可擴(kuò)展硬件的自動(dòng)化調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036)

引 言

近年來，隨著技術(shù)的日新月異，國家對高科技裝備的重視和自身科研管理水平的不斷提升，各專業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品數(shù)量年年遞增。在此形勢下，要保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要具備高效、可持續(xù)發(fā)展的裝備生產(chǎn)能力，以適應(yīng)未來工業(yè)4.0及中國制造2025的新要求[1]。目前，針對產(chǎn)品性能特性的測試需求越來越大，不僅要求測試項(xiàng)目集成度和精度高，而且對測試時(shí)間和效率的要求也不斷提高。隨著計(jì)算機(jī)和各種工控系統(tǒng)的進(jìn)步，自動(dòng)化測試系統(tǒng)發(fā)展比較成熟，有通用性的測試系統(tǒng)平臺(tái)[2]，也有針對某種參數(shù)性能的特制自動(dòng)測試系統(tǒng)[3-5]。

在裝備生產(chǎn)過程中，不僅要對性能參數(shù)的合格性進(jìn)行測試，同時(shí)在測試項(xiàng)目不符合或者偏離某種目標(biāo)值時(shí)，需要對產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，因此必須對產(chǎn)品的性能特性進(jìn)行調(diào)試，以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)，提高產(chǎn)品特性?，F(xiàn)階段主要采用人工調(diào)試、記錄數(shù)據(jù)的方式，本文提出了一種自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)測試、記錄保存、記錄分析，并計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、重新配置產(chǎn)品參數(shù)等。該系統(tǒng)采用Python語言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，其擁有對儀器控制的PyVISA模塊[6]，可實(shí)現(xiàn)儀器接口的無關(guān)性，同時(shí)支持GPIB、LAN、RS232、USB等多種接口。Python支持中文編程，有利于對各種底層庫函數(shù)進(jìn)行中文封裝，方便調(diào)試人員對調(diào)試過程的序列代碼的理解，而且支持?jǐn)?shù)據(jù)庫操作和第三方模塊包，可以利用PyQt開發(fā)系統(tǒng)界面[7]。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 總體構(gòu)成

為滿足產(chǎn)品多樣化、參數(shù)多種類的特性，調(diào)試系統(tǒng)硬件架構(gòu)采用“計(jì)算機(jī)平臺(tái)+控制線”的模式，可實(shí)現(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)化(包括信號(hào)接口和硬件接口)、測試儀器可互換、測試通道可配置等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要組成包括主控系統(tǒng)、開關(guān)矩陣、通用測試儀表、產(chǎn)品控制接口適配器、程控電源系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)硬件總體構(gòu)成

1.2 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)采用基于NI的PXI可擴(kuò)展系統(tǒng)，保證不同廠商產(chǎn)品互操作性的儀器級接口標(biāo)準(zhǔn)，能夠針對不同儀器控制接口的不同，利用插槽可擴(kuò)展GPIB、LAN、RS232、USB等控制接口。同時(shí)，PXI系統(tǒng)具有運(yùn)行速度快、體積緊湊等兼容性特點(diǎn)。

1.3 開關(guān)矩陣

為保證多通道產(chǎn)品和多種測試儀表信號(hào)鏈路自動(dòng)化切換，節(jié)省測試資源，增強(qiáng)系統(tǒng)的可互換性，減少儀器更換頻次，提高測試效率，本方案利用開關(guān)矩陣[8]采用多種開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的混合開關(guān)系統(tǒng)，將具有模塊化的各種開關(guān)資源靈活配置和級聯(lián)，通過上層軟件完成各種組態(tài)和切換，形成滿足不同測試需求的高效開關(guān)系統(tǒng)。開關(guān)矩陣的設(shè)計(jì)原則是按功能進(jìn)行模塊劃分和配置，同時(shí)與自動(dòng)調(diào)試測試系統(tǒng)的信號(hào)接口相對應(yīng)，有利于接口的擴(kuò)展和形成模塊化自動(dòng)調(diào)試測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。綜合考慮單位產(chǎn)品類型和信號(hào)接口通道數(shù)、測試儀器種類和測試項(xiàng)目，開關(guān)矩陣信號(hào)路由如圖2所示，其中A、B、C、M、N為產(chǎn)品信號(hào)接口。

圖2 開關(guān)矩陣路由圖

1.4 產(chǎn)品控制接口適配器

基于產(chǎn)品協(xié)議以及控制信號(hào)的特性，對產(chǎn)品的控制和信號(hào)不能使用通用儀器進(jìn)行控制，因此研制了基于產(chǎn)品的控制接口適配器，主要包括控制轉(zhuǎn)換電路、電源監(jiān)控模塊。控制轉(zhuǎn)換電路接收主控系統(tǒng)的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品協(xié)議的控制信號(hào)，控制產(chǎn)品的模式、頻段等參數(shù)的設(shè)置。

