信朝陽
(北京電子工程總體研究所,北京 100854)
測試系統(tǒng)是電子產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)工具,并可為產(chǎn)品提供定期維護(hù),確保穩(wěn)定可靠工作。隨著電子產(chǎn)品的系列化、多樣化發(fā)展,傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)不能滿足日趨豐富的測試需求。一種快速研制、快速集成、快速配置、快速驗(yàn)證的自動化測試系統(tǒng)成為迫切需求[1]。
該系統(tǒng)提供自動化測試系統(tǒng)最基本的硬件架構(gòu)、測試軟件及可配置的功能特性,方便用戶根據(jù)應(yīng)用需求在該系統(tǒng)上構(gòu)建和配置所需的自動化測試系統(tǒng)。通過測試系統(tǒng)自檢測試,實(shí)現(xiàn)對該系統(tǒng)的功能和性能檢查,進(jìn)而直接在該平臺上實(shí)現(xiàn)通用架構(gòu)到專用測試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換[2-3]。
自動化測試系統(tǒng)的基本組成單元包括信號預(yù)處理單元、信號模擬單元、信號測量單元、能源激勵單元、高頻激勵單元、通斷檢測單元、主控調(diào)度單元,單元設(shè)備之間通過LXI(LAN extension for instrumentation)總線實(shí)現(xiàn)控制和聯(lián)絡(luò)[4]。根據(jù)被測對象的復(fù)雜程度和測試需求,可對單元設(shè)備進(jìn)行增加和完善,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源的配置。單元設(shè)備的基本組成包括PXI(PCI extension for instrumentation)總線機(jī)箱、主控模塊、電源模塊、多種可配置功能模塊,單元設(shè)備運(yùn)行在具有微秒級延遲的Windows+RTX(real-time extention)操作系統(tǒng)[5-6],功能模塊間通過PXI總線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。根據(jù)被測對象的自身特點(diǎn)和資源需求,可通過軟件對功能模塊進(jìn)行配置進(jìn)而改變輸入輸出特性,或者通過插接功能模塊實(shí)現(xiàn)測試資源的擴(kuò)充。測試系統(tǒng)軟件采用開放式的架構(gòu),基本組成為通用測試資源和測試軟件平臺,可擴(kuò)展為滿足不同被測對象的專用資源和利用測試軟件平臺生成的測試程序集。軟件采用具有Real-Time功能的LabVIEW圖像化語言開發(fā)[7]。
測試系統(tǒng)的典型工作過程具體包括加電激勵響應(yīng)測試和不加電的靜態(tài)測試2種:
加電激勵響應(yīng)測試過程描述如下:在主控調(diào)度單元的控制下,按照被測對象的工作原理,利用信號激勵單元向被測對象輸出激勵信號,控制信號預(yù)處理單元將被測對象返回的響應(yīng)信號傳輸至信號測量單元,實(shí)現(xiàn)對測試過程產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)的監(jiān)控,信號測量單元將獲得的被測對象返回的數(shù)字量和模擬量與標(biāo)準(zhǔn)解合格范圍進(jìn)行對比[8-9]。
不加電靜態(tài)測試過程描述如下:由主控調(diào)度單元控制通斷檢測單元,按照事先配置好的接點(diǎn)關(guān)系和被測對象的電路類型,選擇合適的測試測量方法,進(jìn)而獲得點(diǎn)與點(diǎn)之間的靜態(tài)阻值,再利用已配置的標(biāo)準(zhǔn)解文件對測量結(jié)果進(jìn)行判讀。
可配置自動化測試系統(tǒng)具體硬件組成圖1所示,其中能源激勵單元直接選擇具有網(wǎng)絡(luò)控制功能的商用電源,電壓輸出范圍、功率輸出范圍、紋波大小等性能指標(biāo)符合系統(tǒng)要求即可;通斷檢測單元由三用表模塊和矩陣開關(guān)模塊配合實(shí)現(xiàn)通斷檢測功能,三用表模塊負(fù)責(zé)阻值的測量,矩陣開關(guān)模塊負(fù)責(zé)被測信號的通道切換;其余4種功能模塊的原理和工作過程在下面章節(jié)展開描述。
信號預(yù)處理單元如圖2所示,在后面板對被測信號進(jìn)行了分區(qū)處理,分別為供電信號、數(shù)字通訊信號、模擬量信號、開關(guān)量信號。被測信號分別通過信號調(diào)理模塊和矩陣開關(guān)模塊的處理和轉(zhuǎn)接從前面板轉(zhuǎn)接至其他測量設(shè)備。主控模塊通過PXI總線實(shí)現(xiàn)對信號調(diào)理模塊和矩陣開關(guān)模塊的控制,主控模塊上電后自動執(zhí)行配置軟件,配置軟件將配置信息發(fā)送至調(diào)理模塊和矩陣開關(guān)模塊。當(dāng)配置信息需要更改時,在本機(jī)完成濾波形式選擇、運(yùn)放比例設(shè)置、映射表的配置,重新啟動后信號的映射關(guān)系、信號調(diào)理形式按約定發(fā)生改變。其中矩陣開關(guān)模塊可實(shí)現(xiàn)128對128的單點(diǎn)映射或單點(diǎn)對多點(diǎn)映射,信號調(diào)理模塊可對3~27 V典型模擬量信號的濾波和轉(zhuǎn)換。與現(xiàn)有信號預(yù)處理單元相比,增加了調(diào)理功能和映射關(guān)系的靈活設(shè)置。
