无线设备自动测试系统的特点

11.4  无线设备自动测试系统设计

无线通信网络设备的技术指标都需要用专用的仪表进行测试，如果是多台仪表的互动测试，则需要人工随时操作，不仅费时费力，而且容易出现误差，这种情况最适合采用自动测试系统ATS完成。随着现代测试测量仪器功能的不断提高和完善，各种各样的智能化仪器随处可见，而且它们都具有GPIB接口或串口，能很方便地与计算机组建自动测试系统ATS。
自动测试系统一般是指针对某类特定的测试项目而组建的智能测试系统，当前比较流行的组建方案是基于NI公司的GPIB产品和labview软件开发平台。
本例将介绍无线自动测试系统的设计和开发方法。该系统是笔者基于NI公司GPIB产品，利用其图形化软件开发工具LabVIEW 8.5和VC++ 6.0开发工具联合开发的。
11.4.1  自动测试系统简介

自动测试系统（Auto Test System）就是以控制计算机为核心，以标准接口总线为平台，以程控仪表为被控对象，用计算机测控软件设计的自动化系统。常用的自动测试系统一般都是采用虚拟仪器技术，通过LabVIEW等图形化的编程语言来控制仪器，以完成数据采集、数据分析和显示测试的数据结果。
自动测试系统是相对传统测试而言的，传统测试方法，人工干预多、操作易出错、测试速度和稳定性难以保证，而自动测试系统利用虚拟仪器技术把仪器的部分功能软件化，用户可以通过编写应用软件来实现不同的测试功能，减少了人工干预，因而提高了测试速度和可靠性。普通测试设备一般需要人工记录测试数据，而采用自动测试技术，测试设备得到的数据将被送到计算机，计算机根据实际需要调用LabVIEW等软件自带的分析处理函数，实时、直接地对测试数据进行分析处理和数据库存储等工作，并可将测试和分析结果显示在界面上，方便观测。
随着计算机技术、通信技术和仪器仪表的智能化技术的发展，自动测试技术越来越多地在测试测量领域被采用，特别是在人工无法完成的测试任务中被广泛采用，尤其适合生产性企业。
11.4.2  自动测试系统结构

采用虚拟仪器技术实现的自动测试系统结构可分为如下四个层面：
1．测试管理层

采用虚拟仪器生产厂商开发的应用程序，组成测试仪器。
2．应用开发层

这一层是用生产商提供的软件开发工具，如NI公司的LabVIEW软件，LabWindows/CVI软件。根据测试项目的需要，开发应用和管理程序，以扩展仪器原有的功能。
3．仪器驱动层

这一层是由仪器生产商开发，针对不同类型的仪器有不同的驱动程序接口，一般采用DLL形式提供。为了给用户提供方便、易用的仪器驱动程序，泰克、惠普和NI公司等仪器公司成立了VXI Plug & Play系统联盟，并于推出VISA（Virtual Instrument Software Architecture）标准。
4．I/O总线驱动层

这一层由生产商开发，用于将不同类型的实际仪器通过相同标准的总线连接起来形成一套完整的测试系统，比如广泛应用的VXI总线系统。
GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。一般程控仪器都提供GPIB接口，在自动测试系统的设计过程中，首选的方式就是利用GPIB接口将仪器与计算机连接起来，然后通过软件实现自动测试。
一般组建基于虚拟仪器的自动测试系统可分为以下5个步骤：
（1）选择操作系统和软件开发平台。组建虚拟仪器时，绝大多数人会采用Windows系列操作系统，开发软件平台可选择LabVIEW、LabWindows/CVI、VC或VB等。
（2）选择总线形式和总线机箱。总线形式可选择PXI、VXI、PCI、USB或GPIB等。
（3）选择机箱内嵌式或外置式计算机。内嵌式计算机使虚拟仪器系统结构紧凑，外置式计算机成本较低。
（4）选择仪器模块。根据实际需要，从模块化仪器供应商处采购各种仪器模块。
（5）选择信号调理模块和自制专用模块。组建一个虚拟仪器系统时通常还会碰到信号调理模块的选择问题，当信号特殊时，还需自制部分信号调理模块。
本例介绍的无线设备自动测试系统就是根据以上系统结构设计的，利用计算机连接仪器的GPIB接口，然后根据设备测试需要编制相应软件程序，实现无线设备的自动化测试任务。
11.4.3  系统功能说明

