基于PXI平臺的環境試驗并行測試系統設計

張 倩，張 碩，侯燕春

基于PXI平臺的環境試驗并行測試系統設計

張 倩1，張 碩2，侯燕春1

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 中國航天系統科學與工程研究院，北京，100048）

為提高測試的通用化、自動化、智能化，縮短試驗時間，節省試驗成本,提出了一種基于面向儀器系統的PCI擴展（PCI Extensions for Instrumentation，PXI）平臺的自動流程執行架構，以及柔性測試流程配置的環境試驗并行測試系統，該并行測試系統在換流器等產品環境試驗中得到了應用，并實踐驗證取得的效果良好。

環境試驗；PXI總線；LabVIEW狀態機；自動測試系統

0 引 言

環境試驗廣泛開展于航空航天、軍工、電子、通信、機械等領域，用于保證電子產品使用過程中的安全性、可靠性和可行性[1]。在環境試驗實施的過程中要實時監測電子產品的性能指標，電子產品種類數量多、測試數據量大、測試時間長，依賴傳統的監測方法和監測設備已經很難適應一鍵測試、自動判讀、高效率、高擴展度等要求，而采用虛擬儀器技術，基于PXI平臺的測試系統具有測試效率高、定位故障快速、自動化水平高、可靠度高及操作柔性化等特點，該技術在電子產品設計、生產、測試和檢驗中得到了大范圍的應用[2]。因此基于面向儀器系統的PCI擴展（PCI Extensions for Instrumentation，PXI）平臺的測試系統是實現環境試驗并行測試的有效解決方案。

本文設計的并行測試系統以自動測試系統（Auto Test System，ATS）技術為核心，采用的虛擬儀器技術在各種測量與控制、電子行業工程設計和應用的用戶中應用頗廣[3]。在環境試驗并行測試系統的研制中，貫徹“軟件即儀器”的思想，運用基于PXI平臺的虛擬儀器技術，采用面向信號的開發方法，實現了一套硬件平臺滿足多種產品的通用電信號監測需求[4]。

本文運用自動測試和判讀技術，通過LabVIEW開發軟件創建自定義的測試流程，選用通用化的PXI總線模塊集成系統硬件平臺，Access數據庫配置針對不同電子產品測試需求的自動測試流程，建立一種面向信號、以LabVIEW狀態機為基礎架構，完成交直流電壓、電流、阻值、頻率、數字量、指令等信號的實時監測，并實現測試的自動判讀和超差報警等功能。

1 系統原理及架構

環境試驗中對電子產品性能指標檢測過程主要為測試系統發出激勵信號給被測產品，同時采集被測產品響應信號。以運載火箭測量系統的換流轉接器為例，換流轉接器的主要功能為將配電器提供的28 V輸入一次電源變換為二次電源5 V和3 V的直流電壓信號，二次電源輸出為多路信號，然后分別供電給箭上傳感器、變換器，參加環境試驗時傳統的測試臺只能串行完成監測任務，測試臺的主要功能為：

a）向換流轉接器供電；

b）采集換流轉接器輸出電壓、電流信號，具有多路電壓信號檢測通道和多路電流信號檢測通道。檢測的電壓范圍為-16～+1 V，檢測的電流范圍為0～2 A；

c）采集換流轉接器工作正常信號，回采換流轉接器的供電電壓和工作電流。

采用Simulink仿真工具搭建換流轉接器工作原理結構，實現對電壓信號的輸出模擬，可以動態觀察仿真數據和輸出結果。圖1為Simulink仿真曲線，從曲線中可以看出，換流轉接器按照要求輸出的直流電壓接近3 V。

圖1 換流轉接器輸出信號仿真

針對換流轉接器搭建的仿真模型可以為并行測試系統開發提供驗證手段，通過測試平臺監測換流轉接器輸出電壓信號，驗證了換流轉接器工作是否正常，同時也驗證了并行測試系統設計方案的可行性和正確性。

環境試驗并行測試平臺要滿足換流轉接器測試臺的基本功能，能夠實時并行采集多路信號，平臺設計基于信號種類多、信號數量大、自動化檢測、可拓展性等特點，利用PXI虛擬儀器技術，采用面向信號的系統建模方法，建立一套多功能的自動化閉環測試平臺，該測試平臺可以完成模擬量、數字量、脈沖、阻值、頻率等信號的測試，以及激勵信號的輸出，并可實現測試的自動化判讀。

