如何構建通用電子產(chǎn)品功能測試平臺

文/上海帕西諾測控技術(shù)有限公司 吳益明 錢(qián)之欣 郭強 左容慶

本文分析當前電子產(chǎn)品測試中普遍存在的問(wèn)題，提出一套通用電子產(chǎn)品功能測試平臺，利用COM技術(shù)實(shí)現基于TestStand引擎開(kāi)發(fā)測試系統的流程編輯和執行功能，并結合國際上通用的ATLAS測試語(yǔ)言和IVI規范分別進(jìn)行測試流程和儀器驅動(dòng)的管理。近年來(lái)，測試平臺在多個(gè)項目中得到了實(shí)際應用，其中資源共享優(yōu)勢已經(jīng)得到了客戶(hù)們的充分認可。

1．概述

1.1背景

1.1.1目前現狀

縱觀(guān)國內外的電子產(chǎn)品測試系統，普遍存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

1)整個(gè)大系統的測試任務(wù)中，其統一性與整體性缺乏體系支持；

2)測試工藝、流程、標準不統一；

3)測試模塊的通用性、可移植性、可擴展性、可維護性較差；

4)測試人員問(wèn)的素質(zhì)不一；

5)不同人員測試不同階段，信息交流的程度不同；

6)測試數據的組織、存儲、管理和使用較為混亂，數字化程度較低；

7)數據的有效性、可靠性、可追溯性、共享度以及對數據的分析能力較差；

8)數據對于產(chǎn)生、審批、發(fā)布、變更、流通的支持度不夠；

9)生產(chǎn)效率偏低，導致單位生產(chǎn)成本較高。

以上問(wèn)題的出現，會(huì )降低電子產(chǎn)品的研制效率，導致項目進(jìn)度不可控，產(chǎn)品質(zhì)量保證難度加大。

1.1.2未來(lái)發(fā)展

新一代電子產(chǎn)品測試系統會(huì )朝著(zhù)通用化、標準化、組合化、網(wǎng)絡(luò )化的方向進(jìn)行發(fā)展。

結合現代自動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展，現代電子產(chǎn)品測試系統的測試技術(shù)必將產(chǎn)生深刻的變革，這主要表現在四個(gè)方面：

1)測試整體上，要求C3M一體化。C3M指的是控制(Control)、通信(Communication)、計算機(Computer)和測量(Measurement)；

2)測試平臺上，采用虛擬儀器技術(shù)；

3)測試管理上，運用網(wǎng)絡(luò )化技術(shù)；

4)測試信息處理上，采用智能傳感器信息處理和多傳感器信息融合技術(shù)。

1.2意義

自動(dòng)化測試系統(ATS，Automatic Test System)確保電子產(chǎn)品設計合理，節約生產(chǎn)調試成本．提高產(chǎn)品的自我保障能力，使整個(gè)產(chǎn)品處于最佳工作狀態(tài)，這極為重要。測試儀器的可互換性(IVI，Interchangeable Virtual Instru-ment)和測試程序集(TPS，Test Program Set)的重用性、可移植性是通用ATS的重要指標。當前ATS的開(kāi)發(fā)方式有面向儀器和面向信號兩種。面向儀器的TPS開(kāi)發(fā)基于測試儀器，很難從本質(zhì)上反映被測設備的測試需求，加上測試儀器種類(lèi)繁多且功能各異，因此，很難實(shí)現儀器的互換。軟件平臺的通用性較差。面向信號的開(kāi)發(fā)方式基于被測對象(UUT，Unit Under Test)的測試需求和測試資源的測試／激勵能力，解決了需求與供應之間的矛盾，通用性較強。應用在A(yíng)TS中的軟件技術(shù)經(jīng)歷了過(guò)程編程語(yǔ)言(如C)、Windows DLL、面向對象編程、組件對象模型(COM)的漫長(cháng)發(fā)展過(guò)程。COM采用面向對象的軟件設計思想。以標準接口提供功能調用，實(shí)現了程序的模塊化、通用性設計。TestStand是測試領(lǐng)域廣泛使用的流程測試項目管理平臺，利用COM技術(shù)實(shí)現基于TestStand引擎開(kāi)發(fā)ATS中的測試流程編輯和執行功能，結合國際上通用的ATLAS測試語(yǔ)言和IVI規范分別進(jìn)行測試流程和儀器驅動(dòng)的管理。另外，在充分考慮當前電子產(chǎn)品測試存在問(wèn)題的基礎上，結合新一代電子產(chǎn)品測試系統的發(fā)展特點(diǎn)，我們開(kāi)發(fā)了電子產(chǎn)品功能測試軟件平臺(Electronic Test Platform，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ETP)，從而為構建通用電子產(chǎn)品功能測試平臺提供了很好的解決方案。圖1為通用電子產(chǎn)品功能測試系統原理圖。

