📚 课程目录第3章测试环境搭建

3、测试环境搭建：准备硬件（开发板、电流探头、频谱仪、屏蔽箱）、软件（nRF Connect SDK、Power Profiler Kit、串口调试工具）及测试脚本的配置方法

nRF系列产品的验收测试，其结论的可信度高度依赖于测试环境的规范性与可重复性。一个搭建不当的环境，轻则导致测量数据漂移，重则直接掩盖产品在射频与功耗上的真实缺陷。本章将围绕硬件选型与连接、软件工具链配置、以及自动化测试脚本的编写三个维度，系统讲解如何构建一个符合nRF项目验收标准的测试台架。我们将重点解决“如何把设备连起来”、“如何让工具读数可信”以及“如何让测试过程可复制”这三个核心问题。

3.1 硬件测试台架的搭建与连接规范

硬件环境的搭建是验收测试的第一步，其核心原则是“可隔离、可注入、可观测”。可隔离指将DUT（待测设备）与外部电磁干扰隔离；可注入指能够向DUT提供稳定的电源与可控的射频输入；可观测则要求电流探头与频谱仪能够无畸变地捕获信号。

在具体操作中，我们通常将开发板（如nRF52840 DK或nRF5340 DK）置于屏蔽箱内。屏蔽箱的选择需关注其隔离度指标，一般要求在2.4GHz频段隔离度大于60dB，以避免Wi-Fi、蓝牙外设及微波炉等环境噪声影响测试结果。对于电流测量，推荐使用Nordic官方的Power Profiler Kit II（PPK2），它支持动态范围从200nA到1A的测量，且具备可编程电源输出功能，能够替代实验室直流电源为DUT供电。连接时，需将PPK2的VOUT引脚串联接入DUT的VDD网络，并确保共地。

射频链路的搭建同样关键。对于传导测试，需将DUT的射频输出引脚（如ANT引脚）通过SMA转接线连接至频谱仪。若DUT使用PCB天线，则需在屏蔽箱内使用耦合探头（如近场探头）进行非接触测量。此时，探头的放置位置与角度必须固定，否则会导致测量结果出现数dB的偏差。建议使用屏蔽箱内的机械臂或3D打印支架固定探头位置，确保每次测试的一致性。

  硬件连接清单（推荐顺序）：
  将DUT开发板固定在屏蔽箱内的绝缘支架上，确保底部无金属接触。
连接PPK2：将PPK2的USB线连接PC，使用杜邦线将PPK2的VOUT连接至DUT的VDD引脚，GND连接至DUT的GND。
连接串口调试线：使用J-Link OB的虚拟串口或外接USB转UART模块，连接DUT的TX/RX引脚。
连接射频线：将SMA线缆一端连接频谱仪，另一端连接屏蔽箱的射频馈通接口，内部通过半刚性电缆连接至DUT的ANT引脚或耦合探头。
检查所有连接无误后，关闭屏蔽箱门，并开启屏蔽箱的电源（如有内部照明或风扇）。

3.2 软件工具链配置与固件准备

软件环境的配置决定了测试脚本能否正确控制硬件并采集数据。首先，需要安装nRF Connect SDK（nCS），推荐使用v2.5.0或更高版本，因为它包含了针对nRF5340的稳定BLE协议栈。安装完成后，通过west命令初始化工作区，并拉取所需的分支。

west init -m https://github.com/nrfconnect/sdk-nrf --mr v2.5.0 ncs
cd ncs
west update

固件编译时，需在prj.conf中启用必要的配置选项。对于验收测试，建议开启以下配置：

CONFIG_BT=y
CONFIG_BT_CENTRAL=y
CONFIG_BT_PERIPHERAL=y
CONFIG_BT_DEBUG_LOG=y
CONFIG_SERIAL=y
CONFIG_UART_CONSOLE=y
CONFIG_PWM=y
CONFIG_ADC=y

此外，为了便于自动化测试，固件中应实现一个简单的UART命令解析器，支持如下指令：start_adv（开启广播）、stop_adv（停止广播）、start_scan（开启扫描）、set_tx_power（设置发射功率）等。这些指令将作为测试脚本与DUT交互的接口。

Power Profiler Kit的软件配置相对简单。安装nRF Connect for Desktop，并打开Power Profiler应用。在应用中，选择PPK2设备，设置采样率为100kS/s（千采样点/秒），并选择“Source Meter”模式以同时提供电源和测量电流。若使用外部电源，则选择“Ampere Meter”模式，仅测量电流。

3.3 自动化测试脚本的编写与调度

手动测试无法满足验收所需的重复性与数据量要求，因此必须编写自动化测试脚本。推荐使用Python 3.9+，配合pyserial库控制串口，pyvisa库控制频谱仪（如Keysight或Rohde & Schwarz），以及nrf_power_profiler的Python API（若可用）或通过SCPI命令控制PPK2。

