基于PXI某處理器模塊ATE設備的設計與實現

曹興岡， 趙 斌

(中國航空計算技術研究所，西安 710068)

0 引言

隨著電子技術與計算機技術的飛速發展，以總線技術為基礎的自動測試系統(ATS)[1]已逐步成為處理器產品可靠運行的重要保障。測試總線應用于測試與測量領域內，它是構成一個自動測試系統的核心，其技術進展決定著整個ATS技術的發展方向。

自20世紀70年代GPIB總線以IEEE 488標準為名發布以來，測試總線標準已經快速發展，其間先后出現了GPIB、VXI、PXI、PXIe、LXI、AXIe等測試總線標準[2]，其不斷推陳出新的發展歷程推動著整個測量與控制領域發生了巨大變化。

基于PXI總線技術綜合優勢，某處理器模塊測試平臺優先選用PXI平臺。本文重點介紹基于PXI平臺某處理機模塊ATE設備，主要包括系統結構、測試方法、軟件結構、計量校準等。

1 系統結構

ATE設備的所有組件集成在19標準機柜內。包括主控機、PXI機箱(包含功能板卡)、接口適配箱、模塊適配器、程控直流電源等。系統電源帶有限壓、限流功能，并帶有過壓、過流保護功能，在系統設計時也增加了回路的過壓、過流保護功能[3]，支持程控上下電、電壓電流回讀等，保證系統和被測件的安全可靠。

系統軟件配合各硬件模塊和信號接口模塊，既可以針對某個參數測試，也可完成全部參數的測試。測試完成后，系統自動存儲測試結果，并根據用戶的需要生成指定格式(Excel或Word等)的測試報表。系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

2 系統硬件設計

重點對某處理器模塊中地信號處理、供電電源、直流模擬信號、離散量信號、DPRAM模塊、數字邏輯模塊、串口通訊及適配器等硬件接口進行介紹。

2.1 模塊地信號處理

處理器模塊接口母板上+15 VGND、-15 VGND、28 VGND和GND(5 V)分開設置，分隔間距>=30 mil。內層負片分割時，劃分的區域與表層一樣。地和電源不允許跨越相對應的區域內。需要連接的地之間采用磁珠或0歐姆電阻相連，實現一點接地,電源和地采用獨立層，減少對信號的干擾。

2.2 供電電源

通過一臺模塊化電源：三塊0～20 V/5 A和一塊0～40 V/2.5 A直流電源，結合數字信號控制功率開關完成給被測件供電，電源可以軟件控制上、下電。功能實現框圖如圖2所示。

圖2 供電電源接口功能框圖

處理器模塊電源的供電采用互斥設計，保證在測試時只有一臺電源對UUT供電。同時根據模塊的供電需求，測試軟件設定相應的過壓、過流保護。

選用的功率開關的性能指標為：60 VDC，10 A。

電源供電技術參數：

1)+5 V：5 V電源，電流<2.4 A；

2)+15 V：15 V電源，電流<0.1 A；

3)-15 V：-15 V電源，電流<0.1 A；

4)+28 V：+18～+32 V電源，電流<0.1 A。

2.3 直流模擬信號

ATE設備配置2塊D/A板卡。一塊帶有12路14位輸出通道，每個通道能夠輸出-10～+10 V的模擬電壓信號，經調理板調理后，能夠完成給UUT 28 V(通道有效測量參數范圍18～32 VDC )四路、5 V(通道有效測量參數范圍1～20 VDC)二路、15 V(通道有效測量參數范圍1～20 VDC) 二路、-15 V(通道有效測量參數范圍-20 V～-1 VDC) 二路直流輸入通道電壓信號；帶有32路14位輸出通道，直接輸出至30路±10 V模擬量輸入通道，完成測試。直流模擬信號功能實現框圖如圖3所示。

圖3 直流模擬信號連接電路示意圖

2.4 離散量輸入信號連接電路

UUT離散量輸入信號(針對UUT)包括 “5 V/地”信號、“地/開”和 “28 V/開”離散量信號?！? V/地”信號由數字輸入輸出模塊實現。“地/開”和 “28 V/開”離散量信號由離散量輸出模塊實現。輸出離散量信號的板卡是通過RS485串口控制的信號開關板卡[4]，繼電器切換響應時間小于20 ms，系統能夠在25 ms之內發出離散量信號。