信號預(yù)處理單元涉及的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)主要是信號調(diào)理模塊和矩陣開關(guān)模塊的設(shè)計(jì),調(diào)理模塊通過數(shù)字可調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器和衰減器對電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換、通過搭建典型濾波電路和多路選擇開關(guān)的配合實(shí)現(xiàn)對3.3,5,12,27 V等信號的濾波處理,矩陣開關(guān)模塊由FPGA、4選1模擬開關(guān)、32選1模擬開關(guān)組成,F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的配置命令、控制模擬開關(guān)完成被測接點(diǎn)到測量接點(diǎn)間的映射[10-11]。
信號測量單元如圖3所示,通過背板總線實(shí)現(xiàn)對數(shù)字通訊模塊、三用表模塊、AD(analog-to-digital)采集模塊、圖像采集模塊的控制。功能模塊為通用化產(chǎn)品,模塊的類型和數(shù)量可根據(jù)需求進(jìn)行增減,選用滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸和PXI總線形式產(chǎn)品即可。各功能模塊的工作過程受主控模塊的統(tǒng)一調(diào)度,由上層應(yīng)用程序完成數(shù)據(jù)的實(shí)時處理、信號顯示、文件存儲等工作。數(shù)字通訊模塊的功能是對RS-422,RS-485,1553B等數(shù)字信號進(jìn)行監(jiān)測并實(shí)時解析關(guān)鍵數(shù)字信號,三用表模塊的功能是對0~30 V電壓信號進(jìn)行測量并實(shí)時提取紋波、幅值等特征信息,AD采集模塊的功能是對0~10 V正弦波、方波、鋸齒波等波形信號進(jìn)行測量并實(shí)時提取周期、占空比等特征信息,圖像采集模塊的功能是對小于256×256字節(jié)的圖像信號進(jìn)行監(jiān)測并對圖像進(jìn)行實(shí)時顯示。
信號測量單元涉及的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)主要在于軟件的設(shè)計(jì),如何實(shí)現(xiàn)多參量并行測量的同時保證數(shù)據(jù)處理和顯示的實(shí)時性。并行測試通過多線程方式解決,實(shí)時性通過Windows+RTX的實(shí)時擴(kuò)展實(shí)現(xiàn),同時保持Windows圖形化顯示的特點(diǎn)。所有具有實(shí)時性要求的處理過程在RTX下完成,而需要顯示的處理結(jié)果通過共享內(nèi)存的方式傳遞到Windows操作系統(tǒng)下,進(jìn)而完成參數(shù)的同步顯示[12]。
高頻激勵單元如圖4所示,通過背板總線實(shí)現(xiàn)對上變頻模塊、信號調(diào)制模塊、輸出模塊、下變頻模塊、信號解調(diào)模塊以及輸入模塊的控制,主控模塊上電自動執(zhí)行默認(rèn)配置,使各功能模塊處于預(yù)定工作狀態(tài),當(dāng)需要更改輸出射頻信號或輸入信號處理時,主控調(diào)度單元與高頻激勵單元通過約定通訊協(xié)議進(jìn)行信息交互,射頻信號的收發(fā)處理按約定發(fā)生改變。其中基帶模塊用于產(chǎn)生30 MHz的中頻信號,上變頻模塊的作用是將中頻信號上變頻到1~20 GHz,信號調(diào)制模塊的功能是對射頻信號進(jìn)行脈沖或噪聲形式的調(diào)制,輸出模塊負(fù)責(zé)輸出通道的選擇、輸出功率的調(diào)節(jié),下變頻模塊是將接收的射頻信號下變頻至30~50 MHz,信號解調(diào)模塊是將接收的射頻信號解調(diào)為連續(xù)波信號,信號輸入模塊負(fù)責(zé)輸入通道的選擇、輸入功率的調(diào)節(jié)。
射頻模擬裝置涉及的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)主要在于電磁兼容性的設(shè)計(jì),系統(tǒng)內(nèi)部的功能模塊設(shè)計(jì)具有抗干擾能力,通過合理的布線、功能分區(qū)、有效防護(hù)來解決;系統(tǒng)對外的電磁輻射抑制,通過機(jī)箱結(jié)構(gòu)的密閉設(shè)計(jì)、搭接部位的導(dǎo)電處理、合理可靠的接地來保證。