2．ATLAS介紹

2.1 ATLAS特性

ATLAS(Abbreviated Test Language for All Systems)是一個(gè)被廣泛應用于軍事和電子測試領(lǐng)域的通用標準測試語(yǔ)言。用這個(gè)語(yǔ)言編寫(xiě)的測試程序不依賴(lài)于任何特殊的被測系統，并且它能在A(yíng)TS上執行。該語(yǔ)言與一般的程序設計語(yǔ)言相比具有如下一些特點(diǎn)：

1)設備無(wú)關(guān)性，即在用戶(hù)寫(xiě)的ATLAS程序中不出現任何具體設備，只有測試需求；

2)信號相關(guān)性，ATLAS程序員書(shū)寫(xiě)的測試程序都是面向信號的；

3)可擴展性，允許用戶(hù)擴展ATLAS標準中沒(méi)有的名詞、名詞修飾詞以及量綱等成份；

4)并行性和定時(shí)功能，ATLAS中的某些測試語(yǔ)句需要并行執行，還有一些語(yǔ)句需要在特定的時(shí)刻才能被啟動(dòng)；

5)語(yǔ)法接近于自然語(yǔ)言。文法限制不嚴格。

ATLAS語(yǔ)言從語(yǔ)義上可以分為常規語(yǔ)言部分、信號和總線(xiàn)部分。常規語(yǔ)言部分類(lèi)似于一個(gè)完整的過(guò)程式語(yǔ)言，它能夠實(shí)現一般語(yǔ)言的功能，體現了ATLAS語(yǔ)言與其他語(yǔ)言的共性；信號部分和總線(xiàn)部分描述具體的測試過(guò)程，展現了ATLAS語(yǔ)言作為測試語(yǔ)言的特性。

2.2 ATLAS描述

ATLAS測試語(yǔ)句基本格式如下所示：

動(dòng)作，(信號特征)，信號類(lèi)型USING’虛擬資源’，信號修飾參數，CNX儀器端被測端$

語(yǔ)句：APPLY，AC SIGNAL，VOLTAGE 115V，FREQ400HZ，CURRENT MAX 2A，CNX HI J32-3-A23$

意義：在UUT的J32-3-A23$點(diǎn)加載電壓為115V、頻率為400Hz、最大電流為2A的信號。

3．IVI介紹

3.1 IVI系統結構

為了實(shí)現互換性，IVI基金會(huì )將同類(lèi)儀器的共性提取出來(lái)，并作了規范。目前已經(jīng)發(fā)布的八類(lèi)儀器規范是：示波器(IviScope)、數字萬(wàn)用表(IviDmm)、信號發(fā)生器(IviF-Gen)、直流電源(IviDCPower)、開(kāi)關(guān)矩陣／多路復用器(IviSwitch)、功率表(IviPwrMeter)、頻譜分析儀(IviS-pecAn)和射頻信號發(fā)生器(IviRFSigGen)，其他類(lèi)型儀器的規范也將被陸續制定發(fā)布。每一類(lèi)的儀器都有各自的類(lèi)驅動(dòng)程序(IVI Class Driver)。每類(lèi)驅動(dòng)程序包含了該類(lèi)儀器通用的各種屬性和操作函數。運行時(shí)，驅動(dòng)程序通過(guò)調用每臺儀器的專(zhuān)用驅動(dòng)程序(IVI Specific Driver)中相應的函數來(lái)控制儀器。