1.5 程控電源模塊

程控電源為不同產(chǎn)品提供所需的電壓和電流，因此，程控電源具有多路和多范圍電源輸出，可同時(shí)連接多個(gè)模塊。同時(shí)，程控電源具有遠(yuǎn)程控制、過載保護(hù)、多路電源監(jiān)控等特點(diǎn)，監(jiān)測流入產(chǎn)品的電流值，防止大電流燒毀產(chǎn)品的濾波器或功放管。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要功能模塊包括人員登錄、產(chǎn)品選擇、調(diào)試模塊、報(bào)表輸出、數(shù)據(jù)查詢。

① 人員登錄：根據(jù)對調(diào)試人員的資格認(rèn)證要求，僅允許滿足條件的調(diào)試人員才能登錄軟件進(jìn)行調(diào)試。

② 產(chǎn)品選擇：從系統(tǒng)集成的多種產(chǎn)品中選擇需要調(diào)試產(chǎn)品。

③ 調(diào)試模塊：根據(jù)編寫的調(diào)試流程代碼，按照軟件流程進(jìn)行調(diào)試。

④ 報(bào)表輸出：該功能將調(diào)試的數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫中，并可將調(diào)試數(shù)據(jù)生成Word報(bào)表。

⑤ 數(shù)據(jù)查詢：按模塊和時(shí)間對調(diào)試數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并可將查詢的數(shù)據(jù)生成報(bào)表。

軟件平臺(tái)采用Python作為開發(fā)語言，其作為腳本語言，有支持中文的版本，能夠?qū)⒌讓域?qū)動(dòng)模塊進(jìn)行中文封裝，使得調(diào)試人員更容易理解調(diào)試過程代碼，同時(shí)，Python支持第三方開發(fā)的模塊包，運(yùn)用方便。在底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)方面使用PyVISA模塊庫[9]，并使用中文對其進(jìn)行封裝，使得上層代碼全采用中文進(jìn)行編程。軟件系統(tǒng)調(diào)試流程如圖3所示。

圖3 軟件調(diào)試流程圖

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

選取某型產(chǎn)品，調(diào)試該產(chǎn)品功率和調(diào)制度指標(biāo)。搭建系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境，選擇SMB100A用于不同頻率的信號(hào)源，選擇HP8920B綜測儀用于調(diào)制度測試，按照開關(guān)矩陣連接圖將通用儀器、被調(diào)產(chǎn)品的信號(hào)、控制接口連接到相應(yīng)位置，系統(tǒng)搭建實(shí)物如圖4所示。圖4(a)中左邊為通用儀器，可根據(jù)需要更換不同儀器，右邊為顯示界面；顯示界面后面板塊如圖4(b)所示，程控電源在最上面，可以多路輸出，中間設(shè)備為PXI機(jī)箱，適合各種板塊的擴(kuò)展，最下方為開關(guān)矩陣，可通過上層軟件控制信號(hào)路由。

圖4 系統(tǒng)搭建實(shí)物圖

開啟軟件，人員登錄后選擇產(chǎn)品型號(hào)及所需調(diào)試的功率和調(diào)制度指標(biāo)選項(xiàng)，執(zhí)行開始后，調(diào)試數(shù)據(jù)顯示到軟件界面，同時(shí)后臺(tái)保存到數(shù)據(jù)庫，方便數(shù)據(jù)的查詢和分析。軟件調(diào)試代碼采用中文封裝，調(diào)試代碼與調(diào)試工藝文件相結(jié)合，一條代碼代表一條調(diào)試工藝，使得調(diào)試代碼容易被調(diào)試人員理解。部分實(shí)現(xiàn)代碼如下所示(根據(jù)模式和通道的不同，可自由組合各種調(diào)試類型)：

def 功率和調(diào)制度測試(模式，通道)：

儀器初始化()

產(chǎn)品初始化()#設(shè)置產(chǎn)品工作模式和通道

產(chǎn)品1.設(shè)置工作狀態(tài)(模式，通道)

綜測儀1.設(shè)置音頻1關(guān)()

#控制PTT端口輸出信號(hào)

PTT端口.PTT1發(fā)射()

功率=功率計(jì)1.讀發(fā)功率()

綜測儀1.設(shè)置音頻1幅度(0.25V)

綜測儀1.設(shè)置音頻1頻率(1000Hz)

綜測儀1.設(shè)置音頻1開()

調(diào)制度=綜測儀1.讀調(diào)制度()

PTT端口.PTT接收()

功率=按值轉(zhuǎn)換(AM功率，1.1)

調(diào)制度=按值轉(zhuǎn)換(AM調(diào)制度，1.1)

#判斷結(jié)果，顯示并保存數(shù)據(jù)

判斷合格保存(‘功率’,功率，15,20)

判斷合格保存(‘調(diào)制度’，調(diào)制度，75%，100%)

結(jié) 語

陳正龍(工程師)，研究方向?yàn)樽詣?dòng)測試系統(tǒng)開發(fā)。