基于虛擬儀器的電路板單板測試系統

王蘇敬，閻兆允，劉 冰，康 旭，郭旭剛

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

基于虛擬儀器的電路板單板測試系統

王蘇敬，閻兆允，劉 冰，康 旭，郭旭剛

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

利用集成測試和虛擬儀器的設計思想，設計基于虛擬儀器的電路板卡測試系統，從系統的整體結構及原理、硬件和軟件設計開發進行了闡述。實際測試結果表明該系統可以大大提高測試的準確度和效率，具有很好的實用性和擴展性。

電路板測試；Lab VIEW；虛擬儀器；PXI

根據各被測板卡的性能特點，采用虛擬儀器技術，實現了對電路板單板進行高速、可靠的測試，為產品批量生產的質量檢驗和維護維修提供依據，確保出廠產品的質量及可靠性。以下從測試系統整體結構及原理、硬件設計和軟件設計3部分對該系統進行詳細的闡述與分析。

1 虛擬儀器技術

虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用［1］。同其他技術相比，虛擬儀器技術具有4大優勢。

高性能：虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全＂繼承＂了PC技術的優點，包括功能卓越的處理器和文件I/O，在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。

擴展性強：只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進整個系統。

節約時間：在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。

無縫集成：NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，可輕松地將多個測量設備集成到單個系統。

PXI總線方式是虛擬儀器5種總線方式中最新的總線技術，是在PCI總線技術基礎上增加了多板同步觸發總線的技術規范和要求形成的。

電路板單板測試系統中被測板卡種類較多，被測信號繁多，且開發時間有限，基于虛擬儀器技術的高性能、擴展性強、節約時間和無縫集成的特點，所以本測試系統采用基于PXI總線的虛擬儀器技術進行開發。

2 測試系統整體結構及原理

測試系統實現背板導通和電阻測試、其他功能板卡的功能測試和部分性能測試。測試系統能夠實時采集、顯示、打印和保存測試結果。測試類型分自動測試和手動測試，自動測試指可在無人工干預狀態下完成板卡的測試工作，用于批量生產的出廠測試；手動測試指有人工操作狀態下對板卡進行單項測試，確定故障位置甚至元器件，用于售后板卡維修和批量生產自動測試時有故障的板卡。測試項目包括：

導通測試：驗證輸入輸出端口的導通情況，通過測量其兩端電阻值的大小來判斷其導通情況。

電源電壓特性試驗：使電源電壓為70，110，140 V，檢測電源板的輸出電壓值，查看其是否在允許的范圍之內。

開關量輸出檢測：用于驗證開關量輸出功能，通過模擬不同開關量的動作條件，檢測查看其輸出是否正常。

模擬量輸出檢測：用于驗證模擬量輸出功能，通過CAN總線設置模擬量的輸出，檢測查看其輸出值大小是否正常。

開關量輸入檢測：用于驗證開關量輸入檢測功能，輸入實際的開關信號，通過CAN總線通信輸出的數據，判斷輸入電路是否工作正常。

模擬量輸入檢測：用于驗證模擬量輸入檢測功能，輸入實際的模擬信號，通過CAN總線通信輸出的數據，判斷輸入電路是否工作正常。

PWM波輸出檢測：驗證板卡PWM輸出功能，通過CAN總線設置PWM的輸出，檢測查看其PWM輸出是否正常。

PWM波輸入檢測：驗證板卡PWM輸出功能，輸入實際的PWM信號，并變化高電平電壓為77，110，137 V，通過CAN總線通信輸出的數據，判斷PWM輸入電路是否工作正常。

通訊測試：驗證RS232、RS485、CAN和MVB通訊功能。

在硬件方面采用基于PXI總線的機箱、控制器及模塊化測試儀器，充分發揮了PXI總線的優勢，為準確、快速的單板性能測試提供硬件保障。測試系統總體設計結構如圖1所示。

圖1 測試系統總體設計結構圖

測試系統由PXI總線數據采集單元、電源、信號調理轉換、接口轉換板卡和顯示及打印單元等組成。PXI總線數據采集單元要能對信號進行處理和分析；電源部分要能給被測試板卡及數據采集單元供電；信號調理單元對采集到的模擬和數字信號進行處理，并將信號輸入給PXI總線數據采集單元，同時對被測板卡提供模擬輸入信號和數字輸入信號；為實現測試多種電路板和多種測試信號類型的需求，采用信號復用技術，接口方面配備相應的接口轉換板工裝。

