劉趙云1，王宏偉2，邱穎豪2

（1.海軍駐航天三院軍事代表室，北京 100074；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041）

ATE大規(guī)模高帶寬接口通用適配組合的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉趙云1，王宏偉2，邱穎豪2

（1.海軍駐航天三院軍事代表室，北京 100074；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041）

針對以往自動(dòng)測試設(shè)備接口適配問題，采用模擬總線的設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建大規(guī)模的接口通用適配組合，采用阻抗匹配設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大于15 MHz的信號(hào)帶寬，采用路徑自動(dòng)規(guī)劃算法均等化使用模擬總線；通過網(wǎng)絡(luò)分析儀和示波器測試接口通用適配組合的帶寬和隔離度，并在項(xiàng)目中選取多種典型電路單元進(jìn)行適配試驗(yàn)，驗(yàn)證了通用接口適配功能的實(shí)用性。

ATE；模擬總線；接口適配；路徑規(guī)劃；信號(hào)帶寬

0 引言

ATE（automatic test equipment）的測試對象是各種各樣的電路單元，被測電路單元種類多、接口形式千差萬別，ATE的接口如何與被測電路單元接口適配的問題較多。以往的自動(dòng)測試設(shè)備多采用一個(gè)UUT（unit under test）配置一塊適配板的方式，如果采用這一方式，完成例如雷達(dá)這種電子裝備電路板的測試，將需要配置數(shù)千塊適配板，數(shù)量極其龐大，其適配成本相當(dāng)?shù)陌嘿F。采用這種一對一的適配方法的另一弊端就是測試流程開發(fā)時(shí)在軟件平臺(tái)需逐一指定適配信號(hào)，效率較低。目前業(yè)界都在研究應(yīng)用接口適配通用技術(shù)，基本都通過矩陣開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)切換，但信號(hào)路由規(guī)模較小、自動(dòng)化程度較低，同時(shí)由電路單元信號(hào)多種多樣，尤其是各種數(shù)字信號(hào)及脈沖信號(hào)，對信號(hào)通道的帶寬要求很高，這些問題可能嚴(yán)重影響ATE在電路單元測試領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文采用模擬總線的設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建大規(guī)模的通用接口適配網(wǎng)絡(luò)，采用高頻、低頻阻抗匹配設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大于15 MHz的信號(hào)帶寬，采用路徑自動(dòng)規(guī)劃算法均等化使用模擬總線。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀和示波器測試ATE接口適配組合的信號(hào)帶寬，確認(rèn)信號(hào)帶寬指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況，并在項(xiàng)目中選取多種典型電路單元進(jìn)行適配試驗(yàn)，驗(yàn)證了ATE通用接口適配功能的實(shí)用性。

1 ATE組成

ATE由激勵(lì)類儀器、測量類儀器、供電電源、主控計(jì)算機(jī)、顯示器、接口通用適配組合等組成，如圖1所示。

圖1 ATE組成框圖

本文重點(diǎn)闡述接口通用適配組合的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ATE接口通用適配能力。

2 硬件設(shè)計(jì)

在測試設(shè)備中，為了提高儀器的使用效率，實(shí)現(xiàn)信號(hào)通道的自動(dòng)切換，通常將常用的激勵(lì)和測量資源通過矩陣開關(guān)、采樣開關(guān)等儀器對資源進(jìn)行擴(kuò)展。本文中主要針對中低頻測試資源（激勵(lì)類資源、測量類資源）進(jìn)行開關(guān)擴(kuò)展。在接口通用適配組合的設(shè)計(jì)中，借鑒Arinc608A標(biāo)準(zhǔn)中的模擬總線的設(shè)計(jì)思想，從而實(shí)現(xiàn)UUT接插件上外部信號(hào)接點(diǎn)的靈活配置。

接口通用適配組合實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。該組合由雙線8 選32矩陣開關(guān)和3選1信號(hào)選擇板卡組成，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

1）適配規(guī)模：32*128；

2）通道帶寬：不小于15 MHz

3）通道間隔離度：不大于－20 dB。

圖2 接口適配組合實(shí)現(xiàn)總體框圖

行矩陣是1塊8*32矩陣開關(guān)，列矩陣是4塊8*32矩陣開關(guān)串行連接，行矩陣與列矩陣背靠背連接，公共的8通道作為模擬總線8通道bus1～bus8，組成32*128基于模擬總線的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)?；谀M總線的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)與128通道數(shù)字IO資源并列連接到4塊3選1信號(hào)選擇板卡上，最終實(shí)現(xiàn)了模擬類資源和數(shù)字資源適配到128個(gè)用戶端口。

