基于PXI總線的電路板級功能測試系統

劉春來 張 東 史宏亮

(北京自動測試技術研究所 100088)

1 引言

印制電路功能板(PCB)是電子產品的重要組成部分，隨著科學技術的快速發展，特別是數字技術及各種超大規模集成電路的廣泛應用，電子儀器、設備尤其是軍用電子裝備結構越來越復雜，功能越來越完善，自動化程度也越來越高。雖然電子儀器、設備的性能得到提高，但是對測試和維修保障也產生了測試流程復雜、測試時間長、維修保障困難等諸多難題，這些都嚴重影響了電子儀器、設備的完好性和壽命周期。

電路板（PCB）級功能測試是指對被測電子線路板（或功能模塊）提供模擬的運行環境，使目標板工作于設計狀態，從而獲取輸出信號，進行驗證目標板的功能狀態。簡單地說，就是對目標板加載合適的激勵，測量輸出端響應是否合乎要求。同時也能對一些可調參數的元件(如電位器、可調電感)進行參數值的調整，進行功能測試時需要按正常工作方式接通電源，通過從輸入端施加若干測試激勵，觀測其相應的輸出響應，并與預期的正確結果進行比較，以判定電路板是否滿足設計要求。如有故障，則找出故障產生的原因并進行維修。

本文研究了一種適合于目前電子產品需求的電路板板級功能測試系統，該系統以PXI總線為主要接口形式，利用FPGA及相關硬件實現對電路板快速、準確的功能測試，實驗結構證明了系統可實現測試界面的可視化，并極大提高了電路板板級功能測試的效率。

2 系統設計方案

電路板功能測試的基本原理是暗箱原理，如圖1所示，即被測對象是一個“神秘”的不可及“暗箱”，在不允許打開“暗箱”的情況下又要了解“暗箱”中的奧秘。因此，只能通過對它施加激勵信號后產生輸出響應來完成對系統的分析。根據測試原理圖，可知電路板測試系統要完成如下四步工作：

① 向被測對象送出測試的激勵信號(測試矢量)。

② 接收被測對象在激勵信號下的響應信息。

③ 根據激勵與響應之間的關系分析并“決策”下一個激勵矢量。

④ 根據激勵矢量序列來確定故障的地點和類型。

圖1 測試系統原理框圖

電路板功能測試的主要問題是如何實現被測電路板與測試系統的連接。由于電路板接口種類眾多，且信號數量龐大，數據信號速率高，電源信號功率大。針對系統這一特點，本文采用了國際通用的PXI標準總線結構，在保證系統信號傳輸的高速性能和可靠性前提下，同時也增強了測試系統的通用性及可擴展性。因待測試電路板都是基于標準總線的(PXI、VXI、CPCI等)，系統的標準總線測試區提供了各種標準總線的工裝。每種電路板可直接安裝于測試系統內，根據被測電路板的功能編寫測試程序并利用非標準總線測試區的各種儀表對其進行測試。適配器分布以及適配器與系統連接方式如圖2所示。

圖2 適配器與系統連接方式框圖

3 系統硬件設計

測試系統主要包括主控IPC、測試儀器（硬件模塊構成）、系統軟件、測試連接裝置等部分。系統整體框圖如圖3所示。

圖3 功能測試系統硬結構框圖

PCB測試系統的硬件平臺由主控計算機、測試儀器、通用測試接口連接裝置等部分構成。主控計算機完成測試控制、故障診斷、控制用戶界面、和數據顯示系統管理等任務。測試儀器通過測試總線與主控計算機連接，在主控計算機的控制下完成測試任務。通用測試接口連接裝置由通用接口電路、接口適配電路和連接裝置構成，通過信號轉接等將被測電路板的信號接入測試系統，必要時還需要對信號進行調理、變換。測試軟件完成人機交互、硬件控制、測試控制、數據管理等功能。

通用測試接口分為標準總線測試區與非標準總線測試區。非標準總線測試區中，測試系統中所有硬件資源的輸出連接至最終面板，為操作者提供統一的操作接口定義。根據被測電路板或系統的不同，操作者可根據需求連接所需的資源制作適配器。針對每一種電路板或系統的輸入、輸出信號排布，測試人員可制作一個測試適配器與測試系統的信號輸出面板相連接，與測試系統信號輸出面板相連接的適配器示意圖如圖4所示。

圖4 測試系統信號輸出面板

4 系統軟件

軟件系統是功能測試系統研究項目的重要組成部分，分上位機和下位機兩部分。其中，上位機軟件利用LabVIEW編寫。采用虛擬儀器圖形化編程來實現系統的大部分功能，諸如數據采集、數據分析、數據顯示和測試結果管理部分都是依靠軟件系統來完成。LabVIEW的基本單位是VI，LabVIEW可以通過圖形化編程的方法建立一系列的VI，進而完成用戶指定的各項測試任務。用LabVIEW編制出的VI是分層次和模塊化的，對于同一個VI，可以將其作為頂層的程序，也可以用做其他程序或子程序的子程序。用戶通過上位機軟件設定測試項目。向下位機發送測試命令，接收下位機上傳的測晟數據并對數據進行分析得出測試結論。下位機軟件包括接口通信程序、SPI驅動、A/D配置、I/O配置等。用于接收上位機通過USB總線傳送過來的命令。控制各個模塊正常工作．按照從上位機接收到的指令生成激勵信號，測量激勵信號在每個測點產生的響應，并將測量數據傳送到上位機進行分析和處理。

根據測試系統所要實現的功能和系統軟硬件的規劃，測試系統軟件主要包括如下功能：

①參數設置；②模擬檢測；③數字檢測；④自動檢測；⑤信號存儲及報表生成；⑥分析與診斷。

電路板功能測試的一個重要難點是如何生成測試程序及功能測試圖形，以快速的對被測單元進行檢測。測試圖形“學習法”對系統軟硬件進行針對性設計，測試系統對已知被測電路板施加激勵的同時，可自動學習輸出信號，從而達到縮短編程時間的效果。對于被測電路板資料缺失的現象，基于學習法的測試過程可準確的測試未知電路板是否存在故障，并對電路板進行分析。

基于上述技術路線研制的電路板功能測試系統，易于對各種類型電路板進行功能測試分析。針對每種電路板的測試軟件開發流程：

①被測電路板 進行分析提出測試需求并設計測試流程；

②跟據測試需求確定硬件資源的使用情況，構建測試接口連接裝置；

③依據測試流程開發測控軟件；

④ 完成功能測試過程并進行分析。

測試程序的編寫流程如圖5所示。

圖5 測試程序編寫流程

5 總結

本文研究了一種電路板板級自動測試系統的設計與應用。針對電路板測試要求可視化、性能穩定、便于移植等特點，構建了基于LabVIEW、NI數據采集卡的電路板自動測試系統。自投入運行以來，無論在經濟性、實時性、開放性還是整個系統的信息集成方面，都取得了很好的應用效果，各項控制指標達到了設計要求精度，滿足了系統測試要求。

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