基于PXI總線的電路板級(jí)功能測(cè)試系統(tǒng)

劉春來(lái) 張 東 史宏亮

(北京自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究所 100088)

1 引言

印制電路功能板(PCB)是電子產(chǎn)品的重要組成部分，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是數(shù)字技術(shù)及各種超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，電子儀器、設(shè)備尤其是軍用電子裝備結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，功能越來(lái)越完善，自動(dòng)化程度也越來(lái)越高。雖然電子儀器、設(shè)備的性能得到提高，但是對(duì)測(cè)試和維修保障也產(chǎn)生了測(cè)試流程復(fù)雜、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、維修保障困難等諸多難題，這些都嚴(yán)重影響了電子儀器、設(shè)備的完好性和壽命周期。

電路板（PCB）級(jí)功能測(cè)試是指對(duì)被測(cè)電子線路板（或功能模塊）提供模擬的運(yùn)行環(huán)境，使目標(biāo)板工作于設(shè)計(jì)狀態(tài)，從而獲取輸出信號(hào)，進(jìn)行驗(yàn)證目標(biāo)板的功能狀態(tài)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是對(duì)目標(biāo)板加載合適的激勵(lì)，測(cè)量輸出端響應(yīng)是否合乎要求。同時(shí)也能對(duì)一些可調(diào)參數(shù)的元件(如電位器、可調(diào)電感)進(jìn)行參數(shù)值的調(diào)整，進(jìn)行功能測(cè)試時(shí)需要按正常工作方式接通電源，通過(guò)從輸入端施加若干測(cè)試激勵(lì)，觀測(cè)其相應(yīng)的輸出響應(yīng)，并與預(yù)期的正確結(jié)果進(jìn)行比較，以判定電路板是否滿足設(shè)計(jì)要求。如有故障，則找出故障產(chǎn)生的原因并進(jìn)行維修。

本文研究了一種適合于目前電子產(chǎn)品需求的電路板板級(jí)功能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PXI總線為主要接口形式，利用FPGA及相關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)電路板快速、準(zhǔn)確的功能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)證明了系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)測(cè)試界面的可視化，并極大提高了電路板板級(jí)功能測(cè)試的效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電路板功能測(cè)試的基本原理是暗箱原理，如圖1所示，即被測(cè)對(duì)象是一個(gè)“神秘”的不可及“暗箱”，在不允許打開“暗箱”的情況下又要了解“暗箱”中的奧秘。因此，只能通過(guò)對(duì)它施加激勵(lì)信號(hào)后產(chǎn)生輸出響應(yīng)來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)的分析。根據(jù)測(cè)試原理圖，可知電路板測(cè)試系統(tǒng)要完成如下四步工作：

① 向被測(cè)對(duì)象送出測(cè)試的激勵(lì)信號(hào)(測(cè)試矢量)。

② 接收被測(cè)對(duì)象在激勵(lì)信號(hào)下的響應(yīng)信息。

③ 根據(jù)激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系分析并“決策”下一個(gè)激勵(lì)矢量。

④ 根據(jù)激勵(lì)矢量序列來(lái)確定故障的地點(diǎn)和類型。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

電路板功能測(cè)試的主要問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)被測(cè)電路板與測(cè)試系統(tǒng)的連接。由于電路板接口種類眾多，且信號(hào)數(shù)量龐大，數(shù)據(jù)信號(hào)速率高，電源信號(hào)功率大。針對(duì)系統(tǒng)這一特點(diǎn)，本文采用了國(guó)際通用的PXI標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，在保證系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)母咚傩阅芎涂煽啃郧疤嵯拢瑫r(shí)也增強(qiáng)了測(cè)試系統(tǒng)的通用性及可擴(kuò)展性。因待測(cè)試電路板都是基于標(biāo)準(zhǔn)總線的(PXI、VXI、CPCI等)，系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線測(cè)試區(qū)提供了各種標(biāo)準(zhǔn)總線的工裝。每種電路板可直接安裝于測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)被測(cè)電路板的功能編寫測(cè)試程序并利用非標(biāo)準(zhǔn)總線測(cè)試區(qū)的各種儀表對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。適配器分布以及適配器與系統(tǒng)連接方式如圖2所示。

圖2 適配器與系統(tǒng)連接方式框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)主要包括主控IPC、測(cè)試儀器（硬件模塊構(gòu)成）、系統(tǒng)軟件、測(cè)試連接裝置等部分。系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。

圖3 功能測(cè)試系統(tǒng)硬結(jié)構(gòu)框圖

PCB測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由主控計(jì)算機(jī)、測(cè)試儀器、通用測(cè)試接口連接裝置等部分構(gòu)成。主控計(jì)算機(jī)完成測(cè)試控制、故障診斷、控制用戶界面、和數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)管理等任務(wù)。測(cè)試儀器通過(guò)測(cè)試總線與主控計(jì)算機(jī)連接，在主控計(jì)算機(jī)的控制下完成測(cè)試任務(wù)。通用測(cè)試接口連接裝置由通用接口電路、接口適配電路和連接裝置構(gòu)成，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接等將被測(cè)電路板的信號(hào)接入測(cè)試系統(tǒng)，必要時(shí)還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、變換。測(cè)試軟件完成人機(jī)交互、硬件控制、測(cè)試控制、數(shù)據(jù)管理等功能。