行矩陣的的儀器資源可根據(jù)測試需求進(jìn)行配置。

用戶端口資源類型可根據(jù)需求選擇模擬激勵(lì)與測試資源、數(shù)字IO、懸空中的某種類型。

3 信號(hào)帶寬技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

接口通用適配組合在實(shí)現(xiàn)信號(hào)路徑自動(dòng)切換的同時(shí)如何確保各種數(shù)字信號(hào)、脈沖信號(hào)以及模擬信號(hào)的信號(hào)完整性，從而確保測試的準(zhǔn)確性，是本項(xiàng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，涉及的關(guān)鍵指標(biāo)主要是信號(hào)帶寬。

行矩陣、列矩陣均為VXI模塊，串行連接信號(hào)路徑較長，信號(hào)每經(jīng)過一個(gè)矩陣都會(huì)有一定程度的衰減。要實(shí)現(xiàn)接口通用適配組合15 MHz信號(hào)帶寬，對行列矩陣的信號(hào)帶寬要求很高，普通矩陣開關(guān)的信號(hào)帶寬一般在10 MHz左右，無法滿足設(shè)計(jì)需要。

為解決帶寬瓶頸，開關(guān)矩陣采用了新的組成方式。與傳統(tǒng)的8x32開關(guān)矩陣的區(qū)別是：在8x32開關(guān)矩陣之外增加了控制開關(guān)減小陣列內(nèi)部分叉，同時(shí)開關(guān)矩陣和信號(hào)連接器分布在兩塊板縮短引線長度。開關(guān)矩陣中開關(guān)的排列方式如圖3所示。主要進(jìn)行如下設(shè)計(jì)提高信號(hào)帶寬：

圖3 AMC2629矩陣開關(guān)排列方式

a）本矩陣由4個(gè)8x8矩陣組成，在這個(gè)矩陣中，每列開關(guān)之后都多加一個(gè)控制開關(guān)。這種控制開關(guān)的作用是：當(dāng)該列中沒有開關(guān)閉合時(shí)，可以設(shè)置控制開關(guān)斷開；輸入信號(hào)不必通過該列，減少天線效應(yīng)，可以提高信號(hào)帶寬。

b）把4個(gè)8x8子矩陣兩兩分布在兩塊PCB上，優(yōu)點(diǎn)有：矩陣更加松散，增大了布線間距，有效減少串?dāng)_；減少連接器與開關(guān)矩陣布線長度，減少輸入輸出信號(hào)的損耗；降低開關(guān)導(dǎo)通電阻。

采用高頻、低頻阻抗匹配設(shè)計(jì)最大限度地實(shí)現(xiàn)接口通用適配組合每條路徑的阻抗匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)帶寬指標(biāo)。

1）高頻阻抗匹配設(shè)計(jì)

在較高頻率測試中，必須考慮反射的問題。信號(hào)傳輸路徑阻抗失配，會(huì)引起信號(hào)反射，這是測試中不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象。對于高頻信號(hào)而言，材料之間介電常數(shù)的任何變化都會(huì)導(dǎo)致特性阻抗的變化和阻抗失配問題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時(shí)，這種波長較短的信號(hào)在線纜上傳輸時(shí)就會(huì)呈現(xiàn)出波的形式，在具有不同特性阻抗的結(jié)點(diǎn)上就會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變原信號(hào)的屬性。當(dāng)測試設(shè)備中傳輸線的長度大于其傳輸信號(hào)波長的1／10時(shí)，由功率損耗而導(dǎo)致的測量誤差值得我們關(guān)注。

公式（1）是計(jì)算信號(hào)在特定速度因子（VF）的線纜中傳輸時(shí)的波長。

其中：VF為線纜的速度因子，f為信號(hào)頻率，λ為信號(hào)的波長。一般線纜的速度因子為0.66。

按照公式（1）計(jì)算15 MHz信號(hào)在線纜中傳輸?shù)牟ㄩL是13.2 m，那么接口通用適配組合信號(hào)帶寬要達(dá)到15 MHz，其傳輸線纜的長度不能超過1.32 m。

