多總線兼容的板級測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱彥青，程緒建，董振旗，劉虎

（1.第二炮兵工程學(xué)院陜西西安710025；2.西安微電子技術(shù)研究所陜西西安710054）

系統(tǒng)中，能兼容多種總線接口的適配器和用于不同種類信號的切換是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。該系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、高速度、高效率，易操作等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

板級測試系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器儀表技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)與一體的自動(dòng)化測試系統(tǒng)（ATS）。硬件部分由測試主機(jī)、接口適配器、矩陣開關(guān)、人機(jī)交互單元等組成。系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示。

軟件部分主要分為測試主機(jī)軟件和適配器軟件兩部分組成。測試主機(jī)軟件主要完成兩部分的功能，一是調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序；二是提供人機(jī)界面和測試數(shù)據(jù)的管理。適配器軟件主要完成對備板驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用。

圖1 板級測試系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Structure of board level test system

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的測試原理是基于信號的功能測試[1]，即針對備板的功能特性，選擇能檢驗(yàn)備板性能的信號，驅(qū)動(dòng)備板工作，對其加載相應(yīng)的信號，檢驗(yàn)其工作性能的一種測試方法。

測試之前，必須了解各種備板的功能、特性、結(jié)構(gòu)、接口關(guān)系及工作原理，對各種具體備板的信號及測試方法進(jìn)行深入的研究、分析、論證，根據(jù)不同的功能，選定能檢驗(yàn)備板性能的信號。然后，在系統(tǒng)中創(chuàng)建涵蓋所有被測備板測試程序的程序集。

測試時(shí)，先對備板加載測試程序，使備板處于工作狀態(tài)，適配器CPU和備板之間組成了一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡稱為被測系統(tǒng)，系統(tǒng)的測試流程可以分為兩種情況，如圖2所示。一種情況是測試輸入信號由被測系統(tǒng)CPU發(fā)送給被測板卡，如對D/A板的測試，被測信號通過矩陣開關(guān)，切換至主測系統(tǒng)相應(yīng)的功能板卡上，通過信號采集及數(shù)據(jù)處理，將輸出信號送至主測CPU；另一種情況是測試輸入信號由主測系統(tǒng)CPU發(fā)送給主測功能板卡，如A/D板的測試，被測信號通過矩陣開關(guān)，切換至被測板卡，被測板卡對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果送至主測CPU。主測CPU通過數(shù)據(jù)對比，判斷出備板功能是否良好，測試完成后，在測試主機(jī)中生成測試數(shù)據(jù)的報(bào)表。矩陣開關(guān)與主測CPU之間通過RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，測試主機(jī)和適配器之間通過網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)。

圖2 板級測試系統(tǒng)的測試原理圖Fig.2 Test principle diagram of board-level test system

2 測試主機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的主要硬件平臺(tái)是CPCI總線模塊。CPCI是基于標(biāo)準(zhǔn)的PCI電氣規(guī)范上的一個(gè)高性能總線，是PCI總線技術(shù)和成熟的歐式卡組裝技術(shù)的組合[2]。CPCI延續(xù)模塊化的精神，結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，總線速度快，開發(fā)成本低，可以在不犧牲測量精度并節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)的情況下，提供高性能的測試、測量和數(shù)據(jù)采集。

旨在消炎抑菌，對癥用藥。經(jīng)藥敏試驗(yàn)，慶大霉素為不錯(cuò)選擇。具體用法及用量，對于脫水犢牛用0.9%生理鹽水1000毫升、5%葡萄糖1000毫升，慶大霉素80萬單位、氨芐西林鈉5克一次靜注；嚴(yán)重脫水一天2次，連用3天。

測試主機(jī)的主要功能是：提供測控總線的接口通信、測試資源的管理、測試程序集（TPS）的調(diào)度管理和測試數(shù)據(jù)管理，并提供人機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試[3]。系統(tǒng)測試主機(jī)由CPU單元、數(shù)據(jù)處理單元、功能擴(kuò)展單元和電源系統(tǒng)單元組成。背板采用6U CPCI總線設(shè)計(jì)；電源系統(tǒng)采用ATX標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，輸出+3.3、+5、+12、-12 V等直流電壓；功能擴(kuò)展模塊為預(yù)留模塊，主要用于系統(tǒng)后期的功能擴(kuò)展。

