于洪澤，賀永鵬，袁紹民，徐莉，張凱

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180）

隨著電路板復(fù)雜程度的增加，依靠測(cè)試人員使用示波器、萬用表、邏輯分析儀等設(shè)備對(duì)電路板卡進(jìn)行人工測(cè)試的方式，已經(jīng)不能滿足大規(guī)模板卡產(chǎn)品化測(cè)試的需求［1］。針對(duì)人工測(cè)試存在測(cè)試過程繁瑣復(fù)雜、工作量大、可靠性低、人為因素大等缺點(diǎn)，本文提出了一種基于LabVIEW 與TestStand的通用板卡自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

本測(cè)試系統(tǒng)采用圖形化編程語言LabVIEW與高效的測(cè)試流程執(zhí)行管理軟件TestStand進(jìn)行編程，具有二次開發(fā)周期短、人機(jī)界面友好、可持續(xù)性開發(fā)、可維護(hù)性強(qiáng)、可靠性高、測(cè)試結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高板卡的測(cè)試效率與測(cè)試精度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)多種類型電路板卡進(jìn)行測(cè)試，需對(duì)各種被測(cè)板卡配置相應(yīng)的測(cè)試夾具，即板卡與夾具一一對(duì)應(yīng)。將電路板放置到測(cè)試夾具上，通過夾具上的探針實(shí)現(xiàn)電路板上的測(cè)試點(diǎn)與測(cè)試系統(tǒng)的連接。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電路板上某一功能電路的輸入通道施加激勵(lì)信號(hào)，檢測(cè)相應(yīng)的輸出信號(hào)是否在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，并將測(cè)試結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)文件中。通過更換相應(yīng)夾具，可實(shí)現(xiàn)多種板卡的快速功能測(cè)試。

本文提出的測(cè)試系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、測(cè)試硬件平臺(tái)、上位機(jī)測(cè)試軟件3部分組成，測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the test system

供電系統(tǒng)為被測(cè)板卡提供電源。不同的被測(cè)電路板，所需的供電路數(shù)不同、電壓的大小也不同，因此采用程控可調(diào)電源，通過選通開關(guān)的切換滿足不同的電路對(duì)測(cè)試電源的需求。

測(cè)試硬件平臺(tái)有2 個(gè)主要功能：1）是產(chǎn)生電路板測(cè)試所需的各種激勵(lì)信號(hào)，如PWM波、模擬量信號(hào)、數(shù)字量電平信號(hào)等；2）是對(duì)被測(cè)電路板響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的幅值、頻率、脈沖寬度等項(xiàng)目的測(cè)試［2-3］。

上位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)提供人機(jī)交互界面，一方面響應(yīng)操作人員輸入的命令，輸出相應(yīng)的控制向量，通過測(cè)試硬件平臺(tái)為被測(cè)板卡提供激勵(lì)信號(hào)；另一方面對(duì)測(cè)試硬件平臺(tái)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，與設(shè)定的閾值比較得出測(cè)試結(jié)論，并將測(cè)試結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)到測(cè)試報(bào)告中。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本測(cè)試系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖2 所示，包括工控機(jī)和IO接口設(shè)備。工控機(jī)選用NI公司的PXIe-8820 控制器，將該控制器集成到PXI Express機(jī)箱內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)高性能、可擴(kuò)展的PC操作平臺(tái)；IO接口設(shè)備包括PXI接口模塊、GPIB儀器（2 臺(tái)程控電源和電子負(fù)載）、通道復(fù)用開關(guān)以及輔助控制模塊（CAN通訊、光纖通訊等）。

圖2 通用板卡自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.2 Block diagram of the automatic test system of circuit boards

2.1 PXI接口模塊

PXI接口模塊均基于PXI總線與工控機(jī)連接，包含PXI-6509 數(shù)字IO 卡、PXI-6528 工業(yè)IO 卡、PXI-4065 數(shù)字萬用表卡、PXI-2527 多路復(fù)用器、PXIe-6363 多功能數(shù)據(jù)采集卡、PXI-8432/4 串口通訊卡、PXI-GPIB卡。各PXI模塊主要功能如下：

1）IO 卡PXI-6509 與PXI-6528 用于開關(guān)信號(hào)的輸入與輸出；

2） DMM 數(shù)字萬用表卡PXI-4065 與PXI-2527用于測(cè)量信號(hào)的電壓、電阻、電流值；

3）多功能卡PXIe-6363用于輸出模擬量、方波信號(hào)，也用于測(cè)量方波信號(hào)的頻率；

4）串口通訊卡PXI-8432/4 用于實(shí)現(xiàn)RS232通訊。同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)配置232/485 轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)RS485通訊［4］。