通過測試內部的RS-485總線控制信號開關模塊輸出結合UUT的地端口(0 V)電壓信號完成給被測設備提供“地/開”離散量信號。離散量輸入信號連接電路示意圖如圖4所示。

信號開關器件指標為：30 VDC，0.5 A；帶載使用壽命>100 000次。

1)接地/開路輸入34路，其中地信號：測量激勵電流2～3 mA時，電壓不大于3.5 VDC，開信號：通道電壓30 VDC時，漏電流不超過100 μA；

2)28 V/開路輸入32路，其中28 VDC信號：測量激勵電流2～3 mA時，最低識別電壓為16 VDC，開信號：30 VDC時，漏電流不超過100 μA；

圖4 離散量輸入信號連接電路示意圖

2.5 離散量輸出(相對UUT)信號連接電路

數字量輸入模塊卡的30 V離散量隔離數字采集通道，能夠采集UUT的地/開離散量信號和28 V/開離散量信號[5]；離散量信號采集連接電路示意圖如圖5所示。

圖5 離散量輸出信號連接電路

數字量輸入模塊的隔離采集端口具有：輸入通道高隔離電壓(2 500 VDC)；高過壓保護(50 V)；有效輸入范圍寬(5～30 V)。并具有雙向導通能力，即使信號反接依然不會損壞板卡。此模塊還提供系統離散量自檢功能。

2.6 DPRAM模塊

ATE設備提供DPRAM模塊，模塊按照接口處理板上功能設計，提供3片IDT7024 DPRAM，電平為TTL(+5 V)。因此，接口電路除控制DPRAM讀寫外，還需要對電平進行轉換。處理器模塊通過片選信號選擇不同的DPRAM進行讀寫操作，操作完成后，ATE設備通過DPRAM模塊上內置的MCU將UUT選定的芯片對應地址的數據讀出并與預期值比對。DPRAM連接圖見圖6。

圖6 DPRAM接口測試連接示意圖

2.7 數字邏輯模塊

數字邏輯模塊仿真Local Bus總線[6]信號，作為處理器模塊的外部設備。處理器訪問局部總線時可對數字邏輯模塊上的存儲單元進行讀寫。ATE設備通過串口獲取相關存儲單元數據并判斷處理模塊讀寫是否正常。測試連接示意圖見圖7。

圖7 Local Bus測試連接示意圖

2.8 串口通訊連接關系

一個串口模塊由8路串口組成，其中每一路可通過撥碼開關完成RS232、RS422、RS485間的轉換，最大速率115 200 bps，實現和UUT的串口通訊。串口連接關系如圖8所示。

2.9 適配器方案

ATE設備配置適配箱+模塊適配器實現UUT信號的轉接和調理。適配箱后面板通過連接器連接ATE設備端的各輸入輸出通道和臺式設備，經過各個調理模塊后通過連接電纜把各個測試接口引出，與模塊適配器連接。

適配箱前面板有測試孔，可滿足用戶在測試時測量各個信號狀態的需求。模塊適配器通過模塊連接器與被測件相連，將需要測試的端口和信號引出，并通過電纜與接口適配箱連接。

3 選用的PXI平臺主要硬件配置及優良特性

基于PXI平臺[7]處理器模塊ATE設備硬件配置及優良特性： PXI機箱選用PXI-1044 型14槽機箱，溫度范圍為0～55 ℃，采用標準化設計，支持PXI2.2版標準；19寸標準機柜，采用強制風冷設計，達到良好的散熱效果。

ATE設備采用程控模塊化電源給UUT(被測件)供電，共計4個模塊，其中0～20 V/5 A 三塊，0～40 V/2.5 A一塊，支持程控上下電、電壓電流回讀等，滿足處理器模塊供電的需要。

