遥测模块自动测试系统设计

遥测模块自动测试系统设计

李超谢雪松

（北京工业大学半导体可靠性研究室，北京朝阳 100124）

摘要介绍了一种遥测模块自动测试系统的设计方法，分别从系统架构、主要模块功能及软件功能等方面进行说明。下位机的硬件是基于FPGA搭建的，上位机软件交互界面基于LabView图形编辑工具进行设计。关键词遥测FPGA LabView

中图分类号TN79 文献标识码A

Design of a Telemetry module Automatic Test System

Li Chao XieXuesong

（Semiconductor Reliability Research, Beijing University of Technology, Beijing, 100124）Abstract Introduces a design method of telemetry module automatic test system, and describes in architecture, the functions of main modulesas well as software functions, etc. The hardware of lower machine bases on FPGA,and the software interface on PC is designed by using LabViewgraphical programming tool.

Keywords Telemetry; FPGA; LabView

引言

近年来，数字式遥测系统已经取代了模拟式遥测系统[1]，在航空航天领域得到了广泛的应用[2]。随着科技水平的日益发展，被测系统越来越复杂，对遥测系统精度的要求也越来越高，遥测系统的可靠性变得越来越重要，所以开发一个用于检验和校准遥测系统的测试系统具有非常重大的意义。

遥测模块自动测试系统主要用于对小型化、标准化、系列化遥测信号调理、编码及发射机的性能指标进行自动化综合检测，以提升遥测装置的快速研发水平。

1 系统功能分析

遥测模块自动测试系统通过对遥测模块进行端到端的自动化测量，主要实现以下测试功能：

1）完成对遥测信号调理编码模块的动态加载测试和动态校准，检测编码模块码率；检查编码模块路序，防止64个输出通道中各通道之间的串扰；检查编码模块路际差，将模拟通道的精度校准至满量程的±0.5％，并计算出个通道的校准系数。

2）测量遥测发射机模块的射频指标，包括：载波频率、频偏、频率稳定度、调制失真度、输出功率及杂波抑制等。

3）所有被测模块的测试参数通过电脑设置，测试过程全电脑控制，测试过程中各测试信息实时分路显示，对出现的故障信息报警、测试模块自动断电；将测试结果与模块技术指标进行比对，自动绘制测试曲线，生成测试报告，并打印输出。

2 系统架构及主要模块设计

遥测模块自动测试系统可分为自主设计和外购仪器两个部分，系统架构如图1表示，其中，激励信号源模块和通讯模块为自主设计，AC/DC电源模块、六位半数字万用表、程控电源、射频信号分析仪和任意波形发生器是外购仪器。除AC/DC电源模块以外，自主设计的模块和其他外购仪器均可通过基于LabView自主设计的软件进行控制。

图1 系统架构示意图

2.1 激励信号源模块

激励信号源模块是本系统中最主要的部分，用于给被测系统的调理编码模块提供

可程控的多路模拟信号，由信号发生器[3-4]和64路继电器开关矩阵构成，可由FPGA 控制从64路中的1路或多路输出频率范围0~8kHz 、幅值小于等于70V 的正弦波、方波、三角波或升、降锯齿波。由于DDS 直接频率合成技术频率转换速度快，频率分辨率高[5]，所以非常适合用于模拟信号源的设计，而专业的DDS 芯片波形类型单一，可调节性不强，且本模块需要输出的波形幅值较高，因此本系统采用了基于FPGA 的DDS 信号发生器以及功率放大器共同实现功能。整体结构如图2所示。

图2激励信号源结构示意图

DDS 直接频率合成技术的核心是用波形存储器中有限个离散的点还原成时间连续的模拟信号，通过不同的频率控制字K 控制输出模拟信号的频率f o ，可表示为f o = K*f c /2N ，其中，f c 为给定的系统时钟，N 为正整数。而存入波形存储器的离散点的数值可以确定输出波形的类型。本系统中信号源模块通过读取上位机的指令，确定波形的类型、频率和幅值等信息，将相应的离散点的数据传给数模转换器，生成模拟波形。

本模块中采用共模时钟输入共模输出的AD9746数模转换器，输出的共模信号通过AD620仪表放大器合成为单路模拟信号，

接入到低通滤波器滤波，再经功率放大器放大到复合要求的幅值。由于要求的幅值过高，所以不能采用单一的集成功率放大器芯片。在本模块中采用了集成功率放大器OP07与三极管联合使用的方案，原理如图3所示：

图3 低通滤波器及功率放大器原理示意图

放大后的信号接到64路继电器的输入端，通过FPGA的控制，信号将从64路中的1路或多路输出给被测系统。为了保证开关矩阵的单向传输特性，确保输入和输出之间的绝缘隔离，开关矩阵模块在FPGA控制IO 端口和继电器之间采用了型号为TLP521-4的集成光耦合器，以增强电路的抗干扰能力。另外，由于继电器需要的电流和电压较高，而FPGA逻辑电平相对较低，所以在光耦和继电器之间还需要加入电平转换芯片，这里采用型号为ULN2803 的八路NPN达林顿连接晶体管阵列。图4是单路继电器的工作原理图：

图4 单路继电器工作原理示意图

2.2通讯模块

通讯模块是上位机与激励信号源模块之间通讯的渠道。通讯模块与上位机的通讯通过局域网（LAN）信道实现，与激励信号源模块之间的通讯采用光耦隔离的全双工串行通讯方式，符合RS-232电平标准。同时，通讯模块具有相互隔离的2个RS-232、4个RS-422和2个CAN总线接口。另外，为了节约成本，通讯模块还集成了PCM解码模块[6]。

上位机通过LAN信道向通讯模块发出控制激励信号源模块继电器开合及波形信息的指令，再由通讯模块经由RS232串口传输给激励信号源模块。激励信号源模块的信号通过继电器开关矩阵输出给被测系统信号调理编码模块，由被测系统调制出PCM 码流并传输给通讯模块，由通讯模块中的PCM解码模块解调出相应的信息并传输给上位机，上位机还原出波形，与六位半数字万用表测量出的输入波形信息对比，计算出校准系数。这是实现对遥测系统信号调理编码模块检验及校准的完整过程。

3.上位机软件设计

如图1所示，遥测模块自动测试系统中需要有多个仪器协同工作，为了方便用户操作，满足自动测量的要求，系统上位机采用了基于LabView图形编辑工具[7]的虚拟仪器系统及人机交互界面设计，使用户只需操作上位机软件就可以控制系统中的所有仪器并读取相应数据。

LabVIEW是基于图形化编程语言的开发环境，它整和了与满足GPIB（通用接口总线）、RS-232 和RS-485 等系统需求的硬件通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP 和ActiveX等软件标准的库函数，设计简单，调试方便，且软件的可靠性高[8]。

在本系统中，基于LabView的软件系统主要完成两项功能：控制激励信号源模块和测量遥测发射机模块的射频指标。除程控电源采用RS232电平标准的串行通信口进行控制以外，其他仪器及通讯模块与上位机之间均采用LAN连接。

图5所示为控制激励信号源模块的操作界面，用户只需要指定波形类型、幅值和频率，并同时勾选需要选通的通道编号，就可以同时控制16个激励信号源模块的64个通道的输出波形。为了避免不同模块相同通道同时选通导致的波形失真，在设计时将64路继电器的控制框设置为互斥类型，

即如果