本自动测试系统主要分为两个模块：前台仪器控制和数据采集模块、后台数据管理和分析模块。前台仪器控制和数据采集模块是本系统的核心模块，主要完成对仪表的控制数据和测量结果的收集，以及实时预警分析。系统利用NI公司GPIB产品和其LabVIEW 8.5开发平台，建立一个标准的虚拟仪器平台，实现了对干放、直放站和基站等设备进行自动测试所需要的仪表的自动化控制。系统功能如图11-54所示。

图11-54  系统功能图
系统结构如图11-55所示。该系统主要控制了多台仪表，包括频谱仪E440A、信号发生器E4433B、信号发生器E4438、噪声仪N8973A、矢量网络分析仪E5071B、无线综合测试仪MT8801C等。这些仪表分别完成设备的信道功率、邻道功率泄漏ACP、自动电平控制ALC、三阶交调、杂散发射、带外抑制、饱和功率、噪声系数、驻波比、传输时延、平坦度、RMS、峰值误差和占用带宽等的测试，并且自动对采集的数据进行报表输出，同时将数据自动存储以供后台进行数据分析。

图11-55  系统结构图
程控仪器软件的编写分为两种方式：一种是利用仪器厂商提供的函数包，另一种是直接用VISA语句编写程控仪器指令。前者使用方便，函数是现成的，可直接调用，但这种方式可移植性差，函数包需要厂商提供的仪器驱动程序支持，不同类型仪器需要安装不同的设备驱动。后者需要开发者掌握VISA语言和底层的GPIB指令，但可以脱离不同厂家的仪器驱动程序，实现对任意GPIB设备的远程控制。本例中对E4440A、E4433B、E4438和E5071仪器的控制采用前者方式编写，N8973A和MT8801C采用后者方式开发。
前台仪器控制与数据采集模块主要是由计算机通过GPIB接口对各仪器发送不同的指令来实现，在本系统中，频谱仪、信号发生器和矢量网络分析仪使用了LabVIEW 8.5的仪表驱动程序进行编程，由于其他仪表（噪声仪、无线综合测试仪）没有合适的驱动程序可以调用，就利用标准VISA接口发送SCPI指令直接对仪表进行控制。
对于数据存储与报表，由于购买的NI公司开发者套件开发包中不包含数据库操作工具包（需另行购买），为了节省开发成本，本例采用Microsoft Visual C++ 6.0开发与Office Access 和Excel交互操作的动态连接库（DLL），然后在LabVIEW中调用DLL。这样，本系统采用了LabVIEW和VC++混合编程的方式实现，实践证明此方法可行。
对于采集到的数据的处理，可将采集的测试数据直接存入Access表，人工导入到后台数据服务器进行分析，也可通过前台软件设置使采集数据自动存储在服务器上，供后台软件进行分析。
开发人员可选择不同的软硬件平台方案。由于LabVIEW是虚拟仪器的主流软件开发平台，建议选用它作为软件平台；硬件部分选择余地比较大，目前很多厂家都可以提供GPIB硬件产品，不过考虑到兼容性，建议在价格允许的情况下，优先选择NI公司GPIB产品，本项目中就选择了NI公司的PCI-GPIB卡和USB-GPIB线缆，这样的方案可以得到NI公司的良好售后服务和技术支持。
具体系统开发方案如图11-56所示。

图11-56  系统功能图
通过LabVIEW开发平台，可以对每个模块进行分类，并使每个模块被主程序调用，最后利用相关仪器的驱动程序模块或通过SCPI编写的程序模块调用底层。系统中每台仪器有一个0~30的GPIB地址。由一个控者控制总线，在总线上传送仪器命令和数据，控者寻址一个讲者，一个或多个听者，数据串在总线上从讲者向听者传送。GPIB软件包自动处理寻址和其他的总线管理功能。
本例中各仪器的GPIB地址如图11-57所示。
11.4.4  项目方案选择

