主導技術(shù) 測控必備:新一代產(chǎn)品測試技術(shù)

新的測試需要

    對測試的需要從來(lái)未象現在這么強烈。隨著(zhù)創(chuàng )新步伐不斷加快，對開(kāi)發(fā)出與眾不同的新產(chǎn)品并迅速投入市場(chǎng)的壓力也隨之增大?？蛻?hù)的期望也在不斷提高，例如在電子領(lǐng)域，要求在更小的空間、以更低的成本，集合多種迥異的功能。過(guò)去三年的經(jīng)濟衰退不但沒(méi)有阻撓人們對創(chuàng )新的需要，反而增加資源的投入。目前，滿(mǎn)足這些需要是業(yè)務(wù)取得成功的要素之一；無(wú)論是誰(shuí)，只要他能夠最快、最穩定、最可靠地滿(mǎn)足這些要求，他就比其他競爭對手更具有優(yōu)勢。

    所有這些狀況產(chǎn)生了對確認、驗證和制造測試的最新需要。能夠跟上此創(chuàng )新需要的測試平臺不是可有可無(wú)的，而是至關(guān)重要的。平臺必須包含快速測試開(kāi)發(fā)工具，能夠進(jìn)行適當的調節，從而適用于整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程?？焖匍_(kāi)發(fā)并有效制造產(chǎn)品需要高吞吐量測試。為測試功能復雜的產(chǎn)品，客戶(hù)要求提供準確的并行測試能力。另外，因為您包含進(jìn)創(chuàng )新方案使您的產(chǎn)品與眾不同，所以測試系統也必須能夠快速修改，以測試新的功能。

    虛擬儀器技術(shù)是這些挑戰的創(chuàng )新性解決方案。它們集快速開(kāi)發(fā)軟件和模塊化的、靈活的硬件于一身，用戶(hù)可以方便地創(chuàng )建自定義測試系統。

虛擬儀器提供：

直觀(guān)的軟件工具，用于快速測試開(kāi)發(fā)；
基于創(chuàng )新性商用技術(shù)的快速、精確的、模塊化I/O；
基于PC機的平臺，集成同步功能，獲得高精度和大吞吐量。

快速測試開(kāi)發(fā)軟件

    因為自動(dòng)化越來(lái)越成為快速測試復雜產(chǎn)品的必要條件，所以軟件已經(jīng)成為所有測試系統至關(guān)重要的要素 - 從設計驗證一直到高度自動(dòng)化的制造測試。要快速交付能夠適應測試新功能的測試系統需要一套集成的測試開(kāi)發(fā)工具。如圖1所示，這些工具包括測試管理、測試開(kāi)發(fā)和I/O驅動(dòng)程序。



圖1 新一代測試技術(shù)的完整軟件結構 

    測試管理軟件為高度自動(dòng)化的測試系統提供了一個(gè)框架，包括順序控制、分支/循環(huán)、報告生成及數據庫集成等。另外，測試管理工具還必須緊密集成到為應用程序創(chuàng )建特定測試程序的測試開(kāi)發(fā)環(huán)境中。National Instruments的TestStand是業(yè)界領(lǐng)先的測試管理環(huán)境，包括與所有常用測試開(kāi)發(fā)環(huán)境的連通性，并且可以與這些環(huán)境之間自由地傳遞數據，以創(chuàng )建完全集成的系統。TestStand的結構如圖2所示。因為測試管理環(huán)境的許多需要根據應用程序的不同而不同，所以它是一個(gè)功能靈活的框架 - 例如，操作界面、報告格式和執行模式全部可以自定義以滿(mǎn)足不同應用程序的需要。



圖2：TestStand測試管理結構 

    許多自動(dòng)化測試應用程序擁有非常多的觸發(fā)和測量通道，因此需要一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣將I/O與被測設備（DUT）相連接。隨著(zhù)設備復雜性的增加，這些系統的通道數也隨之增多。為有效地管理如此多的開(kāi)關(guān)路徑，以及快速改變這些路徑來(lái)適應新產(chǎn)品結構的需要，必須需要開(kāi)關(guān)管理軟件。
NI的Switch Executive是業(yè)界唯一的商用開(kāi)關(guān)管理環(huán)境，提供了一個(gè)完成自動(dòng)測試系統開(kāi)關(guān)路徑配置和記錄等功能的環(huán)境。Switch Executive與NI的TestStand緊密連通，這樣，開(kāi)關(guān)路徑能夠與特定的測試步驟綁定，有助于測試系統實(shí)現模塊化"連接、測試、斷開(kāi)"結構。

