基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)設(shè)計

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(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

某軍用配電器在調(diào)試階段沒有配套的自動化測試工裝，在應(yīng)力篩選工序中需要多臺抖動儀器，連接器種類繁多，接線復(fù)雜，給人工測量增加了難度，工作量大的同時人工出錯率的風(fēng)險較高。隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)逐漸占據(jù)測試領(lǐng)域的主導(dǎo)地位[1]。在測試系統(tǒng)中引入虛擬儀器技術(shù)作為軟件平臺，利用其圖形化編程的特點，針對不同的測試要求編寫虛擬測試面板，可以快速組建出一套具有良好人機交互界面的測試系統(tǒng)[2]。本文設(shè)計研發(fā)一種基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)。

該自動測試系統(tǒng)的測試效率較高，能夠完成配電器的多項測試要求以及振動試驗信號的監(jiān)測，并具備時間測量、電阻測量、繼電器通斷檢查、供電及供電控制等功能，同時測試過程自動完成，對測試數(shù)據(jù)自動進行采集、存儲、判讀，為配電器的生產(chǎn)提供調(diào)試、測試[3]?；谙到y(tǒng)軟硬件的可擴展功能，可以通過硬件機箱的板卡配置以及軟件的編寫來滿足未來同類型配電器的測試需求。所以該自動測試系統(tǒng)的研制具有非常重要的意義，不需要重復(fù)接線，降低了工作人員的工作強度，減少人為的誤操作，提高了測試精度和勞動效率，在測試過程中，操作更為簡便，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更為清晰，實現(xiàn)了無人看守，安全穩(wěn)定的運行，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 測試系統(tǒng)功能概述

該自動化測試系統(tǒng)是基于PXI總線模塊集成開發(fā)的一套自動化測試設(shè)備。基于配電器的共同測試特點，以PXI總線技術(shù)和高性能測試板卡為平臺，通過獨立的轉(zhuǎn)接機箱，來實現(xiàn)時間測量、電阻測量、繼電器通斷檢查、供電及供電控制等功能，并可以對測試數(shù)據(jù)進行采集、存儲、判讀。根據(jù)產(chǎn)品的特點和測試要求，測試系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：

1)系統(tǒng)具備功能測試、調(diào)試和振動試驗中的抖動監(jiān)測功能；

2)完成延遲時間測量、電阻測量、繼電器通斷檢查等；

3)對歷史數(shù)據(jù)進行回訪，并可完成統(tǒng)計分析；

4)主控計算機與測試系統(tǒng)進行連接，實現(xiàn)控制和測試功能；

5)測試數(shù)據(jù)直接報表打印輸出；

6)系統(tǒng)具有自檢和故障提示功能；

7)系統(tǒng)人機界面友好，操作簡便；

8)軟件模塊獨立性好，測試流程可擴展，易于維護。

用戶外部可通過鍵盤、鼠標給設(shè)備中的嵌入式計算機主板輸入指令，計算機主板接受到外部的指令后，按照指令自動執(zhí)行測試流程，進而實現(xiàn)對各項產(chǎn)品技術(shù)指標的測試和分析。

測試系統(tǒng)是集成有嵌入式控制器、多種測試板卡、信號調(diào)理電路、系統(tǒng)軟件的綜合測試系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析處理功能，并且具有一定的通用性，系統(tǒng)可配置不同的信號轉(zhuǎn)接箱實現(xiàn)對不同類型配電器產(chǎn)品的綜合能力測試。信號轉(zhuǎn)接箱是針對產(chǎn)品測試需求設(shè)計的信號轉(zhuǎn)接模塊，使用時通過測試電纜將被測產(chǎn)品與測試系統(tǒng)連接。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原理及組成

測試系統(tǒng)所需測試板卡集成在PXI機箱中，通過PXI總線和嵌入式控制器進行數(shù)據(jù)交換和管理。系統(tǒng)設(shè)備組成如圖1所示。

