一種電子設(shè)備自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李安源+孫日明+殷杰波

摘 要： 針對(duì)某電子設(shè)備的維修保障需求，提出一種構(gòu)建其自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的技術(shù)方案。該平臺(tái)采用基于PC/104?Plus標(biāo)準(zhǔn)的工控主模塊和可編程邏輯器件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與CPCI、ISA 和Multibus 待測(cè)板卡通信，軟件方面采用基于TestWorks的專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障診斷功能。實(shí)踐證明該平臺(tái)有效解決了某電子設(shè)備的測(cè)試診斷問題，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 可編程邏輯器件； 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)； 故障診斷； PCI總線

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）10?0128?03

某電子設(shè)備是艦船普遍采用的平臺(tái)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、導(dǎo)航、通信等系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)方式的需要，該類電子設(shè)備的復(fù)雜程度日益提高，導(dǎo)致其維修保障的難度加大。一旦出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)雖可通過更換備件的方式解決問題，故障板卡卻不得不返廠維修或者派技術(shù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)維修，維修保障周期長(zhǎng)，全壽命周期維護(hù)費(fèi)用高。基于此，本文介紹了一種針對(duì)該電子設(shè)備的測(cè)試診斷平臺(tái)，闡述了設(shè)計(jì)的基本方法和具體實(shí)現(xiàn)過程。實(shí)際使用證明，該系統(tǒng)可有效降低對(duì)維修人員的技能要求，縮短維修時(shí)間，降低維修保障成本。

1 測(cè)試需求分析

某電子設(shè)備的功能多樣，組成也較復(fù)雜，根據(jù)其組成，大致可分為模塊類組件和板卡類組件。其中模塊類組件為計(jì)算機(jī)的輸入/輸出設(shè)備，附帶操作按鍵或者顯示屏（或者顯示LED），通過RS 232或USB接口與主機(jī)通信；板卡類組件為標(biāo)準(zhǔn)的6U結(jié)構(gòu)板卡，通過導(dǎo)軌插入機(jī)箱內(nèi)部，通過CPCI連接器與主機(jī)相連。這類板卡一般為主機(jī)的外圍設(shè)備，通過CPCI總線、ISA總線或者M(jìn)ultibus總線與主機(jī)通信。根據(jù)功能，可分為通信類、數(shù)據(jù)處理類和圖像處理類板卡。通信類板卡主要是通過RS 232/422總線、多路數(shù)字I/O等與模塊類組件通信；數(shù)據(jù)處理類板卡主要對(duì)外圍設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；圖像處理類板卡主要對(duì)輸入的各類視頻信號(hào)進(jìn)行處理，完成綜合顯示等功能。

依據(jù)國家的三級(jí)保障維護(hù)體制，所設(shè)計(jì)測(cè)試診斷系統(tǒng)應(yīng)用于電路板或者模塊級(jí)產(chǎn)品的測(cè)試，盡量定位故障到失效的元器件。因此所設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供如下測(cè)試資源或測(cè)試能力：

（1） 提供信號(hào)處理類板卡的激勵(lì)信號(hào)；

（2） 提供視頻信號(hào)測(cè)試功能；

（3） 可以與PCI、ISA和Multibus總線板卡通信；

（4） 提供RS 232/422串口、多路數(shù)字I/O、網(wǎng)絡(luò)接口等通信接口的測(cè)試功能；

（5） 系統(tǒng)應(yīng)具有一定的軟硬件擴(kuò)展能力，以方便系統(tǒng)升級(jí)改造。另外，測(cè)試軟件應(yīng)當(dāng)基于時(shí)下流行的Windows操作系統(tǒng)，采用合適的測(cè)試策略，能夠進(jìn)行功能測(cè)試，并快速準(zhǔn)確的定位故障原因。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

根據(jù)以上測(cè)試需求分析，在綜合考慮自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的功能、性能和成本的前提下，采用PXI、GPIB混合總線構(gòu)建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)如圖1所示，配置了數(shù)字萬用表、數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、程控直流電源、測(cè)試信號(hào)源、A/D和D/A模塊、數(shù)字I/O模塊、矩陣開關(guān)模塊和串行接口模塊等儀器和一個(gè)副顯示器[1]。其中測(cè)試信號(hào)源為自研模塊，用于向某些信號(hào)處理類板卡提供特定的激勵(lì)信號(hào)，副顯示器用于某些圖像處理類板卡的輸出測(cè)試。系統(tǒng)還在機(jī)柜面板和PXI機(jī)箱內(nèi)部預(yù)留了儀器擴(kuò)展位置，以便于系統(tǒng)的擴(kuò)展或升級(jí)。

