可配置自动化测试系统设计*

2018-05-02信朝阳

现代防御技术 2018年2期

信朝阳

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

测试系统是电子产品的质量检验工具，并可为产品提供定期维护，确保稳定可靠工作。随着电子产品的系列化、多样化发展，传统的测试系统不能满足日趋丰富的测试需求。一种快速研制、快速集成、快速配置、快速验证的自动化测试系统成为迫切需求[1]。

该系统提供自动化测试系统最基本的硬件架构、测试软件及可配置的功能特性，方便用户根据应用需求在该系统上构建和配置所需的自动化测试系统。通过测试系统自检测试，实现对该系统的功能和性能检查，进而直接在该平台上实现通用架构到专用测试系统的转换[2-3]。

1 系统设计

自动化测试系统的基本组成单元包括信号预处理单元、信号模拟单元、信号测量单元、能源激励单元、高频激励单元、通断检测单元、主控调度单元，单元设备之间通过LXI(LAN extension for instrumentation)总线实现控制和联络[4]。根据被测对象的复杂程度和测试需求，可对单元设备进行增加和完善，进而实现资源的配置。单元设备的基本组成包括PXI(PCI extension for instrumentation)总线机箱、主控模块、电源模块、多种可配置功能模块，单元设备运行在具有微秒级延迟的Windows+RTX(real-time extention)操作系统[5-6]，功能模块间通过PXI总线实现互联互通。根据被测对象的自身特点和资源需求，可通过软件对功能模块进行配置进而改变输入输出特性，或者通过插接功能模块实现测试资源的扩充。测试系统软件采用开放式的架构，基本组成为通用测试资源和测试软件平台，可扩展为满足不同被测对象的专用资源和利用测试软件平台生成的测试程序集。软件采用具有Real-Time功能的LabVIEW图像化语言开发[7]。

测试系统的典型工作过程具体包括加电激励响应测试和不加电的静态测试2种：

加电激励响应测试过程描述如下：在主控调度单元的控制下，按照被测对象的工作原理，利用信号激励单元向被测对象输出激励信号，控制信号预处理单元将被测对象返回的响应信号传输至信号测量单元，实现对测试过程产生的各种数据的监控，信号测量单元将获得的被测对象返回的数字量和模拟量与标准解合格范围进行对比[8-9]。

不加电静态测试过程描述如下：由主控调度单元控制通断检测单元，按照事先配置好的接点关系和被测对象的电路类型，选择合适的测试测量方法，进而获得点与点之间的静态阻值，再利用已配置的标准解文件对测量结果进行判读。

2 硬件设计

可配置自动化测试系统具体硬件组成图1所示，其中能源激励单元直接选择具有网络控制功能的商用电源，电压输出范围、功率输出范围、纹波大小等性能指标符合系统要求即可；通断检测单元由三用表模块和矩阵开关模块配合实现通断检测功能，三用表模块负责阻值的测量，矩阵开关模块负责被测信号的通道切换；其余4种功能模块的原理和工作过程在下面章节展开描述。

2.1 信号预处理单元

信号预处理单元如图2所示，在后面板对被测信号进行了分区处理，分别为供电信号、数字通讯信号、模拟量信号、开关量信号。被测信号分别通过信号调理模块和矩阵开关模块的处理和转接从前面板转接至其他测量设备。主控模块通过PXI总线实现对信号调理模块和矩阵开关模块的控制，主控模块上电后自动执行配置软件，配置软件将配置信息发送至调理模块和矩阵开关模块。当配置信息需要更改时，在本机完成滤波形式选择、运放比例设置、映射表的配置，重新启动后信号的映射关系、信号调理形式按约定发生改变。其中矩阵开关模块可实现128对128的单点映射或单点对多点映射，信号调理模块可对3～27 V典型模拟量信号的滤波和转换。与现有信号预处理单元相比，增加了调理功能和映射关系的灵活设置。

信号预处理单元涉及的关键技术和难点主要是信号调理模块和矩阵开关模块的设计，调理模块通过数字可调节运算放大器和衰减器对电压进行转换、通过搭建典型滤波电路和多路选择开关的配合实现对3.3，5，12，27 V等信号的滤波处理，矩阵开关模块由FPGA、4选1模拟开关、32选1模拟开关组成，FPGA负责接收上位机的配置命令、控制模拟开关完成被测接点到测量接点间的映射[10-11]。

