測量高速電路板上升時間的自動測試系統設計

劉向明，程金朋，金薇，陸春

武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205

測量高速電路板上升時間的自動測試系統設計

劉向明，程金朋，金薇，陸春

武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205

高速電路板的上升時間是衡量其性能優劣的一個重要參數，測量上升時間需要使用多臺不同性質的儀器，才能完成信號的發送、數據采集、數據存儲、分析波形等任務，采用傳統人工控制儀器和手工抄錄數據的方式，工作質量和工作效率不高，容易受人為因素影響，造成測試過程難于準確控制.為此針對高速電路板上升時間的測試，設計了一套自動測試系統.采用基于虛擬儀器的技術，通過通用接口總線實現PC機與可編程儀器之間的通信，使用圖形化編程語言LabVIEW完成測試軟件的編譯，從而實現測試儀器的有序控制的目的.在測試過程中，測試數據實時顯示在測試軟件的控制界面中；同時將采集的測試數據實時保存在數據庫中，以供后續分析使用，擴展了測試儀器的功能.

上升時間；虛擬儀器；通過通用接口總線；自動存儲

0 引言

印刷電路板（PCB板）在電子通訊設備、電子計算機、家用電器等電子產品應用的越來越廣泛，其性能的優劣直接關系到電子產品的使用壽命.上升時間作為評判電路板性能優劣的一個技術指標，隨著數字化技術的發展，電路板上通過的信號的傳輸速率也越來越高，信號的上升時間就會更快，對其檢測的難度也越來越大.而高速電路板具有密度高且引腳間距小的特點，完成其上升時間性能測試需要多臺實驗設備，如果使用人工操作按鈕繁多的儀器，容易造成失誤也難以提高生產效率，測試過程中的手工抄錄測試數據也容易導致記錄混亂的狀況.虛擬儀器技術的發展解決了這些問題，采用NI－LabVIEW虛擬平臺，建立統一的集成測試平臺將多臺儀器有機集成，實現測試的流程控制和數據的自動存取［1］.

1 測試系統的總體設計

高速電路板上升時間測試系統主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分由計算機、高速實時示波器泰克DSA71254C（波形探測）、高速采樣示波器泰克DSA8200，安捷倫5810A網關、待測高速電路板、適配器、探針、專用電纜等組成.計算機首先利用網線將計算機和安捷倫5810A網關相連，然后兩臺高速示波器通過GPIB專用電纜與安捷倫5810網關相連.計算機給每臺示波器分配一個GPIB地址，然后發送SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）指令完成對儀器的控制［2］.其中示波器DSA71254C是完成信號的發送，示波器DSA8200是完成信號的采集.硬件的連接示意圖如圖1所示.

圖1 硬件連接示意圖Fig.1 The diagram of hardware connection

軟件設計是該測試系統的核心部分，測試軟件開始工作后，用戶首先在測試軟件的界面上刷新“VISA資源名稱”的控件，實現測試儀器的識別工作.然后點擊參數配置按鈕，示波器DSA71254C完成關于上升時間的參數配置；接著點擊測試按鈕，示波器DSA8200的TDR（時域反射計）模塊發送快沿信號經過適配器到達高速電路板上的某個待測通道，然后由示波器DSA71254C采集經過高速電路板的信號，最后經過濾波算法處理后將測試的相關數據通過安捷倫5810A發送到計算機，計算機接收到數據后將數據解包、處理、顯示.此測試系統的流程圖如圖2所示.

