数据通信设备ATS的设计与实现
中图分类号： TN915.05?34； TM417 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）13?0067?05
Abstract： The traditional measurement and control instrument is unable to meet the demand of the development of modern science and technology due to its main structure of hardware or fixed software， so the concept of virtual instrument came into being. Aiming at this situation， the design of an automatic test system （ATS） based on Agilent TestExec SL is described. Four modes of ATS design are put forward， and their characteristics and applicable occasions are analyzed. The test design based on Agilent TestExec SL is described in detail. The design takes full advantage of the available resource of TestExec SL test platform， which can reflect the characteristics of high efficiency and flexibility of using the test platform， reusability of the test， and separation of test logic and test operation.
Keywords： TestExec SL test platform； ATS； vitual instrument； system design
越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器[1]。从模拟技术向数字技术的过渡、从单台仪器向多种功能仪器组合过渡、从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向过渡、从简单的功能组合向以个人计算机为核心的通用虚拟测试平台过渡，从硬件模块向软件包形式过渡，代表了今后电子仪器的发展方向。
1 基于Agilent TestExec SL的ATS设计
1.1 系统描述
本系统基于Agilent TestExec SL自动测试平台，运行于PC机的数据通信设备自动测试系统。系统包括PC机、测试仪器与被测设备，通过PC机控制仪器自动对连接的设备的参数进行测量，并对反馈数据进行汇总、统计和分析[2]。主要实现以下功能：
（1） 数据通信设备自动测试系统通过GPIB总线与通用测量仪器相连，完成仪器的管理与控制、测试计划库管理、测试计划控制与运行、数据存储管理、数据分析、记录打印等功能[3]。
（2） 实现对以下几种设备参数指标的自动测量：地面站杂散抑制度；地面站饱和输出功率；地面站功率稳定度；地面站功率准确度；地面站频率准确度；地面站频率稳定度；地面站幅频特性。
1.2 系统设计
（1） 系统结构
ATS为基于PC的单机独立运行系统，不使用网络环境，所有程序及数据信息均保存在本地。系统功能结构如图1所示。其中数据库子系统、用户管理模块、系统配置模块、指令集模块以及测试计划管理模块属于系统管理模块，真正执行测试工作的是Testplan，系统通过测试计划管理模块管理并运行Testplan。
系统中大部分信息的读取和保存由数据库子系统负责提供操作服务，这些信息用于保存系统的当前配置、状态及系统使用的历史记录，主要内容有：用户信息、系统配置信息、仪器指令集信息、系统使用记录信息、测试计划库，测试计划信息、测试运行记录信息。
（2） 用户管理
参与本系统操作的有三种角色：系统管理员、测试开发工程师、测试操作工程师，对这三者分别赋予各自的权限，而实际的用户可以同时身兼三种角色[4]。用户信息包含用户名、密码、权限、用户描述信息等，信息经加密保存在数据库中。