圖1 硬件平臺(tái)架構(gòu)

3 局部總線通信方案

該電子設(shè)備中，含有大量板卡類組件，這類組件一般通過PCI、ISA或者M(jìn)ultibus總線與主機(jī)通信。由于總線協(xié)議復(fù)雜，傳輸速率高，采用一般的儀器實(shí)現(xiàn)通信，軟硬件開發(fā)都很繁瑣，因此系統(tǒng)采用了在接口適配器上加入一主控模塊和一片CPLD可編程邏輯器件的方法實(shí)現(xiàn)。

通信方案如圖2所示，接口適配器上的工控主模塊采用研華公司的PCM?3362N計(jì)算機(jī)模塊，它是一款高性能的PC/104?Plus單板計(jì)算機(jī)[2]，集成了PS/2、USB、RS 232、100 M網(wǎng)口等硬件資源。更重要的是，模塊附帶了符合PC/104?Plus規(guī)范的ISA和PCI總線，包含了ISA總線和PCI總線規(guī)范2.1版要求的所有信號(hào)，因此可直接與ISA總線和PCI總線待測(cè)板卡通信，但不能與Multibus總線通信。查閱資料發(fā)現(xiàn)Multibus總線和ISA總線有許多相似之處[3?4]。例如有相同的數(shù)據(jù)寬度、相同的地址空間，讀/寫操作也都分為存儲(chǔ)器讀/寫和I/O讀/寫。Multibus總線上的地址和數(shù)據(jù)信號(hào)及系統(tǒng)初始化信號(hào)與ISA總線相反，ISA總線為同步傳輸，Multibus總線為異步傳輸，兩種總線的常用信號(hào)如表1所示。

圖2 局部總線通信方案

表1 MultiBus與ISA總線

注：信號(hào)名加“/”符號(hào)表示該信號(hào)為低電平有效信號(hào)。

基于MultiBus總線與ISA總線有許多相似點(diǎn)，系統(tǒng)采用邏輯編程的方法實(shí)現(xiàn)ISA總線與Multibus總線的通信。在工控主模塊ISA總線和待測(cè)板Multibus總線之間加入CPLD可編程邏輯器件，通過邏輯編程實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議銜接。在邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行裁剪性設(shè)計(jì)，而不必實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的所有功能。例如針對(duì)項(xiàng)目中的某型板卡，只需對(duì)16位I/O通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可滿足需求。具體邏輯關(guān)系如下：

always@（IBALE）

if （IBALE）

MSA[15：0]<=～I(xiàn)SA[15：0]；

/*BALE信號(hào)鎖存輸出的地址*/

IOSEL=（ISA[15：4]==12′H3E）&（～I(xiàn)AEN）；

/*選擇本板地址范圍，沒有DMA訪問，故AEN為低電平*/

assign MIORC =～（IOSEL & ～I(xiàn)IOR）；

assign MIOWC =～（IOSEL & ～I(xiàn)IOW）；

/*若對(duì)本板讀/寫，輸出有效的讀/寫信號(hào)*/

always @ （posedge ICCLK）

MINT <= ～I(xiàn)ISARESET；

always @ （posedge （ IOSEL & （～I(xiàn)IOR | ～I(xiàn)IOW）） or negedge MXACK） begin

if （！MXACK）

IORDY<=1′b0；

else

IORDY<=1′b1；

end

assign IIOCHRDY = IOSELWR？ ～ IORDY ： 1′bz；

/*若對(duì)本板讀/寫信號(hào)有效，輸出忙信號(hào)，若MXACK有效，則釋放

忙信號(hào)，輸出高阻態(tài)*/

assign IO16 = （～MIORC | ～ MIOWC）；

always @ （IO16） begin

if （IO16 ）

IIO16<=1′b0；

else

IIO16<=1′bz；

end /*輸出IO16信號(hào)*/

assign ISD[15：0] = MIORC ？ ～MSD[15：0] ： 15′bz；

/*讀操作*/

assign MSD[15：0] = MIOWC ？ ～MSD[15：0] ： 15′bz；

/*寫操作*/

接口適配器上的工控主模塊需要做適當(dāng)?shù)能浖_發(fā)，一方面需要與主控計(jì)算機(jī)通信，接收主控計(jì)算機(jī)的指令；另一方面，需要根據(jù)主控計(jì)算機(jī)的指令與PCI、ISA或Multibus總線待測(cè)板通信，完成對(duì)待測(cè)板的讀/寫操作，必要時(shí)還要把讀/寫結(jié)果反饋給主控計(jì)算機(jī)。

