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【摘要】本文提出一种基于专用芯片的微波电路模块嵌入式测试设计方法，来解决微波电路测试难以接入、故障诊断困难的技术难题，文中阐述了微波电路模块嵌入式测试设计的思路及其硬件设计与软件设计方法，并针对基于专用芯片的微波电路模块嵌入式测试设计进行了验证。
【关键词】专用芯片；微波电路模块；嵌入式测试；BIT；故障注入
1.引言
当前，微波电路模块在各种电子设备中应用越来越广泛，如果没有可测性设计，这些微波电路模块在生产调试中很难通过外围测试确认模块中哪个集成电路出现故障，而在电子设备运行、维修保障过程中也无法实时或准确定位故障模块及故障位置，因此目前对微波电路模块嵌入式测试与测试性设计技术的研究具有重要的现实意义。
就国外来说，各种典型电子设备，测试性都是考核的重要技术指标，各种电子设备研制与生产中大量采用测试性设计技术，但能够查阅到的都是数字电路、模拟电路的测试性设计，微波电路模块测试性设计未见相关报道。
就国内来说，以前微波电路模块大部分功能结构简单，没有可测性设计，其故障也比较容易判断，但随着微波单片集成与混合集成工艺的发展，微波电路模块的功能结构越来越复杂，而这些复杂的微波电路模块到目前为止都没有可测性设计，其故障根本无法判断，这已经成为制约各种电子设备长周期运行、生产调试与维修保障的瓶颈，因此本文提出一种基于专用芯片的微波电路模块嵌入式测试设计方法，来解决微波电路测试难以接入、故障诊断困难的技术难题，进而为各种电子设备快速故障定位、故障诊断、故障隔离和故障修复提供技术支撑，从而大幅度降低使用保障费用和提高技术保障效率。
2.微波电路模块嵌入式测试设计思路
对微波电路模块进行嵌入式测试与测试性设计应遵循两个原则，首先嵌入式测试电路的可靠性要高于被测微波功能电路的可靠性，因此在进行嵌入式测试电路设计时，要充分考虑以保障其高可靠性，采用简单成熟的电路，选用尽可能少的元器件来实现需要的功能；其次嵌入式测试电路自身若发生故障不能影响微波电路模块的正常工作，因此嵌入式测试电路与微波电路模块的接口部分尽量避免使用开关，而使用耦合器等电路形式。
3.基于专用芯片的微波电路模块嵌入式测试设计
3.1 硬件设计
图2中，整个微波电路模块分为黄色和绿色两个区域，黄色区域为微波部件单元，绿色区域为微波偏置背板单元。微波电路模块嵌入式测试与测试性设计主要是在黄色区域微波部件单元相应位置预埋微波嵌入式测试芯片，将微波信号转换成低频模拟信号传输到绿色区域的微波偏置背板单元中，低频模拟信号首先需要预处理成适合其后模拟测试芯片检测的信号，然后通过信号检测通道进入模拟嵌入式测试芯片，将低频模拟信号转换成数字信号，再进入嵌入式测试控制芯片中实现微波电路的故障诊断隔离定位、状态监测显示、存储上传等功能；而微波偏置背板中的供电电源与直流工作点等参数也是通过预处理、模拟测试芯片、嵌入式测试控制芯片的一系列处理，来最终实现模拟电路的故障诊断隔离定位、状态监测显示、存储上传等功能。因此微波电路模块嵌入式测试与测试性设计需要完成三个方面的设计，包括微波电路单元可测性设计、模拟电路单元可测性设计和模块嵌入式测试控制芯片设计。
微波电路单元可测性设计主要是设计电路，用以实现对微波功能电路中的某些微波信号进行降频处理，将微波信号转换成便于后续处理的低频模拟信号并将这些信号从微波部件单元中引出。具体来说，就是利用各种微波嵌入式测试芯片将微波信号转换成低频模拟信号，并利用穿心电容等方式将这些低频模拟信号传输到微波偏置背板单元做后续处理。根据嵌入式微波信号频率、功率、调制波形等不同测试项目，本文设计三种不同的小型化嵌入式测试芯片电路，并将其定制成专用芯片贴装于微波电路中进行嵌入式测试设计。
