如何構建通用電子產品功能測試平臺

文/上海帕西諾測控技術有限公司 吳益明 錢之欣 郭強 左容慶

本文分析當前電子產品測試中普遍存在的問題，提出一套通用電子產品功能測試平臺，利用COM技術實現(xiàn)基于TestStand引擎開發(fā)測試系統(tǒng)的流程編輯和執(zhí)行功能，并結合國際上通用的ATLAS測試語言和IVI規(guī)范分別進行測試流程和儀器驅動的管理。近年來，測試平臺在多個項目中得到了實際應用，其中資源共享優(yōu)勢已經得到了客戶們的充分認可。

1．概述

1.1背景

1.1.1目前現(xiàn)狀

縱觀國內外的電子產品測試系統(tǒng)，普遍存在以下幾點問題：

1)整個大系統(tǒng)的測試任務中，其統(tǒng)一性與整體性缺乏體系支持；

2)測試工藝、流程、標準不統(tǒng)一；

3)測試模塊的通用性、可移植性、可擴展性、可維護性較差；

4)測試人員問的素質不一；

5)不同人員測試不同階段，信息交流的程度不同；

6)測試數據的組織、存儲、管理和使用較為混亂，數字化程度較低；

7)數據的有效性、可靠性、可追溯性、共享度以及對數據的分析能力較差；

8)數據對于產生、審批、發(fā)布、變更、流通的支持度不夠；

9)生產效率偏低，導致單位生產成本較高。

以上問題的出現(xiàn)，會降低電子產品的研制效率，導致項目進度不可控，產品質量保證難度加大。

1.1.2未來發(fā)展

新一代電子產品測試系統(tǒng)會朝著通用化、標準化、組合化、網絡化的方向進行發(fā)展。

結合現(xiàn)代自動測試技術的發(fā)展，現(xiàn)代電子產品測試系統(tǒng)的測試技術必將產生深刻的變革，這主要表現(xiàn)在四個方面：

1)測試整體上，要求C3M一體化。C3M指的是控制(Control)、通信(Communication)、計算機(Computer)和測量(Measurement)；

2)測試平臺上，采用虛擬儀器技術；

3)測試管理上，運用網絡化技術；

4)測試信息處理上，采用智能傳感器信息處理和多傳感器信息融合技術。

1.2意義

自動化測試系統(tǒng)(ATS，Automatic Test System)確保電子產品設計合理，節(jié)約生產調試成本．提高產品的自我保障能力，使整個產品處于最佳工作狀態(tài)，這極為重要。測試儀器的可互換性(IVI，Interchangeable Virtual Instru-ment)和測試程序集(TPS，Test Program Set)的重用性、可移植性是通用ATS的重要指標。當前ATS的開發(fā)方式有面向儀器和面向信號兩種。面向儀器的TPS開發(fā)基于測試儀器，很難從本質上反映被測設備的測試需求，加上測試儀器種類繁多且功能各異，因此，很難實現(xiàn)儀器的互換。軟件平臺的通用性較差。面向信號的開發(fā)方式基于被測對象(UUT，Unit Under Test)的測試需求和測試資源的測試／激勵能力，解決了需求與供應之間的矛盾，通用性較強。應用在ATS中的軟件技術經歷了過程編程語言(如C)、Windows DLL、面向對象編程、組件對象模型(COM)的漫長發(fā)展過程。COM采用面向對象的軟件設計思想。以標準接口提供功能調用，實現(xiàn)了程序的模塊化、通用性設計。TestStand是測試領域廣泛使用的流程測試項目管理平臺，利用COM技術實現(xiàn)基于TestStand引擎開發(fā)ATS中的測試流程編輯和執(zhí)行功能，結合國際上通用的ATLAS測試語言和IVI規(guī)范分別進行測試流程和儀器驅動的管理。另外，在充分考慮當前電子產品測試存在問題的基礎上，結合新一代電子產品測試系統(tǒng)的發(fā)展特點，我們開發(fā)了電子產品功能測試軟件平臺(Electronic Test Platform，以下簡稱ETP)，從而為構建通用電子產品功能測試平臺提供了很好的解決方案。圖1為通用電子產品功能測試系統(tǒng)原理圖。

2．ATLAS介紹

2.1 ATLAS特性

ATLAS(Abbreviated Test Language for All Systems)是一個被廣泛應用于軍事和電子測試領域的通用標準測試語言。用這個語言編寫的測試程序不依賴于任何特殊的被測系統(tǒng)，并且它能在ATS上執(zhí)行。該語言與一般的程序設計語言相比具有如下一些特點：