信號模擬單元如圖5所示,包括通訊功能模塊、模擬量輸出模塊、開關(guān)量模擬模塊、電阻模擬模塊、負(fù)載模擬模塊等功能模塊,主控模塊負(fù)責(zé)對各功能模塊的配置和調(diào)度,配置信息以表格的形式存儲在主控模塊中,通過背板總線將配置信息燒寫至各功能模塊,當(dāng)變更配置信息后,需要重新啟動設(shè)備,信號的輸出形式按約定發(fā)生改變。通訊模塊可接收并應(yīng)答指定格式數(shù)據(jù),模擬量輸出模塊可輸出-30~30 V的電壓,開關(guān)量模塊可輸出通斷信號,電阻模擬模塊可模擬0~10 MΩ阻值,負(fù)載模擬模塊可進(jìn)行大小功率電阻切換,各模塊間通過LVDS總線實(shí)現(xiàn)信號關(guān)聯(lián)輸出。
信號模擬單元涉及的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)在于硬件電路的設(shè)計(jì),通訊模塊可重復(fù)配置通訊命令集,將需要響應(yīng)的命令以及應(yīng)答數(shù)據(jù)存儲在EEPROM(electrically erasable programmable read only memory)中,可通過FPGA(field-programmable gate array)重復(fù)燒寫;模擬信號由FPGA、數(shù)字變阻器和直流電源組成,F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)控制數(shù)字變阻器完成分壓進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié);電阻模擬模塊由FPGA、矩陣開關(guān)、多檔位電阻組成,F(xiàn)PGA控制矩陣開關(guān)完成電阻類型的切換;負(fù)載模擬模塊由繼電器、功率電阻組成,通過控制繼電器實(shí)現(xiàn)功率電阻的選擇。
系統(tǒng)軟件采用具有Real-time功能的LabVIEW語言開發(fā),一種圖形化的開發(fā)環(huán)境,它擁有基于配置的工具和強(qiáng)大的編程開發(fā)能力,適合用于開發(fā)帶有專業(yè)用戶界面的測量、分析與控制應(yīng)用,用戶可以在短時間內(nèi)定制自己測試系統(tǒng)同時降低系統(tǒng)的復(fù)雜度,相較于傳統(tǒng)開發(fā)方式節(jié)約時間和成本。
各組合設(shè)備采用一次開發(fā)重復(fù)配置的工作模式,因此選用Windows+RTX操作系統(tǒng),前端交互界面工作Windows下,負(fù)責(zé)接收用戶的輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)的實(shí)時顯示,后端時序控制工作在RTX下,兩者通過共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)信息的交互,通過事件同步來實(shí)現(xiàn)訪問的沖突控制,二者分工協(xié)作,保證實(shí)時性的同時又滿足人機(jī)交互的需求。
自動化測試軟件采用具有與被測對象測試流程與項(xiàng)目無關(guān)性設(shè)計(jì)。具體包括測試框架、測試設(shè)備驅(qū)動、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)字通訊模塊。測試軟件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖6所示。
測試框架模塊實(shí)現(xiàn)主控管理功能、測試執(zhí)行功能、測試數(shù)據(jù)管理功能,可獨(dú)立運(yùn)行的測試任務(wù)與流程配置管理功能。主控管理功能通過良好的人機(jī)交互界面對各軟件功能進(jìn)行調(diào)用管理,能夠?qū)崿F(xiàn)軟件登錄控制、測試任務(wù)選擇功能;測試執(zhí)行功能具有對測試流程的讀取、解析與控制功能,通過測試執(zhí)行控制界面的人機(jī)交互,實(shí)現(xiàn)測試執(zhí)行的單步與連續(xù)控制、暫停與繼續(xù)控制、中斷、跳轉(zhuǎn)、重復(fù)等控制功能;測試數(shù)據(jù)管理功能完成對數(shù)據(jù)庫中不同數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納管理,以及不同查詢條件的數(shù)據(jù)顯示與導(dǎo)出功能,具有良好的人機(jī)交互界面,顯示清晰直觀;測試任務(wù)與流程配置功能實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈測試任務(wù)的配置與管理,生成具備測試流程信息的任務(wù)菜單,實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈各測試流程中的測試項(xiàng)目(測試點(diǎn))的配置與管理功能。