完整的通信過程為：自動(dòng)測(cè)試設(shè)備內(nèi)的程控電源給接口適配器供電，待PCM?3362N工控主模塊啟動(dòng)后，通過網(wǎng)線接收PXI主控計(jì)算機(jī)的指令，并根據(jù)指令對(duì) PCI、ISA、Multibus總線待測(cè)板做讀/寫操作，控制待測(cè)板的工作狀態(tài)。PXI主控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的測(cè)試程序再控制測(cè)試儀器對(duì)待測(cè)板卡做各種測(cè)試。

4 軟件測(cè)試平臺(tái)

軟件測(cè)試平臺(tái)采用了基于數(shù)據(jù)庫的TestWorks平臺(tái)，如圖3所示，TestWorks是適用于開發(fā)各種測(cè)試程序的通用測(cè)試軟件平臺(tái)，它分為開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)兩部分。開發(fā)平臺(tái)用于開發(fā)測(cè)試程序，提供測(cè)試儀器、測(cè)試對(duì)象之間連接路徑信息，經(jīng)編譯、鏈接生成可執(zhí)行的程序。運(yùn)行平臺(tái)提供測(cè)試程序的運(yùn)行環(huán)境，在用戶完成簡(jiǎn)單的選擇后即可按其要求進(jìn)行測(cè)試，自動(dòng)生成報(bào)表。TestWorks的開發(fā)平臺(tái)與運(yùn)行平臺(tái)各自獨(dú)立，互不影響，可根據(jù)需要隨時(shí)在開發(fā)平臺(tái)上添加測(cè)試程序或者測(cè)試儀器，在運(yùn)行平臺(tái)上運(yùn)行測(cè)試程序。TestWorks直觀靈活、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展或升級(jí)改造，降低了對(duì)ATS開發(fā)人員和操作人員的技術(shù)要求。

圖3 TestWorks界面

5 測(cè)試策略

根據(jù)測(cè)試需求，整個(gè)測(cè)試程序包含功能測(cè)試和故障診斷兩部分。功能測(cè)試部分用于待測(cè)組件的故障檢測(cè)，故障診斷部分用于診斷、定位故障區(qū)域。功能測(cè)試部分采用自動(dòng)化測(cè)試方法，自動(dòng)調(diào)用測(cè)試資源進(jìn)行測(cè)試，盡量減少人工的干預(yù)，以提高測(cè)試速度。故障診斷部分采用基于故障樹分析法的故障診斷專家系統(tǒng)[5?6]。其工作原理是把故障診斷知識(shí)通過故障樹的形式直觀的顯示出來，然后經(jīng)過匯總和提煉轉(zhuǎn)化為測(cè)試軟件平臺(tái)具體的診斷程序。測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)通過人機(jī)交互界面與操作者交流的方式引導(dǎo)操作者逐步進(jìn)行深入診斷，最終定位故障原因。以某輸入設(shè)備滾動(dòng)球不響應(yīng)故障為例，所構(gòu)建的故障樹如圖4所示。

圖4 某輸入設(shè)備故障樹

6 結(jié) 語

本系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，很好地解決了各組件的功能測(cè)試問題，各類板卡的故障檢測(cè)率幾乎可達(dá)100%。對(duì)于大部分組件，基于故障樹分析法的故障診斷專家系統(tǒng)可定位故障到芯片級(jí)。對(duì)于某些功能復(fù)雜的圖像處理類板卡，由于大量采用BGA封裝芯片，且在板卡設(shè)計(jì)時(shí)沒有預(yù)留測(cè)試點(diǎn)，可定位故障到功能區(qū)。

該測(cè)試診斷系統(tǒng)采用工控主模塊和可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)了與總線類板卡的通信，提高了系統(tǒng)的測(cè)試診斷能力。所采用的自動(dòng)化測(cè)試方法和基于故障樹分析法的故障診斷專家系統(tǒng)，可有效縮短故障診斷時(shí)間，降低人員技能要求，為復(fù)雜電子設(shè)備的測(cè)試診斷和維修保障提供了一種理想的解決方案。

參考文獻(xiàn)

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