如何构建通用电子产品功能测试平台

如何构建通用电子产品功能测试平台

本文分析当前电子产品测试中普遍存在的问题，提出一套通用电子产品功能测试平台，利用COM技术实现基于TestStand引擎开发测试系统的流程编辑和执行功能，并结合国际上通用的ATLAS测试语言和IVI规范分别进行测试流程和仪器驱动的管理。近年来，测试平台在多个项目中得到了实际应用，其中资源共享优势已经得到了客户们的充分认可。

　　1．概述

　　1.1背景

　　1.1.1目前现状

　　纵观国内外的电子产品测试系统，普遍存在以下几点问题：

　　1)整个大系统的测试任务中，其统一性与整体性缺乏体系支持；

　　2)测试工艺、流程、标准不统一；

　　3)测试模块的通用性、可移植性、可扩展性、可维护性较差；

　　4)测试人员问的素质不一；

　　5)不同人员测试不同阶段，信息交流的程度不同；

　　6)测试数据的组织、存储、管理和使用较为混乱，数字化程度较低；

　　7)数据的有效性、可靠性、可追溯性、共享度以及对数据的分析能力较差；

　　8)数据对于产生、审批、发布、变更、流通的支持度不够；

　　9)生产效率偏低，导致单位生产成本较高。

　　以上问题的出现，会降低电子产品的研制效率，导致项目进度不可控，产品质量保证难度加大。

　　1.1.2未来发展

　　新一代电子产品测试系统会朝着通用化、标准化、组合化、网络化的方向进行发展。

　　结合现代自动测试技术的发展，现代电子产品测试系统的测试技术必将产生深刻的变革，这主要表现在四个方面：

　　1)测试整体上，要求C3M一体化。C3M指的是控制(Control)、通信(Communication)、计算机(Computer)和测量(Measurement)；

　　2)测试平台上，采用虚拟仪器技术；

　　3)测试管理上，运用网络化技术；

　　4)测试信息处理上，采用智能传感器信息处理和多传感器信息融合技术。

　　1.2意义

　　自动化测试系统(ATS，Automatic Test System)确保电子产品设计合理，节约生产调试成本．提高产品的自我保障能力，使整个产品处于最佳工作状态，这极为重要。测试仪器的可互换性 (IVI，Interchangeable Virtual Instru-ment)和测试程序集(TPS，Test Program Set)的重用性、可移植性是通用ATS的重要指标。当前ATS的开发方式有面向仪器和面向信号两种。面向仪器的TPS开发基于测试仪器，很难从本质上反映被测设备的测试需求，加上测试仪器种类繁多且功能各异，因此，很难实现仪器的互换。软件平台的通用性较差。面向信号的开发方式基于被测对象 (UUT，Unit Under Test)的测试需求和测试资源的测试／激励能力，解决了需求与供应之间的矛盾，通用性较强。应用在ATS中的软件技术经历了过程编程语言(如C)、 Windows DLL、面向对象编程、组件对象模型(COM)的漫长发展过程。COM采用面向对象的软件设计思想。以标准接口提供功能调用，实现了程序的模块化、通用性设计。TestStand是测试领域广泛使用的流程测试项目管理平台，利用COM技术实现基于TestStand引擎开发ATS中的测试流程编辑和执行功能，结合国际上通用的ATLAS测试语言和IVI规范分别进行测试流程和仪器驱动的管理。另外，在充分考虑当前电子产品测试存在问题的基础上，结合新一代电子产品测试系统的发展特点，我们开发了电子产品功能测试软件平台(Electronic Test Platform，以下简称ETP)，从而为构建通用电子产品功能测试平台提供了很好的解决方案。图1为通用电子产品功能测试系统原理图。

　　2．ATLAS介绍

　　2.1 ATLAS特性

　　ATLAS(Abbreviated Test Language for All Systems)是一个被广泛应用于军事和电子测试领域的通用标准测试语言。用这个语言编写的测试程序不依赖于任何特殊的被测系统，并且它能在ATS上执行。该语言与一般的程序设计语言相比具有如下一些特点：