    測試開(kāi)關(guān)環(huán)境是滿(mǎn)足快速測試發(fā)布要求的最重要組件。此環(huán)境提供快速開(kāi)發(fā)測?quot;代碼"或程序的工具是至關(guān)重要的。多年以來(lái)，實(shí)現快速開(kāi)發(fā)的一種重要的軟件技術(shù)是可視化編程?？梢暬幊淌褂?圖標"或者符號功能，以圖形形式代表將要執行的操作。這些符號通過(guò)傳遞數據和確定執行順序的"線(xiàn)"彼此連接。因為測試程序可以看到，而不是讀文件或代碼，所以總體性開(kāi)發(fā)和理解測試程序非常迅速。NI LabVIEW提供了業(yè)界最常用和最完善的可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境。另外，LabVIEW的分層數據流語(yǔ)言還提高了測試程序的重新利用能力。

    雖然經(jīng)常被忽視，但是I/O驅動(dòng)程序是快速測試開(kāi)發(fā)策略至關(guān)重要的要素之一。此軟件提供了測試開(kāi)發(fā)軟件和測量與控制硬件之間的連通性。它包括儀器的驅動(dòng)程序、配置工具和快速I(mǎi)/O助手。

    儀器驅動(dòng)程序提供了一套與儀器接口的高層、可讀函數。每個(gè)儀器驅動(dòng)程序均為特定型號的儀器量身定做，提供儀器獨有功能的接口。對于儀器驅動(dòng)程序來(lái)說(shuō)，特別重要的是它與測試開(kāi)發(fā)環(huán)境的集成性，從而儀器命令是測試開(kāi)發(fā)無(wú)縫的一部分。作為一名測試開(kāi)發(fā)人員，您需要為選定的開(kāi)發(fā)環(huán)境優(yōu)化驅動(dòng)程序接口。Ni.com網(wǎng)站中的儀器驅動(dòng)程序網(wǎng)絡(luò )包含4000余種不同儀器的驅動(dòng)程序，可以與LabVIEW、C、C++和Visual Basic接口。

    NI Measurement & Automation Explorer等配置工具包含用來(lái)配置和測試I/O的工具，以及保存定標、校準及通道別名信息的工具。這些工具對于迅速實(shí)現首次測量，以及測試系統的故障診斷和維護，是非常重要的。

    I/O助手是一些交互工具，用來(lái)極快速地創(chuàng )建測量或促進(jìn)開(kāi)發(fā)應用程序。例如LabVIEW 7 Express中的Instrument I/O Assistant和DAQ Assistant。圖3所示的DAQ Assistant為用戶(hù)提供了一塊面板，無(wú)需編程就能配置常用的數據采集參數。易于使用的I/O助手與功能強大的編程環(huán)境的結合對于實(shí)現快速開(kāi)發(fā)和功能來(lái)滿(mǎn)足各種應用場(chǎng)合的要求是非常必要的。



圖3：NI DAQ Assistant提供了一個(gè)在LabVIEW中快速配置數據采集任務(wù)的交互工具 

模塊化I/O
    第二個(gè)至關(guān)重要的測試技術(shù)是模塊化I/O，包括模塊化儀器和數據采集等技術(shù)。此測量硬件布置在一塊印刷電路板上，可以插入到PC或PXI底板中。模塊化I/O采用商業(yè)芯片技術(shù)以較低的成本創(chuàng )建高性能虛擬儀器。ADC、DAC、FGPA和DSP等商業(yè)技術(shù)的廣泛使用使模塊化I/O的功能和性能迅速改善。圖4所示是模塊化數字化儀的當前性能，通過(guò)頻率（將信號數字化的速度）和位（數字化精度）來(lái)表現。在很多情況下，虛擬儀器的精度超過(guò)了傳統儀器。



圖4：虛擬儀器的測量能力超過(guò)傳統儀器 

    模塊化I/O采用總線(xiàn)和處理器技術(shù)，因此它實(shí)現了高速測量和高速輸出到PC機內存的能力。例如，PCI總線(xiàn)能夠達到132 MB/s的吞吐量 - 比用來(lái)連接大多數傳統儀器的GPIB總線(xiàn)快了100倍以上。在虛擬儀器系統中，使用GHz PC處理器來(lái)分析數據并使用軟件進(jìn)行測量。測量結果是純粹建立在包含內置供應商定義硬件和應用專(zhuān)用處理器的傳統儀器之上的測試系統吞吐量的10至100倍。在許多測試為其瓶頸的系統中，通過(guò)使用多個(gè)冗余儀器來(lái)滿(mǎn)足吞吐量要求。預算緊縮正在壓迫這種提高吞吐量的"強力"方法。赑XI模塊化I/O的系統能夠以超過(guò)100 MB/s的速度將數字化儀處理的數據連續輸入PC中，或者每秒進(jìn)行3000次5 1/2位DMM測量。目前，對于大規模測試的要求使得這些吞吐量增益和成本節省對于保持競爭力是至關(guān)重要的。
 
