0.48

标准偏差计算如下：

式中，σ表示标准差，μ代表总体X的均值，N代表样本数。

标准偏差用来反映一组数据的离散情况，可以一定程度反映出数据的稳定性，也从侧面说明了测试数据的一致性。

以上的结果分析表明，自动测试能够有效地缩短被测件的指标测试时间，极大地提高了测试效率，并可以减少手动测试带来的人工误差，保证测试数据的稳定性和可靠性，最终测试数据的分析为自动测试的应用提供了一定的理论依据。

4.2. 与目前已有的自动测试对比

4.2.1. 开发周期的缩短

LABVIEW平台将多种功能软件直接采用模块化封装，程序开发的过程中只需要简单修改参数即可，编译简单灵活，易于修改，而且可以兼容C和C++多种开发语言，扩展性好。

相比于其它C语言和C++等开发的T/R组件自动测试系统，基于LABVIEW平台开发的T/R组件自动测试系统大大缩短了系统的开发周期。

4.2.2. 测试速度更快

目前已有的自动测试系统在对组件的测试过程中，通常是对多个指标逐一测试。本测试系统对组件的输出信号进行功分处理，多个指标项可以同时进行测试，大大减少了整个组件所有指标项总的测试时间。所以相比目前其它的自动测试系统，其测试效率更高。

综上所述，基于LABVIEW的自动测试系统非常适合多参数、高要求和数量多的测试，在电子测量和自动化等领域的应用前景十分广阔。