　　1)设备无关性，即在用户写的ATLAS程序中不出现任何具体设备，只有测试需求；

　　2)信号相关性，ATLAS程序员书写的测试程序都是面向信号的；

　　3)可扩展性，允许用户扩展ATLAS标准中没有的名词、名词修饰词以及量纲等成份；

　　4)并行性和定时功能，ATLAS中的某些测试语句需要并行执行，还有一些语句需要在特定的时刻才能被启动；

　　5)语法接近于自然语言。文法限制不严格。

　　ATLAS语言从语义上可以分为常规语言部分、信号和总线部分。常规语言部分类似于一个完整的过程式语言，它能够实现一般语言的功能，体现了ATLAS语言与其他语言的共性；信号部分和总线部分描述具体的测试过程，展现了ATLAS语言作为测试语言的特性。

　2.2 ATLAS描述

　　ATLAS测试语句基本格式如下所示：

　　动作，(信号特征)，信号类型USING’虚拟资源’，信号修饰参数，CNX仪器端被测端$

　　语句：APPLY，AC SIGNAL，VOLTAGE 115V，FREQ400HZ，CURRENT MAX 2A，CNX HI J32-3-A23$

　　意义：在UUT的J32-3-A23$点加载电压为115V、频率为400Hz、最大电流为2A的信号。

　　3．IVI介绍

　　3.1 IVI系统结构

　　为了实现互换性，IVI基金会将同类仪器的共性提取出来，并作了规范。目前已经发布的八类仪器规范是：示波器(IviScope)、数字万用表 (IviDmm)、信号发生器(IviF-Gen)、直流电源(IviDCPower)、开关矩阵／多路复用器(IviSwitch)、功率表 (IviPwrMeter)、频谱分析仪(IviS-pecAn)和射频信号发生器(IviRFSigGen)，其他类型仪器的规范也将被陆续制定发布。每一类的仪器都有各自的类驱动程序(IVI Class Driver)。每类驱动程序包含了该类仪器通用的各种属性和操作函数。运行时，驱动程序通过调用每台仪器的专用驱动程序(IVI Specific Driver)中相应的函数来控制仪器。

　　应用程序可以直接调用专用驱动程序来控制仪器。但是为了实现仪器互换，应用程序应该首先调用类驱动程序，类驱动程序检查IVI配置文件以确定应该使用的专用驱动程序。若系统中的仪器被更换，只需适当修改IVI配置文件，而应用程序无须做任何改动，因而实现了测试系统的通用性。

　　3.2 IVI驱动特性

　　1)互换性。IVI驱动程序的互换性至少为我们带来以下几大好处：a)易于使用。所用的IvI驱动程序都使用通用的接口，易于理解，也就不再要求应用程序的开发人员必须掌握某一特定仪器的编程方法，从而使系统开发获得了更大的硬件独立性。b)降低了系统的维护和升级费用。IVI构架系统可以适用不同的仪器。当仪器陈旧或者有了升级的、高性能或低造价的仪器时，可以任意更换，而不需要改变应用程序。c)代码共享。IVI构架允许部门和设备之间方便地复用及共享测试代码，并且不需使用相同型号仪器硬件。

　　2)模拟功能。每个仪器专用驱动程序都具有专门针对本型号仪器的模拟功能。这些模拟功能使得工程师在缺少真实仪器的情况下，可以使用IVI驱动程序的模拟功能来开发、调试应用程序，还可以使用美国国家仪器公司(Na-tional Instruments，简称NI)提供的类模拟驱动程序以获得更强大的模拟功能。