具備測試設(shè)備驅(qū)動模塊動態(tài)接入功能,操作各單元設(shè)備同操作本機(jī)設(shè)備一樣,同時便于擴(kuò)展。當(dāng)新增外部設(shè)備時,將模塊的軟件控制接口二次封裝形成形式統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口,并進(jìn)一步編譯鏈接形成動態(tài)庫。主控調(diào)度單元通過軟件的配置選擇即可實(shí)現(xiàn)對新增設(shè)備的操控[13]。
具備數(shù)據(jù)處理模塊動態(tài)接入功能,數(shù)據(jù)處理模塊包括測試數(shù)據(jù)圖形處理與數(shù)字量數(shù)據(jù)處理功能。由于各電子產(chǎn)品的通信協(xié)議不同、標(biāo)準(zhǔn)解的設(shè)置不同、圖形化的顯示需求不同,因此設(shè)置數(shù)據(jù)處理模塊對不同的被測對象的測試結(jié)果數(shù)據(jù)做差異化的處理[14-15]。
數(shù)字通訊模塊功能定義為專用的特殊功能模塊,包括各儀器設(shè)備相關(guān)的測試參數(shù)配置、各儀器設(shè)備的驅(qū)動控制及相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)字量解析處理及模擬量參數(shù)獲取等,各功能模塊均以動態(tài)連接庫形式實(shí)現(xiàn),被通用測試系統(tǒng)軟件平臺調(diào)用。
基于最小測試項(xiàng)目配置專用測試節(jié)點(diǎn),如選擇測試儀器、測試通道、采樣率、采集時間、標(biāo)準(zhǔn)解等;在根據(jù)被測對象的組成單元劃分測試項(xiàng)目,測試項(xiàng)目由多個測試節(jié)點(diǎn)組成,如初始狀態(tài)測試、通訊過程測試、工作結(jié)果獲取等;近一步根據(jù)被測對象的狀態(tài)劃分典型測試任務(wù),測試任務(wù)由各個測試項(xiàng)目組成,如控制系統(tǒng)測試、執(zhí)行機(jī)構(gòu)測試、探測裝置測試等。
配置好的測試任務(wù)可連續(xù)執(zhí)行,每個測試節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時間,與后續(xù)測試節(jié)點(diǎn)間的延遲時間,測試過程的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)解析處理、標(biāo)準(zhǔn)解判讀、測試報(bào)表的自動生成、測試結(jié)果的自動導(dǎo)出等過程只需要一個控制命令或一次鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作即可完成,過程中的異常處理也不需要人為干預(yù),均可自動完成。
與傳統(tǒng)的自動化測試系統(tǒng)相比,可配置自動化測試系統(tǒng)的特點(diǎn)在于它的可配置性,實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)也在于如何實(shí)現(xiàn)硬件、軟件的快速配置,形成滿足不同被測對象的測試任務(wù)。本文所論述的設(shè)計(jì)方法具有現(xiàn)實(shí)可行性和廣闊的應(yīng)用前景。
與傳統(tǒng)自動化測試系統(tǒng)相比,系統(tǒng)可測試對象更豐富,但系統(tǒng)的復(fù)雜度未增加,系統(tǒng)開發(fā)成本相對于傳統(tǒng)專用測試系統(tǒng)略有提升。采用的創(chuàng)新的技術(shù)設(shè)計(jì)思路,但硬件電路設(shè)計(jì)技術(shù)成熟、可操作可實(shí)現(xiàn)、不存在風(fēng)險(xiǎn);軟件成熟度較高,在傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加配置功能。因此,可配置自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式可行。
可配置自動化測試系統(tǒng)可應(yīng)用于各種類型電子產(chǎn)品的測試,根據(jù)被測對象的特點(diǎn),通過擴(kuò)展單元設(shè)備、更改單元設(shè)備配置、更改測試軟件的配置,即可實(shí)現(xiàn)專用測試系統(tǒng)的快速搭建和快速轉(zhuǎn)化,相較于傳統(tǒng)的自動化測試系統(tǒng)研制,周期和成本極大降低,收益率顯著提升。
自動化測試系統(tǒng),尤其是可配置自動化測試系統(tǒng)是當(dāng)前電子產(chǎn)品研制過程的迫切需求。本文針對這一需求開展了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作,分別從軟硬件角度開展工作,硬件平臺可擴(kuò)展,組合產(chǎn)品可配置;系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于通用框架結(jié)構(gòu),采用功能模塊劃分的方式實(shí)現(xiàn)豐富的功能。本文提出的設(shè)計(jì)思想可為實(shí)際工程應(yīng)用提供借鑒和參考。
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