（3） 测试管理
Testplan在TestExec SL环境中可以直接运行，但做为产品的自动测试系统，Testplan的运行应置于自动测试系统的统一管理之下[5]。首先，建立测试计划库；其次，为Testplan的一个运行实例建立一个测试工程，测试工程用于保存Testplan使用的参数和配置信息；再者，Testplan的维护分为两部分，一部分在系统中完成，对Testplan进行维护应尽可能在系统内完成以简化Testplan维护过程；另一部分由测试开发工程师在TestExec SL开发环境中进行修改、调试，再重新加载到系统中。 （4） 指令集
指令集对Action来说不是必需的，Action使用指令集依照以下规则：内部提供一套缺省的指令集（一般是某种仪器实际的指令），在无法获取系统提供的指令集信息或系统不为Testplan提供指令集时使用，这样做的目的是为了Testplan可以离开系统独立运行，最大程度的提高Testplan的可重用性。系统为Testplan提供指令集时，应使用该指令集[6]。
2 测量方法设计
2.1 地面站杂散抑制度
2.1.1 测量方法
仪器：功率计：HP436或HP437B；频谱分析仪：Agilent8563EC（9 kHz～26.5 GHz）；射频衰减器HP8494B/95B。
杂散抑制度测量原理框图，如图2所示。步骤如下：
（1） 按照测量原理图连接测试系统；
（2） 用一调制器发出一个未调制载波，将功率计接在卫星地面站系统射频输出监测口，确认该未调制载波电平为正常EIRP；
（3） 取下功率计，接入频谱分析仪；
（4） 设置频谱分析仪，起始频率为5 925 MHz（或14 000 MHz），终止频率为6 425 MHz（或14 500 MHz），分辨带宽为3 kHz，视频带宽和扫描时间为合适值；
根据测量计算公式计算出杂散辐射EIRP；
（6） 观察是否存在单频信号。如果存在，关闭载波并检查该载波是否消失，如果消失则认为与载波有关，如果不消失则认为与载波无关。
杂散抑制度是比值，单位为dB。
2.1.2 测试计划
（1） 输入输出
仪器/设备：频谱分析仪；需要设置的参数：扫频带宽、中心频率、参考电平；输出参数：载波电平，带外噪声电平最大值。
（2） 测量操作建模
测量活动图如图3所示，本活动图描述的是一次参数测量过程。
2.2 地面站饱和输出功率
2.2.1 测量方法
仪器：射频信号源、功率计。
饱和输出功率测量原理框图，如图4所示。测量步骤如下：
（1） 自动测试仪器连接是否正常；
（2） 设置射频信号源和功率计工作参数，若需要，把DUT内部衰减器置零或最小；
（3） 程序不断读取功率计测量值到输出饱和判决数组（数组循环使用），同时控制射频信号源输出功率按特定步长不断增加，直至判断出DUT输出饱和，记录饱和输出功率电平一次测量结束；
（4） 进行多次测量并记录相应的饱和输出功率电平
（5） 计算饱和输出功率
2.2.2 测试计划
（1） 输入输出
仪器/设备：射频信号源；频率计。需要设置的参数：初始输出功率、信号递增步长、输出饱和判决标准、输出饱和判决数组长度。输出参数：饱和输出功率。
（2） 测量操作建模
饱和输出功率测量活动图，如图5所示。
2.3 基于参数权值的启发式模糊测试平台实现
2.3.1 测量方法
仪器：功率计，计算机。功率稳定度测量原理框图，如图6所示。
测量步骤如下：
（1） 自动测量仪器是否连接正常；
（2） 控制信号源发送未调制纯载波信号，设定信号频率，设置信号功率电平为工作电平；
（3） 根据设定的总测试时间。从功率计中读数，每间隔10 min读数一次（也可以设置读数间隔时间），并记录；
（4） 记录数据的同时对数据进行所需的处理；
（5） 输出保存所需结果。
2.3.2 测试计划
（1） 输入输出
仪器/设备：功率计；需要设置的参数：发信电平、测试总时间、读数间隔；输出参数：稳定度和准确度。
（2） 测量操作建模步骤如下：
① TestPlan参数设置（）；
② 连接状态检查（）；
③ 判断仪器连接是否正常，如果正常，则进入第④步；如果不正常，则异常处理，结束；
④ 设置功率计度数总时间；
⑤ 设置功率计度数间隔时间；
⑥ 判断仪器反应是否正常，如果正常，则进入第⑦步；如果不正常，则异常处理，结束；
⑦ 计时，计数读取；
⑧ 判断计时截止或者人为截止，如果是，则进入第⑨步；如果不是，则异常处理，结束；
⑨ 数据处理（）；
⑩ 输出结果，结束。
2.4 频率稳定度与准确度
2.4.1 测量方法
