測(cè)量高速電路板上升時(shí)間的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉向明，程金朋，金薇，陸春

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

測(cè)量高速電路板上升時(shí)間的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉向明，程金朋，金薇，陸春

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

高速電路板的上升時(shí)間是衡量其性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，測(cè)量上升時(shí)間需要使用多臺(tái)不同性質(zhì)的儀器，才能完成信號(hào)的發(fā)送、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析波形等任務(wù)，采用傳統(tǒng)人工控制儀器和手工抄錄數(shù)據(jù)的方式，工作質(zhì)量和工作效率不高，容易受人為因素影響，造成測(cè)試過(guò)程難于準(zhǔn)確控制.為此針對(duì)高速電路板上升時(shí)間的測(cè)試，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng).采用基于虛擬儀器的技術(shù)，通過(guò)通用接口總線實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與可編程儀器之間的通信，使用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW完成測(cè)試軟件的編譯，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器的有序控制的目的.在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在測(cè)試軟件的控制界面中；同時(shí)將采集的測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供后續(xù)分析使用，擴(kuò)展了測(cè)試儀器的功能.

上升時(shí)間；虛擬儀器；通過(guò)通用接口總線；自動(dòng)存儲(chǔ)

0 引言

印刷電路板（PCB板）在電子通訊設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)、家用電器等電子產(chǎn)品應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的使用壽命.上升時(shí)間作為評(píng)判電路板性能優(yōu)劣的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，電路板上通過(guò)的信號(hào)的傳輸速率也越來(lái)越高，信號(hào)的上升時(shí)間就會(huì)更快，對(duì)其檢測(cè)的難度也越來(lái)越大.而高速電路板具有密度高且引腳間距小的特點(diǎn)，完成其上升時(shí)間性能測(cè)試需要多臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如果使用人工操作按鈕繁多的儀器，容易造成失誤也難以提高生產(chǎn)效率，測(cè)試過(guò)程中的手工抄錄測(cè)試數(shù)據(jù)也容易導(dǎo)致記錄混亂的狀況.虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展解決了這些問(wèn)題，采用NI－LabVIEW虛擬平臺(tái)，建立統(tǒng)一的集成測(cè)試平臺(tái)將多臺(tái)儀器有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)測(cè)試的流程控制和數(shù)據(jù)的自動(dòng)存取［1］.

1 測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

高速電路板上升時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分由計(jì)算機(jī)、高速實(shí)時(shí)示波器泰克DSA71254C（波形探測(cè)）、高速采樣示波器泰克DSA8200，安捷倫5810A網(wǎng)關(guān)、待測(cè)高速電路板、適配器、探針、專(zhuān)用電纜等組成.計(jì)算機(jī)首先利用網(wǎng)線將計(jì)算機(jī)和安捷倫5810A網(wǎng)關(guān)相連，然后兩臺(tái)高速示波器通過(guò)GPIB專(zhuān)用電纜與安捷倫5810網(wǎng)關(guān)相連.計(jì)算機(jī)給每臺(tái)示波器分配一個(gè)GPIB地址，然后發(fā)送SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）指令完成對(duì)儀器的控制［2］.其中示波器DSA71254C是完成信號(hào)的發(fā)送，示波器DSA8200是完成信號(hào)的采集.硬件的連接示意圖如圖1所示.

圖1 硬件連接示意圖Fig.1 The diagram of hardware connection

軟件設(shè)計(jì)是該測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，測(cè)試軟件開(kāi)始工作后，用戶首先在測(cè)試軟件的界面上刷新“VISA資源名稱”的控件，實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器的識(shí)別工作.然后點(diǎn)擊參數(shù)配置按鈕，示波器DSA71254C完成關(guān)于上升時(shí)間的參數(shù)配置；接著點(diǎn)擊測(cè)試按鈕，示波器DSA8200的TDR（時(shí)域反射計(jì)）模塊發(fā)送快沿信號(hào)經(jīng)過(guò)適配器到達(dá)高速電路板上的某個(gè)待測(cè)通道，然后由示波器DSA71254C采集經(jīng)過(guò)高速電路板的信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)濾波算法處理后將測(cè)試的相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)安捷倫5810A發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)解包、處理、顯示.此測(cè)試系統(tǒng)的流程圖如圖2所示.