通用測(cè)試接口分為標(biāo)準(zhǔn)總線測(cè)試區(qū)與非標(biāo)準(zhǔn)總線測(cè)試區(qū)。非標(biāo)準(zhǔn)總線測(cè)試區(qū)中，測(cè)試系統(tǒng)中所有硬件資源的輸出連接至最終面板，為操作者提供統(tǒng)一的操作接口定義。根據(jù)被測(cè)電路板或系統(tǒng)的不同，操作者可根據(jù)需求連接所需的資源制作適配器。針對(duì)每一種電路板或系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)排布，測(cè)試人員可制作一個(gè)測(cè)試適配器與測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)輸出面板相連接，與測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)輸出面板相連接的適配器示意圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)輸出面板

4 系統(tǒng)軟件

軟件系統(tǒng)是功能測(cè)試系統(tǒng)研究項(xiàng)目的重要組成部分，分上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。其中，上位機(jī)軟件利用LabVIEW編寫。采用虛擬儀器圖形化編程來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大部分功能，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和測(cè)試結(jié)果管理部分都是依靠軟件系統(tǒng)來(lái)完成。LabVIEW的基本單位是VI，LabVIEW可以通過(guò)圖形化編程的方法建立一系列的VI，進(jìn)而完成用戶指定的各項(xiàng)測(cè)試任務(wù)。用LabVIEW編制出的VI是分層次和模塊化的，對(duì)于同一個(gè)VI，可以將其作為頂層的程序，也可以用做其他程序或子程序的子程序。用戶通過(guò)上位機(jī)軟件設(shè)定測(cè)試項(xiàng)目。向下位機(jī)發(fā)送測(cè)試命令，接收下位機(jī)上傳的測(cè)晟數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出測(cè)試結(jié)論。下位機(jī)軟件包括接口通信程序、SPI驅(qū)動(dòng)、A/D配置、I/O配置等。用于接收上位機(jī)通過(guò)USB總線傳送過(guò)來(lái)的命令。控制各個(gè)模塊正常工作．按照從上位機(jī)接收到的指令生成激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量激勵(lì)信號(hào)在每個(gè)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的響應(yīng)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)軟硬件的規(guī)劃，測(cè)試系統(tǒng)軟件主要包括如下功能：

①參數(shù)設(shè)置；②模擬檢測(cè)；③數(shù)字檢測(cè)；④自動(dòng)檢測(cè)；⑤信號(hào)存儲(chǔ)及報(bào)表生成；⑥分析與診斷。

電路板功能測(cè)試的一個(gè)重要難點(diǎn)是如何生成測(cè)試程序及功能測(cè)試圖形，以快速的對(duì)被測(cè)單元進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試圖形“學(xué)習(xí)法”對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)已知被測(cè)電路板施加激勵(lì)的同時(shí)，可自動(dòng)學(xué)習(xí)輸出信號(hào)，從而達(dá)到縮短編程時(shí)間的效果。對(duì)于被測(cè)電路板資料缺失的現(xiàn)象，基于學(xué)習(xí)法的測(cè)試過(guò)程可準(zhǔn)確的測(cè)試未知電路板是否存在故障，并對(duì)電路板進(jìn)行分析。

基于上述技術(shù)路線研制的電路板功能測(cè)試系統(tǒng)，易于對(duì)各種類型電路板進(jìn)行功能測(cè)試分析。針對(duì)每種電路板的測(cè)試軟件開發(fā)流程：

①被測(cè)電路板 進(jìn)行分析提出測(cè)試需求并設(shè)計(jì)測(cè)試流程；

②跟據(jù)測(cè)試需求確定硬件資源的使用情況，構(gòu)建測(cè)試接口連接裝置；

③依據(jù)測(cè)試流程開發(fā)測(cè)控軟件；

④ 完成功能測(cè)試過(guò)程并進(jìn)行分析。

測(cè)試程序的編寫流程如圖5所示。

圖5 測(cè)試程序編寫流程

5 總結(jié)

本文研究了一種電路板板級(jí)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。針對(duì)電路板測(cè)試要求可視化、性能穩(wěn)定、便于移植等特點(diǎn)，構(gòu)建了基于LabVIEW、NI數(shù)據(jù)采集卡的電路板自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。自投入運(yùn)行以來(lái)，無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時(shí)性、開放性還是整個(gè)系統(tǒng)的信息集成方面，都取得了很好的應(yīng)用效果，各項(xiàng)控制指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求精度，滿足了系統(tǒng)測(cè)試要求。

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