基于虛擬儀器的電路板單板測試系統(tǒng)

王蘇敬，閻兆允，劉 冰，康 旭，郭旭剛

（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081）

基于虛擬儀器的電路板單板測試系統(tǒng)

王蘇敬，閻兆允，劉 冰，康 旭，郭旭剛

（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081）

利用集成測試和虛擬儀器的設(shè)計思想，設(shè)計基于虛擬儀器的電路板卡測試系統(tǒng)，從系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及原理、硬件和軟件設(shè)計開發(fā)進行了闡述。實際測試結(jié)果表明該系統(tǒng)可以大大提高測試的準(zhǔn)確度和效率，具有很好的實用性和擴展性。

電路板測試；Lab VIEW；虛擬儀器；PXI

根據(jù)各被測板卡的性能特點，采用虛擬儀器技術(shù)，實現(xiàn)了對電路板單板進行高速、可靠的測試，為產(chǎn)品批量生產(chǎn)的質(zhì)量檢驗和維護維修提供依據(jù)，確保出廠產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性。以下從測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及原理、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計3部分對該系統(tǒng)進行詳細(xì)的闡述與分析。

1 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用［1］。同其他技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具有4大優(yōu)勢。

高性能：虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全＂繼承＂了PC技術(shù)的優(yōu)點，包括功能卓越的處理器和文件I/O，在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進行復(fù)雜的分析。

擴展性強：只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進整個系統(tǒng)。

節(jié)約時間：在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。

無縫集成：NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，可輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)。

PXI總線方式是虛擬儀器5種總線方式中最新的總線技術(shù)，是在PCI總線技術(shù)基礎(chǔ)上增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。

電路板單板測試系統(tǒng)中被測板卡種類較多，被測信號繁多，且開發(fā)時間有限，基于虛擬儀器技術(shù)的高性能、擴展性強、節(jié)約時間和無縫集成的特點，所以本測試系統(tǒng)采用基于PXI總線的虛擬儀器技術(shù)進行開發(fā)。

2 測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及原理

測試系統(tǒng)實現(xiàn)背板導(dǎo)通和電阻測試、其他功能板卡的功能測試和部分性能測試。測試系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集、顯示、打印和保存測試結(jié)果。測試類型分自動測試和手動測試，自動測試指可在無人工干預(yù)狀態(tài)下完成板卡的測試工作，用于批量生產(chǎn)的出廠測試；手動測試指有人工操作狀態(tài)下對板卡進行單項測試，確定故障位置甚至元器件，用于售后板卡維修和批量生產(chǎn)自動測試時有故障的板卡。測試項目包括：

導(dǎo)通測試：驗證輸入輸出端口的導(dǎo)通情況，通過測量其兩端電阻值的大小來判斷其導(dǎo)通情況。

電源電壓特性試驗：使電源電壓為70，110，140 V，檢測電源板的輸出電壓值，查看其是否在允許的范圍之內(nèi)。

開關(guān)量輸出檢測：用于驗證開關(guān)量輸出功能，通過模擬不同開關(guān)量的動作條件，檢測查看其輸出是否正常。

模擬量輸出檢測：用于驗證模擬量輸出功能，通過CAN總線設(shè)置模擬量的輸出，檢測查看其輸出值大小是否正常。

開關(guān)量輸入檢測：用于驗證開關(guān)量輸入檢測功能，輸入實際的開關(guān)信號，通過CAN總線通信輸出的數(shù)據(jù)，判斷輸入電路是否工作正常。

模擬量輸入檢測：用于驗證模擬量輸入檢測功能，輸入實際的模擬信號，通過CAN總線通信輸出的數(shù)據(jù)，判斷輸入電路是否工作正常。

PWM波輸出檢測：驗證板卡PWM輸出功能，通過CAN總線設(shè)置PWM的輸出，檢測查看其PWM輸出是否正常。

PWM波輸入檢測：驗證板卡PWM輸出功能，輸入實際的PWM信號，并變化高電平電壓為77，110，137 V，通過CAN總線通信輸出的數(shù)據(jù)，判斷PWM輸入電路是否工作正常。

通訊測試：驗證RS232、RS485、CAN和MVB通訊功能。

在硬件方面采用基于PXI總線的機箱、控制器及模塊化測試儀器，充分發(fā)揮了PXI總線的優(yōu)勢，為準(zhǔn)確、快速的單板性能測試提供硬件保障。測試系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

測試系統(tǒng)由PXI總線數(shù)據(jù)采集單元、電源、信號調(diào)理轉(zhuǎn)換、接口轉(zhuǎn)換板卡和顯示及打印單元等組成。PXI總線數(shù)據(jù)采集單元要能對信號進行處理和分析；電源部分要能給被測試板卡及數(shù)據(jù)采集單元供電；信號調(diào)理單元對采集到的模擬和數(shù)字信號進行處理，并將信號輸入給PXI總線數(shù)據(jù)采集單元，同時對被測板卡提供模擬輸入信號和數(shù)字輸入信號；為實現(xiàn)測試多種電路板和多種測試信號類型的需求，采用信號復(fù)用技術(shù)，接口方面配備相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換板工裝。