无线通信产品的质量控制，是运营商室内分布系统建设以及移动通信网络建设的重要环节。无线通信产品的测试和评估的大部分工作量都集中在对仪表进行操作的实验室测试以及测试数据的人工判别与处理上。目前，这种繁重的实验室测试、分析工作以人工操作为主，存在着明显的不足：
— 测试人员读数可能带来误差，导致测试结果出现一定的偏差，难以保证高精度测试，需反复核对，费时费力。
— 一些测试指标难以通过人工测试完成，比如功率稳定度，使得测试能力受到限制，难以保证无线设备测试评估的全面性。
— 测试过程需要大量的重复性工作，并产生大量的测试数据，需要烦琐的后期数据处理，人工操作力所难及。
— 依靠人工手段的数据处理耗时耗力，分析手段和分析方式也受到较大限制，给测试数据的处理带来一定难度，且缺乏统一、灵活的综合评分配置模板，影响了对无线设备测试数据的深度挖掘工作。
这些因素都在较大程度上制约了工作效率和测试精度的提高，影响着对无线设备的深度分析与评估工作。
为适应无线网络建设对无线设备测试提出的高要求，适时建设一套符合企业发展要求的自动化综合测试分析平台是十分必要的。这将有利于保证测试工作的自动化、系统化和规模化，保持检测技术的先进性，对打造产品的质量监控品牌，树立优良的产品质量监控和评估形象，具有重要的意义。
本自动测试系统中有源器件包括PHS干放、CDMA干放、CDMA直放站、CDMA基站等，无源器件包括功分器、耦合器、电桥、衰减器、合路器和负载等。
11.4.5  系统平台选择

考虑到通用性，本自动测试系统采用了Windows XP操作系统，系统运行具体要求如下：
1．运行平台

本系统中的测控计算机需要满足如下软硬件要求：
（1）软件要求
— 操作系统 Windows XP
— LabVIEW 8.5或以上版本
— Microsoft Visual Studio 6.0或以上版本
— Microsoft Office 2000或以上版本
— ICP25和VISA3.6驱动程序
— NI 488.5 V2.4驱动程序
— E4440A、E4433B、E5071B仪器的LabVIEW 8.5驱动程序
（2）硬件要求
最低配置：
— 处理器：>1.2GHz
— 内存：256 MB
— 硬盘：1GB
— 显示器：1024×768，16位
推荐配置：
— 处理器：>2.6GHz
— 内存：1GB
— 硬盘：1GB
— 显示器：1024×768，32位
2．开发平台

本系统中的测控计算机开发环境需要配置以下环境：
— 操作系统Windows XP
— LabVIEW 8.5
— Microsoft Visual Studio 6
— Microsoft Office 2000或以上版本
— ICP25和VISA3.6驱动程序
— NI488.5 V2.4驱动程序
— E4440A、E4433B、E5071B仪器的LabVIEW 8.5驱动程序
11.4.6  数据管理

在本系统中数据在本地以Access表方式进行存储，后台可将其测试好的结果表导入软件进行统计和分析等。本例中设计的数据库表结构如下所述。
1．厂家信息表

测试系统针对不同厂家的测试设备进行分类，并且在测试前设置测试厂家信息，这些信息保存至厂家信息表中，厂家信息表结构如表11-2所示。
表11-2  厂家信息表

2．器件信息表

测试系统针对不同厂家的测试设备进行分类，并且在测试前对测试设备和器件进行设置，并将这些设置信息存入器件信息表中，器件信息表的结构如表11-3所示。
表11-3  器件信息表

续表  

3．测试指标表

测试系统将测试的设备指标存入计算机中，以便对数据进行后续处理。针对每种测试指标，程序都规范地定义了指标的类别、号码标识、测试的指标范围等。测试的指标号、名称和范围值存入测试指标表中，测试指标表结构如表11-4所示。
表11-4  测试指标表

4．测试指标配置表

本自动测试系统需要对信号源和频谱仪进行参数的配置后才能执行相应指标的测试任务，为了实现自动配置的功能，将每种指标测试中需要的配置参数事先存入计算机的数据库中，在需要时调用出来设置仪表。根据需要定义配置参数类别和索引号，并存入测试指标配置表中，此表结构如表11-5所示。
表11-5  测试指标配置表

续表  

5．器件测试表

器件测试表保存的是仪表的测试结果，根据事先定义好的指标号将这些测试结果存入对应的记录中，以便后面进行数据统计和分析，器件测试表结构如表11-6所示。
表11-6  器件测试表

6．测试指标与测试指标号

针对无线设备的特点，本例中定义了待测试的测试指标和指标号码，这些属性描述了测试指标的上下限，也就是值的范围，通过这个范围程序可以知道测得的数据是否有效或合格，可以自动进行指标的判断，还可以判断是否需要重新测试等。
测试指标与测试指标号表的结构如表11-7所示。
表11-7  测试指标与测试指标号表