并行測試系統分為硬件設計和軟件設計，以換流轉接器為例，系統架構如圖2所示，可以實現對電子產品的動態監測，能夠模擬產生符合各種測試條件的激勵信號，對響應的信號進行采集與測量，實時同步顯示測試結果便于觀察，實時判讀和處理測試結果，并進行超差判斷和故障定位，測試流程結束后自動生成測試報表，存儲測試數據等。硬件部分采用通用化集成設備，由主控制器、模塊化儀器、信號轉接適配器以及測試電纜組成。軟件部分作為測試系統的核心，選擇LabVIEW開發工具進行開放式的測試流程設計，實現對硬件平臺的控制。

圖2 系統架構

2 硬件設計

PXI是美國國家儀器公司NI推出的一種開放式開發工具，具有極高的性價比、驅動程序豐富可支持多種開發平臺、易于升級和維護等優點。基于上述優點，環境試驗并行測試系統的硬件平臺設計將基于PXI總線架構實現。

PXI硬件由電源、電源測控組合、接口適配器、激勵信號輸出模塊和信號采集模塊。電源測控組合是硬件核心，主要由PXI機箱、PXI總線模塊和外設設備組成，PXI核心平臺集成標準信號輸出與采集模塊，實現標準信號的輸出與信號監測；信號接口適配器可以滿足通用化需求，是匹配不同的被測信號接口的一個適配環節，實現標準信號與箭上所需信號的調理轉換及接口匹配；激勵信號輸出模塊采用多功能板卡可以實現數字量、模擬量等信號輸出，作為被測設備的激勵輸出，信號采集模塊及數字式萬用表，實現對各類信號的采集。

環境試驗并行測試系統對火箭系統的多種電子產品均適用，包括配電器、換流轉接器、模擬量變換器、數字量變換器、指令變換器、脈沖變換器以及環境參數傳感器、變換器等。硬件平臺設計如圖3所示。

圖3 硬件結構

3 軟件設計

在虛擬儀器的用戶測試應用界面設計中，取代了傳統的儀器設備操作界面，由設計開發人員自定義設計界面，通過軟件界面實現對硬件設備的控制[5]。系統軟件開發的要點：底層硬件板卡兼容、測試流程通用、數據庫文件有效管理、用戶界面個性化設計、測試判讀自動化等，系統選擇LabVIEW作為軟件開發工具[6]。并行測試系統軟件設計共分為7個模塊，軟件架構示意如圖4所示。

圖4 系統軟件架構示意

3.1 數據模型設計

3.1.1 硬件連接配置設計

硬件的連接包含：被測對象的電氣接口端與信號轉接裝置輸入端，信號轉接裝置輸入端與信號轉接裝置輸出端，信號轉接裝置輸出端與多路復用開關輸入模塊，多路復用開關輸入模塊與測試系統端口。根據硬件的連接關系應建立相應的數據模型。

系統硬件的連接關系：

3.1.2 狀態機設計

有限狀態機在集成電路軟件設計中廣泛應用[7]，狀態機執行的是一種固定式的流程，對于用戶來說需要根據實際功能需要動態地改變執行的順序。集成電路中常使用的三段式狀態機由狀態轉移和具體狀態中的邏輯組成，狀態信號按照預先的功能設定可以在各個狀態之間進行切換。狀態機的主要用途是將控制邏輯分解成功能需求中要求的狀態，在進行狀態切換時無狀態沖突、功能實現獨立，同時將用戶預期設計的功能分布在具體狀態中進行實現。狀態機由一個功能主循環和一個狀態選擇結構組成，通過寄存器數值的變化來實現狀態切換。三段式狀態機的框架的結構清晰，方便進行功能拓展和功能修改[8]。

自動測試的狀態機轉換邏輯關系如圖5所示。

圖5 狀態機邏輯關系轉換

系統上電后首先通過復位進入initial狀態，對狀態轉移寄存器及相關功能寄存器進行初始賦值，直接進入idle空閑狀態，在啟動自動執行條件后進入自動測試流程，順序讀取測試步驟，按序執行“信號準備”“信號產生”“反饋信號等待”“信號采樣”“判讀分析”，根據判讀結果確定“終止”的狀態或“暫停”的狀態來決定下一步進入的測試步驟，分別是停止測試、繼續執行下一步測試步驟或者暫停測試。