模拟电路单元可测性设计主要是设计模拟嵌入式测试芯片，用以获取或监测微波电路模块偏置背板单元中模拟功能电路的相应节点信息或状态。模拟嵌入式测试芯片将定制成模拟测试专用芯片，并根据探测节点的实际需要可以设计成不同的通道数，本文设计为32个通道，每个通道都具备三种模拟信号采集仪表功能，它们是数字化仪、数字电压表、频率计，分别实现对多通道模拟信号进行波形、幅度、频率等参数的嵌入式测试。
本文设计选用Xilinx公司Virtex-5系列FPGA来实现嵌入式测试控制芯片。该FPGA有内嵌的CPU硬核POWERPC440，具有高速的运算能力、高性能的IO、灵活的配置方式等优点。CPU通过协议转换可以接收背板总线传来的上位机命令和数据信息，然后根据不同的信息决定是进行程序和数据的加载、卸载、读取或更新，还是运行三种BIT指令，或者是执行其它的动作。FPGA内部除了上面提到的各主要组成外，还定义了一些寄存器，如指令寄存器、指令译码器、状态寄存器、地址寄存器、数据寄存器等，对CPU指令进行寄存、译码或者是对外部大容量存储器等的数据进行缓存等。FPGA的外围电路主要有用来加载FPGA程序、存储操作系统、应用软件、功能库、数据库、表、故障记录和运行小时数的大容量存储器，以及电源和时钟等。本文先是在FPGA的基础上对相应IP核进行设计开发，待控制器调试稳定成熟后再对其进行定制成专用芯片。
3.2 软件设计
3.2.1 软件分层结构
其中，E-BIT软件的硬件平台采用Motorola公司的PowerPC440作为核心处理器。外围设备主要有一个128Mbit的Flash存储器（M25P128），用于存放启动代码、Linux内核、用户程序等，此外还有RS232串口、CAN总线接口以及JTAG接口等。
嵌入式操作系统介于硬件和应用程序之间，负责任务调度并管理实时应用程序，完成对硬件的控制和操作。嵌入式操作系统层包括引导加载程序Bootloader、定制的Linux操作系统内核以及文件系统。它是提供管理各种配置文件和执行应用程序良好运行环境的载体。 驱动程序包括定制的外设驱动程序和面向测试的测试资源驱动程序。由于在Linux中所有的设备驱动可以被静态连接和动态加载，为提高CPU的利用效率，外设驱动程序采用静态连接，测试资源驱动程序根据执行状态进行动态加载。
应用程序层包括BIT程序集和系统管理软件、内部自检软件、升级维护软件、信息查询软件与信息处理软件等。BIT程序集包括上电嵌入式测试程序、周期嵌入式测试程序、启动嵌入式测试程序。
BIT接口层主要是操作总控软件，负责与上位机进行通信，接受来自人机交互的消息命令并进行实时解析处理，按照工作流程启动各个应用程序。
3.2.2 BIT测试
3.2.3 软件基本流程
当微波电路模块进入正常工作状态，总控软件运行人机控制界面，进入接收发送消息命令例程。这些消息命令可以来自总控软件的人机交互界面、内部或外部通信总线上的其它软件。总控软件将实时进行消息命令解析，并进行分类处理。可能处理的任务包括设置CBIT执行状态、执行启动嵌入式测试程序、执行内部自检软件、执行升级维护软件、执行信息查询软件、执行系统管理软件与信息处理软件等。当总控软件执行这些子模块软件时，将不对这些软件的执行状态进行跟踪。
总控软件在执行空闲时将周期性执行CBIT软件。并且CBIT的执行状态包括是否执行，执行间隔等可以被实时更改。
4.基于专用芯片的微波电路模块嵌入式测试验证
本文验证对象选择了复杂程度最高、技术难度最大、号称微波仪器之王的矢量网络分析仪中数字信号处理模块与倍频稳幅放大模块，通过在两种电路模块上电装本文开发的系列嵌入式测试专用芯片，结合新开发的软件平台以及应用该平台开发的测试诊断程序，比较全面系统地验证了加电BIT、周期BIT、启动BIT三种工作模式下测试信息获取、测试信息传输、测试信息融合诊断以及诊断结果显示等技术难题。