圖1 測試設(shè)備組成框圖

其中電源采用固緯PSU60-25程控直流電源，功率最高可達1520 W，額定電壓6～60 V可調(diào)。矩陣開關(guān)、數(shù)字萬用表和數(shù)字I/O板卡通過PXI機箱背板總線與PC進行數(shù)據(jù)交換和保存。信號調(diào)理板選用ULN2803驅(qū)動繼電器，該器件具有集電極開路輸出和續(xù)流二極管，用于抑制躍變。在線圈兩端接發(fā)光二極管，通過數(shù)字I/O進行選通，對應(yīng)繼電器吸合，同時發(fā)光二極管點亮，表明繼電器已經(jīng)上電。進而控制產(chǎn)品內(nèi)部繼電器觸點閉合，完成邏輯關(guān)系，同時采集節(jié)點電平，判斷產(chǎn)品功能是否正常。

1.3 NI板卡選擇

1.3.1 數(shù)字萬用表及矩陣開關(guān)

電阻以及常閉點測試需要數(shù)字萬用表和矩陣開關(guān)共同完成。矩陣開關(guān)選用NI PXIe-2737，用于自動化測試系統(tǒng)內(nèi)的高密度矩陣開關(guān)模塊。模塊配置為一個4x64的雙線矩陣，可用于執(zhí)行即時開關(guān)操作。每個通道使用的繼電器可切換高達100 VDC/100 VAC的電壓和2 A的電流。

數(shù)字萬用表選用NI PXI-4072，具有3種常見儀器功能：7位半萬用表、LCR表和1.8 MS/s隔離數(shù)字化儀，它提供了各種通用的測量功能，包括電壓、電流、電容、電感、溫度和電阻等20種最常用的ATE測量。模塊集各種測量功能于一身，既降低了測試系統(tǒng)的規(guī)模和成本，又提高了系統(tǒng)的處理能力，縮短了測試的開發(fā)時間[5]。

1.3.2 數(shù)字I/O模塊

數(shù)字I/O模塊選用NI PXI-7811r提供多路可程控的數(shù)字輸入輸出信號，具有高密度的特點，實現(xiàn)多路控制的雙向操作。該模塊具有NI可重構(gòu)I/O技術(shù)，能夠使用可重配置現(xiàn)場可編程門陣列芯片和NI LabVIEW圖形開發(fā)工具定義自己的定制測量硬件電路。NI R系列多功能設(shè)備通過將該FPGA技術(shù)與8個模擬輸入，8個模擬輸出和96個數(shù)字I/O線集成在一起，提供了最佳的價值和性能組合。使用LabVIEW FPGA模塊，可以創(chuàng)建自己的硬件特性，用于自定義數(shù)據(jù)采集，高速控制，數(shù)字通信協(xié)議以及傳感器仿真。

1.4 信號調(diào)理板設(shè)計

信號調(diào)理板由ULN2803達林頓晶體管陣列、多個歐姆龍G6A繼電器構(gòu)成。電路如圖2所示。以繼電器K1,2為例，數(shù)字I/O端產(chǎn)生3.3 V電壓，連接達林頓管1腳輸入 ，18腳為輸出，驅(qū)動繼電器，繼電器線圈一端接電源正，另一端接18腳。1腳加3.3 V高電平，微型繼電器吸合，程控電源輸出的28 V電壓加到產(chǎn)品內(nèi)部繼電器，使其觸點閉合，回采電平。

圖2 信號調(diào)理板原理圖

達林頓晶體管ULN2803具有八路NPN，適用于低邏輯電平數(shù)字電路和較高的電流/電壓要求的接口，廣泛應(yīng)用于計算機和工業(yè)中的繼電器或其它類似負載中。所有器件具有集電極開路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803片內(nèi)有8路驅(qū)動器，腳1-8分別是這8路驅(qū)動器的輸入，ULN2803的設(shè)計與標準TTL系列兼容，而ULN2804最適于6至15伏高電平CMOS或PMOS。腳1-18分別是8路驅(qū)動器輸出。輸出是OC門，集電極，VCE=50 V，驅(qū)動電流500 MA?？芍苯域?qū)動感性負載繼電器等。片內(nèi)8路輸出都帶有續(xù)流二極管，從10腳并聯(lián)接出。使用時9腳接地，驅(qū)動繼電器時10腳接繼電器驅(qū)動正電源[6]。