2.2 信号测量单元

信号测量单元如图3所示，通过背板总线实现对数字通讯模块、三用表模块、AD(analog-to-digital)采集模块、图像采集模块的控制。功能模块为通用化产品，模块的类型和数量可根据需求进行增减，选用满足标准规格尺寸和PXI总线形式产品即可。各功能模块的工作过程受主控模块的统一调度，由上层应用程序完成数据的实时处理、信号显示、文件存储等工作。数字通讯模块的功能是对RS-422，RS-485，1553B等数字信号进行监测并实时解析关键数字信号，三用表模块的功能是对0～30 V电压信号进行测量并实时提取纹波、幅值等特征信息，AD采集模块的功能是对0～10 V正弦波、方波、锯齿波等波形信号进行测量并实时提取周期、占空比等特征信息，图像采集模块的功能是对小于256×256字节的图像信号进行监测并对图像进行实时显示。

信号测量单元涉及的关键技术和难点主要在于软件的设计，如何实现多参量并行测量的同时保证数据处理和显示的实时性。并行测试通过多线程方式解决，实时性通过Windows+RTX的实时扩展实现，同时保持Windows图形化显示的特点。所有具有实时性要求的处理过程在RTX下完成，而需要显示的处理结果通过共享内存的方式传递到Windows操作系统下，进而完成参数的同步显示[12]。

2.3 高频激励单元

高频激励单元如图4所示，通过背板总线实现对上变频模块、信号调制模块、输出模块、下变频模块、信号解调模块以及输入模块的控制，主控模块上电自动执行默认配置，使各功能模块处于预定工作状态，当需要更改输出射频信号或输入信号处理时，主控调度单元与高频激励单元通过约定通讯协议进行信息交互，射频信号的收发处理按约定发生改变。其中基带模块用于产生30 MHz的中频信号，上变频模块的作用是将中频信号上变频到1～20 GHz，信号调制模块的功能是对射频信号进行脉冲或噪声形式的调制，输出模块负责输出通道的选择、输出功率的调节，下变频模块是将接收的射频信号下变频至30～50 MHz，信号解调模块是将接收的射频信号解调为连续波信号，信号输入模块负责输入通道的选择、输入功率的调节。

射频模拟装置涉及的关键技术和难点主要在于电磁兼容性的设计，系统内部的功能模块设计具有抗干扰能力，通过合理的布线、功能分区、有效防护来解决；系统对外的电磁辐射抑制，通过机箱结构的密闭设计、搭接部位的导电处理、合理可靠的接地来保证。

2.4 信号模拟单元

信号模拟单元如图5所示，包括通讯功能模块、模拟量输出模块、开关量模拟模块、电阻模拟模块、负载模拟模块等功能模块，主控模块负责对各功能模块的配置和调度，配置信息以表格的形式存储在主控模块中，通过背板总线将配置信息烧写至各功能模块，当变更配置信息后，需要重新启动设备，信号的输出形式按约定发生改变。通讯模块可接收并应答指定格式数据，模拟量输出模块可输出-30～30 V的电压，开关量模块可输出通断信号，电阻模拟模块可模拟0～10 MΩ阻值，负载模拟模块可进行大小功率电阻切换，各模块间通过LVDS总线实现信号关联输出。

信号模拟单元涉及的关键技术和难点在于硬件电路的设计，通讯模块可重复配置通讯命令集，将需要响应的命令以及应答数据存储在EEPROM(electrically erasable programmable read only memory)中，可通过FPGA(field-programmable gate array)重复烧写；模拟信号由FPGA、数字变阻器和直流电源组成，FPGA负责控制数字变阻器完成分压进而实现电压调节；电阻模拟模块由FPGA、矩阵开关、多档位电阻组成，FPGA控制矩阵开关完成电阻类型的切换；负载模拟模块由继电器、功率电阻组成，通过控制继电器实现功率电阻的选择。

3 软件设计

系统软件采用具有Real-time功能的LabVIEW语言开发，一种图形化的开发环境，它拥有基于配置的工具和强大的编程开发能力，适合用于开发带有专业用户界面的测量、分析与控制应用，用户可以在短时间内定制自己测试系统同时降低系统的复杂度，相较于传统开发方式节约时间和成本。