應用程序可以直接調用專(zhuān)用驅動(dòng)程序來(lái)控制儀器。但是為了實(shí)現儀器互換，應用程序應該首先調用類(lèi)驅動(dòng)程序，類(lèi)驅動(dòng)程序檢查IVI配置文件以確定應該使用的專(zhuān)用驅動(dòng)程序。若系統中的儀器被更換，只需適當修改IVI配置文件，而應用程序無(wú)須做任何改動(dòng)，因而實(shí)現了測試系統的通用性。

3.2 IVI驅動(dòng)特性

1)互換性。IVI驅動(dòng)程序的互換性至少為我們帶來(lái)以下幾大好處：a)易于使用。所用的IvI驅動(dòng)程序都使用通用的接口，易于理解，也就不再要求應用程序的開(kāi)發(fā)人員必須掌握某一特定儀器的編程方法，從而使系統開(kāi)發(fā)獲得了更大的硬件獨立性。b)降低了系統的維護和升級費用。IVI構架系統可以適用不同的儀器。當儀器陳舊或者有了升級的、高性能或低造價(jià)的儀器時(shí)，可以任意更換，而不需要改變應用程序。c)代碼共享。IVI構架允許部門(mén)和設備之間方便地復用及共享測試代碼，并且不需使用相同型號儀器硬件。

2)模擬功能。每個(gè)儀器專(zhuān)用驅動(dòng)程序都具有專(zhuān)門(mén)針對本型號儀器的模擬功能。這些模擬功能使得工程師在缺少真實(shí)儀器的情況下，可以使用IVI驅動(dòng)程序的模擬功能來(lái)開(kāi)發(fā)、調試應用程序，還可以使用美國國家儀器公司(Na-tional Instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)提供的類(lèi)模擬驅動(dòng)程序以獲得更強大的模擬功能。

3)狀態(tài)緩存功能。IVI驅動(dòng)程序可以保存儀器每一屬性設置的當前狀態(tài)。當應用程序試圖發(fā)送一些冗余命令到儀器時(shí)(例如，將儀器的某一屬性重新設置為當前值，這些命令顯然不會(huì )讓儀器產(chǎn)生任何變化或動(dòng)作)，IVI驅動(dòng)程序會(huì )跳過(guò)這些命令。在當前的測試系統中，影響軟件執行速度的瓶頸通常在于儀器與計算機接口總線(xiàn)的傳輸速率。IVI驅動(dòng)程序的此項功能大大減少了儀器與計算機之間的通信，從而提升了系統性能。

4)源碼開(kāi)放。高級用戶(hù)可以直接修改IVI驅動(dòng)程序的源代碼，以對其進(jìn)行優(yōu)化或添加功能。

免費得到大量的驅動(dòng)程序。除了生產(chǎn)廠(chǎng)商自行開(kāi)發(fā)的IVI驅動(dòng)程序，NI公司也為各類(lèi)常用儀器開(kāi)發(fā)了大量IVI驅動(dòng)程序，這些程序都可以從NI的網(wǎng)站上免費下載。此外，NI還提供了用于開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序的工具包，以簡(jiǎn)化用戶(hù)的IVI驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

4．測試平臺介紹

電子產(chǎn)品功能測試平臺所利用的軟件開(kāi)發(fā)平臺為ETP，其開(kāi)發(fā)與設計均在泛華測控“柔性測試”技術(shù)的核心理念指導下進(jìn)行的。平臺分為上層管理執行和下層的驅動(dòng)管理兩大部分：上層管理模塊可根據不同行業(yè)的不同需求特點(diǎn)進(jìn)行模塊化定制、擴展；下層驅動(dòng)管理可使相關(guān)驅動(dòng)資源得到最大化的共享。針對ETP平臺實(shí)際應用領(lǐng)域，我們設計了一些通用硬件調理模塊，大大縮短ETP實(shí)際工程項目應用的開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本。目前各種調理模塊僅供開(kāi)發(fā)人員使用，相信不久就會(huì )以產(chǎn)品的形式為廣大用戶(hù)所共享。