為實(shí)現(xiàn)信號(hào)路徑傳輸線級(jí)的阻抗匹配，接口通用適配組合在縮短線纜長度和線纜選擇方面進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

a）ATE普遍采用的信號(hào)接收器ICA（interface connector assembly）是一種開合式的結(jié)構(gòu)形式，傳統(tǒng)線纜走線采用折彎捆扎的方式的進(jìn)行走線，線纜長度較長，這里我們采用盒式直連走線方式，儀器模塊連接器到ICA的線長縮短為原來的1／3左右。

b）優(yōu)化矩陣開關(guān)的級(jí)聯(lián)方式，縮短信號(hào)路徑長度。采用以往的級(jí)聯(lián)方式，測試資源需經(jīng)過5級(jí)矩陣，經(jīng)過7個(gè)開關(guān)到達(dá)最遠(yuǎn)端的輸出端口。采用優(yōu)化后的級(jí)聯(lián)方式，測試資源只需經(jīng)過3級(jí)矩陣，經(jīng)過5個(gè)開關(guān)，這樣信號(hào)經(jīng)由級(jí)聯(lián)矩陣的最長線長減少為原來1／2。另一方面，開關(guān)數(shù)量的減少在一定程度上提高接口通用適配組合的可靠性。

圖4 折彎走線方式與盒式直連走線方式示意圖

通過a），b）兩方面設(shè)計(jì)，最長信號(hào)路徑長度能夠嚴(yán)格控制在1.3 m以內(nèi)。

圖5 矩陣級(jí)聯(lián)方式的對比

c）選用高品質(zhì)線纜。數(shù)字IO采用1.1 mm同軸電纜，電纜阻抗與數(shù)字IO資源的輸出阻抗相匹配；模擬信號(hào)采用雙絞屏蔽電纜。

反射現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在不匹配的傳輸線中，而且出現(xiàn)在不匹配的開關(guān)元件以及PCB的布線中。因此，阻抗匹配不僅僅是傳輸線級(jí)的問題，同時(shí)也是電路板上器件、連接器、布局布線的問題。一個(gè)開關(guān)板卡是由多個(gè)不同的元件組成的，其中任何元件之間的阻抗失配都會(huì)影響整個(gè)開關(guān)板的插入損耗和駐波比指標(biāo)，進(jìn)而影響信號(hào)帶寬。

為實(shí)現(xiàn)信號(hào)路徑板卡級(jí)的阻抗匹配，接口通用適配組合中進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

a）依據(jù)接口通用適配組合的信號(hào)帶寬指標(biāo)要求，分解板卡級(jí)信號(hào)路徑的駐波比和插入損耗指標(biāo)，對開關(guān)器件嚴(yán)格的篩選；

b）對接口通用適配組合中所有板卡進(jìn)行嚴(yán)格的阻抗匹配設(shè)計(jì)，選擇具有合適幾何結(jié)構(gòu)及適當(dāng)長度的PCB布線，且信號(hào)與地之間特性阻抗按照50Ω設(shè)計(jì)，改善信號(hào)與其參考之間的阻抗匹配特性。

圖6是按照普通方法設(shè)計(jì)的單塊板卡的插入損耗、駐波比實(shí)測圖，圖示結(jié)果表明單塊板卡20 MHz以下頻率的信號(hào)的最大插入損耗為0.7 dB，駐波比最大為1.43。接口通用適配組合采用這種板卡，信號(hào)經(jīng)由板卡級(jí)最長路徑時(shí)的最大插入損耗為2.8 dB，再加上傳輸線級(jí)插入損耗，不能滿足信號(hào)帶寬要求。

圖7是按照本文方法設(shè)計(jì)的單塊板卡的插入損耗、駐波比實(shí)測圖，圖示結(jié)果表明單塊板卡20 MHz以下頻率的信號(hào)的最大插入損耗為0.27 dB，駐波比最大為1.2。與圖6相比插入損耗、駐波比指標(biāo)更優(yōu)，接口通用適配組合采用這種板卡，信號(hào)的最大插入損耗為1.08 dB，可實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)帶寬。

