MSA方法在功能測試平臺穩(wěn)定性分析中的應用

摘 要：功能測試平臺是公司自主開發(fā)用來測試電路板功能輸出參數(shù)的一種半自動化測試系統(tǒng)，測試平臺的穩(wěn)定性決定了電路板測試結果的信賴度。本文利用MSA理論方法對功能測試平臺每個輸出參數(shù)的檢具能力和檢具能力指數(shù)進行分析，并根據(jù)分析結果針對性地改進功能測試平臺，為復雜功能測試系統(tǒng)穩(wěn)定性評估提供了一定參考。

關鍵詞：MSA；功能測試平臺；檢具能力；檢具能力指數(shù)

中圖分類號：TN 407" " " " 文獻標志碼：A

功能測試平臺是大規(guī)模生產中用于驗證電路板產品功能符合性的重要自制測試設備。該設備是一個復雜的半自動化集成測試系統(tǒng)，包括電子負載、測試機箱夾具、串口通信機箱、網絡交換機、程控電源、電流表、網絡測試儀以及基于美國國家儀器（NI）有限公司（National Instruments）PXI工控計算機定制開發(fā)的控制機箱，并使用線束、端子集成在一起。由于各種設備和連接線路的可靠性影響了功能測試平臺本身的測試穩(wěn)定性，因此導致測試結果的準確性和可信度不高。

目前自制測試平臺并沒有可供參考的第三方測量系統(tǒng)校準方案，只能對系統(tǒng)集成的測量儀表儀器進行第三方計量校準，無法對整個功能測試平臺的穩(wěn)定性進行評估。本文闡述了如何利用MSA測量系統(tǒng)分析、評估功能測試平臺穩(wěn)定性，并對具體過程進行針對性改進。

1 MSA理論研究和分析準備

MSA英文全稱為Measurement System Analysis，其使用數(shù)理統(tǒng)計的方法對測量系統(tǒng)的重復精度能力和準確精度能力進行分析，以評估測量系統(tǒng)的分辨率和誤差對被測量的參數(shù)來說是否合適，并分析測量系統(tǒng)誤差的主要因素[1]。功能測試平臺屬于計量型半自動化量測系統(tǒng)，通過評估功能測試平臺的每個測試輸出參數(shù)的量具能力Cg和檢具能力指數(shù)Cgk是否≥1.33來判定MSA是否通過。Cg是Capability Gage的簡稱，代表檢具檢測能力，即測量設備保證測量準確可靠程度的能力。Cgk是Capability Gage Index的簡稱，代表檢具能力指數(shù)，即測量設備保證測量準確可靠程度的能力指數(shù)。

Cg與Cgk這2個指標統(tǒng)稱量具設備能力，是用來評估一個檢測設備的測量能力是否滿足被測質量特性的公差要求的方法，主要用來評估量具內部的變差對整個公差帶的影響。Cg主要是評估量具自身的重復性。重復性是量具對同一部件進行一致性測量的能力，需要比較每個測試參數(shù)規(guī)格上、下限公差與實際測試的變差；而Cgk主要是用來評估量具自身的偏移和偏倚，即量具平均測量值與參考標準值間的差異。同時用Cg和Cgk這2個指標進行判定的目的是如果Cgklt;1.33或Cglt;1.33，可以判定問題主要由測量標準件的重復性導致，還是主要由測量系統(tǒng)的偏倚導致。Cg和Cgk與被測特性的公差T相關聯(lián)，即使是同樣的標準差和極差，只要被測特征的公差T足夠大，該測量系統(tǒng)的測量能力也是可以接受的[2]；反之，如果被測特性的公差T較小，則該測量系統(tǒng)的量具能力不可接受。

