可配置自動化測試系統設計*

信朝陽

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

測試系統是電子產品的質量檢驗工具，并可為產品提供定期維護，確保穩定可靠工作。隨著電子產品的系列化、多樣化發展，傳統的測試系統不能滿足日趨豐富的測試需求。一種快速研制、快速集成、快速配置、快速驗證的自動化測試系統成為迫切需求[1]。

該系統提供自動化測試系統最基本的硬件架構、測試軟件及可配置的功能特性，方便用戶根據應用需求在該系統上構建和配置所需的自動化測試系統。通過測試系統自檢測試，實現對該系統的功能和性能檢查，進而直接在該平臺上實現通用架構到專用測試系統的轉換[2-3]。

1 系統設計

自動化測試系統的基本組成單元包括信號預處理單元、信號模擬單元、信號測量單元、能源激勵單元、高頻激勵單元、通斷檢測單元、主控調度單元，單元設備之間通過LXI(LAN extension for instrumentation)總線實現控制和聯絡[4]。根據被測對象的復雜程度和測試需求，可對單元設備進行增加和完善，進而實現資源的配置。單元設備的基本組成包括PXI(PCI extension for instrumentation)總線機箱、主控模塊、電源模塊、多種可配置功能模塊，單元設備運行在具有微秒級延遲的Windows+RTX(real-time extention)操作系統[5-6]，功能模塊間通過PXI總線實現互聯互通。根據被測對象的自身特點和資源需求，可通過軟件對功能模塊進行配置進而改變輸入輸出特性，或者通過插接功能模塊實現測試資源的擴充。測試系統軟件采用開放式的架構，基本組成為通用測試資源和測試軟件平臺，可擴展為滿足不同被測對象的專用資源和利用測試軟件平臺生成的測試程序集。軟件采用具有Real-Time功能的LabVIEW圖像化語言開發[7]。

測試系統的典型工作過程具體包括加電激勵響應測試和不加電的靜態測試2種：

加電激勵響應測試過程描述如下：在主控調度單元的控制下，按照被測對象的工作原理，利用信號激勵單元向被測對象輸出激勵信號，控制信號預處理單元將被測對象返回的響應信號傳輸至信號測量單元，實現對測試過程產生的各種數據的監控，信號測量單元將獲得的被測對象返回的數字量和模擬量與標準解合格范圍進行對比[8-9]。

不加電靜態測試過程描述如下：由主控調度單元控制通斷檢測單元，按照事先配置好的接點關系和被測對象的電路類型，選擇合適的測試測量方法，進而獲得點與點之間的靜態阻值，再利用已配置的標準解文件對測量結果進行判讀。

2 硬件設計

可配置自動化測試系統具體硬件組成圖1所示，其中能源激勵單元直接選擇具有網絡控制功能的商用電源，電壓輸出范圍、功率輸出范圍、紋波大小等性能指標符合系統要求即可；通斷檢測單元由三用表模塊和矩陣開關模塊配合實現通斷檢測功能，三用表模塊負責阻值的測量，矩陣開關模塊負責被測信號的通道切換；其余4種功能模塊的原理和工作過程在下面章節展開描述。

2.1 信號預處理單元

信號預處理單元如圖2所示，在后面板對被測信號進行了分區處理，分別為供電信號、數字通訊信號、模擬量信號、開關量信號。被測信號分別通過信號調理模塊和矩陣開關模塊的處理和轉接從前面板轉接至其他測量設備。主控模塊通過PXI總線實現對信號調理模塊和矩陣開關模塊的控制，主控模塊上電后自動執行配置軟件，配置軟件將配置信息發送至調理模塊和矩陣開關模塊。當配置信息需要更改時，在本機完成濾波形式選擇、運放比例設置、映射表的配置，重新啟動后信號的映射關系、信號調理形式按約定發生改變。其中矩陣開關模塊可實現128對128的單點映射或單點對多點映射，信號調理模塊可對3～27 V典型模擬量信號的濾波和轉換。與現有信號預處理單元相比，增加了調理功能和映射關系的靈活設置。

信號預處理單元涉及的關鍵技術和難點主要是信號調理模塊和矩陣開關模塊的設計，調理模塊通過數字可調節運算放大器和衰減器對電壓進行轉換、通過搭建典型濾波電路和多路選擇開關的配合實現對3.3，5，12，27 V等信號的濾波處理，矩陣開關模塊由FPGA、4選1模擬開關、32選1模擬開關組成，FPGA負責接收上位機的配置命令、控制模擬開關完成被測接點到測量接點間的映射[10-11]。