各组合设备采用一次开发重复配置的工作模式，因此选用Windows+RTX操作系统，前端交互界面工作Windows下，负责接收用户的输入数据和参数的实时显示，后端时序控制工作在RTX下，两者通过共享内存实现信息的交互，通过事件同步来实现访问的冲突控制，二者分工协作，保证实时性的同时又满足人机交互的需求。

自动化测试软件采用具有与被测对象测试流程与项目无关性设计。具体包括测试框架、测试设备驱动、数据处理模块、数字通讯模块。测试软件的状态转换关系如图6所示。

3.1 测试框架

测试框架模块实现主控管理功能、测试执行功能、测试数据管理功能，可独立运行的测试任务与流程配置管理功能。主控管理功能通过良好的人机交互界面对各软件功能进行调用管理，能够实现软件登录控制、测试任务选择功能；测试执行功能具有对测试流程的读取、解析与控制功能，通过测试执行控制界面的人机交互，实现测试执行的单步与连续控制、暂停与继续控制、中断、跳转、重复等控制功能；测试数据管理功能完成对数据库中不同数据进行归纳管理，以及不同查询条件的数据显示与导出功能，具有良好的人机交互界面，显示清晰直观；测试任务与流程配置功能实现对导弹测试任务的配置与管理，生成具备测试流程信息的任务菜单，实现对导弹各测试流程中的测试项目(测试点)的配置与管理功能。

3.2 测试设备驱动

具备测试设备驱动模块动态接入功能，操作各单元设备同操作本机设备一样，同时便于扩展。当新增外部设备时，将模块的软件控制接口二次封装形成形式统一的标准接口，并进一步编译链接形成动态库。主控调度单元通过软件的配置选择即可实现对新增设备的操控[13]。

3.3 数据处理模块

具备数据处理模块动态接入功能，数据处理模块包括测试数据图形处理与数字量数据处理功能。由于各电子产品的通信协议不同、标准解的设置不同、图形化的显示需求不同，因此设置数据处理模块对不同的被测对象的测试结果数据做差异化的处理[14-15]。

3.4 数据通讯

数字通讯模块功能定义为专用的特殊功能模块，包括各仪器设备相关的测试参数配置、各仪器设备的驱动控制及相关功能实现、数字量解析处理及模拟量参数获取等，各功能模块均以动态连接库形式实现，被通用测试系统软件平台调用。

3.5 可配置性

基于最小测试项目配置专用测试节点，如选择测试仪器、测试通道、采样率、采集时间、标准解等；在根据被测对象的组成单元划分测试项目，测试项目由多个测试节点组成，如初始状态测试、通讯过程测试、工作结果获取等；近一步根据被测对象的状态划分典型测试任务，测试任务由各个测试项目组成，如控制系统测试、执行机构测试、探测装置测试等。

3.6 自动化执行

配置好的测试任务可连续执行，每个测试节点的持续时间，与后续测试节点间的延迟时间，测试过程的数据存储、数据解析处理、标准解判读、测试报表的自动生成、测试结果的自动导出等过程只需要一个控制命令或一次鼠标点击操作即可完成，过程中的异常处理也不需要人为干预，均可自动完成。

4 可行性与应用前景

与传统的自动化测试系统相比，可配置自动化测试系统的特点在于它的可配置性，实现的难点也在于如何实现硬件、软件的快速配置，形成满足不同被测对象的测试任务。本文所论述的设计方法具有现实可行性和广阔的应用前景。

4.1 可行性

与传统自动化测试系统相比，系统可测试对象更丰富，但系统的复杂度未增加，系统开发成本相对于传统专用测试系统略有提升。采用的创新的技术设计思路，但硬件电路设计技术成熟、可操作可实现、不存在风险；软件成熟度较高，在传统的测试系统基础上增加配置功能。因此，可配置自动化测试系统的设计方式可行。

4.2 应用前景

可配置自动化测试系统可应用于各种类型电子产品的测试，根据被测对象的特点，通过扩展单元设备、更改单元设备配置、更改测试软件的配置，即可实现专用测试系统的快速搭建和快速转化，相较于传统的自动化测试系统研制，周期和成本极大降低，收益率显著提升。

5 结束语

自动化测试系统，尤其是可配置自动化测试系统是当前电子产品研制过程的迫切需求。本文针对这一需求开展了系统设计工作，分别从软硬件角度开展工作，硬件平台可扩展，组合产品可配置；系统软件设计基于通用框架结构，采用功能模块划分的方式实现丰富的功能。本文提出的设计思想可为实际工程应用提供借鉴和参考。

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