通过试验验证及测试结果分析，在矢量网络分析仪中微波电路模块嵌入式测试演示验证效果非常好，通过验证测试界面能够直观地观测到各个测试节点实时的运行状态，如果有故障可以实现声光报警，所显示采集的电压等数据与现场实测的数据完全一致，直接证明了本文研制的系列嵌入式测试芯片达到了原定的性能指标要求，并且不影响原有电路板功能性能，稳定性良好，此外，通过嵌入式测试软件平台还可以对测试结果进行数据查询、数据浏览、趋势图分析等如图8所示，从而进一步分析测试信息，帮助得到诊断结果，直接证明了本文通过专用芯片对微波电路模块进行嵌入式测试设计的可行性。
5.小结
本文研制的系列嵌入式测试专用芯片具有体积小、重量轻、功耗低等特点，不但能大大减小电子设备功能电路板上嵌入式测试电路所占用空间，而且大幅度提高了微波电路模块嵌入式测试电路本身的稳定性，解决了微波电路模块测试难以接入、故障诊断困难的技术难题。
参考文献
[1]张优云，谢友柏.状态监测故障诊断与现代设计技术[J].中国机械工程，1997，5：101-103.
[2]曾天翔.电子设备测试性及诊断技术[M].北京：航空工业出版社，1996，12.
[3]甘茂治，吴真真等.维修性设计和验证（可靠性·维修性·保障性丛书4）[M].北京：国防工业出版社，1995，8.
[4]蔡小斌.综合测试技术的发展及其应用[J].测控技术，1998，18（9）：1-2.
[5]Chang C L，Liu P H，Wei C C.Failure Mode and Effects Analysis Using Grey Theory.Integrated Manufacturing Systems，2001，12（3）：11-216.
[6]Oakland S F.Considerations for Implementing IEEE 1149.1 on System-On-A-Chip Integrated Circuits.International Test Conference，2000：628-637.
【关键词】专用芯片；微波电路模块；嵌入式测试；BIT；故障注入
1.引言
当前，微波电路模块在各种电子设备中应用越来越广泛，如果没有可测性设计，这些微波电路模块在生产调试中很难通过外围测试确认模块中哪个集成电路出现故障，而在电子设备运行、维修保障过程中也无法实时或准确定位故障模块及故障位置，因此目前对微波电路模块嵌入式测试与测试性设计技术的研究具有重要的现实意义。
就国外来说，各种典型电子设备，测试性都是考核的重要技术指标，各种电子设备研制与生产中大量采用测试性设计技术，但能够查阅到的都是数字电路、模拟电路的测试性设计，微波电路模块测试性设计未见相关报道。
就国内来说，以前微波电路模块大部分功能结构简单，没有可测性设计，其故障也比较容易判断，但随着微波单片集成与混合集成工艺的发展，微波电路模块的功能结构越来越复杂，而这些复杂的微波电路模块到目前为止都没有可测性设计，其故障根本无法判断，这已经成为制约各种电子设备长周期运行、生产调试与维修保障的瓶颈，因此本文提出一种基于专用芯片的微波电路模块嵌入式测试设计方法，来解决微波电路测试难以接入、故障诊断困难的技术难题，进而为各种电子设备快速故障定位、故障诊断、故障隔离和故障修复提供技术支撑，从而大幅度降低使用保障费用和提高技术保障效率。
2.微波电路模块嵌入式测试设计思路
对微波电路模块进行嵌入式测试与测试性设计应遵循两个原则，首先嵌入式测试电路的可靠性要高于被测微波功能电路的可靠性，因此在进行嵌入式测试电路设计时，要充分考虑以保障其高可靠性，采用简单成熟的电路，选用尽可能少的元器件来实现需要的功能；其次嵌入式测试电路自身若发生故障不能影响微波电路模块的正常工作，因此嵌入式测试电路与微波电路模块的接口部分尽量避免使用开关，而使用耦合器等电路形式。