　　3)状态缓存功能。IVI驱动程序可以保存仪器每一属性设置的当前状态。当应用程序试图发送一些冗余命令到仪器时(例如，将仪器的某一属性重新设置为当前值，这些命令显然不会让仪器产生任何变化或动作)，IVI驱动程序会跳过这些命令。在当前的测试系统中，影响软件执行速度的瓶颈通常在于仪器与计算机接口总线的传输速率。IVI驱动程序的此项功能大大减少了仪器与计算机之间的通信，从而提升了系统性能。

　　4)源码开放。高级用户可以直接修改IVI驱动程序的源代码，以对其进行优化或添加功能。

　　免费得到大量的驱动程序。除了生产厂商自行开发的IVI驱动程序，NI公司也为各类常用仪器开发了大量IVI驱动程序，这些程序都可以从NI的网站上免费下载。此外，NI还提供了用于开发驱动程序的工具包，以简化用户的IVI驱动程序的开发过程。

　　4．测试平台介绍

　　电子产品功能测试平台所利用的软件开发平台为ETP，其开发与设计均在泛华测控“柔性测试”技术的核心理念指导下进行的。平台分为上层管理执行和下层的驱动管理两大部分：上层管理模块可根据不同行业的不同需求特点进行模块化定制、扩展；下层驱动管理可使相关驱动资源得到最大化的共享。针对ETP平台实际应用领域，我们设计了一些通用硬件调理模块，大大缩短ETP实际工程项目应用的开发周期和开发成本。目前各种调理模块仅供开发人员使用，相信不久就会以产品的形式为广大用户所共享。

　　1)ETP软件平台介绍

　　图2是ETP软件架构示意图。上层管理软件ETP采用C++编程。底层驱动管理模块SEE(SignaI ExecuteEngine)采用LabVIEW编程。上层管理软件通过调用SEE实现测试测量的功能。采用C++开发，使ETP更具平台性和拓展性，最直接的优势是运行效率高。软件总体框架是：

　　配置文件(资源信息)->ETP引擎->报表文件(测试结果)。在底层驱动中，我们支持NI系列的数据采集卡、数字万用表、波形发生器、数字示波器等各种仪器。

　　2)ETP调理模块介绍

　　ETP调理模块的各调理单元的主要功能如下：

　　·开关卡目前设计的是2×8的矩阵开关，输入接口是USB接口，输出接口是SMA接口。另外，可以根据实际需要，组合不同的拓扑结构，比如使用两块开关卡，可以组成2×16或4×8的矩阵开关。

　　·DI调理卡是数字信号输入调理板，具备支持多种远程输出类型、光耦隔离、施密特触发的功能。

　　·DO调理卡是数字信号输出调理板，它是把NI卡的数字J／O口的数据隔离后输出到被测板，或控制继电器输出；同时可实现多种输出类型，测试和控制多种被测对象。

　　·CTV调理卡是电流电压检测调理板，它被设计为电源电压、电流的检测电路，能测量工业用的电源电压、电流和功耗。对电压的测量需要外面的降压设备把电源电压降到100V以内才能进入CTV板。

　　·SAS调理卡是标准模拟传感器信号调理板，它的主要功能是实现电压和电流的检测功能。其中的电压检测是通过程控实现放大、缩小转换至标准电压信号。电流检测设计有电流变送电路，它可以测试温度和压力信号，通过电流变送电流转换至标准电流信号，再通过电流转电压电流，输出标准电压信号。

　　·CD调理卡是编码器调理板，它主要是实现数字电平转化。比如，常用的有：正弦信号转方波信号，再通过施密特触发电路，输出TTL电平。另外，根据实际情况，备选差分转单端和滤波等电路。