使用功能測試平臺測試電路板的過程可看作一個完整的測量系統(tǒng)，通常測量系統(tǒng)穩(wěn)定性（包括設備本身）的特性影響因素、操作人員的人為誤差因素以及環(huán)境變化影響因素導致的測試誤差。分析功能測試平臺的穩(wěn)定性之前，需要確定這些因素的影響度，詳細分析如下。1）人員操作影響因素分析。確定人員操作在測試過程中的變差影響。自制的功能測試平臺是半自動化測試系統(tǒng)，在每次測試操作過程中，所設計的測試夾具只需要將電路板安裝插入測試機箱，測試機箱背板連接器與電路板上的對插連接器是否穩(wěn)定、可靠連接。測試過程由控制機箱上位機軟件自動執(zhí)行，測試過程無須人員干預。對整個測試系統(tǒng)來說，人員操作的因素僅是安裝和拆卸電路板，可以確認操作人員每次的安裝、拆卸電路板操作產生的變差影響較小，如存在人員操作的誤差影響，例如測試夾具需要人工輔助固定或者測試夾具本身有穩(wěn)定性問題，則本文評估方法并不適用。2）外界環(huán)境影響分析。功能測試平臺非單一量具，是包括多個功能參數(shù)檢測能力的復雜系統(tǒng)。在一個完整的MSA分析循環(huán)中，測試系統(tǒng)是固定不動的，設備的特性參數(shù)，如外部供電電壓、電磁環(huán)境、網絡環(huán)境、溫度和壓力等穩(wěn)定。即確定測試過程中的設備是恒定的，不會因外部條件環(huán)境變化而引入新的變差。3）設備特性分析。功能測試平臺通過軟件自動控制測試電路板的每個測試參數(shù)，該測試過程并不會發(fā)生機械位移、物理形態(tài)變化和環(huán)境變化等。功能測試平臺本身是由PXI工控計算機為上位機并使用程控軟件控制測試機箱和儀器，通過外加電源、電子負載等測試待測電路板的每個通道的輸出值。功能測試平臺的硬件和軟件是固定不變的，變差影響來自2個方面。第一，功能測試平臺測量儀器、電子負載自身因精度、儀器穩(wěn)定性存在的誤差。基于此風險，要求功能測試平臺集成的測試儀器也必須是經過計量檢定合格的測試儀器，這也是評價功能測試平臺穩(wěn)定性的必要條件。第二，功能測試平臺內部集成的設備、儀器、線纜和電阻負載間的連接是否穩(wěn)定可靠。4）待測樣品分析。需要準備測試金樣電路板，被選取的金樣必須使用高精度（精度選擇通常要大于功能測試平臺內部集成的測量儀器精度的10倍）且已經被上一級計量單位校準合格的測量儀器和設備，并搭建手動測試環(huán)境，對挑選的電路板金樣進行多次測試，獲取待測金樣電路板每個輸出參數(shù)的真值，將其作為進一步MSA分析的基準值。

基于以上對人員、環(huán)境、待測金樣電路板和功能測試平臺設備本身特性的分析，分析整個測試系統(tǒng)穩(wěn)定性時無須進行整個系統(tǒng)的測量系統(tǒng)重復性和再現(xiàn)性分析，只需要分析Cg、Cgk和功能測試平臺自身設備的穩(wěn)定性即可。而影響功能測試平臺穩(wěn)定性的因素來自功能測試平臺自身的硬件穩(wěn)定性，如端子接線穩(wěn)定性、電子器件穩(wěn)定，這些因素會影響每次測試結果的誤差。硬件特性穩(wěn)定性產生的測試結果屬于隨機誤差，而系統(tǒng)誤差受功能測試平臺自身測量儀器、儀表和各種器件的精度影響。本文主要分析確認系統(tǒng)誤差和隨機誤差的原因，并針對性地改進功能測試平臺硬件，直至滿足穩(wěn)定性測試需求。

2 分析過程

功能測試平臺每次測試輸出665個不同參數(shù)值，需要分析測試出的數(shù)據(jù)，分為3個階段。第一階段，確定標準件金樣每個參數(shù)的基準值和規(guī)格上下限；第二階段，根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律，對同一測量特性進行無限重復測量可以有效降低測量偏差的平均值。本文使用標準件金樣，在功能測試平臺上連續(xù)測試至少25次以上（通常50次最佳），每個參數(shù)值將獲得25個測試數(shù)據(jù)，計算并評估665個測試參數(shù)每個參數(shù)的量具能力（Cg）和檢具能力指數(shù)（Cgk）。利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計篩選出Cg或Cgk＜1.33的參數(shù)，根據(jù)測試參數(shù)對其測試電路原理進行分析、評價，確定不達標的原因，并針對性地改進功能測試平臺相關測試設備。第三階段，重復第二階段的測試和分析方法，直至665個測試參數(shù)滿足接受條件。

2.1 金樣電路板基準值分析

通過評估功能測試平臺665個測試參數(shù)實際輸出值來分析穩(wěn)定性。挑選一片質量已知、功能良好的電路板金樣，將其作為標準件。根據(jù)已被計量校準過的穩(wěn)壓電源、電壓表、電流表和電子負載搭建測試環(huán)境，手動精確測量每個測試參數(shù)的輸出值，每個輸出值需要測定至少10次。每次測定不進行測試夾具拆卸，避免因每次夾具裝配位置的差異而引入額外變量，從而影響測試值。多次測定只測定電路板金樣本身的硬件電路特性輸出值。需要確保針對每個輸出參數(shù)的每次測量操作只是電路電源開、關的操作，當測量儀器顯示的數(shù)值穩(wěn)定后再讀取數(shù)值。