1)ETP軟件平臺介紹

圖2是ETP軟件架構示意圖。上層管理軟件ETP采用C++編程。底層驅動(dòng)管理模塊SEE(SignaI ExecuteEngine)采用LabVIEW編程。上層管理軟件通過(guò)調用SEE實(shí)現測試測量的功能。采用C++開(kāi)發(fā)，使ETP更具平臺性和拓展性，最直接的優(yōu)勢是運行效率高。軟件總體框架是：

配置文件(資源信息)->ETP引擎->報表文件(測試結果)。在底層驅動(dòng)中，我們支持NI系列的數據采集卡、數字萬(wàn)用表、波形發(fā)生器、數字示波器等各種儀器。

2)ETP調理模塊介紹

ETP調理模塊的各調理單元的主要功能如下：

·開(kāi)關(guān)卡目前設計的是2×8的矩陣開(kāi)關(guān)，輸入接口是USB接口，輸出接口是SMA接口。另外，可以根據實(shí)際需要，組合不同的拓撲結構，比如使用兩塊開(kāi)關(guān)卡，可以組成2×16或4×8的矩陣開(kāi)關(guān)。

·DI調理卡是數字信號輸入調理板，具備支持多種遠程輸出類(lèi)型、光耦隔離、施密特觸發(fā)的功能。

·DO調理卡是數字信號輸出調理板，它是把NI卡的數字J／O口的數據隔離后輸出到被測板，或控制繼電器輸出；同時(shí)可實(shí)現多種輸出類(lèi)型，測試和控制多種被測對象。

·CTV調理卡是電流電壓檢測調理板，它被設計為電源電壓、電流的檢測電路，能測量工業(yè)用的電源電壓、電流和功耗。對電壓的測量需要外面的降壓設備把電源電壓降到100V以?xún)炔拍苓M(jìn)入CTV板。

·SAS調理卡是標準模擬傳感器信號調理板，它的主要功能是實(shí)現電壓和電流的檢測功能。其中的電壓檢測是通過(guò)程控實(shí)現放大、縮小轉換至標準電壓信號。電流檢測設計有電流變送電路，它可以測試溫度和壓力信號，通過(guò)電流變送電流轉換至標準電流信號，再通過(guò)電流轉電壓電流，輸出標準電壓信號。

·CD調理卡是編碼器調理板，它主要是實(shí)現數字電平轉化。比如，常用的有：正弦信號轉方波信號，再通過(guò)施密特觸發(fā)電路，輸出TTL電平。另外，根據實(shí)際情況，備選差分轉單端和濾波等電路。

3)測試平臺特性

a)適應性：

·支持近40種信號100余種參數的生成和測量；

·測試流程自動(dòng)化。典型單步測試時(shí)間≤30ms，滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)對測試效率的要求；

·接口采用模塊化標準設計，保證接口可更換，拆卸方便；

·適應于眾多儀器，比如NI系列的數據采集卡、數字萬(wàn)用表、波形發(fā)生器、數字示波器等各種儀器；另外，可支持PLC、獨立儀器等傳統設備，保證硬件系統具有廣泛的硬件基礎。

b)靈活性：根據客戶(hù)需求改變測試系統的功能及性能，可自行定義測試步驟、測試參數，支持按需設置外接設備和測試點(diǎn)。

c)拓展性：測試流程編寫(xiě)、硬件設置只需通過(guò)界面操作即可實(shí)現。

d)可靠性：軟硬件充分考慮異常處理機制，可長(cháng)時(shí)間、連續地無(wú)故障運行。

5．測試平臺應用

運用電子產(chǎn)品功能測試平臺的項目開(kāi)發(fā)流程如圖3所示。我們通過(guò)客戶(hù)提供的測試需求，即時(shí)地做出軟硬件設計，采用ETP軟件對各種配置文件進(jìn)行修改。同時(shí)。運用強大的TestStand引擎功能編輯測試流程并進(jìn)行測試，可以高效地完成測試任務(wù)。