2.1 CPU 單元的設(shè)計(jì)

CPU單元由CPU印制件和機(jī)械加固件組成。CPU印制件由Celeron-M CPU、Inter855GM芯片組、SDRAM、以太網(wǎng)、顯示模塊和PCI-PCI橋等組成；CPU模塊機(jī)械加固件是指對按照加固計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)要求而進(jìn)行的輔助設(shè)計(jì)，一方面對CPU印制件起加固作用，另一面對CPU印制件起散熱作用，以保證主控計(jì)算機(jī)的可靠性。

2.2 數(shù)據(jù)處理單元的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理單元由I/O板、A/D板、D/A板、通信板、MC/RDC板組成。

I/O板用于計(jì)算機(jī)與外部的開關(guān)量輸入和輸出控制，每塊I/O模塊由32路開關(guān)量輸入、16路開關(guān)量輸出、16路繼電器輸出組成。

A/D板用于讀取系統(tǒng)中的模擬量，將模擬量通過量化、編碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。A/D板由模擬開關(guān)、精密放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、DC/DC電源模塊、輸入輸出數(shù)據(jù)寄存器、控制電路和譯碼電路組成。

D/A板提供12路單極性模擬量輸出，輸出電壓為0～10 V。D/A板主要由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、DC/DC電源模塊、數(shù)據(jù)寄存器、控制和譯碼電路組成。

通信板包括8路RS-422通信接口和8路RS-485通信接口組成，用于串口數(shù)據(jù)的傳輸。

MC/RDC板集脈沖收發(fā)、數(shù)字量傳輸及將角度的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號等功能于一體。MC/RDC板由PCI橋電路、邏輯控制電路、脈沖輸入電路、脈沖輸出電路、數(shù)字量控制電路、RDC信號輸入電路等部分組成。

3 矩陣開關(guān)模塊設(shè)計(jì)

3.1 ATS中矩陣開關(guān)的設(shè)計(jì)原則

開關(guān)系統(tǒng)是ATS中信號傳輸與分配的中樞，借助開關(guān)系統(tǒng)的不同組態(tài)，可以充分利用ATS有限的測試資源，實(shí)現(xiàn)各種檢測與激勵(lì)信號的靈活路由[4]。

矩陣開關(guān)是一個(gè)m路輸入，n路輸出的功能單元，在控制部分的控制之下，選擇m路中的一路測試信號，輸出到n路中的指定一路測試通道上，主要功能為對指定信號進(jìn)行轉(zhuǎn)接[5]。矩陣開關(guān)主要由控制部分、信號調(diào)理部分和開關(guān)陣列組成，通過控制矩陣開關(guān)，將激勵(lì)信號進(jìn)行分類調(diào)整，自動(dòng)切換到相應(yīng)端口[6]。

采用模塊化可擴(kuò)展的開關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不僅可以方便地?cái)U(kuò)大開關(guān)系統(tǒng)規(guī)模，而且使開關(guān)系統(tǒng)向上兼容，有助于實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)TPS的移植和相互操作。矩陣開關(guān)設(shè)計(jì)的原則是按功能進(jìn)行模塊化劃分和配置，同時(shí)與自動(dòng)測試系統(tǒng)信號接口裝置的信號定義相對應(yīng)，這樣將有利于接口的擴(kuò)展和形成模塊化ATS結(jié)構(gòu)。