圖2 測(cè)試軟件流程圖Fig.2 The flow chart of test software

2 上升時(shí)間的測(cè)試方法

按照設(shè)計(jì)要求規(guī)定在200Mbps－3．6Gbps條件下對(duì)通過(guò)高速電路板的上升時(shí)間的測(cè)試進(jìn)行評(píng)判.對(duì)高速電路板測(cè)試時(shí)，示波器DSA8200的TDR模塊發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)快沿信號(hào)，快沿信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜，Pogo Vin（彈簧針）進(jìn)入高速電路板，在高速電路板上傳輸后，通過(guò)集成電路接口適配器、探針、電纜到達(dá)示波器DSA71254C.因此測(cè)試儀器所測(cè)量到的量值反映出的是電纜、Pogo Vin、高速電路板、集成電路接口適配器、探針和測(cè)試儀器的綜合結(jié)果.因此由示波器DSA71254C測(cè)量的上升時(shí)間并不是高速電路板的真正上升時(shí)間，需要考慮測(cè)量過(guò)程中各個(gè)部分所造成的上升時(shí)間的損耗.對(duì)上升時(shí)間的損耗補(bǔ)償，首先計(jì)算出Pogo Vin和集成電路接口適配器的上升時(shí)間.在不連接高速電路板的情況下，利用50歐姆的電阻線將示波器DSA8200和示波器DSA71254C連接到一起.然后用示波器DSA8200的TDR模塊發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的快沿信號(hào)t0（29 ps），再使用示波器DSA71254C采集波形，并測(cè)量該信號(hào)的上升時(shí)間t1，利用式（1）計(jì)算出Pogo Vin和集成電路接口適配器所造成的上升時(shí)間的損耗ta為

其中tp為探針上升時(shí)間的損耗.tc為50歐姆電阻線的上升時(shí)間損耗.

然后運(yùn)行高速電路板測(cè)試軟件，示波器DSA8200的TDR模塊發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的快沿信號(hào)t0（29 ps），再使用示波器DSA71254C采集波形，并測(cè)量該信號(hào)的上升時(shí)間tr，利用式（2）計(jì)算出高速電路板的上升時(shí)間為trl為

所以利用公式（1）和（2）可以求出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償處理的高速電路板的上升時(shí)間，最終和高速電路板上升時(shí)間的取值范圍比較，判斷高速電路板在上升時(shí)間的性能指標(biāo)是否合格.

3 測(cè)試軟件的構(gòu)成

高速電路板自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試軟件使用LabVIEW編寫(xiě)，在Windows環(huán)境下運(yùn)行.可以解決多類(lèi)設(shè)備接入、數(shù)據(jù)暢通流轉(zhuǎn)、校準(zhǔn)結(jié)果整合等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)儀器控制、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)采集和處理、報(bào)表生成等功能.根據(jù)加載板測(cè)試軟件流程圖可知，測(cè)試軟件主要包括3個(gè)模塊：密碼登陸模塊，參數(shù)測(cè)試采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，軟件總的構(gòu)成如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)軟件框架Fig.3 The framework of system software

3.1 密碼登陸模塊

在企業(yè)中應(yīng)用的系統(tǒng)，安全性十分重要.只有輸入正確的用戶名和密碼才能進(jìn)入主測(cè)試界面.測(cè)試人員具有不同的操作權(quán)限，分為Administer用戶和User用戶，Administer用戶可以對(duì)整個(gè)測(cè)試軟件進(jìn)行查看和修改，User用戶只能查看測(cè)試軟件，不能進(jìn)行任何測(cè)試模塊的修改，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試人員的權(quán)限控制機(jī)制.如果輸入的用戶名或者密碼錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)彈出“用戶名或者密碼錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入！”對(duì)話框.如果信息正確，登陸成功.