2.2 GPIB儀器模塊

本測(cè)試系統(tǒng)使用2臺(tái)高精度程控電源為被測(cè)板卡供電，E3645A 直流電源供電電壓范圍0～35 V，電流最大為2.2 A，電壓精度<0.05%+10 mV，電流精度<0.2%+10 mA；E3631A直流電源具有3路輸出，輸出電壓（電流）范圍分別是0～6 V（0～5 A），0～+25 V（0～1 A），0～-25 V（0～1 A）。其中輸出電流范圍0～5 A的電源，可作為霍耳電流傳感器功能檢測(cè)的激勵(lì)信號(hào)，通過采用分時(shí)復(fù)用結(jié)構(gòu)，最大可對(duì)6通道霍耳電流檢測(cè)回路進(jìn)行測(cè)量。

2.3 通道復(fù)用開關(guān)

選用的NI 測(cè)試設(shè)備大部分只有單路測(cè)試能力，如數(shù)字萬用表卡PXI-4065只能測(cè)試一路電壓或電阻值，而被測(cè)電路板卡上需要測(cè)試的電壓與電阻往往多達(dá)幾十個(gè)，這就需要使用開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)測(cè)試通道復(fù)用，本測(cè)試系統(tǒng)的通道復(fù)用開關(guān)通過多路繼電器板卡實(shí)現(xiàn)。通道復(fù)用原理圖如圖3所示。

圖3 通道復(fù)用原理圖Fig.3 Schematic diagram of channel multiplexing

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件是本板卡測(cè)試系統(tǒng)的核心，既具有操作簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面，又能迅速有效地對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)還能對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便后續(xù)調(diào)用及分析處理。本板卡測(cè)試系統(tǒng)采用圖形化編程語言LabVIEW 與測(cè)試流程執(zhí)行管理軟件TestStand作為軟件開發(fā)平臺(tái)。

3.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)使用LabVIEW 作為平臺(tái)開發(fā)人機(jī)交互界面，使用TestStand作為平臺(tái)開發(fā)測(cè)試流程執(zhí)行序列，針對(duì)不同的被測(cè)板卡，在TestStand 中編寫相應(yīng)的Sequence 序列文件，通過在Lab-VIEW 中調(diào)用TestStand 運(yùn)行引擎，加載相應(yīng)Sequence來完成測(cè)試。更換被測(cè)電路板類型時(shí)，軟件只需要加載不同的Sequence序列文件，即可完成對(duì)不同類型的電路板的測(cè)試。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of software system

3.2 TestStand簡(jiǎn)介

TestStand 是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments）推出的一款可即運(yùn)行的測(cè)試管理軟件，用于組織、控制和執(zhí)行自動(dòng)化測(cè)試與驗(yàn)證系統(tǒng)。TestStand 具有強(qiáng)大的兼容性，可整合使用不同編程語言（如LabVIEW，LabWindows/CVI，Visual C/C++，Visual Basic .NET 和C#等）開發(fā)的測(cè)試程序，快速構(gòu)建測(cè)試序列［5-6］。TestStand基于一個(gè)高速的多線程執(zhí)行引擎構(gòu)建，其強(qiáng)大的性能可滿足測(cè)試系統(tǒng)嚴(yán)苛的吞吐量需求。同時(shí)該軟件的功能可完全由用戶自定義，用戶可自行對(duì)其進(jìn)行修改與增強(qiáng)，以滿足各種特殊需求，如定制操作界面、生成自定義報(bào)告以及修改執(zhí)行序列等。實(shí)踐證明，該測(cè)試管理軟件具有模塊化程度高、開發(fā)流程簡(jiǎn)單、使用方便與可維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3.3 測(cè)試流程

