基于虛擬儀器的某弱信號處理模塊測試系統設計與實(shí)現

0 引 言
隨著(zhù)測控技術(shù)的發(fā)展，要求測試的項目和測試參數日益增多，對自動(dòng)化測試速度和測試準確度也提出了較高的要求。虛擬儀器是基于計算機和標準總線(xiàn)技術(shù)的模塊化系統，通常由控制模塊、儀器模塊和軟件組成。由軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件對數據進(jìn)行顯示、存儲以及分析處理，廣泛應用于民用和軍用測量領(lǐng)域Ⅲ。作為虛擬儀器技術(shù)的一種，GPIB總線(xiàn)儀器以其良好的可靠性和高精度性使基于該總線(xiàn)的虛擬儀器在自動(dòng)化測試領(lǐng)域中得到廣泛的研究與應用。
GPIB總線(xiàn)是一個(gè)數字式的24線(xiàn)并行總線(xiàn)。它由16條信號線(xiàn)和8條接地返回線(xiàn)組成。GPIB的16條信號線(xiàn)分為8條數據線(xiàn)，5條接口管理線(xiàn)，3條握手線(xiàn)等三大組?？梢詫?shí)現諸如總線(xiàn)初始化、設備尋址或地址釋放以及為遠程或本地編程設置設備模式的任務(wù)。GPIB使用8位并行的異步數據傳輸方案。
由于某弱信號處理模塊需要測試的性能指標繁多，傳統的手動(dòng)測量的方法效率較低，人為因素的影響較大，操作失誤情況下容易損壞模塊，不適用于批量生產(chǎn)的產(chǎn)品測試。研制針對該模塊的自動(dòng)測試設備在批量的產(chǎn)品測試中可以有效的節省人力和時(shí)間，減少由于人為因素而產(chǎn)生的差錯，提高測試準確性，對于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)具有很大的促進(jìn)作用，并有利于對產(chǎn)品的質(zhì)量控制。

1 系統的主要功能
該自動(dòng)測試系統主要應用在對某型弱信號處理模塊的自動(dòng)化檢測中，實(shí)現對7個(gè)大項，100多個(gè)小項的自動(dòng)化檢測，取代使用分立的儀器逐項手動(dòng)測試。測試系統需具備以下幾個(gè)主要功能。1)為模塊提供+12V、-12V直流電源及可變頻變幅的正弦及脈沖信號輸入；2)測試模塊的交流噪聲及直流偏置；3)測試交流通道輸出波形失真度；4)進(jìn)行模塊的跨阻、高低端截止頻率、AGC、隔離度等多項性能參數的自動(dòng)測試；5)測試直流通道跨阻等性能指標；6)提供高低溫測試夾具并實(shí)現常溫及高低溫狀態(tài)下的測試；7)對結果以波形及數據表等方式記錄顯示和打印輸出；8)自檢功能及過(guò)流保護功能。測試系統應具有良好的圖形用戶(hù)界面，友好的人機對話(huà)環(huán)境。軟件界面上應包括電源自檢和信號源自檢以及自校準功能。輸入模塊的激勵信號的頻率和幅值可以調節。測試系統應有兩種工作方式，可以按照測試項目順序依次進(jìn)行測試，也可以對選中的單個(gè)或多個(gè)測試項目進(jìn)行程控測試。測試過(guò)程中界面上實(shí)時(shí)顯示測試系統的工作狀態(tài)、測試項目和測得的數據。具有產(chǎn)品測試數據實(shí)時(shí)記錄、儲存及打印功能，能自動(dòng)生成規范的測試報告、測試曲線(xiàn)。測試過(guò)程可隨時(shí)終止，并可查看自動(dòng)生成的測試表格，自動(dòng)標識不合格項。測試系統的組成框圖如圖1所示。測試系統的設計包括硬件沒(méi)計和軟件設計兩部分。

