通用嵌入式FCT測試系統設計

朱健民

（霍尼韋爾綜合科技（中國）有限公司，上海201203）

0 引言

FCT（Functional Circuit Test），即功能電路測試，是指對被測產品單元（UUT：Unit Under Test）提供激勵及負載，使產品工作在它的設計狀態下，測量產品在各種狀態下的參數值，最終實現驗證產品功能是否良好的自動測試設備。如今的生產線上，FCT設備具有比傳統的人工測試方式更快速、操作更簡單、測試更準確的優點，已經被生產企業越來越多地采用。由于FCT設備的激勵點和測量點位于PCBA（帶元件印制板）的測試點以及接口上，因此每種產品只能配備唯一的FCT設備，一家大型生產制造企業往往需要大量的FCT設備在生產線上工作。

目前市面上常見的FCT設備大多使用National Instruments公司的PXI平臺，每套需要幾十萬甚至上百萬的費用。因此，對于產品的生產制造企業，低成本的FCT設備具有重要的意義。筆者所在部門的職責是，配合本公司生產的諸多種類的產品，研發需要的測試設備。如能開發出一套基于嵌入式系統的FCT設備，就能為大規模電子產品的生產節約大量成本。但同時也要考慮到，嵌入式FCT設備雖然具有諸多優點，但普遍存在定制化和功能較為單一的缺點。因此，如何使基于嵌入式系統的FCT設備能做到標準化和通用，成為亟待研究的問題。

1 系統設計

1.1 硬件設計

1.1.1 總線與模塊化

硬件設計遵循總線和模塊化的思路，便于自由地增加和裁剪，筆者最終選用了RS-485總線這一方式來實現一主多從的硬件整體結構，當同一個功能模塊需要使用多片時，利用8位撥碼開關可以將其擴展到同時使用256個。

1.1.2 硬件組成

硬件架構如圖1所示。

圖1 硬件架構

通用嵌入式FCT測試系統的硬件主要由以下幾部分組成。

1.1.2.1 主控單元

主控單元作為整個系統的核心，由微處理器、擴展存儲器、I/O、以太網MAC、PHY等部分組成。在本系統中，先后成功使用了基于ARM9EJ-S內核的AT91SAM9G25，以及市面上流行的卡片電腦Raspberry-Pi作為主處理器，并且實現了全部的測試功能。

1.1.2.2 功能測試模塊

各功能測試板卡，根據其功能劃分，稱為繼電器板、電壓測試板、音頻測試板、IO測試板、網絡測試板等，分別用于測量電壓、電流、脈沖信號、I/O信號、以太網、USB等各種數字接口信號、音頻信號、射頻信號，同時也可為相關電路的測試提供合適的信號源和激勵，滿足多種產品測試需求。

1.1.2.3 電源系統

為被測板、控制單元、測試模塊提供電源，主控單元和測試模塊采用統一電源接口。

1.1.2.4 針板、電纜、和其他附件

提供測試設備與被測板之間的連接，電源線與總線采用統一的電纜進行連接。

1.2 軟件設計

1.2.1 處理器及開發環境

ARM，高級精簡指令集機器（Advanced RISC Machine），是一種精簡指令集（RISC）處理器架構，廣泛地使用在許多嵌入式系統設計中。在ARM上使用德國Segger公司的實時操作系統embOS以及emUSB-Host、emUSB-Device、embOS/IP等軟件組件，可以搭建出一套功能強大的測試平臺。

1.2.2 軟件分層

本軟件的分層如圖2所示。

圖2 軟件分層

本軟件分為硬件抽象層、操作系統、板驅動層、測試庫和應用層共5層，進一步細化，得到表1。

表1 軟件詳細分層

1.2.3 主要軟件模塊描述

1.2.3.1 硬件抽象層

本層位于系統的最底層，作為底層硬件與操作系統間之間的抽象。本層封裝了多種CPU的寄存器訪問。

1.2.3.2 操作系統

EmbOS是有優先級控制的實時操作系統，適用于嵌入式實時應用，尤其是ARM芯片的軟件開發。它可以優化尺寸以占用最小的存儲空間，也可進行速度和功能性的優化。

1.2.3.3 板驅動層

包括本測試系統使用到的所有外設和板卡的驅動，微處理器與各功能測試子板的通信均基于一個自定義的RS-485總線協議。

1.2.3.4 測試庫

測試庫是一套龐大的常用測試案例的集合，規定了目前所有常用的測試項，如電壓測試、電流測試、網絡接口測試等等。

1.2.3.5 應用層

1.2.3.5.1 測試序列文件

各種產品有著各自不同的測試流，包括標識號、名稱、控制命令、所用到的測試函數和其他輔助信息等。填寫表格文件比編寫文本腳本文件更容易，而且易于被程序解釋，格式也不會被開發者編輯出錯。