1)設備無關性，即在用戶寫的ATLAS程序中不出現(xiàn)任何具體設備，只有測試需求；

2)信號相關性，ATLAS程序員書寫的測試程序都是面向信號的；

3)可擴展性，允許用戶擴展ATLAS標準中沒有的名詞、名詞修飾詞以及量綱等成份；

4)并行性和定時功能，ATLAS中的某些測試語句需要并行執(zhí)行，還有一些語句需要在特定的時刻才能被啟動；

5)語法接近于自然語言。文法限制不嚴格。

ATLAS語言從語義上可以分為常規(guī)語言部分、信號和總線部分。常規(guī)語言部分類似于一個完整的過程式語言，它能夠實現(xiàn)一般語言的功能，體現(xiàn)了ATLAS語言與其他語言的共性；信號部分和總線部分描述具體的測試過程，展現(xiàn)了ATLAS語言作為測試語言的特性。

2.2 ATLAS描述

ATLAS測試語句基本格式如下所示：

動作，(信號特征)，信號類型USING’虛擬資源’，信號修飾參數，CNX儀器端被測端$

語句：APPLY，AC SIGNAL，VOLTAGE 115V，F(xiàn)REQ400HZ，CURRENT MAX 2A，CNX HI J32-3-A23$

意義：在UUT的J32-3-A23$點加載電壓為115V、頻率為400Hz、最大電流為2A的信號。

3．IVI介紹

3.1 IVI系統(tǒng)結構

為了實現(xiàn)互換性，IVI基金會將同類儀器的共性提取出來，并作了規(guī)范。目前已經發(fā)布的八類儀器規(guī)范是：示波器(IviScope)、數字萬用表(IviDmm)、信號發(fā)生器(IviF-Gen)、直流電源(IviDCPower)、開關矩陣／多路復用器(IviSwitch)、功率表(IviPwrMeter)、頻譜分析儀(IviS-pecAn)和射頻信號發(fā)生器(IviRFSigGen)，其他類型儀器的規(guī)范也將被陸續(xù)制定發(fā)布。每一類的儀器都有各自的類驅動程序(IVI Class Driver)。每類驅動程序包含了該類儀器通用的各種屬性和操作函數。運行時，驅動程序通過調用每臺儀器的專用驅動程序(IVI Specific Driver)中相應的函數來控制儀器。

應用程序可以直接調用專用驅動程序來控制儀器。但是為了實現(xiàn)儀器互換，應用程序應該首先調用類驅動程序，類驅動程序檢查IVI配置文件以確定應該使用的專用驅動程序。若系統(tǒng)中的儀器被更換，只需適當修改IVI配置文件，而應用程序無須做任何改動，因而實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的通用性。

3.2 IVI驅動特性

1)互換性。IVI驅動程序的互換性至少為我們帶來以下幾大好處：a)易于使用。所用的IvI驅動程序都使用通用的接口，易于理解，也就不再要求應用程序的開發(fā)人員必須掌握某一特定儀器的編程方法，從而使系統(tǒng)開發(fā)獲得了更大的硬件獨立性。b)降低了系統(tǒng)的維護和升級費用。IVI構架系統(tǒng)可以適用不同的儀器。當儀器陳舊或者有了升級的、高性能或低造價的儀器時，可以任意更換，而不需要改變應用程序。c)代碼共享。IVI構架允許部門和設備之間方便地復用及共享測試代碼，并且不需使用相同型號儀器硬件。

2)模擬功能。每個儀器專用驅動程序都具有專門針對本型號儀器的模擬功能。這些模擬功能使得工程師在缺少真實儀器的情況下，可以使用IVI驅動程序的模擬功能來開發(fā)、調試應用程序，還可以使用美國國家儀器公司(Na-tional Instruments，簡稱NI)提供的類模擬驅動程序以獲得更強大的模擬功能。

3)狀態(tài)緩存功能。IVI驅動程序可以保存儀器每一屬性設置的當前狀態(tài)。當應用程序試圖發(fā)送一些冗余命令到儀器時(例如，將儀器的某一屬性重新設置為當前值，這些命令顯然不會讓儀器產生任何變化或動作)，IVI驅動程序會跳過這些命令。在當前的測試系統(tǒng)中，影響軟件執(zhí)行速度的瓶頸通常在于儀器與計算機接口總線的傳輸速率。IVI驅動程序的此項功能大大減少了儀器與計算機之間的通信，從而提升了系統(tǒng)性能。