2 測試系統硬件設計
測試系統的硬件部分由專(zhuān)用夾具、采集控制板、GPIB接口卡、數字I／O卡、函數信號發(fā)生器、數字萬(wàn)用表、數字存儲示波器及工控機等組成。工控機通過(guò)采集控制板對模塊的各引腳通道進(jìn)行選擇并發(fā)送信號，待測量通道的信號輸入到相應儀器進(jìn)行測量。工控機與各儀器通過(guò)GPIB總線(xiàn)相連，將控制命令發(fā)送到各儀器，測得的數據被發(fā)送到工控機進(jìn)行分析處理等工作。采用GPIB總線(xiàn)星型連接方式，可以避免因某個(gè)儀器的關(guān)閉或非正常工作而影響工控機與其他儀器間的通信。
圖2為該系統的硬件組成框圖。其中直流穩壓源提供模塊的工作電壓，通過(guò)采集控制板向模塊專(zhuān)用夾具提供。函數信號發(fā)生器、數字萬(wàn)用表和數字存儲示波器本身帶有GPIB接口，在工控機擴展槽中插入GPIB卡獲得工控機的GPIB接口，通過(guò)GPIB電纜線(xiàn)連接在一起，可以進(jìn)行數據和信號的傳輸。工控機通過(guò)GPIB卡和數字I／O卡實(shí)現對采集控制板和其他設備的實(shí)時(shí)控制，向被控對象發(fā)出命令，協(xié)調它們之間的動(dòng)作，從測量設備讀出數據，并對數據進(jìn)行分析和處理，將完整的測量結果進(jìn)行保存或制成報表打印輸出。

函數信號發(fā)生器采用Agilent 33220A，用來(lái)向模塊提供正弦信號和脈沖波信號。Agilent 33220A所能提供的正弦波的頻率范圍為1μHz～20MHz，幅度范圍為10mVpp～10Vpp，精度為1mVp-p。Agilent 33220A函數信號發(fā)生器帶有IEEE488．2標準的GPIB端口，可以和工控機進(jìn)行通信，并由工控機對其輸出波形參數進(jìn)行設置。數字示波器采用Tektronix公司生產(chǎn)的TDS1002，帶寬為60MHz，采樣率1．0GS／s，可以滿(mǎn)足測試要求；TDS1002示波器帶有滿(mǎn)足IEEE488．2標準的GPIB端口，可以和工控機進(jìn)行通信，將測試結果傳遞給工控機。數字萬(wàn)用表采用Agilent 34401A，具有6位半數字分辨率，最高精度為1μV，交流電壓測量量程為15mV～750V，頻率測量范圍為5Hz～1MHz，最高精度為0．01Hz，帶有滿(mǎn)足IEEE488．2標準的GPIB端口，可以和工控機進(jìn)行通信，用來(lái)完成模塊各通道輸出波形的頻率和交直流幅值的測量，并檢測直流穩壓源和函數信號發(fā)生器的輸出。
2．1 直流穩壓電源單元
直流穩壓電源為模塊提供+12V和-12V電壓，為控制板和模塊夾具板上的GPLD和繼電器提供+5V工作電壓。采用DH1718G-4型直流穩壓源，此電源有0～+36V和0～-36V兩路可調直流電壓輸出和一路十5V固定電壓輸出，輸出電流分別為0～+3．5A和0～-3．5A，紋波電壓有效值為0．5mV。
2．2 主控計算機系統
主控計算機系統由工控機主機、GPIB總線(xiàn)接口卡和數字I／O卡構成。計算機主機采用研華科技有限公司生產(chǎn)的工控機，內存在軟件計算和顯示中對容量要求比較大，內存容量配置為1Gbytes。GPIB總線(xiàn)接口卡選用了National Instruments公司生產(chǎn)的PCI-GPIB接口卡，該接口卡支持“Plug and Play標準，接插件采用IEEE488．1的標準24針接頭，數據傳輸支持標準IEEE488和HS488兩種模式。數字I／O卡采用National Instruments公司生產(chǎn)的PCI-6503，是PCI總線(xiàn)接口的數字I／O卡，兼容性強，支持“Plug and Play標準，采用5V TTL／CMOS控制電平，具有3通道共24位輸入／輸出。
2．3 采集控制板
采集控制電路板分為電源處理、信號輸入、信號輸出和CPLD控制4個(gè)部分。電源處理部分負責8塊待測模塊工作電源以及增益控制引腳的選通；信號輸入部分將信號發(fā)生器輸出的信號提供給模塊待測的一路；信號輸出部分把模塊待測的一路輸出信號送給數字萬(wàn)用表或示波器進(jìn)行測量。CPLD另設了5個(gè)輸出引腳A～E用來(lái)控制模塊夾具板上的繼電器通斷。為了適合產(chǎn)品和夾具的需要，選用了超小型高靈敏度的電流動(dòng)作型信號繼電器，其導通電阻小，絕緣電阻大，壽命長(cháng)(開(kāi)關(guān)數可達千萬(wàn)次)，體積小，重量輕。
工控機首先向數字I／O卡寫(xiě)控制字，數字I／O卡將8位的命令數據傳送給采集控制板上的CPLD，CPLD將接收到的控制命令經(jīng)過(guò)譯碼產(chǎn)生各繼電器的控制信號，在CPLD每個(gè)輸出引腳采用驅動(dòng)電路提高電流驅動(dòng)能力以實(shí)現對繼電器的控制，從而實(shí)現某個(gè)待測模塊的相應通道的選通。除了采集控制板上的繼電器陣列以外，夾具板上還有5個(gè)繼電器，用以實(shí)現模塊輸入通道的就近接地。CPLD模塊采用的是Xilinx公司的XC9572-15PC84，XC9572是Xilinx公司XC9500系列CPLD的一種，采用了先進(jìn)的Fast FLASH ISP技術(shù)，可提供10000次以上編程擦除周期，并提供了先進(jìn)的系統內部編程及測試功能。

