基于LabVIEW和NI ELVIS的電子產品自動測試平臺設計

魏元焜

(遼寧機電職業技術學院，遼寧 丹東 118009)

當前，我國已成為全球范圍內的電子產品制造大國，電子產品滲入到生活的方方面面，包括通信、醫療、教育、交通、金融等等。電子產品零配件品種、型號繁多，生產環節繁雜，不間斷的產品換代使得電子產品的測試工作不堪重負[1]。目前較大比例的中小型電子科技企業由于資金、技術等方面的限制，仍然采用人工測試這種傳統測試方式。在傳統人工測試中，操作人員需要通過手動連接和設置萬用電表、示波器、波形發生器等一系列測試設備來搭建測試平臺，測試過程中需要重復性地測試數據并對測試結果進行人工讀取，這樣會引起諸如人工讀數誤差及錯誤、速度慢、記錄數據無法共享等問題，大大降低測試效率且不能實現電子產品的量產測試[2]。針對上述問題，本文提出了一種基于LabVIEW和NI ELVIS的電子產品自動測試平臺，平臺具有操作簡單、擴展靈活的特點，可實現電子產品的快速自動化測試，可以提高電子產品檢測的效率。

1 系統構成

測試平臺分測試板卡、數據采集卡、計算機以及運行在計算機中的測試控制程序幾部分構成，結構框圖如圖1所示。

測試板卡直接與被測元件或芯片相連，用于將測試指令傳送給被測對象并接收被測對象的響應。由于不同的測試對象所需要的外圍輔助電路不同，頻繁地重新搭建輔助電路會嚴重影響測試效率。為此，本文針對不同類型和型號的測試對象，設計了不同的測試板卡。當測試對象發生變更時，直接從數據采集卡上更換對應板卡即可。圖2給出了系統中若干常用的測試板卡。

數據采集卡是連接被測芯片和計算機之間的橋梁，承擔了控制指令和測試數據的傳輸任務。為實現精準的時序控制和高速數據采集，選擇高性能的數據采集卡是十分必要的。本文選擇美國國家儀器(以下簡稱NI)公司的工程實驗室虛擬儀器套件(ELVIS)作為本平臺的數據采集卡，如圖3(a)所示。NI ELVIS集成了12款常用儀器，包括多通道數據采集功能(含模擬和數字I/O)、數字萬用表、高采樣率的兩通道示波器、函數發生器、固定和可變電源以及兩線和三線阻抗分析儀[3]。相對于傳統的多臺測量儀器同時使用的情況，使用單個NI ELVIS實施測量可以極大地節省空間同時又保證測量精度。通過USB接口與PC連接，NI ELVIS即可實現快速易用的測量采集及顯示，圖3(b)給出了NI ELVIS集成的示波器測量界面。此外，NI ELVIS也可通過LabVIEW軟件編程的方式實現具有分析判斷功能的自動化測試流程[4-5]，如圖3(c)所示。

這里提到的LabVIEW編寫的程序，即圖4中計算機運行的測試控制軟件，它可以向數據采集卡發出指令并控制其進行數據傳輸，是整個自動化測試的發起者和控制者，測試過程中的測試條目管理、測試邏輯、并發執行以及測試結果存儲等一系列任務，都是由測試控制軟件控制完成的。LabVIEW是一種圖形化編程語言，因此可以快速簡單地實現多任務并發處理[6-7]，且與NI ELVIS具有很好的兼容性，可以極大程度地縮短開發周期。

在整個系統中，數據采集卡是固定不變的，它只負責控制信號和數據的準確高效傳輸，并不關心數據是如何被顯示和存儲的以及測試的對象是什么。數據由測試控制軟件定義、解析、顯示和存儲，不同的測試對象需要由測試控制軟件定義一套獨立的測試流程。每一個測試對象和對應的測試板卡一關聯，當新增測試對象后，只需新增一塊包含其測試電路的測試板卡并向測試控制軟件添加新對象的測試流程即可，因而整個系統是可以靈活擴展和刪減的。