3.2 參數(shù)測(cè)試采集模塊

參數(shù)測(cè)試采集模塊主要包括設(shè)備通訊模塊，TDR參數(shù)配置模塊和數(shù)據(jù)采集模塊.

3.2.1 設(shè)備通信模塊確保計(jì)算機(jī)和示波器之間通訊正常的情況下，才可以發(fā)送控制指令完成相應(yīng)的操作.利用LabVIEW中提供的一組VISA函數(shù)，可以直接將儀器指令發(fā)送到儀器，完成數(shù)據(jù)的編碼、數(shù)據(jù)的打包及讀寫(xiě)數(shù)據(jù)緩存等操作.首先由VISA資源名稱來(lái)獲取測(cè)試的GPIB地址，接著通過(guò)VISA打開(kāi)VI，建立設(shè)備和LabVIEW的連接.然后通過(guò)VISA寫(xiě)入VI將指令字符發(fā)送到指定的儀器或設(shè)備，測(cè)試儀器根據(jù)指令字符完成相應(yīng)的操作.如果需要將測(cè)試數(shù)據(jù)返回到計(jì)算機(jī)中，使用VISA讀取VI.此VI將測(cè)試儀器存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)根據(jù)指令的要求全部或部分返回到計(jì)算機(jī)中.當(dāng)一個(gè)完整的測(cè)試命令運(yùn)行結(jié)束后，必須將打開(kāi)的VISA資源名通過(guò)VISA關(guān)閉VI關(guān)閉當(dāng)前打開(kāi)的端口. VISA函數(shù)是NI公司開(kāi)發(fā)的一種驅(qū)動(dòng)軟件體系結(jié)構(gòu)，只要測(cè)試儀器中安裝NI公司的插件，就能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器之間的通信，而不需要考慮在儀器與計(jì)算機(jī)之間再建立一種新的通信機(jī)制，利用VISA函數(shù)實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)的通信，更加安全可靠，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象［3］.

設(shè)備通信時(shí)，會(huì)出現(xiàn)通信不暢現(xiàn)象，為提高測(cè)試軟件的工作效率，進(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)誤機(jī)制處理.通過(guò)獲取VISA的錯(cuò)誤簇，根據(jù)其錯(cuò)誤狀態(tài)、錯(cuò)誤碼來(lái)識(shí)別導(dǎo)致異常的原因，并根據(jù)錯(cuò)誤原因，向使用者提供異常的解決方法.當(dāng)出現(xiàn)VISA讀寫(xiě)，會(huì)話丟失等通信異常時(shí)，可通過(guò)重啟出現(xiàn)異常的VISA端口來(lái)快速恢復(fù)通信.根據(jù)通信異常發(fā)生時(shí)用戶所操作的前面板，來(lái)定位出現(xiàn)異常的VISA端口.然后關(guān)閉該VISA端口，以清理本次會(huì)話所使用的VISA資源.

3.2.1 TDR參數(shù)配置模塊在高速電路板某個(gè)通道的上升時(shí)間檢測(cè)過(guò)程中，需要利用示波器DSA8200的TDR模塊.測(cè)試過(guò)程中，TDR模塊發(fā)送上升時(shí)間為29 ps的標(biāo)準(zhǔn)快沿信號(hào)，為待測(cè)高速電路板提供信號(hào)的輸入，因此需要對(duì)TDR模塊進(jìn)行差分信號(hào)、極性、內(nèi)部時(shí)鐘頻率等參數(shù)的設(shè)置.