基于PC機的測試平臺

    在今天，所有現代的測試系統均包含一臺PC機。它不僅僅只是測試系統的一部分，而是正在成為至關(guān)重要的集成平臺 - 測試系統的核心。GHz處理器、高速總線(xiàn)、廣泛使用的軟件、不斷提高的性能和特別低的價(jià)格使得PC機實(shí)際上成為一個(gè)理想的測試平臺。圖5所示是一個(gè)實(shí)例，說(shuō)明了PC機在過(guò)去20年中發(fā)生的性能進(jìn)步。在測試系統中，性能提高達到同等規模的唯一元素可能就是DUT本身了。



圖5：PC平臺在過(guò)去20年間的性能提高超過(guò)了10,000倍 

    虛擬儀器采用PC和PC技術(shù)使測試應用程序的性能獲得同等規模的進(jìn)步。對于虛擬儀器系統，在您升級了PC機之后，整個(gè)測試系統都將從更快的處理器、更大的存儲器和更先進(jìn)的外圍設備中獲益。

    PXI（CompactPCI eXtensions for Instrumentation）是建立在PC機技術(shù)之上的模塊化I/O的標準。PXI為基于PC機的結構添加了集成定時(shí)和同步、工業(yè)條件堅固性，以及更多的通道數。PXI是一個(gè)系統聯(lián)盟標準，已經(jīng)得到65家公司的支持。

    PXI提供的定時(shí)和同步結構是另一項至關(guān)重要的測試技術(shù)。使用這些功能，多個(gè)模塊化I/O設備的定時(shí)特性能夠實(shí)現精確的同步，大大提高了精度和吞吐量。PXI背板包括共享觸發(fā)器、一個(gè)高穩定的共享時(shí)鐘，以及一組保證同步性能的星型觸發(fā)線(xiàn)路。如圖6所示。



圖6：PXI平臺包含定時(shí)和同步的專(zhuān)用資源 

    說(shuō)明定時(shí)和同步如何提高測試系統吞吐量的一個(gè)實(shí)例是使用DMM和開(kāi)關(guān)掃描一組DC測量值。掃描開(kāi)關(guān)和DMM的一個(gè)關(guān)鍵功能是在測試多個(gè)點(diǎn)的過(guò)程中進(jìn)行握手的能力。對于握手掃描，DMM接收來(lái)自開(kāi)關(guān)的數字脈沖（"Scanner Advanced"）、進(jìn)行測量，然后產(chǎn)生一個(gè)數字脈沖（"Measurement Complete"）。在開(kāi)關(guān)接收到"Measurement Complete"信號之后，它進(jìn)入板載掃描列表上的下一個(gè)輸入項。在開(kāi)關(guān)模塊的繼電器穩定之后，開(kāi)關(guān)發(fā)出一個(gè)"Scanner Advanced"脈沖，并觸發(fā)DMM進(jìn)行新的測量，重新開(kāi)始前文所述的過(guò)程。過(guò)程一直重復，直到掃描列表完成為止。握手信號可以通過(guò)PXI觸發(fā)總線(xiàn)直接發(fā)送。在采用此種方式時(shí)，與軟件定時(shí)方法相比，基于PXI的開(kāi)關(guān)/DMM系統可以將測試時(shí)間優(yōu)化50％以上。

虛擬儀器技術(shù)的應用實(shí)例

    數以千計的公司已經(jīng)成功地將虛擬儀器部署在他們的設計實(shí)驗室和制造工廠(chǎng)中，以提高性能、靈活性和生產(chǎn)力，如前文所述。下面的每個(gè)實(shí)例均說(shuō)明了這些技術(shù)對于那些已經(jīng)認識到他們能夠使測試成為戰略?xún)?yōu)勢的公司是如何的至關(guān)重要。