將測試規(guī)格上下限、每個參數(shù)的10次測試數(shù)據(jù)填入表1，基準值收集統(tǒng)計表見表1。

根據(jù)測試值計算出每個測試參數(shù)的標準件真值，用Xm表示，如公式（1）所示。

（1）

2.2 檢具能力Cg和檢具能力指數(shù)Cgk分析

將2.1節(jié)已經測量確定的電路板金樣裝入待驗證的功能測試平臺測試機箱夾具中。連續(xù)進行至少25次以上的測試，每個測試參數(shù)獲取25個測試數(shù)據(jù)，分別獲得每個測試參數(shù)的平均值，用Xi表示，標準差用Sg表示，6個標準差用6Sg表示，規(guī)格全距用T表示，偏倚用Bi表示，計算出Cg和Cgk，并計算每個測試參數(shù)的測試平均值，用表示，如公式（2）所示，會得到665個測試輸出參數(shù)的各自平均值。

=" （2）

計算規(guī)格全距，使用665個測試輸出參數(shù)的各自的規(guī)格上限值減去各自的規(guī)格下限值，得到每個規(guī)格值的全距（即公差），即T=USL-LSL。

根據(jù)25次測試的數(shù)據(jù)和平均值計算標準差和6倍的標準差，如公式（3）所示[3]。

（3）

式中：xi表示測試值1～測試值25；表示所有平均值。

6個標準差即6Sg=6×Sg。

根據(jù)規(guī)格全距T、標準差Sg計算量具能力Cg，0.2為公差全距T的百分比系數(shù)（即公差系數(shù)K）。系數(shù)K選用0.2表明測量精度至少需要是公差帶的+/-10%。當每個測試參數(shù)的輸出值小數(shù)點第2位穩(wěn)定時，即認為是精確的，而測試平臺本身儀器精度量程超過此要求10倍，其計算如公式（4）所示。

（4）

從公式（4）可以看出，要評估功能測試平臺的重復性，就需要通過計算Cg度量來比較變異（量具測量值的散布范圍）與公差百分比T，選擇20%的公差帶。Cg值＞1.33說明對公差范圍而言，該量具測量值的散布范圍非常窄，測量設備受控時，檢測的特性預期為正太分布，規(guī)格公差帶0.2×T是固定值。檢具穩(wěn)定性通過標準差Sg進行衡量，標準差Sg越小，Cg值越大，表明檢具越穩(wěn)定，重復性越好，即檢具能力越強。Cg評估量具測量值的散布范圍如圖1所示。

根據(jù)25次測量數(shù)據(jù)的平均值與基準真值Xm的差值絕對值計算偏倚Bi。通過圖1可以看出，預期功能測試平臺測定的25次值的平均值相對于真值Xm的Bi越小，代表功能測試系統(tǒng)的本身偏倚越低，計算公式為Bi=|-Xm|。

根據(jù)偏倚量Bi、規(guī)格全距值T和3倍的標準差，計算出量具準確精度能力指數(shù)Cgk，檢具能力指數(shù)如公式（5）所示[4]。

（5）

根據(jù)計算結果判斷每個參數(shù)測試Cg和Cgk是否≥1.33。Cgk研究變異與公差的比較，但它還會考慮測量值是否“在目標上”。Cgk隨量具平均測量值和參考值間差值的增大而減少。Cgk值1.33是表示測量設備既精確（高重復性）又準確（低偏倚）。

本文功能測試平臺使用的665個測試參數(shù)大部分均設定規(guī)格上限和規(guī)格下限，但有少量的測試參數(shù)，例如字符串的讀寫速度、繼電器動作響應時間、絕緣耐壓阻抗、漏電流值和通信數(shù)據(jù)丟包率等只有規(guī)格上限或者規(guī)格下限，通常情況可以分析測試參數(shù)是否存在自然規(guī)格邊界，例如只有規(guī)格上限的速度、時間和丟包率等自然邊界不可能為負，其自然邊界就是0。其公差帶即為0到規(guī)格上限值。通過計算公差帶即可計算出Cg和Cgk的值。單邊規(guī)格上限的公差帶為T=USL-0。