G6A微型繼電器的型號是G6A-274P-ST-US,抗電磁干擾性能強，可實現(xiàn)高密度安裝?？箾_擊耐壓1500 V·FCC規(guī)格標準，實現(xiàn)耐高壓。而且低接點振動，可以發(fā)揮高接觸可靠性，用途廣泛。其可供選擇的線圈額定電壓有3～24 V，這里選擇5 V作為繼電線圈的額定電壓。閉合微型繼電器，進而控制產(chǎn)品內(nèi)對應(yīng)繼電器觸點的閉合，記錄數(shù)據(jù)，完成測試。

1.5 信號轉(zhuǎn)接箱設(shè)計

信號轉(zhuǎn)接箱采用標準19英寸機箱，高度5 U，深480 mm。信號轉(zhuǎn)接箱設(shè)計的關(guān)鍵是通過信號調(diào)理板將信號進行轉(zhuǎn)接、切換和顯示。對于電阻測試，采用四線連接，當選擇100歐姆量程時，四線電阻的測量精度可以達到0.010%讀數(shù)+0.004%FS。對于功能測試，采用數(shù)字I/O板卡采集測試節(jié)點電平，產(chǎn)品內(nèi)部繼電器由程控電源輸出28 V驅(qū)動，節(jié)點電壓通過10 K和1.2 K電阻分壓，當采集電壓為3.0 V±3 V時，視為繼電器功能正常。信號轉(zhuǎn)接箱的前面板設(shè)計以使用方便為原則，兼顧美觀。

2 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計概述

系統(tǒng)的軟件部分基于Windows系統(tǒng)平臺，采用LabVIEW高級語言進行編程。利用虛擬儀器的圖形化編程，完成對配電器的控制，數(shù)據(jù)的分析和顯示。用戶可以根據(jù)需要進行操作面板的編程與設(shè)計，使得系統(tǒng)具有很高的靈活性和簡易的操作性，又能節(jié)省大量的人力和物力。

自動測試系統(tǒng)軟件部分包括計算機操作系統(tǒng)軟件、設(shè)備底層驅(qū)動軟件和高層應(yīng)用軟件等組成，其軟件界面流程圖如圖3所示。

圖3 軟件界面流程圖

測試應(yīng)用軟件將提供測試、數(shù)據(jù)庫管理、系統(tǒng)自檢等功能。在測試功能中，將設(shè)有功能測試、調(diào)試和振動試驗監(jiān)測等功能。其中功能測試將包括繼電器常閉點測試、繼電器功能測試、延遲時間測試、電阻測試以及繼電器常閉點測試。調(diào)試功能主要包括延遲時間調(diào)試和磁保持繼電器的調(diào)試。測試主要完成自動測試功能，手動調(diào)試功能和試驗監(jiān)測功能，以及系統(tǒng)自檢功能。根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場合，將分別設(shè)計單獨的測試界面，調(diào)試界面和試驗監(jiān)測界面，對特定的參數(shù)采用不同的顯示方式。

在測試過程中，對關(guān)鍵操作進行提示，并有防止誤操作的功能，對不正常的參數(shù)和不正常的狀態(tài)，設(shè)有紅色報警提示，并根據(jù)合格范圍，提示超差范圍。測試軟件操作界面除有正常的啟動、停止按鍵外，將根據(jù)需要設(shè)定強制停止按鍵。數(shù)據(jù)管理軟件包括試驗數(shù)據(jù)和用戶的管理，試驗數(shù)據(jù)指試驗信息、測試數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息等，用戶管理將用戶分為不同級別，并采用密碼登錄的方式，確保數(shù)據(jù)的安全性。試驗數(shù)據(jù)管理包括試驗數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、試驗報表輸出、打印等功能。