脚本的核心逻辑分为三个模块：设备控制模块、数据采集模块和结果判定模块。设备控制模块负责向DUT发送UART指令，并等待响应；数据采集模块负责从频谱仪读取功率谱密度，从PPK2读取电流波形；结果判定模块则根据预设阈值（如平均电流小于50µA，丢包率小于1%）输出PASS/FAIL结论。

import serial
import time
import numpy as np

# 初始化串口
ser = serial.Serial('COM5', 115200, timeout=1)

def send_cmd(cmd):
    ser.write((cmd + '\n').encode())
    time.sleep(0.1)
    resp = ser.readline().decode().strip()
    return resp

# 测试广播电流
send_cmd('stop_adv')
time.sleep(1)
send_cmd('start_adv')
# 此处调用PPK2读取电流数据，持续5秒
current_data = read_ppk2(duration=5)
avg_current = np.mean(current_data)
print(f'Average Current: {avg_current:.2f} uA')

脚本的调度建议使用pytest框架，将每个测试项（如识别准确率、BLE稳定性、平均电流）定义为独立的测试用例，并生成JUnit XML报告，便于集成到CI/CD流水线中。同时，脚本应具备日志记录功能，记录每次测试的时间戳、固件版本、环境温湿度等元数据，以便追溯。

3.4 实战案例：一次BLE连接稳定性测试的环境搭建与执行

某智能门锁项目在验收时发现，设备在距离路由器较近时会出现偶发性断连。为了复现并定位问题，我们搭建了如下测试环境：将门锁主控板（nRF52840）放入屏蔽箱，使用PPK2供电并测量电流；在屏蔽箱外放置一台频谱仪，通过耦合探头监测2.4GHz频段的干扰信号；同时，使用另一台nRF52840 DK作为BLE中心设备，运行自定义的连续连接测试固件。

测试脚本执行流程如下：首先，中心设备与门锁建立连接，并设置连接间隔为30ms。然后，脚本每10秒记录一次RSSI（接收信号强度指示）和连接事件丢失计数。同时，PPK2记录门锁在连接状态下的电流波形。测试持续30分钟。初始结果显示，RSSI波动较大，且连接丢失事件集中在特定时间段。通过频谱仪数据发现，该时间段恰好是Wi-Fi信标帧的发送周期，确认是2.4GHz频段干扰导致。

针对此问题，我们调整了门锁的跳频算法，并优化了射频匹配网络。修改后，重新执行相同测试，连接丢失率从2.3%降至0.1%，平均电流从85µA降至72µA。此案例表明，一个规范的测试环境能够快速隔离外部变量，精准定位问题根源。

常见误区提醒：

误区一：使用USB供电进行电流测试。USB电源噪声大，且无法测量DUT的真实电池供电特性，必须使用PPK2或低噪声线性电源。
误区二：忽略屏蔽箱的接地。屏蔽箱未接地时，其屏蔽效能会大幅下降，甚至成为天线引入干扰。
误区三：测试脚本中未加入等待时间。DUT在收到指令后需要时间完成状态切换，若立即采集数据，会捕获到瞬态电流，导致平均电流偏高。
误区四：频谱仪分辨率带宽（RBW）设置不当。对于BLE信号，建议RBW设置为100kHz，VBW设置为100kHz，否则会低估信号功率。

3.5 测试环境的校准与验证

在正式执行验收测试前，必须对测试环境进行校准。校准分为两步：功率校准与时间同步校准。功率校准使用一个已知输出功率的射频源（如SMB100A信号发生器）连接至频谱仪，设置频率为2.44GHz，输出功率为-10dBm，然后读取频谱仪的测量值，计算偏移量并补偿。时间同步校准则用于确保PPK2的电流数据与串口日志在时间轴上对齐，通常通过DUT在启动时输出一个高电平脉冲，同时PPK2记录到电流尖峰，以此作为时间零点。

此外，建议在每次测试前运行一次“环境噪声底噪检查”：在屏蔽箱内不放DUT，仅开启PPK2和频谱仪，记录底噪水平。若底噪高于-90dBm（频谱仪）或电流噪声大于1µA（PPK2），则需检查屏蔽箱门是否关严、线缆是否松动或是否存在地环路。

测试项	所需硬件	关键软件配置	通过标准
识别准确率	DUT、屏蔽箱、串口线	nCS固件、Python脚本	准确率≥98%
BLE稳定性	DUT、中心设备、频谱仪	nRF Connect for Desktop	丢包率≤1%，无断连
平均电流	DUT、PPK2、屏蔽箱	Power Profiler应用	平均电流≤规格书值

总结而言，测试环境的搭建并非简单的设备堆砌，而是一个系统工程。硬件上要确保信号完整性与电源纯净度，软件上要实现指令可控与数据同步，脚本上要追求自动化与可重复性。只有将这三者有机结合，才能为后续的识别准确率、BLE稳定性和平均电流测试提供坚实的数据基础，确保验收结论的权威性与可信度。