2 典型測試過程設計

電子產品種類多樣，而隨著集成電路(以下簡稱IC)技術的發展，更多的電子產品被封裝成芯片的形式。因此目前在電子產品測試中以IC測試為主。IC測試的最終目的是檢驗IC是否符合設計指標要求，根據測試內容進行劃分，IC測試可分為：功能測試和參數測試。功能測試主要由輸入矢量和相應的響應組成，通過測試來驗證IC是否能實現設計要求的功能。有些IC雖然通過了功能測試，但無驅動能力，這類IC仍然被認為具有缺陷的電路，這種情況下電參數測試則成為一種有效的測試方法。IC參數測試包括DC參數測試和AC參數測試。DC參數測試包括開/短路測試、漏電流測試、失調電壓測試和閾值電壓測試等等，AC參數試包括上升/下降時間測試頻率/周期測試等等。

本節以運算放大器LF356為測試對象，以DC測試的輸入失調電壓為例，詳細介紹本文提出系統的軟硬件設計和工作過程。

2.1 測試板卡設計

由于實際差動放大器會產生偏置電壓，在常溫下當輸入信號為零時，集成運放的輸出電壓可能不為零，該輸出電壓稱為輸出失調電壓。為了使輸出電壓回零，需要在輸入端加入反向補償電壓，該補償電壓即為輸入失調電壓uos。輸入失調電壓的測試方法分為單管測試法和輔助運算放大器法。由于單管法具有外圍電路簡單的優點，因此本文選擇這一方法在測試板卡上搭建外圍電路。測試的外圍電路和測試對象一起構成一個差動放大器，并將兩個輸入端接地，測量其輸出uo。測試電路如圖4所示，為便于測試時更換測試對象，設計了電路接口，將外圍電路和測試對象明確分開，使用芯片插座用來臨時固定芯片。測試板卡的正負電源、地都由數據采集卡NI ELVIS提供，輸出電壓uo端與NI ELVIS的模擬輸入通道0(AI0)相連。

2.2 軟件設計

為設計正確的測試程序，需先分析出uos的計算公式。考察圖4，由集成運放輸出計算公式可得式，

u0=(u+-u-)·Aod

(1)

由單管測試法電路可得式，

(2)

將式代入式可得，

(3)

由式可得，

(4)

由于u+=uos，考慮到Aod?1，因此可得uos表達式如式所示。

(5)

對照芯片手冊可知，LF356的最大失調電壓為10 mV，因此只要測得uo并利用程序按式計算出uos，與最大值10 mV比較即可判斷芯片的輸入失調電壓是否在允許范圍內，即芯片是否通過測試。測試程序流程圖和運行工界面分別如圖5和圖6所示。為正常開展測試，程序必須先完成開啟電源和數據IO通道等初始化操作。初始化后，測試程序會以100 ms為間隔連續三次測量輸出電壓u0，計算平均值，再根據式自動計算uos，當uos小于手冊規定的10 mV 時，則顯示通過(PASS)，否則顯示不通過(NG)。考慮到多芯片連續測試的情況，為簡化操作，程序設置了定時自動測量功能。程序還設置了測試結果記錄和導出功能，方便測試歷史數據查看和分析。測試結束后，程序會關閉電源和數據IO通道。

3 結論

電子產品測試工作操作過程繁瑣、重復性強，使用的儀器繁多，傳統的人工檢測方式效率低，容易出錯。本文提出的電子產品自動化測試系統基于NI公司的虛擬儀器技術，采用NI ELVIS作為數據采集卡，集成了12種傳統測量儀器，以LabVIEW軟件編程對采集卡進行編程，通過軟件控制電子產品測試流程和公式計算，實現了多種類型電子產品的高效自動化測量，為中小型企業的產品測試線升級改造提供了可行的思路。