整個軟件開發(fā)將遵從軟件開發(fā)規(guī)范進行代碼測試和功能測試，以確保軟件的正確性。軟件在確保概要設(shè)計、詳細設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成代碼編寫和代碼測試工作。對重點操作狀態(tài)采取狀態(tài)回讀功能，確保系統(tǒng)執(zhí)行的正確性。

2.2 上位機界面設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件方面的編寫基于LabVIEW的數(shù)據(jù)流編程思想進行設(shè)計。利用虛擬儀器的特點，將程序模塊化。根據(jù)不同功能使用各種模塊，最后組建出一整套系統(tǒng)。上位機為用戶提供了良好的人機交互界面，操作便捷，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)清晰。在編寫中使用狀態(tài)機模塊能夠滿足主程序結(jié)構(gòu)的需要。狀態(tài)機由While循環(huán)、移位寄存器和條件結(jié)構(gòu)3個部分組成的，其中While循環(huán)保證了程序可持續(xù)運行；條件結(jié)構(gòu)各個分支內(nèi)的代碼描述了系統(tǒng)不同狀態(tài)；移位寄存器則將上一次狀態(tài)所做出的結(jié)果傳遞到下一次狀態(tài)中，使系統(tǒng)的各個功能以狀態(tài)的方式順序執(zhí)行，保證了程序的可讀性，也為將來系統(tǒng)更新升級提供了很強的擴展性[7]。系統(tǒng)測試界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)測試界面

2.3 下位機驅(qū)動設(shè)計

系統(tǒng)的測試實驗需要控制產(chǎn)品配電器內(nèi)繼電器的通斷，并采集節(jié)點的參數(shù)，產(chǎn)品內(nèi)繼電器的通斷由信號調(diào)理板控制切換，而信號調(diào)理板則需要數(shù)字I/O模塊來控制通斷?？刂瞥绦蛉鐖D5所示。系統(tǒng)的測試單元實驗較多，但是大致流程是一致的。以功能測試為例，在測試之前上電，執(zhí)行初始化，確保全部繼電器處于斷開狀態(tài)，然后依次切換閉合繼電器，采集測試節(jié)點電壓，若節(jié)點電壓在3.0 V(±3 V)內(nèi)，視為繼電器功能正常。直到所有繼電器測試完畢，實驗結(jié)束，將實驗結(jié)果寫入報表，繼續(xù)下一個項測試。

圖5 主程序狀態(tài)及模塊

程控電源、矩陣開關(guān)和數(shù)字萬用表的驅(qū)動程序由官方提供，功能齊全，可以由自己編寫所需的功能，方便主程序的調(diào)用。所謂驅(qū)動程序，就是一組VI，每組VI都包含了硬件設(shè)備的各種基礎(chǔ)功能。驅(qū)動VI可以由一個或者多個程序組成。矩陣開關(guān)的VI程序，首先配置矩陣開關(guān)，選擇2線電阻的測量方式，閉合一組通道例如：r0c0，通過萬用表讀取電阻值并顯示，最后斷開開關(guān)。

3 系統(tǒng)的測試實驗

虛擬儀器技術(shù)最顯著的特點就是利用軟件代替硬件，降低開發(fā)成本。本測試系統(tǒng)的人機交互界面友好，用戶可以手動設(shè)置參數(shù)，并且實時的觀察測試數(shù)據(jù)，操作方式與傳統(tǒng)儀器的操作方式相似。系統(tǒng)中包含多種測試，每種測試都需要生成報表，用來記錄每項測試的數(shù)據(jù)。同時界面上也可以顯示測試狀態(tài)，如果測試出現(xiàn)異常，則報警燈變亮，用戶可以根據(jù)需要選擇終止測試或者繼續(xù)下一項測試[8]。