3.2 系統(tǒng)矩陣開關(guān)的配置

系統(tǒng)的測試任務(wù)是大型復(fù)雜系統(tǒng)備板的功能測試，由于備板種類有上百種，信號種類繁多，備板總線接口的種類也比較多，這對信號的切換、轉(zhuǎn)接提出了較高要求。通過對測試主機(jī)板卡和被測板卡的功能與總線接口分析，為了滿足系統(tǒng)通用性的要求、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，確定了矩陣開關(guān)的行維為100，列維為4，即100×4矩陣。5個(gè)100×4矩陣模塊級聯(lián)，分別連接A/D板、D/A板、I/O板、MC/RDC板和串口通信板，如圖3所示。

系統(tǒng)由DSP芯片控制矩陣開關(guān)運(yùn)行，編程簡便，速度也能滿足一般系統(tǒng)的要求，通過建立DSP的控制程序集，實(shí)現(xiàn)每種被測板卡的信號矩陣切換。

這種設(shè)計(jì)在硬件上要求較高，但運(yùn)行速度快，功能強(qiáng)大，便于后期擴(kuò)展，符合加固設(shè)備的研制標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 矩陣開關(guān)的級聯(lián)圖Fig.3 Cascade diagram of matrix switch

4 適配器模塊設(shè)計(jì)

接口適配器作為測試設(shè)備和被測對象之間的橋梁，把儀器資源分配給被測對象的各個(gè)管腳，完成對被測對象施加激勵(lì)和進(jìn)行測量的工作[7]。

在系統(tǒng)中，適配器機(jī)箱背板總線為CPCI總線，由CPU模塊和被測備板的接插件組成。CPCI總線和PCI的電氣規(guī)范一致，PCI總線允許同級PCI局部總線訪問和通過PCI-PCI與擴(kuò)展總線橋訪問主存儲(chǔ)器和擴(kuò)展總線設(shè)備，PCI總線中的南橋（PCI-ISA橋）可以連接基礎(chǔ)PCI局部總線到ISA總線[8]。

CPU模塊的作用有兩點(diǎn)：一是驅(qū)動(dòng)被測板卡，使其處于工作狀態(tài)，二是通過網(wǎng)絡(luò)與主控CPU通信，接收主控CPU的命令，控制被測備板收發(fā)、處理數(shù)據(jù)。

適配器機(jī)箱內(nèi)共設(shè)置10個(gè)插槽，用于接插被測備板。這些插槽包括2個(gè)CPI插槽、2個(gè)CPCI插槽、2個(gè)ISA插槽、2個(gè)AT-96插槽和2個(gè)ET-96插槽，其總線連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 適配器模塊的連接圖Fig.4 Connection diagram of adaptor module

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，從CPU的J2由PCI-PCI橋引出2個(gè)PCI插槽和2個(gè)CPCI插槽，J3與PCI-ISA橋連接，引出ISA插槽、AT-96插槽、ET-96插槽各2個(gè)。PCI-PCI橋由PCI2050B實(shí)現(xiàn)，PCI-ISA橋由IT8888芯片實(shí)現(xiàn)。

5 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件由應(yīng)用軟件和板卡驅(qū)動(dòng)程序組成。軟件界面是人機(jī)交互的窗口，因此測試軟件界面需簡潔、友好，方便實(shí)驗(yàn)者操作[9]。系統(tǒng)采用C++builder作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，利用功能強(qiáng)大的圖形化控制界面，實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的獲取和處理[10]，測試界面如圖5所示。用戶可通過鍵盤鼠標(biāo)操作，選擇被測試板卡，加載激勵(lì)信號，采樣被測信號數(shù)據(jù)，建立被測板卡信號數(shù)據(jù)庫，對各種信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，最終完成自動(dòng)測試任務(wù)。驅(qū)動(dòng)程序是完成對某一特定板卡控制與通信的軟件程序集，它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。

圖5 板級測試系統(tǒng)的測試界面Fig.5 Test interface of board-level test system

6 結(jié)束語

多總線兼容的板級測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合了儀器儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)。在技術(shù)上解決了多種總線的接口兼容和測試信號的切換，實(shí)現(xiàn)了對某大型復(fù)雜系統(tǒng)備板的功能測試。該系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、高速度、高效率、易操作等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)中運(yùn)用良好，性能穩(wěn)定，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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