復雜信號可重構復用技術自動測試系統的設計

王 永，張保全，居文玉，熊曉東，趙志文

（北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191）

在科學技術迅猛發展的今天，自動測試系統已廣泛應用于工業、航空航天設備、武器裝備生產與維修保障等領域。對于自動測試系統的研究來說，大多數第一代自動測試系統為專用系統，它們是專為特定任務而設計的，一個測試系統往往僅能對應一個被測對象。而到了20世紀70年代中期，自動測試系統發展到了第二代，其特點是組成系統的臺式設備都具有統一的標準接口，只要采用相應的總線電纜連接各臺設備就能夠方便地組成系統。如今，自動測試系統已經發展到第三代，基于VXI、PXI總線，具有高速、模塊化、開放式結構等特點[1]。在自動測試系統中，適配器組件的設計是極為重要的，它負責對信號進行隔離以及分配復用處理。目前，適配器也由最初的專用型逐步向通行型、可重構型過渡。文獻[2]提出了一種新型基于繼電器與矩陣開關的信號復用方式，可實現信號的自由匹配。然而，對于大型測試系統來講，大量使用繼電器以及矩陣開關所需成本很大，同時通道資源利用率低。文獻[3]提出一種新的適配器框架，其最多可以連接25個模塊，互相配合，可以實現對多個組合的測試，相對矩陣開關等設計，成本較低。不過，其通用性及可擴展性一般。文獻[4]設計出了一種適用于美軍測試需求的新型可重構、標準化的測試系統，改進了美軍武器測試裝置的冗余性，提高了效率。

本文以某自動測試系統為研究對象，引入新型多路開關芯片、雙向信號隔離器件等，實現了自動測試系統中復雜信號的可重構復用。該測試系統的測試對象具有多個分系統組合，每個組合的外部接口對信號資源的需求也大不相同，這就要求自動測試系統應該具有較強的適應性以保證能準確高效地完成對被測對象各組合的性能測試。為此，利用PXI總線工業控制計算機系統，Labview虛擬儀器技術，利用模擬開關以及繼電器搭建信號復用陣列，設計實現了一種基于復雜信號可重構復用技術的自動測試系統，該系統充分利用了硬件資源對復雜信號的重構及復用，具有體積小、速度高、可重構、通用性強、成本低等突出特點。

1 系統總體方案設計

自動測試系統的功能包括施加激勵信號、信號的采集與處理、數據的分析與回放，通過對設備中各個分系統激勵信號及檢測信號的分析，可將信號歸納為模擬量輸入輸出信號、數字量輸入輸出信號、多種交直流電源信號以及特殊信號等多類復雜信號。系統設計采用了基于PXI總線結構的方式，并擴展信號隔離板、信號調理板、復雜信號重構復用板，以實現對測試系統各共享接口信號的快速分配。

自動測試系統結構框圖如圖1所示，系統包括PXI主機箱、適配器模塊兩大部分。其中，PXI主機箱包含PXI工控機、多功能數據采集卡、示波器卡及信號發生器卡，其目的是產生激勵信號送與被測設備，同時完成對各種響應信號的采集、存儲、分析、顯示等功能。適配器模塊包含電源管理板、信號隔離板、信號驅動板以及復雜信號重構復用板，其目的是完成被測對象和測試系統之間電氣、機械連接、向被測組合提供外部電源、信號轉接及驅動、信號隔離與調理、復雜信號分類復用等功能[5]。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 Diagram of system overall design

2 系統硬件設計

2.1 適配器設計

2.1.1 信號隔離模塊

目前主要的數字信號隔離技術有傳統的光電隔離，ADI公司的磁隔離以及TI公司的二氧化硅電介質隔離技術[6]。為了提供雙向的數字輸入輸出通道，選取了ADI公司的雙向磁耦ADuM1250對數字信號進行隔離、選擇TI公司的線性光耦ISO124對模擬信號進行隔離。

2.1.2 信號調理模塊

PXI主機提供的模擬輸入輸出信號往往在一定的范圍內，如±10 V。但是，在實際測試中，這個范圍往往不能適應被測對象。因此，需要對相應的模擬信號進行適當的衰減或放大處理，以滿足測試要求。為此，選取了ADI公司的AD628芯片來完成對模擬信號的放大與衰減功能，實驗證明，經過調理后的信號誤差在0.1%以內。

2.1.3 復雜信號重構復用模塊

很多被測對象的外部接口相同，但接口中各芯線的信號類型不同。因此，要用最少的資源來實現對這樣的對象進行測試，就必須設計具有可重構的信號復用功能的模塊。在設計中，復雜信號經過隔離以及調理后，需要對其進行合理地分配以滿足各個不同被測對象對測試資源的需求。其中，對于弱電流、低電壓信號，利用模擬多路開關實現信號的復用功能。而對于強電流、大電壓信號，選擇通過繼電器來完成信號的分配。為此，選用了ADI公司的ADG1404、ADG5404、ADG5412三種模擬開關器件，其中，ADG1404、ADG5404為4選1多路開關，有2個 地 址 端 （A0、A1） 及 1 個 信 號 使 能 端 （En）。ADG5412為4路單通道模擬開關，有4個使能端分別控制開關的通斷狀態。