续表  

续表  

7．数据库模块实现

鉴于LabVIEW数据库操作的不方便和工具包需要付费使用等问题，本系统的数据库模块采用混合编程的方式实现，利用Microsoft Visual C++ 6.0开发通过ADO与Office Access 和SQL Sever数据库操作的DLL，然后在LabVIEW中调用。
（1）利用C++生成DLL
此方法适合那些对C++语言熟悉的开发人员。对于熟练使用LabVIEW或已经购买过NI公司相关数据库产品的开发人员可直接采用LabVIEW操控数据库的方法，具体方法见第10章。
本例提出了利用文本语言作为中介进行数据库操作的混合编程方法，利用C++编写的DLL可以在LabVIEW中调用，在LabVIEW框图中输入标准的SQL语句即可灵活地对数据库进行操作。
Microsoft Visual C++6.0实现DLL导出的代码如下：
extern "C" __declspec(dllexport) bool SaveResultToDB(char cSql[])
{
    CString csSql;
    csSql=(CString)cSql;
    CDBModule QM;
    QM.QConnect();
    QM.QSaveTestResult(csSql);
    QM.QClose();
    return true;
}
（2）LabVIEW调用DLL
LabVIEW中实现调用DLL方法如图11-58所示。
在图11-58所示的“Libraries & Executables”模板中选中“Call Library Function”，并拖到后面板中，会弹出如图11-59所示的对话框。在此对话框中选择要调用的DLL文件，并指定需要使用的函数。
8．数据报表

对于自动测试软件采集的数据可通过标准报表提供给测试工程师，无线设备标准测试结果格式如表11-8所示。

图11-58  在LabVIEW中调用DLL

图11-59  LabVIEW调用的DLL参数
表11-8  测试指标标准表



11.4.7  界面设计

前台采集系统界面主要分为5个部分，分别是系统管理模块、E4440A/E4433B/E4438仪器控制模块、E5071B仪器控制模块、N8973A仪器控制模块和MT8801C仪器控制模块。
1．系统管理

系统管理模块主要是对所连接控制的仪表进行管理，通过此模块可以测试仪器是否处于连接状态，也可对仪器进行复位和自检等操作。
系统管理模块的界面如图11-60所示。

图11-60  系统管理模块界面
2．E4440A、E4433B和E4438仪器控制

本模块的功能是对E4440A E4433B、E4438的三台仪器进行控制，通过对信号源和频谱仪的控制来测试无线设备的相关指标。E4440A、E4433B和E4438仪器控制模块界面如图11-61所示。

图11-61  E4440A、E4433B和E4438仪器控制模块界面
3．E5071B仪器控制

本模块的功能是对矢量网络分析仪E5071B进行控制，通过对E5071B的控制来测试无线设备的相关指标，主要是驻波比、传输时延和平坦度等。
E5071B仪器控制模块的界面如图11-62所示。

图11-62  E5071B仪器控制模块的界面
4．N8973A仪器控制

本模块的功能是对噪声分析仪N8973A进行控制，通过对N8973A的控制来测试无线设备的相关指标，主要是噪声系数等。N8973A仪器控制模块的界面如图11-63所示。

图11-63  N8973A仪器控制模块界面
5．MT8801C仪器控制

本模块的功能是对无线通信综合分析仪MT8801C进行控制，通过对MT8801C的控制来测试无线设备的相关指标，主要是RMS和占用带宽等。
MT8801C仪器控制模块界面如图11-64所示。

图11-64  MT8801C仪器控制模块界面
11.4.8  指标测试

本自动测试系统能够对仪表进行自动控制，仪表分别完成无线通信设备（包括上、下行）的信道功率、邻道功率泄漏ACP、自动电平控制ALC、三阶交调、杂散发射、带外抑制、饱和功率、噪声系数、驻波比、传输时延、平坦度、RMS、峰值误差和占用带宽等指标的测试。
例如CDMA直放站测试项目所需的仪表设备如表11-9所示。
表11-9  CDMA直放站测试项目及对应仪表型号表

由于不同仪表和上/下行测试的电缆连接方式不同，所以自动测试应分成若干个阶段，每个阶段完成接线方式相同的指标测试。
无线设备的测试流程图如图11-65所示。

图11-65  测试流程图
测试新的指标之前，本模块根据操作用户选择的测试产品和项目，从参数配置文件中调出原先已配置或新配置的参数，然后自动完成各个项目的测试。软件在自动测试过程中能够判断测试参数与测试数据是否异常。
干放测试的技术指标中，测试标称功率是最重要的环节，因为此后的多项指标测试均在此状态下回退3dB情况下进行测试。图11-66为干放输出曲线图。