3.2.3 數(shù)據(jù)采集模塊當(dāng)發(fā)出的快沿信號(hào)通過(guò)高速電路板后，利用示波器DSA71254C內(nèi)的測(cè)量模塊對(duì)其通過(guò)高速電路板某通道的上升時(shí)間的信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，信號(hào)變成數(shù)字形式存入示波器的存儲(chǔ)器中，微處理器對(duì)存儲(chǔ)器中的數(shù)字化波形進(jìn)行相應(yīng)的處理.由于示波器采集到的點(diǎn)數(shù)只是采樣原信號(hào)的少量點(diǎn)數(shù)，為了很好的恢復(fù)和重建信號(hào)，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行正弦插值運(yùn)算，并最終將波形顯示在顯示屏上，完成波形數(shù)據(jù)的采集.然后將測(cè)試到的數(shù)據(jù)和圖形以約定格式的數(shù)據(jù)包傳遞給計(jì)算機(jī).數(shù)據(jù)采集模塊的部分程序框圖如圖4所示.

3.3 數(shù)據(jù)處理功能模塊

3.3.1 數(shù)據(jù)處理及顯示模塊計(jì)算機(jī)接收示波器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理.示波器DSA71254C在完成波形重建后，其微處理器就會(huì)計(jì)算出上升時(shí)間的值并將其以字符串的形式保存在存儲(chǔ)器中.計(jì)算機(jī)通過(guò)VISA讀取VI將示波器存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀取過(guò)來(lái)，然后按照公式（1）公式（2）對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算，計(jì)算出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償處理的上升時(shí)間的值，然后和合格范圍內(nèi)的上升時(shí)間的值進(jìn)行比對(duì)，判斷待測(cè)加載板的上升時(shí)間值是否合格，并將測(cè)試結(jié)果顯示在測(cè)試軟件的前面板上.

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊程序圖Fig.4 The program graph of data acquisition module

3.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將計(jì)算機(jī)每次測(cè)試的結(jié)果實(shí)時(shí)送入數(shù)據(jù)庫(kù)中保存，采用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具包LabSQL來(lái)實(shí)現(xiàn)LabVIEW軟件和ACESS數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)傳輸，LabSQL將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs.使用SQL命令如：“Select”、“Insert”、“Update”、“Create”可實(shí)現(xiàn)獲取查詢數(shù)據(jù)庫(kù)、插入數(shù)據(jù)庫(kù)、更新數(shù)據(jù)庫(kù)、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)等操作［4］.使用SQL語(yǔ)言不僅簡(jiǎn)單方便，且源代碼是開(kāi)放和全面免費(fèi)的.

3.3.3 數(shù)據(jù)打印模塊使用時(shí)間越長(zhǎng)，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)表的數(shù)據(jù)會(huì)越多，但并不是每次測(cè)試出來(lái)的數(shù)據(jù)都是用戶需要的，用戶需要根據(jù)實(shí)際需求打印出在何時(shí)測(cè)量的那塊高速電路板的那條通道.先通過(guò)SQL的查詢命令將相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示在測(cè)試軟件前面板的表格控件中，并不是直接在LabVIEW軟件中打印數(shù)據(jù)，而是使用ReportGeneration工具包中的打印VI將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Microsoft Office Exce中.該打印VI放入程序框圖時(shí)會(huì)出現(xiàn)配置對(duì)話框，將提前利用EXCEL制作的模版文件（．xlt文件）導(dǎo)入，再根據(jù)具體需要設(shè)置其參數(shù).將該VI的接線端子和表格控件中相應(yīng)的數(shù)據(jù)名稱連接到一起，就可以將查詢到的數(shù)據(jù)保存到EXCEL表格中.

