基于LabVIEW與TestStand的通用板卡自動測試系統(tǒng)

于洪澤，賀永鵬，袁紹民，徐莉，張凱

（天津電氣科學研究院有限公司，天津300180）

隨著電路板復雜程度的增加，依靠測試人員使用示波器、萬用表、邏輯分析儀等設備對電路板卡進行人工測試的方式，已經(jīng)不能滿足大規(guī)模板卡產(chǎn)品化測試的需求［1］。針對人工測試存在測試過程繁瑣復雜、工作量大、可靠性低、人為因素大等缺點，本文提出了一種基于LabVIEW 與TestStand的通用板卡自動測試系統(tǒng)。

本測試系統(tǒng)采用圖形化編程語言LabVIEW與高效的測試流程執(zhí)行管理軟件TestStand進行編程，具有二次開發(fā)周期短、人機界面友好、可持續(xù)性開發(fā)、可維護性強、可靠性高、測試結(jié)果自動存儲等優(yōu)點，可大大提高板卡的測試效率與測試精度。

1 系統(tǒng)總體設計

要實現(xiàn)對多種類型電路板卡進行測試，需對各種被測板卡配置相應的測試夾具，即板卡與夾具一一對應。將電路板放置到測試夾具上，通過夾具上的探針實現(xiàn)電路板上的測試點與測試系統(tǒng)的連接。測試系統(tǒng)對電路板上某一功能電路的輸入通道施加激勵信號，檢測相應的輸出信號是否在設定的閾值范圍內(nèi)，并將測試結(jié)果自動存儲到對應文件中。通過更換相應夾具，可實現(xiàn)多種板卡的快速功能測試。

本文提出的測試系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、測試硬件平臺、上位機測試軟件3部分組成，測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the test system

供電系統(tǒng)為被測板卡提供電源。不同的被測電路板，所需的供電路數(shù)不同、電壓的大小也不同，因此采用程控可調(diào)電源，通過選通開關(guān)的切換滿足不同的電路對測試電源的需求。

測試硬件平臺有2 個主要功能：1）是產(chǎn)生電路板測試所需的各種激勵信號，如PWM波、模擬量信號、數(shù)字量電平信號等；2）是對被測電路板響應信號進行采集，實現(xiàn)對信號的幅值、頻率、脈沖寬度等項目的測試［2-3］。

上位機測試系統(tǒng)提供人機交互界面，一方面響應操作人員輸入的命令，輸出相應的控制向量，通過測試硬件平臺為被測板卡提供激勵信號；另一方面對測試硬件平臺采集的信號進行分析處理，與設定的閾值比較得出測試結(jié)論，并將測試結(jié)果自動存儲到測試報告中。

2 硬件系統(tǒng)設計

本測試系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖2 所示，包括工控機和IO接口設備。工控機選用NI公司的PXIe-8820 控制器，將該控制器集成到PXI Express機箱內(nèi)，構(gòu)成了一個高性能、可擴展的PC操作平臺；IO接口設備包括PXI接口模塊、GPIB儀器（2 臺程控電源和電子負載）、通道復用開關(guān)以及輔助控制模塊（CAN通訊、光纖通訊等）。

圖2 通用板卡自動測試系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.2 Block diagram of the automatic test system of circuit boards

2.1 PXI接口模塊

PXI接口模塊均基于PXI總線與工控機連接，包含PXI-6509 數(shù)字IO 卡、PXI-6528 工業(yè)IO 卡、PXI-4065 數(shù)字萬用表卡、PXI-2527 多路復用器、PXIe-6363 多功能數(shù)據(jù)采集卡、PXI-8432/4 串口通訊卡、PXI-GPIB卡。各PXI模塊主要功能如下：

1）IO 卡PXI-6509 與PXI-6528 用于開關(guān)信號的輸入與輸出；

2） DMM 數(shù)字萬用表卡PXI-4065 與PXI-2527用于測量信號的電壓、電阻、電流值；

3）多功能卡PXIe-6363用于輸出模擬量、方波信號，也用于測量方波信號的頻率；

4）串口通訊卡PXI-8432/4 用于實現(xiàn)RS232通訊。同時，測試系統(tǒng)配置232/485 轉(zhuǎn)換器用于實現(xiàn)RS485通訊［4］。