3 測試系統軟件設計
整個(gè)軟件系統設計分為4個(gè)模塊：人機界面、數據處理、儀器控制和數據傳輸，如圖3所示。其中，儀器控制和數據傳輸是在測試過(guò)程中聯(lián)合作用的，作為底層的程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并按照功能整合成子程序，劃分為多個(gè)子模塊分別進(jìn)行設計，供測試主程序進(jìn)行調用，提高了軟件的可靠性、可維護性和可擴展性。前臺是人機界面，檢測并判斷用戶(hù)輸入的測試相關(guān)信息，形成測試流程并調用相應子程序。后臺數據處理部分，將儀器傳回的測量數據進(jìn)行分析判斷，形成報表存檔。測試軟件的工作方式分為兩種：自動(dòng)測試和程控測試。自動(dòng)測試模式可按順序依次進(jìn)行全部項目的測試；程控測試模式可以對選中的單項或多項測試項目進(jìn)行單獨測試。通過(guò)軟件功能更改可以兼容不同設計的弱信號處理模塊。測試系統的軟件開(kāi)發(fā)平臺采用美國NI公司的LabVIEW8．2。

根據功能需要設置了5個(gè)主要界面，分別為登陸、用戶(hù)管理、參數設置、測試和報表管理。登錄界面通過(guò)校驗屏幕輸入的用戶(hù)名及密碼，判斷相應的權限。軟件系統控制實(shí)際儀器對被測模塊進(jìn)行7個(gè)大項的測試?？刂菩盘柤皽y得數據均通過(guò)GPIB總線(xiàn)傳輸。在測試過(guò)程中，在底層進(jìn)行數據的處理和分析，判斷是否符合指標要求，并進(jìn)行整理匯總。該測試系統軟件將所有硬件資源的驅動(dòng)程序以驅動(dòng)程序庫的形式加以組織，使測試應用程序通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序庫函數實(shí)現對各種硬件資源的操作，提高了系統的計算能力。
3．1 登陸界面的實(shí)現
通過(guò)對用戶(hù)名和密碼的判斷可得出對應的權限。如果是系統管理員，則進(jìn)入Case框的“True條件，通過(guò)對登陸界面上的功能可視屬性的設置，顯示數據管理、參數修改、測試等所有功能。如果是普通用戶(hù)登錄，則進(jìn)入Case框的“False'’條件。在內層Case框內，程序對四個(gè)功能按鈕的Visible屬性進(jìn)行設置，并對右下方的布爾型全局變量“是系統管理員”進(jìn)行賦值。該全局變量的賦值是為了與數據管理界面進(jìn)行通信，在數據管理界面上對不同的用戶(hù)權限進(jìn)行功能區分。
用戶(hù)登錄后，程序不斷檢測屏幕上各個(gè)功能按鈕的狀態(tài)，一旦有按鈕按下，則進(jìn)入其相應的子界面。子界面均做成VI，存放在于登錄界面同一根目錄下。在程序中，運用Call By Reference Node函數，對子界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)調用，實(shí)質(zhì)上就是對VI進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。子界面動(dòng)態(tài)調用程序中，首先分別使用Refnum函數和Open VI Reference函數生成和打開(kāi)被調用子界面VI的Reference(參考號)，再使用Invoke Node函數中的Open FP動(dòng)作打開(kāi)子界面的前面板窗口，并通過(guò)Property Node函數設置被調用VI的屬性。設置被調用的子界面狀態(tài)為Activate，即可對被調用的子界面上的控件進(jìn)行操作。使用Call By Refer-ence Node函數進(jìn)行調用，在調用完畢之后，再使用Invoke Node關(guān)閉子界面前面板窗口。最后釋放Reference。在整個(gè)軟件系統中，將相關(guān)功能集成在1個(gè)子界面中，通過(guò)動(dòng)態(tài)調用子界面，使程序運行合理，使用方便。