3.4 軟件設(shè)計(jì)完成

完成各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)后，將所有子模塊進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)出人機(jī)交互界面，此界面的設(shè)計(jì)遵循：面向用戶的原則，簡(jiǎn)明性原則和一致性原則.高速電路板測(cè)試軟件的前面板如圖5所示．

圖5 測(cè)試軟件的前面板Fig.5 The front panel of the test software

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

完成測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)后，開(kāi)始進(jìn)行對(duì)測(cè)試軟件的調(diào)試，對(duì)其進(jìn)行排錯(cuò)、修改和擴(kuò)充，驗(yàn)證其功能是否能按照要求準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn).

該測(cè)試軟件的最終使用者是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的技術(shù)人員，在經(jīng)過(guò)對(duì)軟件使用流程進(jìn)行簡(jiǎn)單講解和培訓(xùn)后，用戶可以按照測(cè)試軟件和測(cè)試儀器的使用說(shuō)明書(shū)完成測(cè)試儀器和電纜的接線，并自主的完成整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的調(diào)試工作.

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，高速電路板的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示.測(cè)試軟件可以實(shí)時(shí)完成測(cè)試儀器的控制，并將測(cè)試數(shù)據(jù)和示波器顯示的波形傳回到計(jì)算機(jī).在對(duì)同一高速電路板同一通道的多次測(cè)試中，得到的最大偏差不超過(guò)1%，符合設(shè)計(jì)需求的測(cè)試范圍.測(cè)試結(jié)果如表1所示.

圖6 高速電路板的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 The test field of high－speed circuit board

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 The result of test

相比原來(lái)的人工操作儀器和人工抄錄測(cè)試數(shù)據(jù)，使用高速電路板自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以來(lái)，提高了生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，表2為兩種測(cè)試方式的對(duì)比.

表2 自動(dòng)測(cè)試和人工測(cè)試對(duì)比Tab.2 The comparison of automatic test and manual test

5 結(jié)語(yǔ)

高速電路板自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)除了應(yīng)用于高速電路板上升時(shí)間的測(cè)量外，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)展后，還可以測(cè)量誤碼率、信號(hào)衰減和電壓峰峰值等參數(shù)，具有測(cè)試流程清晰、模塊化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)靈活、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，在工程和實(shí)驗(yàn)測(cè)量中與傳統(tǒng)測(cè)試方式相比較優(yōu)勢(shì)明顯，實(shí)現(xiàn)了“軟件就是儀器”的理念［5］.通過(guò)在709研究所穩(wěn)定運(yùn)行半年表明：該測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、測(cè)試簡(jiǎn)單，對(duì)于自動(dòng)測(cè)試的研究有較大的借鑒意義.

致謝

在研究過(guò)程中，中國(guó)船舶集團(tuán)第709研究所提供了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在此表示衷心的感謝！

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Design of automatic test system for testing the rise time of high－speed circuit board

LIU Xiang-ming，CHENG Jin-peng，JIN Wei，LU Chun
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institution of Technology，Wuhan 430205，China；

High－speed circuit board has been widely applied in various electronic equipment，the rise time of which is an important parameter to measure its performance．To measure the rise time of High－speed circuit board，multiple types of instruments were used to accomplish series of tasks，including signal sending，date recording，date storing and analyzing．The traditional measuring method adopts manual control instrument to transcribe data，which resulted in low quality and inefficiency and is affected easily by artificial factors．As a consequence，the testing process is difficult to control accurately．Therefore，we designed an automatic test system for measuring the rise time of high－speed circuit board．Based on virtual instrument technology，general－purpose interface bus was used to realize the data communication between the programmable instrument and personal computer．Then，the testing software was compiled by graphical programming language of Lab-VIEW．Finally，the purpose of designing a controllable automatic test system was achieved．In the process of testing，test data display in the control interface of the testing software．Meanwhile，the testing results are saved in database for the later analysis，thus the functions of testing instrument are greatly extended．

rise time；virtual instrument；general－purpose interface bus；autosave

TP3

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.04.016

1674-2869（2015）04-0074-05

本文編輯：陳小平

2015－04－12

劉向明（1953－），男，湖北武漢人，教授，博士．研究方向：精密儀器控制.