圖6 依據(jù)普通方法設(shè)計(jì)的單塊板卡插入損耗、駐波比實(shí)測圖

圖7 依據(jù)本文方法設(shè)計(jì)的單塊板卡插入損耗、駐波比實(shí)測圖

2）低頻阻抗匹配設(shè)計(jì)

在低頻電路中，一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的匹配情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長相對于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮。為提高低頻電路信號(hào)源跟負(fù)載之間匹配性，設(shè)計(jì)如下：

在接口適配組合用戶端口前端增加3種信號(hào)匹配電阻。針對不同被測對象，通過匹配電阻的選擇，增強(qiáng)儀器與負(fù)載之間的阻抗匹配。匹配電阻可根據(jù)測試需求進(jìn)行靈活配置，可配置50Ω、75Ω、1KΩ、10KΩ和1mΩ等。實(shí)現(xiàn)框圖如圖8所示。

圖8 接口適配組合中3選1板卡的實(shí)現(xiàn)原理框圖

經(jīng)過上述設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了規(guī)模為32*128，信號(hào)帶寬大于15 MHz的接口通用適配組合。

4 軟件設(shè)計(jì)

接口通用適配組合信號(hào)路徑的建立最多涉及5塊矩陣開關(guān)及4塊信號(hào)選擇板卡的控制，如何在測試流程開發(fā)過程通過簡單便捷的配置完成信號(hào)路徑的建立是軟件設(shè)計(jì)非常重要的重點(diǎn)之一；模擬總線通道是信號(hào)進(jìn)出的公共通道，大多數(shù)測試可能僅使用2～4中儀器資源，采用簡單的路徑建立算法會(huì)導(dǎo)致模擬總線的前幾通道使用頻率很高，大幅降低開關(guān)的壽命，所以如何實(shí)現(xiàn)模擬總線通道的智能配置，盡量均等使用模擬總線各通道是軟件設(shè)計(jì)的另一個(gè)重點(diǎn)。

本文提出一種路徑自動(dòng)規(guī)劃算法滿足接口通用適配組合上述需求。

信號(hào)路徑規(guī)劃算法包括模擬總線控制程序、模擬總線仲裁程序、模擬總線狀態(tài)監(jiān)測程序、模塊驅(qū)動(dòng)程序組成。路徑自動(dòng)規(guī)劃算法體系架構(gòu)如圖9所示。

圖9 信號(hào)路徑規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)原理框圖

圖10 接口通用適配組合配置界面

行矩陣前端配置儀器資源名稱、通道與接口通用適配組合配置界面綁定，測試流程開發(fā)時(shí)，不需要手動(dòng)指定信號(hào)路徑，只需選擇儀器名稱和用戶端口，執(zhí)行時(shí)軟件后臺(tái)通過路徑規(guī)劃算法自動(dòng)建立路徑，配置界面如圖10所示。

路徑規(guī)劃算法首先讀取配置的儀器名稱、通道及用戶端口號(hào)，根據(jù)儀器類型及通道計(jì)算出行矩陣的列號(hào)，根據(jù)用戶端口號(hào)計(jì)算出使用哪些列矩陣及信號(hào)選擇開關(guān)，然后查詢當(dāng)前模擬總線通道是否被占滿，如果占滿則給出提示，請用戶選擇釋放資源；如果模擬總線未被占滿，則查詢模擬總線通道針對當(dāng)前配置的資源有無冗余，如果有冗余，則查詢當(dāng)前可使用的模擬總線每通道累計(jì)使用次數(shù)，選擇使用次數(shù)最低的模擬總線通道作為行、列矩陣配置的依據(jù)；如果無冗余，根據(jù)模擬總線通道號(hào)配置行、列矩陣，記錄當(dāng)前模擬總線通道的累計(jì)使用次數(shù)。把配置參數(shù)傳遞給板卡驅(qū)動(dòng)程序，控制板卡建立信號(hào)路徑，測試完畢后查詢當(dāng)前配置的儀器資源類型，如果是采集類儀器，則釋放當(dāng)前使用的模擬總線通道及對應(yīng)路徑上所有開關(guān)；如果是激勵(lì)類儀器，則根據(jù)測試流程的配置進(jìn)行釋放信號(hào)路徑的控制。