圖2 測試軟件流程圖Fig.2 The flow chart of test software

2 上升時間的測試方法

按照設計要求規定在200Mbps－3．6Gbps條件下對通過高速電路板的上升時間的測試進行評判.對高速電路板測試時，示波器DSA8200的TDR模塊發送標準快沿信號，快沿信號經過電纜，Pogo Vin（彈簧針）進入高速電路板，在高速電路板上傳輸后，通過集成電路接口適配器、探針、電纜到達示波器DSA71254C.因此測試儀器所測量到的量值反映出的是電纜、Pogo Vin、高速電路板、集成電路接口適配器、探針和測試儀器的綜合結果.因此由示波器DSA71254C測量的上升時間并不是高速電路板的真正上升時間，需要考慮測量過程中各個部分所造成的上升時間的損耗.對上升時間的損耗補償，首先計算出Pogo Vin和集成電路接口適配器的上升時間.在不連接高速電路板的情況下，利用50歐姆的電阻線將示波器DSA8200和示波器DSA71254C連接到一起.然后用示波器DSA8200的TDR模塊發送標準的快沿信號t0（29 ps），再使用示波器DSA71254C采集波形，并測量該信號的上升時間t1，利用式（1）計算出Pogo Vin和集成電路接口適配器所造成的上升時間的損耗ta為

其中tp為探針上升時間的損耗.tc為50歐姆電阻線的上升時間損耗.

然后運行高速電路板測試軟件，示波器DSA8200的TDR模塊發送標準的快沿信號t0（29 ps），再使用示波器DSA71254C采集波形，并測量該信號的上升時間tr，利用式（2）計算出高速電路板的上升時間為trl為

所以利用公式（1）和（2）可以求出經過補償處理的高速電路板的上升時間，最終和高速電路板上升時間的取值范圍比較，判斷高速電路板在上升時間的性能指標是否合格.

3 測試軟件的構成

高速電路板自動測試系統的測試軟件使用LabVIEW編寫，在Windows環境下運行.可以解決多類設備接入、數據暢通流轉、校準結果整合等問題，實現儀器控制、參數設置、數據實時顯示、數據采集和處理、報表生成等功能.根據加載板測試軟件流程圖可知，測試軟件主要包括3個模塊：密碼登陸模塊，參數測試采集模塊和數據處理模塊，軟件總的構成如圖3所示.

圖3 系統軟件框架Fig.3 The framework of system software

3.1 密碼登陸模塊

在企業中應用的系統，安全性十分重要.只有輸入正確的用戶名和密碼才能進入主測試界面.測試人員具有不同的操作權限，分為Administer用戶和User用戶，Administer用戶可以對整個測試軟件進行查看和修改，User用戶只能查看測試軟件，不能進行任何測試模塊的修改，從而實現測試人員的權限控制機制.如果輸入的用戶名或者密碼錯誤，系統會彈出“用戶名或者密碼錯誤，請重新輸入！”對話框.如果信息正確，登陸成功.

3.2 參數測試采集模塊

參數測試采集模塊主要包括設備通訊模塊，TDR參數配置模塊和數據采集模塊.

3.2.1 設備通信模塊確保計算機和示波器之間通訊正常的情況下，才可以發送控制指令完成相應的操作.利用LabVIEW中提供的一組VISA函數，可以直接將儀器指令發送到儀器，完成數據的編碼、數據的打包及讀寫數據緩存等操作.首先由VISA資源名稱來獲取測試的GPIB地址，接著通過VISA打開VI，建立設備和LabVIEW的連接.然后通過VISA寫入VI將指令字符發送到指定的儀器或設備，測試儀器根據指令字符完成相應的操作.如果需要將測試數據返回到計算機中，使用VISA讀取VI.此VI將測試儀器存儲器中的數據根據指令的要求全部或部分返回到計算機中.當一個完整的測試命令運行結束后，必須將打開的VISA資源名通過VISA關閉VI關閉當前打開的端口. VISA函數是NI公司開發的一種驅動軟件體系結構，只要測試儀器中安裝NI公司的插件，就能實現計算機與儀器之間的通信，而不需要考慮在儀器與計算機之間再建立一種新的通信機制，利用VISA函數實現儀器與計算機的通信，更加安全可靠，不會出現數據丟失的現象［3］.

設備通信時，會出現通信不暢現象，為提高測試軟件的工作效率，進行相應的錯誤機制處理.通過獲取VISA的錯誤簇，根據其錯誤狀態、錯誤碼來識別導致異常的原因，并根據錯誤原因，向使用者提供異常的解決方法.當出現VISA讀寫，會話丟失等通信異常時，可通過重啟出現異常的VISA端口來快速恢復通信.根據通信異常發生時用戶所操作的前面板，來定位出現異常的VISA端口.然后關閉該VISA端口，以清理本次會話所使用的VISA資源.