3.基于专用芯片的微波电路模块嵌入式测试设计
3.1 硬件设计
图2中，整个微波电路模块分为黄色和绿色两个区域，黄色区域为微波部件单元，绿色区域为微波偏置背板单元。微波电路模块嵌入式测试与测试性设计主要是在黄色区域微波部件单元相应位置预埋微波嵌入式测试芯片，将微波信号转换成低频模拟信号传输到绿色区域的微波偏置背板单元中，低频模拟信号首先需要预处理成适合其后模拟测试芯片检测的信号，然后通过信号检测通道进入模拟嵌入式测试芯片，将低频模拟信号转换成数字信号，再进入嵌入式测试控制芯片中实现微波电路的故障诊断隔离定位、状态监测显示、存储上传等功能；而微波偏置背板中的供电电源与直流工作点等参数也是通过预处理、模拟测试芯片、嵌入式测试控制芯片的一系列处理，来最终实现模拟电路的故障诊断隔离定位、状态监测显示、存储上传等功能。因此微波电路模块嵌入式测试与测试性设计需要完成三个方面的设计，包括微波电路单元可测性设计、模拟电路单元可测性设计和模块嵌入式测试控制芯片设计。
微波电路单元可测性设计主要是设计电路，用以实现对微波功能电路中的某些微波信号进行降频处理，将微波信号转换成便于后续处理的低频模拟信号并将这些信号从微波部件单元中引出。具体来说，就是利用各种微波嵌入式测试芯片将微波信号转换成低频模拟信号，并利用穿心电容等方式将这些低频模拟信号传输到微波偏置背板单元做后续处理。根据嵌入式微波信号频率、功率、调制波形等不同测试项目，本文设计三种不同的小型化嵌入式测试芯片电路，并将其定制成专用芯片贴装于微波电路中进行嵌入式测试设计。
模拟电路单元可测性设计主要是设计模拟嵌入式测试芯片，用以获取或监测微波电路模块偏置背板单元中模拟功能电路的相应节点信息或状态。模拟嵌入式测试芯片将定制成模拟测试专用芯片，并根据探测节点的实际需要可以设计成不同的通道数，本文设计为32个通道，每个通道都具备三种模拟信号采集仪表功能，它们是数字化仪、数字电压表、频率计，分别实现对多通道模拟信号进行波形、幅度、频率等参数的嵌入式测试。
本文设计选用Xilinx公司Virtex-5系列FPGA来实现嵌入式测试控制芯片。该FPGA有内嵌的CPU硬核POWERPC440，具有高速的运算能力、高性能的IO、灵活的配置方式等优点。CPU通过协议转换可以接收背板总线传来的上位机命令和数据信息，然后根据不同的信息决定是进行程序和数据的加载、卸载、读取或更新，还是运行三种BIT指令，或者是执行其它的动作。FPGA内部除了上面提到的各主要组成外，还定义了一些寄存器，如指令寄存器、指令译码器、状态寄存器、地址寄存器、数据寄存器等，对CPU指令进行寄存、译码或者是对外部大容量存储器等的数据进行缓存等。FPGA的外围电路主要有用来加载FPGA程序、存储操作系统、应用软件、功能库、数据库、表、故障记录和运行小时数的大容量存储器，以及电源和时钟等。本文先是在FPGA的基础上对相应IP核进行设计开发，待控制器调试稳定成熟后再对其进行定制成专用芯片。
3.2 软件设计
3.2.1 软件分层结构
其中，E-BIT软件的硬件平台采用Motorola公司的PowerPC440作为核心处理器。外围设备主要有一个128Mbit的Flash存储器（M25P128），用于存放启动代码、Linux内核、用户程序等，此外还有RS232串口、CAN总线接口以及JTAG接口等。