64路數字I/O模塊實現數字量的輸入輸出檢測。

采用Moxa八通道多功能串口卡(每個通道均可設置為RS232、RS422、RS485)實現RS232、RS422、RS485接口的通信測試。

采用雙通道ARINC825D板卡實現ARINC825D數據總線測試。

采用雙通道AIM AFDX或所內生產的AFDX仿真卡實現AFDX總線端系統的通信及相關測試。

采用4發4收ARINC429板卡實現ARINC429數據總線的通信測試。

采用12路D/A模塊配合信號調理板(將D/A輸出的±10 V調理至±32 V)實現28 V，+15 V，-15 V模擬量輸入通道的測試。

采用32路D/A，輸出±10 V電壓滿足30路±10 V模擬量輸入通道的測試；

采用定制的數字邏輯模塊實現對LBE總線的仿真，實現LBE總線地址、數據、片選、讀寫等信號的時序邏輯測試。

三塊32路離散量模塊和兩塊32路開關模塊實現28 V/開離散量、地/開信號的測試。

數字萬用表實現系統的自校準和相關電壓的測試。

測試系統通過儀器面板接口和適配器完成輸入輸出信號的切換和供電，將UUT(被測件)通過適配底板和系統連接起來，形成一個完整的測試系統。

4 測試項及測試方法

4.1 BIT測試

處理器模塊上電后，ATE設備從串口獲取模塊BIT[8]信息并顯示。

需要單獨對處理器模塊其中一項進行測試時，通過串口發送BIT測試項指令并回讀測試結果顯示。

4.2 電源測試及拉偏測試

電源測試包括：模塊上各種電源電壓測量等。采用開關模塊配合數字表測量電壓，并對其進行記錄。

ATE設備獲取數字表測試結果，解析后在用戶界面顯示并記錄。

將UUT供電電壓拉偏至UUT供電需求的上、下限，并完成UUT相關的BIT、I/O端口測試、通訊測試等全部測試是否合格，ATE設備將測試結果通過軟件界面顯示出來，并記錄形成測試報告。

4.3 離散量測試

通過數字量輸入輸出模塊、離散量輸出模塊輸出離散量信號，給指定通道置位(邏輯1或0)，通過串口回讀該通道的狀態值并比對，顯示結果。

4.4 直流模擬量輸入采集測試

通過模擬量輸出D/A模塊給指定模擬量輸入通道輸出設定電平值，處理器模塊采集該通道電平值后上報給ATE設備，ATE設備比對結果并顯示。

4.5 ARINC825數據總線通信測試

ATE設備通過ARINC825板卡給處理器模塊響應的ARINC825通道發送數據，波特率設置為100 kbps，處理器模塊收到數據后回傳給ATE設備，ATE設備收到數據后比對并顯示結果。

4.6 ARINC429數據總線通信測試

ATE設備通過ARINC429板卡給處理器模塊響應的ARINC429通道發送數據，波特率設置為100 kbps，處理器模塊收到數據后回傳給ATE設備，ATE設備收到數據后比對并顯示結果。

4.7 AFDX端系統測試

為了測試AFDX 終端系統網絡通信的性能、功能以及協議符合性，一個終端節點通過網線連接到AFDX仿真模塊，主要完成終端系統的功能測試、協議符合性測試以及性能測試。

以基本幀為例的接收測試方法如下：

1)ATE設備創建發送端口配置表、發送VL 配置表、接收端口配置表、接收VL 配置表以及端系統配置表，然后通知端系統進行加載；

2)ATE設備將其速率設置為100 Mbps，然后構造100 幀數據，將其發給終端系統；

3)終端系統收到數據幀后用發送端口將其收到的數據返回給ATE設備；驗證ATE設備的相應端口接收到相應數目的有效數據幀。

4.8 DPRAM接口測試

處理器模塊讀寫ATE設備提供的DPRAM接口模塊，讀寫完成后，ATE設備通過串口讀取相應芯片及地址的數據并與預期值比對，確認處理器模塊能否正確讀寫DPRAM。

4.9 Local Bus總線測試

數字邏輯模塊仿真Local Bus總線信號，作為處理器模塊的外部設備。處理器訪問局部總線時可對數字邏輯模塊上的存儲單元進行讀寫。ATE設備通過串口獲取相關存儲單元數據并判斷處理模塊讀寫是否正常。

4.10 以太網接口集成測試

以太網接口通過主控機以太網接口與集成ATE設備進行數據通信，采用ping命令進行通信。

ATE設備將測試結果通過軟件界面顯示出來，并記錄形成測試報告。

4.11 串行通信接口

RS-232、RS-422、RS-485串行通訊接口，采用8路的多功能串口卡，數據收發正常。ATE設備將測試結果通過軟件界面顯示出來，并記錄形成測試報告。

4.12 功耗測試

模塊上電后，通過串口回讀程控電源的直流電壓、電流數據，并計算和檢查測試結果，得出模塊的功耗并記錄。

5 系統自校準和計量

系統校準采用原位計量校準，預留測試接口，減少拆裝。使用適配器引出系統測量資源測試點，使用外部校準設備對其進行計量。需要提供的資源包含：六位半數字萬用表一臺。

計量時采用經過校準的數字萬用表檢測ATE設備的輸出模擬信號，根據在量程范圍內的測試結果對輸出通道進行標校；數字通道采用回繞測試的方法進行計量。

在校準時，主要針對ATE設備所需要的指標校準，校準的精度不低于5‰。在系統校準時，通過系統預留的校準接口，將需校準的模塊的測試通道通過電纜與標校儀器設備相連，按照使用標準源比對的計量方式即可完成對系統中各個接口的計量。系統計量示意圖見圖9。