2.2 信號測量單元

信號測量單元如圖3所示，通過背板總線實現對數字通訊模塊、三用表模塊、AD(analog-to-digital)采集模塊、圖像采集模塊的控制。功能模塊為通用化產品，模塊的類型和數量可根據需求進行增減，選用滿足標準規格尺寸和PXI總線形式產品即可。各功能模塊的工作過程受主控模塊的統一調度，由上層應用程序完成數據的實時處理、信號顯示、文件存儲等工作。數字通訊模塊的功能是對RS-422，RS-485，1553B等數字信號進行監測并實時解析關鍵數字信號，三用表模塊的功能是對0～30 V電壓信號進行測量并實時提取紋波、幅值等特征信息，AD采集模塊的功能是對0～10 V正弦波、方波、鋸齒波等波形信號進行測量并實時提取周期、占空比等特征信息，圖像采集模塊的功能是對小于256×256字節的圖像信號進行監測并對圖像進行實時顯示。

信號測量單元涉及的關鍵技術和難點主要在于軟件的設計，如何實現多參量并行測量的同時保證數據處理和顯示的實時性。并行測試通過多線程方式解決，實時性通過Windows+RTX的實時擴展實現，同時保持Windows圖形化顯示的特點。所有具有實時性要求的處理過程在RTX下完成，而需要顯示的處理結果通過共享內存的方式傳遞到Windows操作系統下，進而完成參數的同步顯示[12]。

2.3 高頻激勵單元

高頻激勵單元如圖4所示，通過背板總線實現對上變頻模塊、信號調制模塊、輸出模塊、下變頻模塊、信號解調模塊以及輸入模塊的控制，主控模塊上電自動執行默認配置，使各功能模塊處于預定工作狀態，當需要更改輸出射頻信號或輸入信號處理時，主控調度單元與高頻激勵單元通過約定通訊協議進行信息交互，射頻信號的收發處理按約定發生改變。其中基帶模塊用于產生30 MHz的中頻信號，上變頻模塊的作用是將中頻信號上變頻到1～20 GHz，信號調制模塊的功能是對射頻信號進行脈沖或噪聲形式的調制，輸出模塊負責輸出通道的選擇、輸出功率的調節，下變頻模塊是將接收的射頻信號下變頻至30～50 MHz，信號解調模塊是將接收的射頻信號解調為連續波信號，信號輸入模塊負責輸入通道的選擇、輸入功率的調節。

射頻模擬裝置涉及的關鍵技術和難點主要在于電磁兼容性的設計，系統內部的功能模塊設計具有抗干擾能力，通過合理的布線、功能分區、有效防護來解決；系統對外的電磁輻射抑制，通過機箱結構的密閉設計、搭接部位的導電處理、合理可靠的接地來保證。

2.4 信號模擬單元

信號模擬單元如圖5所示，包括通訊功能模塊、模擬量輸出模塊、開關量模擬模塊、電阻模擬模塊、負載模擬模塊等功能模塊，主控模塊負責對各功能模塊的配置和調度，配置信息以表格的形式存儲在主控模塊中，通過背板總線將配置信息燒寫至各功能模塊，當變更配置信息后，需要重新啟動設備，信號的輸出形式按約定發生改變。通訊模塊可接收并應答指定格式數據，模擬量輸出模塊可輸出-30～30 V的電壓，開關量模塊可輸出通斷信號，電阻模擬模塊可模擬0～10 MΩ阻值，負載模擬模塊可進行大小功率電阻切換，各模塊間通過LVDS總線實現信號關聯輸出。

信號模擬單元涉及的關鍵技術和難點在于硬件電路的設計，通訊模塊可重復配置通訊命令集，將需要響應的命令以及應答數據存儲在EEPROM(electrically erasable programmable read only memory)中，可通過FPGA(field-programmable gate array)重復燒寫；模擬信號由FPGA、數字變阻器和直流電源組成，FPGA負責控制數字變阻器完成分壓進而實現電壓調節；電阻模擬模塊由FPGA、矩陣開關、多檔位電阻組成，FPGA控制矩陣開關完成電阻類型的切換；負載模擬模塊由繼電器、功率電阻組成，通過控制繼電器實現功率電阻的選擇。

3 軟件設計

系統軟件采用具有Real-time功能的LabVIEW語言開發，一種圖形化的開發環境，它擁有基于配置的工具和強大的編程開發能力，適合用于開發帶有專業用戶界面的測量、分析與控制應用，用戶可以在短時間內定制自己測試系統同時降低系統的復雜度，相較于傳統開發方式節約時間和成本。