而對于某些測試參數(shù)特性，只有單邊規(guī)格且不具備自然邊界值，此類參數(shù)無法直接計算、評價其設備能力Cg和設備能力指數(shù)Cgk，但需要根據(jù)至少25次的測試數(shù)據(jù)評價、計算出控制邊界限，用更嚴苛的可控制限保證測定的參數(shù)輸出不會超過產品規(guī)格值，即判定最終測量的產品是否超過規(guī)格值。規(guī)格上限用USL表示，規(guī)格下限用LSL表示，控制上限用UCL表示，控制下限用LCL表示。當功能測試平臺正式投產使用時，設定測試參數(shù)的規(guī)格控制限值。

單邊規(guī)格上限的參數(shù)需要計算控制上限，即UCL=USL+

Bi+2Sg，單邊規(guī)格下限的參數(shù)需要計算控制下限，即LCL=LSL+

Bi+2Sg。

2.3 Cg和Cgk數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

根據(jù)分析結果，統(tǒng)計Cg或Cgk低于1.33的測試參數(shù)項分布，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)總共有665個測試參數(shù)，其中57參數(shù)在第一次測試中不滿足要求。

對于57個不符合的測試參數(shù)，根據(jù)其測試特性，針對性分析影響其測試值不穩(wěn)定的因素，并改進功能測試平臺。根據(jù)其測試原理，分為3類。

第一大類，電子負載精度問題影響24V對應的測定輸出電壓。功能測試平臺的3個輸出參數(shù)，即24V D1～D3三路輸出電壓不穩(wěn)定，分析如下：影響電壓輸出結果的是功能測試平臺中的電子負載和電阻R0（代表導連接后的固有阻抗）。拆除電子負載后只測線路連接阻抗，經測定，此通道的R0值穩(wěn)定，排除此通道導線或接線問題，如圖3所示。拆卸功能測試平臺2A的電子負載，并送第三方校準。校準結果顯示，原電子負載精度只有+/-1%，而測試的壓降精確測量變化區(qū)間為0.1V～0.01V，決定對24V D1～D3三路更換高精度電子負載，精度為0.005%，精度范圍覆蓋測試變化域值范圍（0.01～0.1V）。2）第二大類，功能測試平臺測試參數(shù)。24V 1路～20路采集信號電流不穩(wěn)定，分析確認電流表已經做過標定，屬于第三方檢定過的標準計量儀器，測試不穩(wěn)定的影響因素主要來源于電子負載、功能測試平臺夾具背板連接器與電流表接線端以及電子負載連接的導線回路阻抗。如某一接線端存在虛接或導線自身內部虛接問題，將使阻抗存在變化，從而影響電流值。分析如圖4所示。

使用毫歐表精確測定（不接入電子負載RL）每條回路接線的接線阻抗，并將測試平臺夾具內回路短接，測試原理如圖5所示。測定確定電子負載接線端與夾具背板間的連接線端的阻抗為3.70Ω～3.95Ω。更換整根測試線纜并重新焊接端子接線，直至回路阻抗值穩(wěn)定在3.001Ω～3.0001Ω。

第三大類，功能測試平臺軟件回讀參數(shù)。CPU回讀時間低于預期。分析認為這些測試參數(shù)屬于設備指令回讀，非功能測試平臺本身硬件設備特性的影響，這15項測試可剔除掉，不影響整體分析結果。

2.4 功能測試平臺重復測試分析

針對硬件優(yōu)化后的測試平臺，再次將電路板金樣安裝入待驗證的功能測試平臺測試機箱夾具中，連續(xù)進行至少25次以上的測試。每個測試參數(shù)獲取25個測試數(shù)據(jù)，并重復第二階段分析方法，確定第二階段中發(fā)現(xiàn)的Cg和Cgk＜1.33的測試參數(shù)項在硬件改進后是否能滿足最低通過標準1.33，依次往復第二階段和第三階段操作步驟，直至665個測試參數(shù)項全部滿足Cg與Cgk均＞1.33的要求。

3 結語

功能測試平臺是硬件產品生產過程中測試和驗證產品功能的最重要的檢驗系統(tǒng)，是集成了多種測量儀器、測試設備以及測試夾具的復雜平臺。其所測試的硬件功能參數(shù)也遠超普通的單一量具。本文通過MSA方法，分析了影響功能測試平臺穩(wěn)定性的所有因素，基于功能測試平臺自身硬件特性和測試操作方法，排除了人員操作因素、外部環(huán)境因素，通過分析功能測試平臺測試過程的系統(tǒng)誤差和隨機誤差，獲得了測試參數(shù)特性的重復性、偏移和偏倚，并以此評估設備能力和設備能力指數(shù)，從而驗證了整個測試平臺的穩(wěn)定性，可為同類型的復雜功能測試平臺的穩(wěn)定性分析提供借鑒和參考。

參考文獻

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