平臺應用特點(diǎn)如下：

·流程清晰；

·測試方便；

·報表規范。

平臺應用案例

案例名稱(chēng)：某廠(chǎng)氣象雷達電路板測試項目

1)某廠(chǎng)氣象雷達電路板測試系統被測對象是13塊電路板。

a)硬件配置

·PXI-8106、DMM-4070、FGEN-5421、DSO-5112、PXI-6509、PXI-6713、PXI-8421；

·自制信號調理機箱；

·自制信號接口機箱。

b)系統組成

本系統硬件由工作臺、PXI分系統、電源(交直流電源、同步機等)機柜、測試接口機箱、測試夾具等構成，加上測試軟件，組成完整的測試系統。

c)系統特性

·測試信號類(lèi)型多

主要涉及AC SIGNAL、DC SIGNAL、AM SIGNAL、PULSED DC、PULSED DC TRAIN、SQUARE WAVE、WAVEFORM、IMPEDANCE、LOGIC DATA、RS SERIALS COMMUNICATION、SERIALS COMM ADAPTAR等。

·測試點(diǎn)數特別多

13塊電路板，最少板子的測試點(diǎn)數也要將近100個(gè)測試點(diǎn)，最多的板子將近200個(gè)測試點(diǎn)。

2)下面通過(guò)對比來(lái)說(shuō)明運用電子產(chǎn)品功能測試平臺搭建測試系統的優(yōu)越性。

·人工測試方法

通過(guò)使用便攜式傳統儀器，對每塊電路板進(jìn)行手動(dòng)測試，同時(shí)人工記錄每次測試數據。有這么多測試信號和測試點(diǎn)，其工作量之大是可想而知的，另外，人工測試帶來(lái)非儀器精度造成的誤差和過(guò)失也是不可避免的。所以，采用這種方式弊端很多：一方面測試效率低下，另一方面測試精度很難保證，最終直接導致開(kāi)發(fā)周期和進(jìn)度很難把控，整個(gè)系統開(kāi)發(fā)質(zhì)量體系很難建立。

·自動(dòng)化測試方法

常見(jiàn)的是通過(guò)VXI總線(xiàn)方式，使用各種便攜式傳統儀器，通過(guò)各種儀器總線(xiàn)，如GPIB、CAN和LAN等，再編制各種儀器控制面板軟件并逐一進(jìn)行測試。這種方式帶來(lái)的問(wèn)題主要是，購買(mǎi)各種便攜式傳統儀器價(jià)格昂貴，直接造成開(kāi)發(fā)成本增加。另外，由于各個(gè)儀器走的是外部總線(xiàn)，會(huì )降低整個(gè)測試系統的穩定性和可靠性指標。再有就是不使用測試平臺，對各種儀器的控制、繼承性和維護性很差，也會(huì )造成開(kāi)發(fā)成本增加，開(kāi)發(fā)周期延長(cháng)。

·自動(dòng)化測試方法

首先由于使用PXI總線(xiàn)，采用虛擬儀器技術(shù)，使得我們的測試系統具有靈活性、高穩定性、強通用性。另外，通過(guò)使用我們的電子產(chǎn)品功能測試平臺，使得測試各種信號變得很方便。就拿這套氣象雷達電路板測試系統來(lái)說(shuō)，使用我們的平臺，整個(gè)開(kāi)發(fā)周期也就控制在1～2個(gè)月以?xún)?，所做的工作主要有：根據針?3塊電路板的測試需求，編寫(xiě)對應的測試包，包括測試步驟和路由信息配置以及測試數據報表格式等。這部分的工作一般都在5～10個(gè)工作日內完成，具體根據測試需求的復雜性而定。另外一個(gè)主要的工作就是去設計UUT(被測板)與ATE(各種儀器)之間的調理模塊。這部分工作隨著(zhù)我們平臺配套的硬件調理模塊的日趨完善和成熟，會(huì )進(jìn)一步縮短整個(gè)測試系統搭建的開(kāi)發(fā)周期。

6．結束語(yǔ)

·面對電子產(chǎn)品功能測試的挑戰，需要相適應的軟硬件系統；

·PXI總線(xiàn)技術(shù)在通用電子產(chǎn)品功能測試平臺中扮演著(zhù)重要的角色；

·基于LabVIEW、VC和TestStand軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，泛華測控成功開(kāi)發(fā)出了ETP平臺；

·ETP所支持的硬件和測試信號類(lèi)型可進(jìn)一步擴充；

·ETP已經(jīng)被成功地應用到實(shí)際項目中。