图11-66  系统功能图
下面是图11-66中所指出的标称功率点测试的算法实现步骤。
逐级递加法。逐步递加信号源功率，一般步长为1dB。注意：步长大，可能越过饱和点；步长短，测试速度慢。
逐级递加法修正。针对步骤1（可理解为粗调），当越过饱和点时，进行微调，变步长为0.1dB，在1dB粗调误差范围内进行递减。步长可根据测试精度要求适当选择。
针对步骤，在线性区测试过程中，如果存在野值，程序退出测试可能出现错误结果，此种情况下进行全程采集，然后利用中值滤波法剔除野值，再采用3点（也可用5点）平滑算法处理，得到平滑曲线，最后利用梯度法找到标称功率点（也可参考使用sobel算子或拉普拉斯算子法进行分析）。
对于步骤中所求得的标称功率点，如果满足精度要求，可不进行步骤4。如果要在节省测试时间的情况下，尽可能地提高测试精度，需要利用插值法得到拟合曲线，然后运用边界搜索等方法对此数据进行分析，此时根据测试精度选取适当的域值，就能准确定位到干放标称功率点。
图11-67为三阶交调指标测试算法示意图。一般设备测试规范要求，A点和B点中功率比较低的信号与C点和D点中功率比较低的信号功率之差一定要大于某值，否则认为设备不合格。一般要求功率之差大于44dBc，测试过程中，计算机控制E4433输出1900 MHz信号，E4438输出1902 MHz信号，同时计算机通过收敛算法在尽量使A点和B点信号功率相等且达到标称输出状态下（此时需要根据给定的误差来确定收敛速度和精度，本系统中取0.05），此时在频谱仪E4440中会发现最大的干扰信号三阶交调信号C和D。最后计算机控制频谱仪E4440读取Min(A，B)和Max(C，D)，并计算两者差值，将结果存入后台数据库。

图11-67  三阶交调指标测试算法示意图
表11-10列出了2项2C2W PHS干放采用自动测试系统前后的测试数据。
表11-10   PHS干放测试数据对比

通过表11-10可以看出，手动测试值的精度比自动测试低，主要是因为人工读取数据的不确定性比较大，同时仪表数据读取时数字会跳动，不能保证读取高精度的测试数据。通过自动测试系统可以将测试结果进行多次平均（本系统取30次平均），同时根据需要截取小数点位数（本系统取2位有效数字）。这样保证了自动测试精度，同时测试标准也得到了统一。
以上是干放标称功率点和三阶交调确定方法，带外杂散等指标测试算法，在此不叙述。
11.4.9  实例小结

本例给出了无线设备自动测试的整体实现方法和思路，也给出了测试指标中最重要的标称功率点和三阶交调的测试算法，由于篇幅所限，各模块的具体实现过程做了省略，同时未具体叙述带外杂散和其他参数等技术指标的自动测试实现算法。通过实际测试表明，该系统明显提高了测试效率。
本系统具有如下特点：
（1）操作的简易性
前台数据采集系统需要用户配置的各种测试参数没有涉及设备底层，用户只要设置测试仪表对每项指标测试时的参数即可，而且常用的数据库参数配置已经能满足PHS干放的自动测试任务，不需要任何更改就可进行测试。这种操作的简易性降低了对现场测试人员的专业水平的要求，可以节省人力资源。在这种情况下，可以在测试前把设备接好，设置好参数，然后让计算机自动测试，在没有专业人员的情况下完成测试任务。
（2）系统的便携性
如果想节省成本，可以不采用PXI平台，测控前端只需要一台笔记本电脑或台式机、一个GPIB卡和与所需仪器测量数目相同的GPIB电缆等，并不需要其他专用测试仪表就可以完成所有的测试工作。
（3）数据的准确性
本系统由于采用了计算机自动控制以及自动读取数据，因此可以避免传统用人工抄写仪器测量数据而带来的人为误差。
（4）数据采集的高效性
本系统采用GPIB电缆连接仪器，可以同时接入多台仪器进行不同项目指标的测试，并且某些指标的测试过程需要较长时间，这时候测试工程师就可以从事其他工作，等到测试完毕后软件会自动提示下一步如何操作，这样明显提高了工作效率。