Lexmark提高了墨水盒測試精度

    Lexmark是印刷解決方案開(kāi)發(fā)和制造的全球領(lǐng)導者，包括噴墨打印機和激光打印機，以及相關(guān)耗材。為滿(mǎn)足他們對于高吞吐量和低測試成本的要求，Lexmark采用了基于PC機的、使用LabVIEW和NI模塊化儀器的解決方案。

    Lexmark能夠隨著(zhù)需要的變化調節其測試方案的規模。在1997年，系統使用一個(gè)8位、20 MS/s數字化儀（NI PCI-5102）和LabVIEW 4.1。然而，隨著(zhù)噴墨打印頭技術(shù)的發(fā)展，Lexmark對于速度和分辨率的要求也增加。目前的制造系統使用LabVIEW 7 Express和基于PXI的系統，包括最新的14位、100 MS/s數字化儀（NI PXI-5122）和100 MHz數字波形發(fā)生器/分析儀（NI PXI-6552）。在提高測試系統性能的同時(shí)，Lexmark實(shí)際上因為采用了最新的測量技術(shù)而降低了設備成本。最重要地是，通過(guò)使用基于軟件的虛擬儀器結構，他們能夠在要求變化時(shí)，以最小的軟件修改量升級系統。 

   1997  2001  2003 
數字波形發(fā)生  第三方
ISA板 
(25 MHz)  NI PCI-6534
(20 MHz)   NI PXI-6552
(100 MHz) 
電阻測量用數字化儀  NI PCI-5102 
(10 MS/s, 8-bit)
NI-SCOPE
  NI PCI-5911
(12.5 MS/s, 12-bit)
NI-SCOPE  NI PXI-5122
(100 MS/s, 14-bit)
NI-SCOPE 
軟件  LabVIEW 4.1  LabVIEW 6i LabVIEW 7 Express 

圖7：Lexmark成功地更改了測量系統的規模以滿(mǎn)足不斷提高的噴墨打印頭測試要求 

美國空軍使用虛擬儀器增加任務(wù)執行能力
    在2002年，ManTech測試系統獲得了一個(gè)價(jià)值數百萬(wàn)美元的合同開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)LANTIRN系統所用的測試設備，并提供技術(shù)支持。LANTIRN（低海拔夜間導航與目標導向紅外線(xiàn)）是一個(gè)在美國空軍主要戰斗機型上使用的系統，包括F-15E攻擊鷹和F-16C/D戰隼。LANTIRN顯著(zhù)地提高了這些飛機的戰斗效能，它們可能低海拔、夜間和各種天氣條件下飛行，用各種精確制導和非制導武器攻擊地面目標。

    原來(lái)的LANTIRN測試系統可以追溯到20世紀80年代末期，基于MicroVAX計算機，與獨立式儀器綁定。系統不僅僅尺寸大，需要7個(gè)完整機架的空間，而且由于測試系統元件的逐漸過(guò)時(shí)，美國空軍面臨著(zhù)一大堆可靠性和維護問(wèn)題。

    ManTech采用PXI和NI模塊化儀器，以及市場(chǎng)上現成的技術(shù)，將測試系統的尺寸減小了50％以上，同時(shí)滿(mǎn)足了軍隊對于運行狀態(tài)和非運行狀態(tài)的可靠要求。

    降低了3G移動(dòng)電話(huà)的制造測試成本
信威通信技術(shù)有限公司是中國的一家電信公司，最先合作開(kāi)發(fā)出SCDMA標準。SCDMA協(xié)議是TD-SCDMA的基礎，它是在中國開(kāi)發(fā)的3G協(xié)議。新維SCDMA在1.8 GHz帶寬下運行，為小型城市提供了一種低成本無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)和消息服務(wù)解決方案。

    VI Services（NI的聯(lián)盟伙伴）與新維有限公司合作，成功地使用PXI-5660 RF信號分析儀、LabVIEW和VI Services的無(wú)限測試工具包開(kāi)發(fā)出一個(gè)SCDMA移動(dòng)電話(huà)在線(xiàn)測試站。對于各個(gè)移動(dòng)電話(huà)產(chǎn)品系列，新維有限公司均用基于虛擬儀器的新型測試站取代了原來(lái)基于獨立式通信測試套件的測試系統。同時(shí)，每條生產(chǎn)線(xiàn)的測試吞吐量幾乎增加了一倍，因此，通過(guò)采用虛擬儀器方法，性能提高了近4倍。

    因為系統使用軟件進(jìn)行信號分析，所以它能夠在新的移動(dòng)電話(huà)標準發(fā)布時(shí)進(jìn)行升級，而無(wú)需購買(mǎi)附加測試設備。