2.2 GPIB儀器模塊

本測試系統(tǒng)使用2臺高精度程控電源為被測板卡供電，E3645A 直流電源供電電壓范圍0～35 V，電流最大為2.2 A，電壓精度<0.05%+10 mV，電流精度<0.2%+10 mA；E3631A直流電源具有3路輸出，輸出電壓（電流）范圍分別是0～6 V（0～5 A），0～+25 V（0～1 A），0～-25 V（0～1 A）。其中輸出電流范圍0～5 A的電源，可作為霍耳電流傳感器功能檢測的激勵信號，通過采用分時復用結(jié)構(gòu)，最大可對6通道霍耳電流檢測回路進行測量。

2.3 通道復用開關(guān)

選用的NI 測試設備大部分只有單路測試能力，如數(shù)字萬用表卡PXI-4065只能測試一路電壓或電阻值，而被測電路板卡上需要測試的電壓與電阻往往多達幾十個，這就需要使用開關(guān)陣列實現(xiàn)測試通道復用，本測試系統(tǒng)的通道復用開關(guān)通過多路繼電器板卡實現(xiàn)。通道復用原理圖如圖3所示。

圖3 通道復用原理圖Fig.3 Schematic diagram of channel multiplexing

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件是本板卡測試系統(tǒng)的核心，既具有操作簡潔的人機交互界面，又能迅速有效地對硬件系統(tǒng)進行控制，同時還能對測試數(shù)據(jù)進行存儲，以便后續(xù)調(diào)用及分析處理。本板卡測試系統(tǒng)采用圖形化編程語言LabVIEW 與測試流程執(zhí)行管理軟件TestStand作為軟件開發(fā)平臺。

3.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)使用LabVIEW 作為平臺開發(fā)人機交互界面，使用TestStand作為平臺開發(fā)測試流程執(zhí)行序列，針對不同的被測板卡，在TestStand 中編寫相應的Sequence 序列文件，通過在Lab-VIEW 中調(diào)用TestStand 運行引擎，加載相應Sequence來完成測試。更換被測電路板類型時，軟件只需要加載不同的Sequence序列文件，即可完成對不同類型的電路板的測試。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of software system

3.2 TestStand簡介

TestStand 是美國國家儀器公司（National Instruments）推出的一款可即運行的測試管理軟件，用于組織、控制和執(zhí)行自動化測試與驗證系統(tǒng)。TestStand 具有強大的兼容性，可整合使用不同編程語言（如LabVIEW，LabWindows/CVI，Visual C/C++，Visual Basic .NET 和C#等）開發(fā)的測試程序，快速構(gòu)建測試序列［5-6］。TestStand基于一個高速的多線程執(zhí)行引擎構(gòu)建，其強大的性能可滿足測試系統(tǒng)嚴苛的吞吐量需求。同時該軟件的功能可完全由用戶自定義，用戶可自行對其進行修改與增強，以滿足各種特殊需求，如定制操作界面、生成自定義報告以及修改執(zhí)行序列等。實踐證明，該測試管理軟件具有模塊化程度高、開發(fā)流程簡單、使用方便與可維護性強等特點。

3.3 測試流程

測試系統(tǒng)針對不同的被測板卡，需配置相應的測試夾具，測試前將被測板卡放置到測試夾具上，手動按下測試開始按鈕啟動測試程序。測試程序先對硬件系統(tǒng)及各參數(shù)進行初始化，確認設備處于正常工作狀態(tài)，同時讀取測試夾具上限位開關(guān)的反饋信號狀態(tài)及測試夾具序列號，保證被測板卡放置的正確性。用戶在屏幕上選取板卡相應代號，即可配置對應的Sequence 序列，自動對被測板卡進行測試。測試過程中，將實際測試結(jié)果與預先存儲的理論值進行比較，判斷板卡功能是否滿足要求，并實時將測試結(jié)果保存到對應的測試報告中。測試完成后，將板卡測試是否通過顯示到人機交互界面上，同時點亮面板上相應的指示燈。系統(tǒng)測試流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試流程圖Fig.5 System testing flowchart