在實際設計中，可以對同一被測對象采用較少的控制信號，如使能信號、通道選擇地址信號等，這樣，雖然會使系統的靈活性受到一定的限制，卻可以更有效地優化資源利用，如當測試某一對象時，僅僅需要控制2個地址位、1個使能端信號的電平狀態，就可以將被測對象所需資源配置到位，完成測試資源的配置需求，大大提高了系統固有資源的利用效率。相對于利用矩陣開關實現資源信號復用的傳統方法，這種方式尤其適合于較大型自動測試系統（一般其外部接口資源超過幾百個的系統）的設計。

復雜信號重構復用框圖如圖2所示，對于本測試系統來講，因為選用的是4選1式模擬多路開關，所以一個模擬開關與繼電器陣列模塊可滿足對4種不同被測對象的測試要求，同時，在系統硬件上還設計有公共資源接口，可通過配置新的多路模擬開關及繼電器模塊以滿足新增被測對象的測試需求，使得系統具有較強的可重構性及擴展性。

2.2 系統自檢模塊設計

目前，自動測試系統常用的自檢模式是：基于儀器自檢的系統自檢、基于儀器比對的系統自檢、基于開關切換的系統自檢[7]。本測試系統利用模擬多路開關設置獨立的自檢通道，通過軟件控制實現了對自動測試系統每個信號通道是否正常的檢測，具有自檢時間短、故障定位準確等優點。

圖2 復雜信號重構復用框圖Fig.2 Diagram of complex signals reconstruction and multiplexing

圖3 自檢系統結構框圖Fig.3 Diagram of self-inspection system structure

自動測試系統的自檢功能原理是將兩個待檢資源對應的模擬多路開關端口通過ADG5412開關相連，所以稱之為“配對”，如圖3所示。 假設 a，b，c，d，A，B，C，D 均為待檢端口，以 a，A 為例，自檢時，將使能控制端1及使能控制端2置為有效狀態，保證ADG5404及ADG5412開關導通，從“配對”的一個端口a輸入信號經過開關ADG5412后從另一個端口A端輸出，通過PXI工控機采集以判斷該通路是否工作正常。如此，即完成了a與A所在信號通道的檢測，同理，通過改變ADG5404地址控制端的狀態，即可完成其它通道的檢測。在系統自檢完成后，將使能控制端2置為無效狀態，使ADG5412開關處于高阻狀態后，即可進行正常的系統測試。

此外，可根據系統的外部接口資源分配情況，以及外接被測對象的連線情況，通過合理的選擇通道，可以自動實現對被測對象連接線纜正確與否的判斷，從而避免誤接線纜的情況發生，這個檢測過程被稱為線檢。

3 系統軟件設計

本測試系統軟件使用圖形化編程工具Lab-VIEW編寫。LabVIEW的函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等。同時，LabVIEW也有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動畫形式顯示數據及單步執行等，便于程序的調試[8]。根據系統的總體需求，將測試系統應用軟件劃分成多個功能模塊，包括線檢測試模塊、系統自檢模塊、被測對象功能測試模塊、故障診斷及報表生成模塊。

系統軟件流程如圖4所示，其中測試系統故障診斷部分采用專家系統的診斷原理，即當計算機采集到被診斷對象的信息后，綜合運用各種規則方法，必要時也可通過一定的人機交互，快速地定位故障點或者推斷出可能的故障位置，最終反饋給用戶，以幫助用戶迅速排除故障[9]。與此同時，生成關于包含故障位置、故障點信息，可能的故障原因等一系列信息的報表程序并可打印輸出。

圖4 系統軟件流程圖Fig.4 Software process diagram of system

4 測試結果

應用上述技術，研制了某大型設備的自動測試系統。本自動測試系統很好地滿足了某套設備多個分系統的測試需求，各種測試參數的指標均達到了設計要求，并且相對于用戶進行手工測試操作大大節省了操作時間，同時測試操作的準確度也大大提高。圖5展示了一個分系統的測試界面。

圖5 系統測試界面Fig.5 Interface of system testing

5 結語

本文利用復雜信號的可重構復用等技術，設計了先進的自動測試系統，并實現了某大型設備各分系統的測試及故障診斷。該自動測試系統的突出特點是將模擬多路開關器件及繼電器有機結合，通過優化信號資源復用，構建復雜信號重構復用模塊，實現了對多類復雜信號資源在測試通道上的合理分配，極大地提高了系統資源的使用效率。同時，設計上也較為充分地考慮了系統可擴展性。對于新增被測對象，只需通過軟件方式配置相應的接口信號即可滿足測試需求。相比固定陣列的矩陣開關，該系統更適用于信號數量龐大的中型、大型測試系統，體現了較高的靈活性及性價比。此外，在系統硬件設計上，利用模擬多路開關等技術，使得自動測試系統具有自檢和線檢等功能。在系統軟件設計上，還具有故障診斷定位功能，充分體現了先進自動測試系統的發展方向。目前該設備已投入使用，運行穩定可靠、測試效率高、使用維護方便。

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