3．2 測試主界面的實(shí)現
測試主界面是整個(gè)測試軟件中最復雜和功能最集中的部分，對操作者輸入的測試信息進(jìn)行判別并形成測試流程，通過(guò)測試流程調用相應測試功能的子VI完成測試任務(wù)。需要通過(guò)程序對工控機上的數字I／O卡和GPIB接口卡進(jìn)行控制，使其按照程序的設置進(jìn)行輸入輸出；測試過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示測試進(jìn)度和測試數據，對于部分測試項目按照要求在界面上顯示測得的信號波形；要對測試過(guò)程中測得的數據講行判別。在豐界面設計時(shí)，將各個(gè)測試項目獨立編寫(xiě)形成子VI以便調用。測試項目完成后進(jìn)行一系列報表整理和數據庫的插入等操作，及時(shí)更新測量的數據。
由于模塊針對不同的溫度的合格指標不同，因此主界面上設計了常溫、低溫和高溫三個(gè)選項。使用While循環(huán)框及Event Structure(事件結構)實(shí)現上述功能。外層的While框是令程序循環(huán)等待操作者的選擇動(dòng)作的發(fā)生，Event Structure框中是響應該動(dòng)作的程序。
操作者按下“初始化”按鈕，系統運行初始化子程序，檢測萬(wàn)用表、信號發(fā)生器、示波器、穩壓電源等是否工作正常，并檢查夾具選定測試位置上是否裝有模塊。初始化程序還測量被測模塊的電源電流，并進(jìn)行測試所需激勵信號的自適應校正。以上各項均通過(guò)后，初始化程序結束。程序等待操作者按下“開(kāi)始測試”按鈕。取得所測模塊的信息和所測項目，形成測試程序流程，按照流程分別進(jìn)入各測試項目子程序中。
3．3 交流噪聲測試
某弱信號處理模塊的交流噪聲主要來(lái)源于熱噪聲、散粒噪聲和1／f噪聲等。交流噪聲測試測量各交流通道的交流噪聲電壓值Vn，測量過(guò)程中需要觀(guān)察噪聲波形，應為帶寬型非周期性波形。程序通過(guò)I／O卡輸出控制字，驅動(dòng)繼電器，選通被測芯片，并連通其輸入輸出管腳和實(shí)際儀器之間的電路。被測芯片的各交流輸入通道均接GND，被測芯片的輸出經(jīng)過(guò)低噪聲放大電路放大30倍后，由萬(wàn)用表測得并通過(guò)GPIB總線(xiàn)傳輸到程序。子程序“顯示波形30s”調用示波器，采集放大30倍后的噪聲波形數據，通過(guò)GPIB總線(xiàn)傳輸到程序后界面實(shí)時(shí)顯示，持續30s。
3．4 參數指標的修改
可以由系統管理員修改參數指標并及時(shí)存儲作為合格判據。指標參數以二進(jìn)制文件形式存儲在計算機的指定路徑，每次運行參數修改界面時(shí)先讀出該二進(jìn)制文件，將這些參數初始化到界面的各個(gè)相應控件上，向操作者顯示出最近的修改結果。操作者修改完成后，將最新的修改情況更新存儲到指定路徑的二進(jìn)制文件上，覆蓋原有文件，保持指標參數的為最新。
3．5 波形失真度計算
Distortion Measurements．vi是計算波形失真度的程序。諧波失真是指用信號源輸入時(shí)，輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成分。諧波失真由系統不是完全線(xiàn)性造成，它通常用百分數來(lái)表示?？傊C波失真度THD計算公式如下：