4)源碼開放。高級用戶可以直接修改IVI驅動程序的源代碼，以對其進行優(yōu)化或添加功能。

免費得到大量的驅動程序。除了生產廠商自行開發(fā)的IVI驅動程序，NI公司也為各類常用儀器開發(fā)了大量IVI驅動程序，這些程序都可以從NI的網站上免費下載。此外，NI還提供了用于開發(fā)驅動程序的工具包，以簡化用戶的IVI驅動程序的開發(fā)過程。

4．測試平臺介紹

電子產品功能測試平臺所利用的軟件開發(fā)平臺為ETP，其開發(fā)與設計均在泛華測控“柔性測試”技術的核心理念指導下進行的。平臺分為上層管理執(zhí)行和下層的驅動管理兩大部分：上層管理模塊可根據不同行業(yè)的不同需求特點進行模塊化定制、擴展；下層驅動管理可使相關驅動資源得到最大化的共享。針對ETP平臺實際應用領域，我們設計了一些通用硬件調理模塊，大大縮短ETP實際工程項目應用的開發(fā)周期和開發(fā)成本。目前各種調理模塊僅供開發(fā)人員使用，相信不久就會以產品的形式為廣大用戶所共享。

1)ETP軟件平臺介紹

圖2是ETP軟件架構示意圖。上層管理軟件ETP采用C++編程。底層驅動管理模塊SEE(SignaI ExecuteEngine)采用LabVIEW編程。上層管理軟件通過調用SEE實現(xiàn)測試測量的功能。采用C++開發(fā)，使ETP更具平臺性和拓展性，最直接的優(yōu)勢是運行效率高。軟件總體框架是：

配置文件(資源信息)->ETP引擎->報表文件(測試結果)。在底層驅動中，我們支持NI系列的數據采集卡、數字萬用表、波形發(fā)生器、數字示波器等各種儀器。

2)ETP調理模塊介紹

ETP調理模塊的各調理單元的主要功能如下：

·開關卡目前設計的是2×8的矩陣開關，輸入接口是USB接口，輸出接口是SMA接口。另外，可以根據實際需要，組合不同的拓撲結構，比如使用兩塊開關卡，可以組成2×16或4×8的矩陣開關。

·DI調理卡是數字信號輸入調理板，具備支持多種遠程輸出類型、光耦隔離、施密特觸發(fā)的功能。

·DO調理卡是數字信號輸出調理板，它是把NI卡的數字J／O口的數據隔離后輸出到被測板，或控制繼電器輸出；同時可實現(xiàn)多種輸出類型，測試和控制多種被測對象。

·CTV調理卡是電流電壓檢測調理板，它被設計為電源電壓、電流的檢測電路，能測量工業(yè)用的電源電壓、電流和功耗。對電壓的測量需要外面的降壓設備把電源電壓降到100V以內才能進入CTV板。

·SAS調理卡是標準模擬傳感器信號調理板，它的主要功能是實現(xiàn)電壓和電流的檢測功能。其中的電壓檢測是通過程控實現(xiàn)放大、縮小轉換至標準電壓信號。電流檢測設計有電流變送電路，它可以測試溫度和壓力信號，通過電流變送電流轉換至標準電流信號，再通過電流轉電壓電流，輸出標準電壓信號。

·CD調理卡是編碼器調理板，它主要是實現(xiàn)數字電平轉化。比如，常用的有：正弦信號轉方波信號，再通過施密特觸發(fā)電路，輸出TTL電平。另外，根據實際情況，備選差分轉單端和濾波等電路。

3)測試平臺特性

a)適應性：

·支持近40種信號100余種參數的生成和測量；

·測試流程自動化。典型單步測試時間≤30ms，滿足生產線對測試效率的要求；

·接口采用模塊化標準設計，保證接口可更換，拆卸方便；

·適應于眾多儀器，比如NI系列的數據采集卡、數字萬用表、波形發(fā)生器、數字示波器等各種儀器；另外，可支持PLC、獨立儀器等傳統(tǒng)設備，保證硬件系統(tǒng)具有廣泛的硬件基礎。

b)靈活性：根據客戶需求改變測試系統(tǒng)的功能及性能，可自行定義測試步驟、測試參數，支持按需設置外接設備和測試點。

c)拓展性：測試流程編寫、硬件設置只需通過界面操作即可實現(xiàn)。

d)可靠性：軟硬件充分考慮異常處理機制，可長時間、連續(xù)地無故障運行。

5．測試平臺應用

運用電子產品功能測試平臺的項目開發(fā)流程如圖3所示。我們通過客戶提供的測試需求，即時地做出軟硬件設計，采用ETP軟件對各種配置文件進行修改。同時。運用強大的TestStand引擎功能編輯測試流程并進行測試，可以高效地完成測試任務。