在測試軟件開發方面選用NI公司的Lab VIEW圖形化開發環境，引入虛擬儀器的概念，采用軟件編程方式最大限度的對硬件資源進行配置和使用，使系統的通用型、可重用性以及可擴展性得到極大的提高。測試系統軟件設計了豐富的人機交互界面，保證試驗操作直觀簡單。

3 測試系統硬件設計

測試系統由以PXI嵌入式控制器為核心的工業控制器、數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、矩陣開關、信號調理板和接口轉換板組成。PXI嵌入式控制器選用PXI－8133高性能嵌入式控制器，配有1.73 GHz的4核處理器和2 GHz DDR3內存，具有高速USB、以太網、RS232、GPIB等外部接口。

系統的硬件結構圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

4 測試系統軟件設計

圖3 測試軟件結構圖

電路板測試系統測試軟件選用NI公司的Lab-VIEW平臺進行編制。Lab VIEW是由美國國家儀器公司（National Instrument）推出的一種高效的基于圖形開發、調試和運行的集成化環境［2-3］。測試軟件采用模塊化的設計理念，將常用的能單獨劃分的功能模塊設計成成熟的子VI（Visual Identity system），供測試程序調用。測試程序模塊調用結構圖見圖3所示。

實施試驗階段，測試軟件依據測試者選擇的板卡類型及具體型號確定測試項目和測試步驟，然后調用相應的子VI，而子VI則調用PXI板卡底層驅動API，試驗結果經底層驅動API和子VI最終返回給實施試驗主界面，方便用戶進行測試結果的判斷、查看、保存及打印等功能。

測試軟件的人機交互界面包括：系統初始化、實施試驗和試驗數據管理。系統初始化階段測試系統首先進行軟硬件的初始化，然后進入軟硬件功能的自檢，通過自檢后方可進行試驗；實施試驗負責板卡類型和具體型號的選擇以及自動和手動測試模式的選擇；試驗數據中數據管理負責試驗數據保存菜單項的選擇、測試結果打印和查詢。

系統初始化是系統啟動時自動進行的操作，也可手動觸發系統自檢功能，由主程序逐個調用各功能模塊的自檢來實現。實施試驗界面是測試任務的執行界面，根據測試板卡類型和具體型號來調用相應的測試子程序實現各測試功能，完成測試任務。調用方法均采用動態調用方式如圖4所示。

圖4 PWM測試調用方式

系統軟件的操作流程如圖5所示。

圖5 電路板單板測試流程圖

5 試驗測試

通過對電路板單板的測試診斷，驗證了測試系統的功能。下面以電源板和控制板PWM輸出測試為例。

電源板塊輸入電壓范圍為：DC 70 V～140 V，輸出有DC 5 V、DC 15 V和DC 24 V。測試時輸入電壓分別取70，110，140 V，在這3個輸入電壓情況下，電源板均應正常工作，輸出電壓應穩定可靠。測試結果見表1。

表1 電源板試驗測試結果 V

PWM輸出測試通過CAN總線下發目標頻率輸出值，DC 110 V PWM信號經降壓隔離后進入PXI-6602采集板塊，比較采集的頻率值和標準值得出測試結果，PWM輸出測試如表2。

表2 PWM輸出測試結果 Hz

由表1和表2可以看出，測量值都在規定范圍之內，說明電路板符合指標要求。

6 結束語

依據集成測試和虛擬儀器的設計思想，研制了電路板單板測試系統，實現了對不同類型的電路板進行功能測試與故障判斷的功能。使用基于PXI系統的硬件平臺，以Lab VIEW為軟件開發環境，按照模塊化設計方法，構建測試系統。整個測試系統集成度高、擴展性好、操作簡單，充分體現了虛擬儀器的優勢，具有良好的應用前景。

［1］ 童 剛.虛擬儀器實用編程技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［2］ 劉 勝，張蘭勇，章桂榮，等.Lab VIEW 2009程序設計［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［3］ 胡仁喜，高海賓.Lab VIEW 2010中文版虛擬儀器從入門都精通［M］.北京：機械工業出版社，2012.

Development of Circuit Board Test System Based on Virtual Instrument

WANG Sujing，YAN Zhaoyun，LIU Bing，KANG Xu，GUO Xugang
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Circuit board test system is designed based on the design idea of integrated test and virtual instrument.The principle structure of system，hardware and software design is described in detail.The test results show that the system can greatly improve the accuracy and efficiency，and has good usability and expansibility.

circuit board testing；Lab VIEW；virtual instrument；PXI

TP206＋.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.07

1008－7842（2014）01－0038－03

2—）男，助理研究員（

2013－09－27）