在測試軟件開發(fā)方面選用NI公司的Lab VIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，引入虛擬儀器的概念，采用軟件編程方式最大限度的對硬件資源進行配置和使用，使系統(tǒng)的通用型、可重用性以及可擴展性得到極大的提高。測試系統(tǒng)軟件設(shè)計了豐富的人機交互界面，保證試驗操作直觀簡單。

3 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)由以PXI嵌入式控制器為核心的工業(yè)控制器、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、矩陣開關(guān)、信號調(diào)理板和接口轉(zhuǎn)換板組成。PXI嵌入式控制器選用PXI－8133高性能嵌入式控制器，配有1.73 GHz的4核處理器和2 GHz DDR3內(nèi)存，具有高速USB、以太網(wǎng)、RS232、GPIB等外部接口。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3 測試軟件結(jié)構(gòu)圖

電路板測試系統(tǒng)測試軟件選用NI公司的Lab-VIEW平臺進行編制。Lab VIEW是由美國國家儀器公司（National Instrument）推出的一種高效的基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行的集成化環(huán)境［2-3］。測試軟件采用模塊化的設(shè)計理念，將常用的能單獨劃分的功能模塊設(shè)計成成熟的子VI（Visual Identity system），供測試程序調(diào)用。測試程序模塊調(diào)用結(jié)構(gòu)圖見圖3所示。

實施試驗階段，測試軟件依據(jù)測試者選擇的板卡類型及具體型號確定測試項目和測試步驟，然后調(diào)用相應(yīng)的子VI，而子VI則調(diào)用PXI板卡底層驅(qū)動API，試驗結(jié)果經(jīng)底層驅(qū)動API和子VI最終返回給實施試驗主界面，方便用戶進行測試結(jié)果的判斷、查看、保存及打印等功能。

測試軟件的人機交互界面包括：系統(tǒng)初始化、實施試驗和試驗數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)初始化階段測試系統(tǒng)首先進行軟硬件的初始化，然后進入軟硬件功能的自檢，通過自檢后方可進行試驗；實施試驗負(fù)責(zé)板卡類型和具體型號的選擇以及自動和手動測試模式的選擇；試驗數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)管理負(fù)責(zé)試驗數(shù)據(jù)保存菜單項的選擇、測試結(jié)果打印和查詢。

系統(tǒng)初始化是系統(tǒng)啟動時自動進行的操作，也可手動觸發(fā)系統(tǒng)自檢功能，由主程序逐個調(diào)用各功能模塊的自檢來實現(xiàn)。實施試驗界面是測試任務(wù)的執(zhí)行界面，根據(jù)測試板卡類型和具體型號來調(diào)用相應(yīng)的測試子程序?qū)崿F(xiàn)各測試功能，完成測試任務(wù)。調(diào)用方法均采用動態(tài)調(diào)用方式如圖4所示。

圖4 PWM測試調(diào)用方式

系統(tǒng)軟件的操作流程如圖5所示。

圖5 電路板單板測試流程圖

5 試驗測試

通過對電路板單板的測試診斷，驗證了測試系統(tǒng)的功能。下面以電源板和控制板PWM輸出測試為例。

電源板塊輸入電壓范圍為：DC 70 V～140 V，輸出有DC 5 V、DC 15 V和DC 24 V。測試時輸入電壓分別取70，110，140 V，在這3個輸入電壓情況下，電源板均應(yīng)正常工作，輸出電壓應(yīng)穩(wěn)定可靠。測試結(jié)果見表1。

表1 電源板試驗測試結(jié)果 V

PWM輸出測試通過CAN總線下發(fā)目標(biāo)頻率輸出值，DC 110 V PWM信號經(jīng)降壓隔離后進入PXI-6602采集板塊，比較采集的頻率值和標(biāo)準(zhǔn)值得出測試結(jié)果，PWM輸出測試如表2。

表2 PWM輸出測試結(jié)果 Hz

由表1和表2可以看出，測量值都在規(guī)定范圍之內(nèi)，說明電路板符合指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

依據(jù)集成測試和虛擬儀器的設(shè)計思想，研制了電路板單板測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對不同類型的電路板進行功能測試與故障判斷的功能。使用基于PXI系統(tǒng)的硬件平臺，以Lab VIEW為軟件開發(fā)環(huán)境，按照模塊化設(shè)計方法，構(gòu)建測試系統(tǒng)。整個測試系統(tǒng)集成度高、擴展性好、操作簡單，充分體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］ 童 剛.虛擬儀器實用編程技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 劉 勝，張?zhí)m勇，章桂榮，等.Lab VIEW 2009程序設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［3］ 胡仁喜，高海賓.Lab VIEW 2010中文版虛擬儀器從入門都精通［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

Development of Circuit Board Test System Based on Virtual Instrument

WANG Sujing，YAN Zhaoyun，LIU Bing，KANG Xu，GUO Xugang
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Circuit board test system is designed based on the design idea of integrated test and virtual instrument.The principle structure of system，hardware and software design is described in detail.The test results show that the system can greatly improve the accuracy and efficiency，and has good usability and expansibility.

circuit board testing；Lab VIEW；virtual instrument；PXI

TP206＋.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.07

1008－7842（2014）01－0038－03

2—）男，助理研究員（

2013－09－27）