測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)不同的被測(cè)板卡，需配置相應(yīng)的測(cè)試夾具，測(cè)試前將被測(cè)板卡放置到測(cè)試夾具上，手動(dòng)按下測(cè)試開始按鈕啟動(dòng)測(cè)試程序。測(cè)試程序先對(duì)硬件系統(tǒng)及各參數(shù)進(jìn)行初始化，確認(rèn)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，同時(shí)讀取測(cè)試夾具上限位開關(guān)的反饋信號(hào)狀態(tài)及測(cè)試夾具序列號(hào)，保證被測(cè)板卡放置的正確性。用戶在屏幕上選取板卡相應(yīng)代號(hào)，即可配置對(duì)應(yīng)的Sequence 序列，自動(dòng)對(duì)被測(cè)板卡進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程中，將實(shí)際測(cè)試結(jié)果與預(yù)先存儲(chǔ)的理論值進(jìn)行比較，判斷板卡功能是否滿足要求，并實(shí)時(shí)將測(cè)試結(jié)果保存到對(duì)應(yīng)的測(cè)試報(bào)告中。測(cè)試完成后，將板卡測(cè)試是否通過顯示到人機(jī)交互界面上，同時(shí)點(diǎn)亮面板上相應(yīng)的指示燈。系統(tǒng)測(cè)試流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試流程圖Fig.5 System testing flowchart

在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮測(cè)試系統(tǒng)維護(hù)人員與操作人員的不同需求，將用戶分為管理員和操作員兩類，二者操作權(quán)限不同。操作員只能進(jìn)行測(cè)試操作，而管理員除了具有操作員的權(quán)限外，還有添加、刪除用戶信息、修改用戶密碼、系統(tǒng)流程配置等多種權(quán)限。

軟件系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了一個(gè)檢測(cè)出故障后是否繼續(xù)執(zhí)行的選項(xiàng)。當(dāng)檢測(cè)出板卡故障時(shí)，可據(jù)此判斷是否繼續(xù)向下執(zhí)行測(cè)試命令。若將該判定參數(shù)設(shè)置為“1”，則在沒有發(fā)生重大故障（絕緣阻抗故障、電源電壓異常、通訊不正確等）的前提下，繼續(xù)對(duì)后續(xù)其他功能進(jìn)行測(cè)試，最后才顯示故障點(diǎn)及測(cè)試未通過；若將該判定參數(shù)設(shè)置為“0”，則當(dāng)檢測(cè)出板卡任一故障時(shí)，系統(tǒng)立即停止自動(dòng)測(cè)試，人機(jī)界面顯示測(cè)試未通過，并顯示測(cè)試故障所在的通道位置，以便板卡維修人員對(duì)板卡故障進(jìn)行修復(fù)。

4 結(jié)果分析

本文提出的通用板卡自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)成功用于某板卡的批量出廠測(cè)試。圖6 為本通用板卡自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)物圖。以某斬波控制板為例，所需檢測(cè)的測(cè)試項(xiàng)目有：絕緣阻抗檢測(cè)、采樣電阻檢測(cè)、電源電壓檢測(cè)、通訊地址檢測(cè)、霍耳傳感器輸出電壓檢測(cè)、運(yùn)算放大器功能檢測(cè)、觸發(fā)電路檢測(cè)、功率管開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、開關(guān)量檢測(cè)、光耦檢測(cè)、風(fēng)機(jī)檢測(cè)以及Boost升壓電路檢測(cè)，共計(jì)12 項(xiàng)功能測(cè)試。通用板卡自動(dòng)測(cè)試臺(tái)測(cè)試上述板卡所需時(shí)間為3 min 10 s；而對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試工程師而言，測(cè)試該板卡花費(fèi)的時(shí)間在20 min 以上。由此可見，相比傳統(tǒng)的人工測(cè)試，本通用板卡自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)大大提高了板卡的測(cè)試效率。

圖6 通用板卡自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6 Physical map of the automatic test system of circuit boards

系統(tǒng)對(duì)板卡進(jìn)行測(cè)試的過程中，測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的測(cè)試報(bào)告中。圖7為某斬波控制板測(cè)試時(shí)生成的測(cè)試報(bào)告摘錄。

圖7 某斬波控制板測(cè)試報(bào)告摘錄Fig.7 Excerpt of a chopper control board test report

5 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的人工板卡測(cè)試無法滿足大規(guī)模板卡產(chǎn)品化測(cè)試需求這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于圖形化編程語言LabVIEW 與測(cè)試流程執(zhí)行管理軟件TestStand 的通用板卡自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)具有易開發(fā)、易維護(hù)、高可靠、人機(jī)交互界面友好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，大大提高了板卡的測(cè)試效率，降低了板卡測(cè)試成本。本測(cè)試系統(tǒng)已部署在光伏逆變器板卡測(cè)試生產(chǎn)線上，用于板卡的批量測(cè)試。

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