圖9 系統計量示意圖

6 軟件設計

6.1 測試軟件組成

軟件是處理器模塊通用ATE設備的主要部分，將設備中每個模塊的功能有機結合，并使整個設備的運作有效穩定。ATE設備應用軟件組成如圖10所示。測試操作系統選擇主流的成熟穩定的Windows 7系統，LabVIEW提供了直觀的圖形顯示界面，使開發的應用程序具有良好的人機界面，方便用戶操作。整個系統軟件包括：硬件配置模塊、系統自檢模塊、參數設置模塊、UUT識別模塊、模式選擇模塊、單元測試模塊、數據處理模塊、報表生成模塊和在線幫助模塊[9]。

圖10 ATE設備軟件組成框圖

該軟件由兩大部分組成，第一部分是由按鈕組成，包括“系統自檢”、“系統校準”、“UUT識別”、 “模塊測試”、“報表輸出”和“退出”等按鈕。軟件把操作員常用到的功能都放到桌面上；另一部分則是菜單項，一些不常用到的附加功能則放到菜單中，如“讀取/保存配置文件”等文件操作功能?！白詣邮謩訙y試”選擇項放到“模式選擇”菜單項。在線幫助也放到菜單中。

6.2 測試流程

用戶使用軟件進行測試的總體流程如圖11所示。在運行模塊測試軟件后，對系統中的硬件進行初始化配置。在測試之前，首先要對設備中需要的測試模塊進行自檢，保證ATE設備自身狀態正常。然后確認被測件UUT工作準備狀態是否正常，進行手動/自動模式選擇，開始執行測試與數據結果處理。在執行測試過程中，當測試項不合格時，測試系統通過出錯對話框、出錯狀態指示燈提醒操作人員及時進行故障處理。

圖11 測試軟件總體流程

測試完成后，系統軟件能夠對測試結果分析統計、合格項判定，測試結果以測試報告的形式輸出，方便用戶查閱和打印。

在實現此測試任務的過程中，主要包括：

1)系統自檢功能：主要是通過調用程控模塊的測試函數來檢測模塊是否能上電后正常工作。

2)系統校準功能：主要是通過給系統輸入標準數字、模擬信號，然后采集信號來判斷測試系統是否能正常工作。

3)UUT類型選擇：該模塊負責檢測被測件的類型，通過用戶設定的UUT類型匹配硬件設置，進行UUT設備的加電操作。

4)參數設置功能：包括硬件參數的設置，即對采集通道采樣率，量程等的設置；還包括測試參數判據的設置，即對測試結果合格與否的閾值設置，測試系統根據設定的閾值自動判定測試結果；另外還有手動和自動測試模式選擇。

5)模塊測試功能：模塊各個測試項的測試。

6)報表輸出功能：輸出word或excel格式的測試結果。

7)在線幫助功能：提供系統的在線使用方法。

以上多個功能結合、結合其它的質量要求而形成了測試工作的功能、性能、可靠安全性要求，達到能完整測試處理器模塊性能的綜合指標測試任務要求。

7 試驗結果與分析

基于PXI平臺某處理器模塊ATE設備已經成功完成與被測件UUT及外部交聯設備聯試，設備技術指標滿足協議要求，測試覆蓋率95%以上，被測件UUT經過ESS、高低溫工作、功能振動等試驗測試驗證，其功能、性能滿足應用要求，裝機使用正常。

8 結束語

基于PXI平臺某處理器模塊ATE設備設計與實現，以先進的PXI測試平臺為核心，其硬件系統結構設計采用模塊化、標準化原則，通用性及推廣性強。利用LabVIEW軟件，配合NI的標準軟硬件產品，系統開發周期短，并具有良好的可擴展性和可移植性。在充分考慮自動化測試效率及測試覆蓋率同時，配置自身計量校準功能，其通用性、先進性可廣泛應用于航空航天電子產品及設備功能、性能測試等領域。