平臺應用特點如下：

·流程清晰；

·測試方便；

·報表規(guī)范。

平臺應用案例

案例名稱：某廠氣象雷達電路板測試項目

1)某廠氣象雷達電路板測試系統(tǒng)被測對象是13塊電路板。

a)硬件配置

·PXI-8106、DMM-4070、FGEN-5421、DSO-5112、PXI-6509、PXI-6713、PXI-8421；

·自制信號調理機箱；

·自制信號接口機箱。

b)系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)硬件由工作臺、PXI分系統(tǒng)、電源(交直流電源、同步機等)機柜、測試接口機箱、測試夾具等構成，加上測試軟件，組成完整的測試系統(tǒng)。

c)系統(tǒng)特性

·測試信號類型多

主要涉及AC SIGNAL、DC SIGNAL、AM SIGNAL、PULSED DC、PULSED DC TRAIN、SQUARE WAVE、WAVEFORM、IMPEDANCE、LOGIC DATA、RS SERIALS COMMUNICATION、SERIALS COMM ADAPTAR等。

·測試點數特別多

13塊電路板，最少板子的測試點數也要將近100個測試點，最多的板子將近200個測試點。

2)下面通過對比來說明運用電子產品功能測試平臺搭建測試系統(tǒng)的優(yōu)越性。

·人工測試方法

通過使用便攜式傳統(tǒng)儀器，對每塊電路板進行手動測試，同時人工記錄每次測試數據。有這么多測試信號和測試點，其工作量之大是可想而知的，另外，人工測試帶來非儀器精度造成的誤差和過失也是不可避免的。所以，采用這種方式弊端很多：一方面測試效率低下，另一方面測試精度很難保證，最終直接導致開發(fā)周期和進度很難把控，整個系統(tǒng)開發(fā)質量體系很難建立。

·自動化測試方法

常見的是通過VXI總線方式，使用各種便攜式傳統(tǒng)儀器，通過各種儀器總線，如GPIB、CAN和LAN等，再編制各種儀器控制面板軟件并逐一進行測試。這種方式帶來的問題主要是，購買各種便攜式傳統(tǒng)儀器價格昂貴，直接造成開發(fā)成本增加。另外，由于各個儀器走的是外部總線，會降低整個測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性指標。再有就是不使用測試平臺，對各種儀器的控制、繼承性和維護性很差，也會造成開發(fā)成本增加，開發(fā)周期延長。

·自動化測試方法

首先由于使用PXI總線，采用虛擬儀器技術，使得我們的測試系統(tǒng)具有靈活性、高穩(wěn)定性、強通用性。另外，通過使用我們的電子產品功能測試平臺，使得測試各種信號變得很方便。就拿這套氣象雷達電路板測試系統(tǒng)來說，使用我們的平臺，整個開發(fā)周期也就控制在1～2個月以內，所做的工作主要有：根據針對13塊電路板的測試需求，編寫對應的測試包，包括測試步驟和路由信息配置以及測試數據報表格式等。這部分的工作一般都在5～10個工作日內完成，具體根據測試需求的復雜性而定。另外一個主要的工作就是去設計UUT(被測板)與ATE(各種儀器)之間的調理模塊。這部分工作隨著我們平臺配套的硬件調理模塊的日趨完善和成熟，會進一步縮短整個測試系統(tǒng)搭建的開發(fā)周期。

6．結束語

·面對電子產品功能測試的挑戰(zhàn)，需要相適應的軟硬件系統(tǒng)；

·PXI總線技術在通用電子產品功能測試平臺中扮演著重要的角色；

·基于LabVIEW、VC和TestStand軟件開發(fā)環(huán)境，泛華測控成功開發(fā)出了ETP平臺；

·ETP所支持的硬件和測試信號類型可進一步擴充；

·ETP已經被成功地應用到實際項目中。