　　3)测试平台特性

　　a)适应性：

　　·支持近40种信号100余种参数的生成和测量；

　　·测试流程自动化。典型单步测试时间≤30ms，满足生产线对测试效率的要求；

　　·接口采用模块化标准设计，保证接口可更换，拆卸方便；

　　·适应于众多仪器，比如NI系列的数据采集卡、数字万用表、波形发生器、数字示波器等各种仪器；另外，可支持PLC、独立仪器等传统设备，保证硬件系统具有广泛的硬件基础。

　　b)灵活性：根据客户需求改变测试系统的功能及性能，可自行定义测试步骤、测试参数，支持按需设置外接设备和测试点。

　　c)拓展性：测试流程编写、硬件设置只需通过界面操作即可实现。

　　d)可靠性：软硬件充分考虑异常处理机制，可长时间、连续地无故障运行。

　　5．测试平台应用

　　运用电子产品功能测试平台的项目开发流程如图3所示。我们通过客户提供的测试需求，即时地做出软硬件设计，采用ETP软件对各种配置文件进行修改。同时。运用强大的TestStand引擎功能编辑测试流程并进行测试，可以高效地完成测试任务。

　　平台应用特点如下：

　　·流程清晰；

　　·测试方便；

　　·报表规范。

　　平台应用案例

　　案例名称：某厂气象雷达电路板测试项目

　　1)某厂气象雷达电路板测试系统被测对象是13块电路板。

　　a)硬件配置

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

　　·自制信号调理机箱；

　　·自制信号接口机箱。

　　b)系统组成

　　本系统硬件由工作台、PXI分系统、电源(交直流电源、同步机等)机柜、测试接口机箱、测试夹具等构成，加上测试软件，组成完整的测试系统。

　　c)系统特性

　　·测试信号类型多

　　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。

　　·测试点数特别多

　　13块电路板，最少板子的测试点数也要将近100个测试点，最多的板子将近200个测试点。

　　2)下面通过对比来说明运用电子产品功能测试平台搭建测试系统的优越性。

　　·人工测试方法

　　通过使用便携式传统仪器，对每块电路板进行手动测试，同时人工记录每次测试数据。有这么多测试信号和测试点，其工作量之大是可想而知的，另外，人工测试带来非仪器精度造成的误差和过失也是不可避免的。所以，采用这种方式弊端很多：一方面测试效率低下，另一方面测试精度很难保证，最终直接导致开发周期和进度很难把控，整个系统开发质量体系很难建立。

　　·自动化测试方法

　　常见的是通过VXI总线方式，使用各种便携式传统仪器，通过各种仪器总线，如GPIB、CAN和LAN等，再编制各种仪器控制面板软件并逐一进行测试。这种方式带来的问题主要是，购买各种便携式传统仪器价格昂贵，直接造成开发成本增加。另外，由于各个仪器走的是外部总线，会降低整个测试系统的稳定性和可靠性指标。再有就是不使用测试平台，对各种仪器的控制、继承性和维护性很差，也会造成开发成本增加，开发周期延长。

 　　·自动化测试方法

　　首先由于使用PXI总线，采用虚拟仪器技术，使得我们的测试系统具有灵活性、高稳定性、强通用性。另外，通过使用我们的电子产品功能测试平台，使得测试各种信号变得很方便。就拿这套气象雷达电路板测试系统来说，使用我们的平台，整个开发周期也就控制在1～2个月以内，所做的工作主要有：根据针对13 块电路板的测试需求，编写对应的测试包，包括测试步骤和路由信息配置以及测试数据报表格式等。这部分的工作一般都在5～10个工作日内完成，具体根据测试需求的复杂性而定。另外一个主要的工作就是去设计UUT(被测板)与ATE(各种仪器)之间的调理模块。这部分工作随着我们平台配套的硬件调理模块的日趋完善和成熟，会进一步缩短整个测试系统搭建的开发周期。

　　6．结束语

　　·面对电子产品功能测试的挑战，需要相适应的软硬件系统；

　　·PXI总线技术在通用电子产品功能测试平台中扮演着重要的角色；

　　·基于LabVIEW、VC和TestStand软件开发环境，泛华测控成功开发出了ETP平台；

　　·ETP所支持的硬件和测试信号类型可进一步扩充；

　　·ETP已经被成功地应用到实际项目中。