路徑規(guī)劃算法詳細(xì)實(shí)現(xiàn)如圖11所示。

圖11 路徑規(guī)劃算法詳細(xì)實(shí)現(xiàn)框圖

5 測試驗(yàn)證

采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試接口通用適配組合的信號(hào)帶寬指標(biāo)。指標(biāo)測試結(jié)果見表1。

表1 接口通用適配組合指標(biāo)測試表

接口通用適配組合信號(hào)路徑最遠(yuǎn)端（ROW32—COL128）3 dB信號(hào)帶寬測試結(jié)果如圖12所示。圖中插入損耗的指標(biāo)曲線與縱軸－3交叉對應(yīng)橫軸頻點(diǎn)18.06 MHz，該頻點(diǎn)即為信號(hào)路徑（ROW32—COL128）的信號(hào)帶寬。

圖123 dB信號(hào)帶寬測試結(jié)果

指標(biāo)實(shí)測結(jié)果表明接口通用適配組合所有通道信號(hào)帶寬指標(biāo)大于18 MHz，通道間隔離度小于－23 dB。

配置本文設(shè)計(jì)接口通用適配組合的ATE在某雷達(dá)電路板測試項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，選取了目標(biāo)模擬器控制板、濾波存儲(chǔ)板、參數(shù)測量板、時(shí)序控制板4種典型電路單元，其信號(hào)類型涵蓋數(shù)字信號(hào)、模擬脈沖信號(hào)、指令信號(hào)等，把4種典型電路單元通過一塊適配板與ATE接口進(jìn)行通用適配，應(yīng)用結(jié)果表明，配置本文設(shè)計(jì)接口通用適配組合的ATE適配功能實(shí)用，開發(fā)測試流程配置方便，模擬總線使用頻次均等，能夠滿足4種典型電路單元的各種信號(hào)的測試需求。

6 結(jié)束語

隨著各軍兵種對應(yīng)用ATE加強(qiáng)裝備維修保障工作的重視，以及ATE朝小型化、集成化、通用化發(fā)展趨勢，ATE設(shè)備將測試不同年代設(shè)計(jì)的、各種信號(hào)類型、各種連接器接口的電路單元，接口適配問題會(huì)越來越突出。本文在分析以往自動(dòng)測試設(shè)備接口適配問題基礎(chǔ)上，采用模擬總線的設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建大規(guī)模的通用接口適配網(wǎng)絡(luò)；采用路徑自動(dòng)規(guī)劃算法均等化使用模擬總線。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測試接口通用適配組合的信號(hào)帶寬指標(biāo)，并在項(xiàng)目中適配多種典型電路單元，驗(yàn)證了通用接口適配功能的實(shí)用性。本文設(shè)計(jì)的大規(guī)模高帶寬接口通用適配組合能夠有效提升ATE與不同種類電路單元的接口適配能力，具有較好的推廣價(jià)值。

［1］ARINC Specification 608A.Design Guidance for Avionic Test E-quipment［R］.Aeronautical Radio INc，1993.

［2］張?jiān)诘?，曹乃森，蔣曉松.ATE通用性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2003，11（11）：830-832.

［3］任獻(xiàn)彬，李相平.ATS模擬總線及其控制模型的建立［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2003，11（6）：417-419.

Design and Implementation of ATE Universal Adapter Combination Which Has Large－scale High－bandwidth Interfaces

Liu Zhaoyun1，Wang Hongwei2，Qiu Yinghao2

（1.Navy Military Representative Office of the Third Research Institute of China Aerospace Science，Beijing 100074，China；2.Beijing Aerospace Measurement＆Control Tchnology CO.LTD，Beijing 100041，China）

the conventional automatic test equipment interface adapter problem，Using design simulation bus，Construction of largescale general－purpose interface adapter combinations，Using impedance matching design to achieve greater than 15 MHz signal bandwidth，Using automatic path planning algorithm for equalization use analog bus，Bandwidth and isolation network analyzer and oscilloscope test interface universal adapter combinations，And select a variety of typical circuit unit in the project to be adapted test，Universal interface adapter to verify the practicality of function.

ATE；analog bus；interface adapter；route plan；signal bandwidth

1671-4598（2016）08-0279-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.076

：TP273

：A

2016-06-17；

：2016-07-21。

劉趙云（1973-），男，大學(xué)，工程師，主要從事導(dǎo)彈總體方向的研究。