3.1.3 自動化測試技術設計

環境試驗中對電子產品性能指標的傳統測試是由人工手動完成。人工手動測試不僅繁瑣、時間成本高，且易出錯。自動化測試的實現能很大程度地提升測試效率，自動判讀和超差報警功能更是能有效地提高測試的準確性。

除硬件上采用PXI總線設計外，想要進一步實現自動化判讀，還要對連接端口的數據模型和試驗信息的數據模型進行優化設計。

接口數據模型反映了硬件端口對應聯系，即被測對象端口、轉接裝置端口和儀器設備端口的關系信息。接口數據模型由被測端口信息UTOC、轉接端口信息CTOC、儀器端口信息CTOS組成，數據模型的索引關系如圖6所示，試驗信息數據模型TESTNAME定義了被測端口和判據信息，接口數據模型和試驗信息數據模型通過試驗表單模型TESTLIST的索引獲得試驗的全面信息，更改其任意一個數據表內容可以自動反應到測試配置信息中。在實際測試時，只需選擇相應的測試項目，即可按照數據表信息自動控制多路復用器和數字萬用表完成相應的測試工作。

圖6 數據模型的索引關系示意

3.1.4 數據庫設計

LabVIEW訪問數據庫的方式很多，LabSQL利用Microsoft ADO以及SQL語言來完成數據庫訪問，簡單易用[9]。它支持Windows操作系中任何基于OBDC的數據庫，系統數據庫架構設計中可采用Microsoft的Access數據庫，建立基于關系數據庫的硬件配置和流程配置的數據結構，具有很強的通用性。

數據庫可由兩部分構成：試驗配置數據庫與試驗結果數據庫。試驗配置數據模型如圖6所示，試驗結果數據庫分為試驗結果、報警信息和操作日志3部分。

3.2 用戶層設計

LabVIEW用戶層設計可以按實際需求出發，進行個性化的界面設計，所具備的功能有：

a）用戶登錄窗口，包括測試產品類型選擇、操作流程選擇、用戶口令等管理。測試產品類型選擇，可任意選擇配電器、換流轉接器、直流信號變換器、交直流信號變換器、數字量變換器、指令變換器中的一種進行測試，在界面中可圖形化設置測試參數以及操作；操作流程選擇，在測試主界面中可以手動操作指令，選擇信號、設置信號參數并控制信號輸出，也可編輯自動操作流程配置文件，自動讀取操作步驟。

b）權限管理功能，對測試流程TPS編輯，包括自動測試和手動測試。

c）Access數據庫設計功能，對測試配置和測試數據進行編輯。

d）發送自動測試、暫停、停止等指令，實時控制PXI板卡。

e）人機界面中自動判讀和報警功能。

人機界面采用文本框、表格、按鈕、指示燈等控件元素組成，自動測試界面如圖7所示，首先選擇“自動測試”選項，進行自動測試流程，選擇相應的測試配置，自動讀取全部的測試信息，在測試界面會顯示接口數據模型中原始節點配置關系，在“試驗信息”會顯示定義后的節點配置信息，在“實時數據”會顯示測試內容、參考值和回采的信號值，選擇合適的萬用表工作模式和量程。在執行自動測試流程時，“自動測試”方式下可執行“開始測試”“停止測試”“暫停測試”或“導出結果”，判讀合格自動順序執行，判讀不合格報警燈亮起，測試流程自動停止。

圖7 換流轉接器自動測試人機界面

4 結 論

以計算機技術為核心的自動化測試系統是實現電子設備功能和性能自動測試的重要手段[10]，本文詳細介紹了電子產品環境試驗并行測試系統的自動化設計方法，即采用PXI總線作為硬件平臺，采用LabVIEW狀態機作為軟件平臺，完成自動測試功能，實現了對航天電氣系統換流轉接器、傳感器、變換器等產品在環境試驗中的自動化測試與判讀功能，測試效率大幅提升，平臺具有很強的通用性，利用同一套硬件平臺可完成不同產品測試任務的需求，該方法可為類似測試需求的系統設計作參考。

[1] 董常. 環境試驗箱集中監控系統設計及其關鍵技術研究[D]. 重慶: 重慶郵電大學, 2008.