式中，V2至Vx是基波V1的諧波。X限制在奈奎斯特頻率范圍。
3．6 測試記錄功能設計
程序通過(guò)對界面上操作者輸入的報表管理信息，形成相應的程序流程。程序可實(shí)現對6個(gè)模塊的測試報表的打印和保存。程序主要使用File I／O類(lèi)函數中的Write File函數結合格式控制程序進(jìn)行報表的生成。程序中首先設置報表的頭尾顯示信息，使用Initialize Report函數初始化成標準報表。使用Append Report Text函數添加打印報表的內容。第1個(gè)Append Report Text函數添加報表對應模塊的信息，如測試時(shí)間，模塊序號及批號等。第2個(gè)Append Report Text函數添加測試者簽名，落款日期及QC簽名等備注信息。報表生成后，使用Print Report函數將格式整理好的報表送至聯(lián)機打印機進(jìn)行打印輸出。使用Append Text Table with diff column widthto Report生成不同列寬表格的報表函數。在For循環(huán)結構中，通過(guò)層疊型順序框執行報表格式的整理，通過(guò)For結構的循環(huán)計數器在測試結果數組中提取數據，并進(jìn)行重排及插入報表相應位置等操作。

4 實(shí)現結果
表1為用測試系統測標準模塊的主要參數得到的測試結果。從表1中可以看出，各參數的測試結果準確，且重測一致性較好。本測試系統研制完成后經(jīng)批量的模塊產(chǎn)品測試檢驗，很好地滿(mǎn)足了某弱信號處理模塊的測試需求，各種測試參數的指標均達到了設計要求，并且使用方便，用戶(hù)界面友好，軟件功能更改方便靈活。目前已經(jīng)應用于某紅外跟蹤產(chǎn)品的批量生產(chǎn)中。

5 結束語(yǔ)
某弱信號處理模塊測試系統通過(guò)GPIB接口實(shí)現工控機對各種儀器設備的控制，通過(guò)數字I／O卡控制繼電器來(lái)選擇芯片通道和協(xié)調各儀器，實(shí)現了模塊所有測試項目的自動(dòng)測試和記錄。本測試系統已經(jīng)成功應用于兩種型號的弱信號處理模塊的測試工作，經(jīng)過(guò)批量的產(chǎn)品測試，證明可以顯著(zhù)提高測試效率和測試準確度，具有顯著(zhù)的實(shí)用價(jià)值。