1.2.3.5.2 測試記錄

測試記錄文件用于記錄各被測產品的參數和測試結果，便于追蹤產品質量和問題。

2 實現通用性的方法

2.1“搭積木式”的硬件方法

將接口、供電方式、結構尺寸完全相同的各硬件模塊用RS-485總線的方式連接，使本系統易于擴展和裁剪，靈活的硬件搭配和簡單的地址區分，構成了一個類似于“搭積木”的硬件結構。由于被測品是多樣的，測試臺的測試項目、測試方法和參數都不同。當我們使測試臺應用于某一種產品的測試時，只需選擇要用的測試模塊就可以了。

2.2 執行表格文件的軟件方法

軟件上同樣實現了在具體的測試臺上只做少量修改。選用表格腳本代替文本腳本對于測試臺最為合適，但由于embOS不能直接識別Excel表格，筆者選用了一種易于解析、易于編輯的CSV表格文件格式。CSV文件選用逗號分隔文本的格式，后續研發人員可以先填好Excel表格，再另存為CSV文件。

2.3 CSV文件

表2是某設備測試表格的一部分節選，文件另存后的CSV文件就是測試臺的腳本文件。解析這個文件需要循環調用一個strtok函數，程序將每個測試項以及參數按逗號或換行符取出，并將各參數傳到一個定義的結構體。

表2 CSV文件

2.4 測試項的執行

程序逐條解析，首先根據測試項名稱TESTID，在測試庫中找到相應的測試函數，typedef void(*TFUNCTION)(P_TEST p_test)；再在具體的測試函數中使用其他參數信息。

函數*TFUNCTION的參數P_TEST p_test結構體定義為：

typedef struct

{

INT8U test_name[TEST_MSG_SIZE];

INT8U send_command[COMMAND_MSG_SIZE];

INT8U cmd_true[TRUE_MSG_SIZE];

INT8U cmd_false[FALSE_MSG_SIZE];

INT32U limit_low;

INT32U limit_upp;

INT8U test_idx[IDX_MSG_SIZE];

INT16U ch_number;

INT16U parameter;

INT8U test_res;

}TEST_NAME_T,*P_TEST_NAME_T;

結構體的其他各成員分別代表測試名稱、與被測板交互的命令、所使用的硬件資源編號、參數閾值以及一個可靈活配置的輔助參數等。

利用這一系列軟件、硬件的方法，此測試系統最終實現了通用性。

3 結語

本系統在研發成功后，實現了筆者之前的預期，在后期很多不同的產品測試中，使用了同類型的硬件架構和完全相同的軟件，而僅僅在測試腳本文件做了區別，體現了通用性的特點。

新的系統使我們可以使用類似“搭積木”的方式快速構建硬件和軟件，把研發并建造一個測試臺的周期，由以前3～5個月的時間縮短到2個月左右，并且使設備的標準化程度、可維護性大幅提高。

但是必須承認，系統還存在一些不足之處：目前的系統只實現了近端的維護，而不能通過網絡做遠程的調試和程序升級，我們將爭取在下一個階段實現。此外，硬件板卡、測試函數庫和驅動中也只涵蓋了目前產品所涉及的測試項，但筆者相信，隨著以后產品的不斷出現，這些軟硬件資源也會繼續擴充下去。

[1]劉思久，張禮勇.自動測試系統與虛擬儀器原理、開發、應用[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]SLOSS A N,SYMES D,WRIGHT C.ARM嵌入式系統開發——軟件設計與優化[M].沈建華，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3]LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ[M].2版.邵貝貝，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[4]BARR M.C/C++嵌入式系統編程[M].于志宏，譯.北京：中國電力出版社，2001.

[5]MCCONNELL S.代碼大全[M].2版.北京：電子工業出版社，2016.

[6]CORBET J,RUBINI A,KROAH-HARTMAN G.LINUX設備驅動程序[M].3版.魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.北京：中國電力出版社，2010.

[7]FOWLER M.重構：改善既有代碼的設計[M].熊節，譯.北京：人民郵電出版社，2015.

[8]HANSON D R.C語言接口與實現：創建可重用軟件的技術[M].郭旭，譯.北京：人民郵電出版社，2016.