Dong Chang. Design of environmental monitoring box centralized monitoring system and its key technology research[D]. Chongqing: Chongqing University of Posts and Telecommunications, 2008.

[2] 何遠輝, 譚業雙. 基于PXI 總線某型裝備自動測試系統[J]. 四川兵工學報, 2009, 5(30): 83-85.

He Yuanhui, Tan Yeshuang. Automatic test system for a certain type of equipment based on PXI bus[J]. Journal of Sichuan Ordnance Engineering, 2009, 5(30) : 83-85.

[3] 趙鵬, 李曉明, 鄭直. 某型飛機發動機故障診斷專家系統設計[J]. 計算機測量與控制, 2014, 22(12): 11-15.

Zhao Peng, Li Xiaoming, Zheng Zhi. Design of an expert system for aircraft engine fault diagnosis[J]. Computer Measurement and Control, 2014, 22(12): 11-15.

[4] 陳錫輝. LabVIEW8.20 程序設計從入門到精通[M]. 北京: 清華大學出版社, 2007.

Chen Xihui. LabVIEW 8.20 programming from entry to master[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2007.

[5] 趙麗. 某型號雷達導引頭測試控制系統的設計[D]. 成都: 西南交通大學, 2008.

Zhao Li. Design of a radar seeker test control system for a model[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2008.

[6] 王瑞, 張彥軍, 于曉光. 基于PXI 總線的遙測信號測試平臺的設計[J]. 微型機與應用, 2010(3): 11-16.

Wang Rui, Zhang Yanjun, Yu Xiaoguang. Design of telemetry signal test platform based on PXI bus[J]. Microcomputer and Application, 2010(3): 11-16.

[7] 聶影, 馮向軍, 廖瑛, 李磊. 基于LabVIEW的狀態機模型研究[J]. 計算機測量與控制, 2007(9): 1166-1169.

Nie Ying, Feng Xiangjun, Liao Ying, Li Lei. Research on state machine model based on LabVIEW[J]. Computer Measurement and Control, 2007(9): 1166-1169.

[8] 葉楓樺, 周新聰, 白秀琴, 郭智威, 袁成清. 基于LabVIEW隊列狀態機的數據采集系統設計[J]. 現代電子技術, 2010(4): 204-209.

Ye Fenghua, Zhou Xincong, Bai Xiuqin, Guo Zhiwei, Yuan Chengqing. Design of data acquisition system based on LabVIEW queue state machine[J]. Modern Electronic Technology, 2010(4): 204-209.

[9] 周歡, 莫軍, 李代生, 梁文錚. 基于LabSQL的LabVIEW數據庫訪問功能研究[C]. 哈爾濱: 2009中國儀器儀表與測控技術大會論文集, 2009.

Zhou Huan, Mo Jun, Li Daisheng, Liang Wenzheng. Research on LabVIEW database access function based on LabSQL[C]. Harbin: 2009 China Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2009.

[10] 劉兆慶, 喬立巖. 基于ATML的分布式ATS架構研究[J]. 宇航總體技術, 2018(3): 38-45.

Liu Zhaoqing, Qiao Liyan. Research on distributed ATS architecture based on ATML[J]. Overall Technology of Aerospace, 2018(3): 38-45.

Design of Parallel Test System of Environment Experiment based onPXI Platform

Zhang Qian1, Zhang Shuo2, Hou Yan-chun1

(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076;2. China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing, 100048)

In order to improve the universality, automation and intelligence of tests, an automatic process execution architecture based on PXI platform and an environmental test parallel testing system with flexible test process configuration are processed. The engineering application proves that this design method has good effect.

environmental test; PXI bus; LabVIEW state machine; auto test system

TP2

A

1004-7182(2020)02-0122-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20200223

張 倩（1988-），女，工程師，主要研究方向為運載火箭電氣系統自動測試技術。

張 碩（1987-），男，工程師，主要研究方向為運載火箭電氣系統軟件開發和測評技術。

侯燕春（1984-），女，高級工程師，主要研究方向為運載火箭電氣系統開發和設計。

2019-02-18；

2019-10-09