3.2.1 TDR參數配置模塊在高速電路板某個通道的上升時間檢測過程中，需要利用示波器DSA8200的TDR模塊.測試過程中，TDR模塊發送上升時間為29 ps的標準快沿信號，為待測高速電路板提供信號的輸入，因此需要對TDR模塊進行差分信號、極性、內部時鐘頻率等參數的設置.

3.2.3 數據采集模塊當發出的快沿信號通過高速電路板后，利用示波器DSA71254C內的測量模塊對其通過高速電路板某通道的上升時間的信號進行A／D轉換，信號變成數字形式存入示波器的存儲器中，微處理器對存儲器中的數字化波形進行相應的處理.由于示波器采集到的點數只是采樣原信號的少量點數，為了很好的恢復和重建信號，對采樣信號進行正弦插值運算，并最終將波形顯示在顯示屏上，完成波形數據的采集.然后將測試到的數據和圖形以約定格式的數據包傳遞給計算機.數據采集模塊的部分程序框圖如圖4所示.

3.3 數據處理功能模塊

3.3.1 數據處理及顯示模塊計算機接收示波器傳輸過來的數據并對數據進行解析和處理.示波器DSA71254C在完成波形重建后，其微處理器就會計算出上升時間的值并將其以字符串的形式保存在存儲器中.計算機通過VISA讀取VI將示波器存儲器中的數據讀取過來，然后按照公式（1）公式（2）對數據運算，計算出經過補償處理的上升時間的值，然后和合格范圍內的上升時間的值進行比對，判斷待測加載板的上升時間值是否合格，并將測試結果顯示在測試軟件的前面板上.

圖4 數據采集模塊程序圖Fig.4 The program graph of data acquisition module

3.3.2 數據存儲模塊數據存儲模塊將計算機每次測試的結果實時送入數據庫中保存，采用數據庫訪問工具包LabSQL來實現LabVIEW軟件和ACESS數據庫之間的數據傳輸，LabSQL將復雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs.使用SQL命令如：“Select”、“Insert”、“Update”、“Create”可實現獲取查詢數據庫、插入數據庫、更新數據庫、創建數據庫等操作［4］.使用SQL語言不僅簡單方便，且源代碼是開放和全面免費的.

3.3.3 數據打印模塊使用時間越長，保存在數據庫表的數據會越多，但并不是每次測試出來的數據都是用戶需要的，用戶需要根據實際需求打印出在何時測量的那塊高速電路板的那條通道.先通過SQL的查詢命令將相應的數據顯示在測試軟件前面板的表格控件中，并不是直接在LabVIEW軟件中打印數據，而是使用ReportGeneration工具包中的打印VI將測試數據導入到Microsoft Office Exce中.該打印VI放入程序框圖時會出現配置對話框，將提前利用EXCEL制作的模版文件（．xlt文件）導入，再根據具體需要設置其參數.將該VI的接線端子和表格控件中相應的數據名稱連接到一起，就可以將查詢到的數據保存到EXCEL表格中.

3.4 軟件設計完成

完成各個子模塊的設計后，將所有子模塊進行整合，設計出人機交互界面，此界面的設計遵循：面向用戶的原則，簡明性原則和一致性原則.高速電路板測試軟件的前面板如圖5所示．

圖5 測試軟件的前面板Fig.5 The front panel of the test software

4 現場調試

完成測試軟件的設計后，開始進行對測試軟件的調試，對其進行排錯、修改和擴充，驗證其功能是否能按照要求準確實現.

該測試軟件的最終使用者是現場測試的技術人員，在經過對軟件使用流程進行簡單講解和培訓后，用戶可以按照測試軟件和測試儀器的使用說明書完成測試儀器和電纜的接線，并自主的完成整個測控系統的調試工作.

從測試結果來看，高速電路板的測試現場如圖6所示.測試軟件可以實時完成測試儀器的控制，并將測試數據和示波器顯示的波形傳回到計算機.在對同一高速電路板同一通道的多次測試中，得到的最大偏差不超過1%，符合設計需求的測試范圍.測試結果如表1所示.