在軟件系統(tǒng)設計中，考慮測試系統(tǒng)維護人員與操作人員的不同需求，將用戶分為管理員和操作員兩類，二者操作權(quán)限不同。操作員只能進行測試操作，而管理員除了具有操作員的權(quán)限外，還有添加、刪除用戶信息、修改用戶密碼、系統(tǒng)流程配置等多種權(quán)限。

軟件系統(tǒng)中還設計了一個檢測出故障后是否繼續(xù)執(zhí)行的選項。當檢測出板卡故障時，可據(jù)此判斷是否繼續(xù)向下執(zhí)行測試命令。若將該判定參數(shù)設置為“1”，則在沒有發(fā)生重大故障（絕緣阻抗故障、電源電壓異常、通訊不正確等）的前提下，繼續(xù)對后續(xù)其他功能進行測試，最后才顯示故障點及測試未通過；若將該判定參數(shù)設置為“0”，則當檢測出板卡任一故障時，系統(tǒng)立即停止自動測試，人機界面顯示測試未通過，并顯示測試故障所在的通道位置，以便板卡維修人員對板卡故障進行修復。

4 結(jié)果分析

本文提出的通用板卡自動測試系統(tǒng)已經(jīng)成功用于某板卡的批量出廠測試。圖6 為本通用板卡自動測試系統(tǒng)的實物圖。以某斬波控制板為例，所需檢測的測試項目有：絕緣阻抗檢測、采樣電阻檢測、電源電壓檢測、通訊地址檢測、霍耳傳感器輸出電壓檢測、運算放大器功能檢測、觸發(fā)電路檢測、功率管開關(guān)狀態(tài)檢測、開關(guān)量檢測、光耦檢測、風機檢測以及Boost升壓電路檢測，共計12 項功能測試。通用板卡自動測試臺測試上述板卡所需時間為3 min 10 s；而對于有經(jīng)驗的測試工程師而言，測試該板卡花費的時間在20 min 以上。由此可見，相比傳統(tǒng)的人工測試，本通用板卡自動測試系統(tǒng)大大提高了板卡的測試效率。

圖6 通用板卡自動測試系統(tǒng)實物圖Fig.6 Physical map of the automatic test system of circuit boards

系統(tǒng)對板卡進行測試的過程中，測試結(jié)果實時地存儲到對應的測試報告中。圖7為某斬波控制板測試時生成的測試報告摘錄。

圖7 某斬波控制板測試報告摘錄Fig.7 Excerpt of a chopper control board test report

5 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)的人工板卡測試無法滿足大規(guī)模板卡產(chǎn)品化測試需求這一現(xiàn)狀，設計了一種基于圖形化編程語言LabVIEW 與測試流程執(zhí)行管理軟件TestStand 的通用板卡自動測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)具有易開發(fā)、易維護、高可靠、人機交互界面友好、操作簡單等特點，大大提高了板卡的測試效率，降低了板卡測試成本。本測試系統(tǒng)已部署在光伏逆變器板卡測試生產(chǎn)線上，用于板卡的批量測試。

［1］王大虎，張且且，孫一帆.基于LabVIEW的電路板自動測試系統(tǒng)設計［J］.工業(yè)控制計算機，2013，26（8）：42-43.

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［3］史賢俊，張樹團，張文廣，等.基于虛擬儀器的通用數(shù)字電路板測試系統(tǒng)設計［J］.計算機測量與控制，2011，19（6）：1263-1265.

［4］周亞，張艷.基于虛擬儀器的電路板測試系統(tǒng)［J］.制導與引信，2009，30（1）：56-60.

［5］于建林，唐曉莉，丁國興.基于TestStand的測試系統(tǒng)及應用［J］.國外電子測量技術(shù)，2004（2）：6-9.

［6］王浩偉，陳振林，錢進，等.基于TestStand 的計量軟件介紹［J］.計算機技術(shù)與應用，2009，29（6）：50-53.