3.1 功能測試及延遲測試

功能測試是對產(chǎn)品內(nèi)繼電器能否正常工作進行測試。通過上位機發(fā)送上電指令，數(shù)字I/O模塊的電平變高產(chǎn)生3.3 V電壓，信號調(diào)理板上的繼電器導(dǎo)通，把28 V的加到產(chǎn)品內(nèi)相應(yīng)繼電器兩端，觸點閉合，測試節(jié)點經(jīng)過10 K和1.2 K電阻分壓，得到3.3 V電壓，數(shù)字I/O的輸入端把2.7～3.3 V視為高電平，低于2.7 V視為低電平，并通過PXI總線與上位機進行數(shù)據(jù)交換，將測量到的節(jié)點電平送回上位機顯示，根據(jù)測試邏輯判斷該繼電器是否正常工作。若繼電器未正常工作，則報警燈變紅，操作人員可選擇終止測試或繼續(xù)測試。經(jīng)實驗測試證明，系統(tǒng)能控制和切換產(chǎn)品內(nèi)每組繼電器閉合或斷開，能采集每組繼電器一個或多個測試節(jié)點的電平并根據(jù)測試要求顯示結(jié)果。

延遲測試是為了檢測產(chǎn)品內(nèi)的延遲繼電器的延遲時間是否處于合格范圍。若延遲時間在80±5 ms的范圍之內(nèi)為合格。在測試過程中，要求需要程控電源電壓拉偏，分別為25 V、28 V、31 V，各測出其延時時間是否在80±5 ms內(nèi)。在上電前，節(jié)點處于斷開狀態(tài)，數(shù)字I/O模塊輸入“1”態(tài)。通過上位機給出上電指令后，延時起始繼電器閉合，開啟計數(shù)器，待終末繼電器閉合后，數(shù)字I/O模塊輸入“0”態(tài)，結(jié)束計數(shù)器，進而測量繼電器延遲時間。經(jīng)實驗測試證明，在3種電壓下的延時時間均在合格范圍之內(nèi)，產(chǎn)品內(nèi)延時繼電器功能正常。

3.2 振動測試

振動試驗時，產(chǎn)品在振動儀上分別進行X，Y，Z三個方向的測試，每組測試5分鐘。主控計算機通過數(shù)字I/O模塊完成對全部繼電器的加電控制，使產(chǎn)品內(nèi)共80路繼電器全部閉合，對所有觸點進行并行的監(jiān)測，并實時測量繼電器的抖動時序，采集記錄每一個觸點的抖動情況。測試精度為10 μs(±0.5 μs)。若繼電器觸點發(fā)生抖動，記錄抖動發(fā)生時刻，抖動的觸點和抖動時間等參數(shù)，便于操作人員故障排除。繼電器發(fā)生抖動時，數(shù)字I/O模塊接收到觸發(fā)信號，開啟計數(shù)器，計算觸點斷開時間并判斷電器是否故障。若斷開時間大于10 μs，則繼電器故障，輸出“1”態(tài)。反之則正常，輸出“0”態(tài)[9]。抖動模塊時序圖如圖6所示。

圖6 抖動模塊時序圖

4 結(jié)束語

經(jīng)過實際應(yīng)用的結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)能夠滿足多種型號產(chǎn)品的測試要求。與人工測試相比，運行平穩(wěn)可靠，精度符合所要求的標準，并對以后的更新升級留有很大空間。

系統(tǒng)采用LabVIEW語言編程，開發(fā)周期短，自動化程度高，具有很強的抗干擾能力。在數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果分析方面，比其他語言更為方便[10]。

基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)，充分利用了先進的硬件資源，發(fā)揮了更高的開發(fā)效率。降低了測試人員的工作強度，提高了測試的精確度和效率。對于自動測試行業(yè)有著非常積極的推動作用。