圖6 高速電路板的測試現場Fig.6 The test field of high－speed circuit board

表1 測試結果Tab.1 The result of test

相比原來的人工操作儀器和人工抄錄測試數據，使用高速電路板自動測試系統以來，提高了生產效率，降低勞動強度，表2為兩種測試方式的對比.

表2 自動測試和人工測試對比Tab.2 The comparison of automatic test and manual test

5 結語

高速電路板自動測試系統除了應用于高速電路板上升時間的測量外，經過簡單擴展后，還可以測量誤碼率、信號衰減和電壓峰峰值等參數，具有測試流程清晰、模塊化設計、數據采集存儲靈活、擴展方便等優點，在工程和實驗測量中與傳統測試方式相比較優勢明顯，實現了“軟件就是儀器”的理念［5］.通過在709研究所穩定運行半年表明：該測試系統穩定可靠、測試簡單，對于自動測試的研究有較大的借鑒意義.

致謝

在研究過程中，中國船舶集團第709研究所提供了實驗場地和實驗設備，在此表示衷心的感謝！

［1］毛義梅，張晶．基于GPIB接口總線的虛擬儀器設計［J］．儀器儀表學報，2001，22（4）：281－282．

MAO Yimei，Zhang Jing．The design of virtual instrument with GPIB interface［J］．Chinese Journal of Scientific Instrumen,2001，22（4）：281－282．（in Chinese）

［2］張金，王伯雄．基于LabVIEW的GPIB總線獨立儀器集成測試平臺［J］．儀器技術與傳感器，2010（9）：14－15．

ZHANG Jin，WANG Boxiong．The integration testing platform based on LabVIEW GPIB bus independent instrument［J］．Instrument Technique and Sensor,2010（9）：14－15．（in Chinese）

［3］袁云．基于LabVIEW環境的VCM測控系統研究［D］．武漢：武漢工程大學，2013：51－55．

YUAN Yun．Research on measurement and control system of the VCM based on LabVIEW［D］．Wuhan:Wuhan Institute of Technology，2013：51－55．（in Chinese）

［4］尹技虎，王峰．基于LabSQL的LabVIEW數據庫訪問技術［J］．儀表技術，2011（4）：55－56．

YIN Jihu，WANG Feng．The LabVIEW database access technology based on LabSQL［J］.Instrumentation Technology,2011（4）：55－57．（in Chinese）

［5］沈月偉．基于Labview的數字電路板板級自動測試系統的研制［D］．西安：西安科技大學，2009：23－28．

SHEN Yuewang．The design of digital circuit automatic testing system at board level based on LabVIEW［D］．Xi｀an:Xi｀an University of Science and Technology，2009：23－28．（in Chinese）

Design of automatic test system for testing the rise time of high－speed circuit board

LIU Xiang-ming，CHENG Jin-peng，JIN Wei，LU Chun
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institution of Technology，Wuhan 430205，China；

High－speed circuit board has been widely applied in various electronic equipment，the rise time of which is an important parameter to measure its performance．To measure the rise time of High－speed circuit board，multiple types of instruments were used to accomplish series of tasks，including signal sending，date recording，date storing and analyzing．The traditional measuring method adopts manual control instrument to transcribe data，which resulted in low quality and inefficiency and is affected easily by artificial factors．As a consequence，the testing process is difficult to control accurately．Therefore，we designed an automatic test system for measuring the rise time of high－speed circuit board．Based on virtual instrument technology，general－purpose interface bus was used to realize the data communication between the programmable instrument and personal computer．Then，the testing software was compiled by graphical programming language of Lab-VIEW．Finally，the purpose of designing a controllable automatic test system was achieved．In the process of testing，test data display in the control interface of the testing software．Meanwhile，the testing results are saved in database for the later analysis，thus the functions of testing instrument are greatly extended．

rise time；virtual instrument；general－purpose interface bus；autosave

TP3

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.04.016

1674-2869（2015）04-0074-05

本文編輯：陳小平

2015－04－12

劉向明（1953－），男，湖北武漢人，教授，博士．研究方向：精密儀器控制.