仪器：频率计，计算机。
频率稳定度、准确度测量原理框图，如图7所示。
测量步骤如下：
（1） 自动测量仪器是否连接正常；
（2） 控制信号源发送未调制纯载波信号，设定信号电平，设置信号频率为工作频率；
（3） 根据设定的总测试时间从频率计中读数，每间隔10 min读数一次（也可以设置读数间隔时间）并记录读数；
（4） 记录数据的同时对数据进行所需的处理；
（5） 输出保存所需结果。
2.4.2 测试计划
（1） 输入输出
仪器/设备：频率计；需要设置的参数：发信频率、测试总时间、读数间隔；输出参数：稳定度和准确度。
（2） 测量操作建模步骤如下：
① TestPlan参数设置（）； ② 连接状态检查（）；
③ 判断仪器连接是否正常，如果正常，则进入第④步；如果不正常，则异常处理，结束；
④ 设置功率计度数总时间；
⑤ 设置功率计度数间隔时间；
⑥ 判断仪器反应是否正常，如果正常，则进入第⑦步；如果不正常，则异常处理，结束；
⑦ 设置信号源电平、频率；
⑧ 判断仪器反应是否正常，如果是，则进入第⑨步；如果不是，则异常处理，结束；
⑨ 计时，计数读数；
⑩ 判断计时截止或者人为截止，如果是，则进入第11步；如果不是，则进入第⑨步；
11 输出结果，结束。
2.5 地面站幅频特性
2.5.1 测量方法
仪器：网络分析仪。幅频特性测量原理框图，如图8所示。
测量步骤如下：
（1） 自动测试仪器连接是否正常；
（2） 设置网络分析仪输出的扫描频率范围，选择合适的发信电平；
（3） 如果需要，设置DUT的输出频率和电平；
（4） 设置网络分析仪的接收频率和电平；
（5） 从网络分析仪上读取幅频特性曲线的信息；
（6） 计算某频率范围内的幅频特性指标。
幅频特性测量指标为：在“中频±扫描带宽”范围内幅度均值±方差。
2.5.2 测试计划
（1） 输入输出
仪器/设备：网络分析仪；需要设置的参数：扫频频带、发信电平、参考电平；输出参数：幅度频率特性曲线。
（2） 测量操作建模步骤如下：
① TestPlan参数设置（）；
② 连接状态检查（）；
③ 判断仪器连接是否正常，如果正常，则进入下一步；如果不正常，则异常处理，结束；
④ 设置NA扫描范围；
⑤ 判断仪器反应是否正常，如果正常，则进入下一步；如果不正常，则记录日志，提示异常，结束；
⑥ 设置NA输出电平；
⑦ 判断仪器反应是否正常，如果正常，则进入下一步；如果不正常，则记录日志，提示异常，结束；
⑧ 设置NA接收频率；
⑨ 判断仪器反应是否正常，如果正常，则进入下一步；如果不正常，则记录日志，提示异常，结束；
⑩ 读取NA幅频曲线；
11 保存幅频特性数据，指标。
3 测量误差及数据处理
3.1 粗值剔除
常用的粗值剔除有3σ（拉依达）准则、肖维勒（Chauvenet）准则、格拉布斯（Grubbs）准则。经过比较可以发现，3σ准则方法简单，但不够严格，一般用于数据较多（n>30）时；肖维勒准则考虑了观测次数的影响，判别较严格；而格拉布斯准则既考虑了观测次数，又考虑了不同水平，鉴别能力强，值得推荐[7]。
上述三种方法可以统一用下式表示：
当时，该数据应舍弃。
式中：为实测值；为实测均值；为标准差；为由不同准则给出的系数，当采用准则时，取。当采用肖维勒准则或格拉布斯准则时，按照系数表取值。
3.2 计算步骤
（1） 计算输入数据，数据最大/最小值以及测试时间内数据数学期望和方差，剩余误差。
（2） 数据的输出是要最为原始的数据还是要经过处理的数据，这里的处理主要是去除粗值。首先将直接读取数据保留。如果选择直接输出，则是输出直接读取的数据；如果要进行过处理的数据，需要设置，是否还要将直接数据报表输出，这里提供三种剔除粗值的方法：
① 拉依达准则（建议在N>30）；执行第（3）步；
② 肖维勒准则，一般N<30；执行第（4）步；
③ 格拉布斯准则，N<30。执行第（4）步[6]。
（3） 拉依达准则k=3。
（4） 肖维勒准则或格拉布斯准则查表确定值。
（5） 判定如果；则剔除；然后组成新的数据，执行第（1）步；否则，输出。
4 结 论
虚拟仪器利用目前计算机快速的处理能力，结合相应的硬件，克服了传统仪器在数据处理、显示、传送、存放方面能力的不足，给仪器领域带来了革命性的变化。本文描述了一个基于Agilent TestExec SL的自动测试系统的分析、设计方案，论述了该方案的特点和优点，同时给出各种指标的含义、测量方法以及实际的测量解决方案。通过分析测量误差的处理，为相关研究提供重要的参考案例，解决了系统成本、体积和兼容性的问题。