嵌入式操作系统介于硬件和应用程序之间，负责任务调度并管理实时应用程序，完成对硬件的控制和操作。嵌入式操作系统层包括引导加载程序Bootloader、定制的Linux操作系统内核以及文件系统。它是提供管理各种配置文件和执行应用程序良好运行环境的载体。 驱动程序包括定制的外设驱动程序和面向测试的测试资源驱动程序。由于在Linux中所有的设备驱动可以被静态连接和动态加载，为提高CPU的利用效率，外设驱动程序采用静态连接，测试资源驱动程序根据执行状态进行动态加载。
应用程序层包括BIT程序集和系统管理软件、内部自检软件、升级维护软件、信息查询软件与信息处理软件等。BIT程序集包括上电嵌入式测试程序、周期嵌入式测试程序、启动嵌入式测试程序。
BIT接口层主要是操作总控软件，负责与上位机进行通信，接受来自人机交互的消息命令并进行实时解析处理，按照工作流程启动各个应用程序。
3.2.2 BIT测试
3.2.3 软件基本流程
当微波电路模块进入正常工作状态，总控软件运行人机控制界面，进入接收发送消息命令例程。这些消息命令可以来自总控软件的人机交互界面、内部或外部通信总线上的其它软件。总控软件将实时进行消息命令解析，并进行分类处理。可能处理的任务包括设置CBIT执行状态、执行启动嵌入式测试程序、执行内部自检软件、执行升级维护软件、执行信息查询软件、执行系统管理软件与信息处理软件等。当总控软件执行这些子模块软件时，将不对这些软件的执行状态进行跟踪。
总控软件在执行空闲时将周期性执行CBIT软件。并且CBIT的执行状态包括是否执行，执行间隔等可以被实时更改。
4.基于专用芯片的微波电路模块嵌入式测试验证
本文验证对象选择了复杂程度最高、技术难度最大、号称微波仪器之王的矢量网络分析仪中数字信号处理模块与倍频稳幅放大模块，通过在两种电路模块上电装本文开发的系列嵌入式测试专用芯片，结合新开发的软件平台以及应用该平台开发的测试诊断程序，比较全面系统地验证了加电BIT、周期BIT、启动BIT三种工作模式下测试信息获取、测试信息传输、测试信息融合诊断以及诊断结果显示等技术难题。
通过试验验证及测试结果分析，在矢量网络分析仪中微波电路模块嵌入式测试演示验证效果非常好，通过验证测试界面能够直观地观测到各个测试节点实时的运行状态，如果有故障可以实现声光报警，所显示采集的电压等数据与现场实测的数据完全一致，直接证明了本文研制的系列嵌入式测试芯片达到了原定的性能指标要求，并且不影响原有电路板功能性能，稳定性良好，此外，通过嵌入式测试软件平台还可以对测试结果进行数据查询、数据浏览、趋势图分析等如图8所示，从而进一步分析测试信息，帮助得到诊断结果，直接证明了本文通过专用芯片对微波电路模块进行嵌入式测试设计的可行性。
5.小结
本文研制的系列嵌入式测试专用芯片具有体积小、重量轻、功耗低等特点，不但能大大减小电子设备功能电路板上嵌入式测试电路所占用空间，而且大幅度提高了微波电路模块嵌入式测试电路本身的稳定性，解决了微波电路模块测试难以接入、故障诊断困难的技术难题。
参考文献
[1]张优云，谢友柏.状态监测故障诊断与现代设计技术[J].中国机械工程，1997，5：101-103.
[2]曾天翔.电子设备测试性及诊断技术[M].北京：航空工业出版社，1996，12.
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[5]Chang C L，Liu P H，Wei C C.Failure Mode and Effects Analysis Using Grey Theory.Integrated Manufacturing Systems，2001，12（3）：11-216.
[6]Oakland S F.Considerations for Implementing IEEE 1149.1 on System-On-A-Chip Integrated Circuits.International Test Conference，2000：628-637.