各組合設備采用一次開發重復配置的工作模式，因此選用Windows+RTX操作系統，前端交互界面工作Windows下，負責接收用戶的輸入數據和參數的實時顯示，后端時序控制工作在RTX下，兩者通過共享內存實現信息的交互，通過事件同步來實現訪問的沖突控制，二者分工協作，保證實時性的同時又滿足人機交互的需求。

自動化測試軟件采用具有與被測對象測試流程與項目無關性設計。具體包括測試框架、測試設備驅動、數據處理模塊、數字通訊模塊。測試軟件的狀態轉換關系如圖6所示。

3.1 測試框架

測試框架模塊實現主控管理功能、測試執行功能、測試數據管理功能，可獨立運行的測試任務與流程配置管理功能。主控管理功能通過良好的人機交互界面對各軟件功能進行調用管理，能夠實現軟件登錄控制、測試任務選擇功能；測試執行功能具有對測試流程的讀取、解析與控制功能，通過測試執行控制界面的人機交互，實現測試執行的單步與連續控制、暫停與繼續控制、中斷、跳轉、重復等控制功能；測試數據管理功能完成對數據庫中不同數據進行歸納管理，以及不同查詢條件的數據顯示與導出功能，具有良好的人機交互界面，顯示清晰直觀；測試任務與流程配置功能實現對導彈測試任務的配置與管理，生成具備測試流程信息的任務菜單，實現對導彈各測試流程中的測試項目(測試點)的配置與管理功能。

3.2 測試設備驅動

具備測試設備驅動模塊動態接入功能，操作各單元設備同操作本機設備一樣，同時便于擴展。當新增外部設備時，將模塊的軟件控制接口二次封裝形成形式統一的標準接口，并進一步編譯鏈接形成動態庫。主控調度單元通過軟件的配置選擇即可實現對新增設備的操控[13]。

3.3 數據處理模塊

具備數據處理模塊動態接入功能，數據處理模塊包括測試數據圖形處理與數字量數據處理功能。由于各電子產品的通信協議不同、標準解的設置不同、圖形化的顯示需求不同，因此設置數據處理模塊對不同的被測對象的測試結果數據做差異化的處理[14-15]。

3.4 數據通訊

數字通訊模塊功能定義為專用的特殊功能模塊，包括各儀器設備相關的測試參數配置、各儀器設備的驅動控制及相關功能實現、數字量解析處理及模擬量參數獲取等，各功能模塊均以動態連接庫形式實現，被通用測試系統軟件平臺調用。

3.5 可配置性

基于最小測試項目配置專用測試節點，如選擇測試儀器、測試通道、采樣率、采集時間、標準解等；在根據被測對象的組成單元劃分測試項目，測試項目由多個測試節點組成，如初始狀態測試、通訊過程測試、工作結果獲取等；近一步根據被測對象的狀態劃分典型測試任務，測試任務由各個測試項目組成，如控制系統測試、執行機構測試、探測裝置測試等。

3.6 自動化執行

配置好的測試任務可連續執行，每個測試節點的持續時間，與后續測試節點間的延遲時間，測試過程的數據存儲、數據解析處理、標準解判讀、測試報表的自動生成、測試結果的自動導出等過程只需要一個控制命令或一次鼠標點擊操作即可完成，過程中的異常處理也不需要人為干預，均可自動完成。

4 可行性與應用前景

與傳統的自動化測試系統相比，可配置自動化測試系統的特點在于它的可配置性，實現的難點也在于如何實現硬件、軟件的快速配置，形成滿足不同被測對象的測試任務。本文所論述的設計方法具有現實可行性和廣闊的應用前景。

4.1 可行性

與傳統自動化測試系統相比，系統可測試對象更豐富，但系統的復雜度未增加，系統開發成本相對于傳統專用測試系統略有提升。采用的創新的技術設計思路，但硬件電路設計技術成熟、可操作可實現、不存在風險；軟件成熟度較高，在傳統的測試系統基礎上增加配置功能。因此，可配置自動化測試系統的設計方式可行。

4.2 應用前景

可配置自動化測試系統可應用于各種類型電子產品的測試，根據被測對象的特點，通過擴展單元設備、更改單元設備配置、更改測試軟件的配置，即可實現專用測試系統的快速搭建和快速轉化，相較于傳統的自動化測試系統研制，周期和成本極大降低，收益率顯著提升。

5 結束語

自動化測試系統，尤其是可配置自動化測試系統是當前電子產品研制過程的迫切需求。本文針對這一需求開展了系統設計工作，分別從軟硬件角度開展工作，硬件平臺可擴展，組合產品可配置；系統軟件設計基于通用框架結構，采用功能模塊劃分的方式實現豐富的功能。本文提出的設計思想可為實際工程應用提供借鑒和參考。

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