一種電子設備自動化測試系統的設計與實現

李安源+孫日明+殷杰波

摘 要： 針對某電子設備的維修保障需求，提出一種構建其自動化測試平臺的技術方案。該平臺采用基于PC/104?Plus標準的工控主模塊和可編程邏輯器件，實現自動測試系統與CPCI、ISA 和Multibus 待測板卡通信，軟件方面采用基于TestWorks的專家系統實現故障診斷功能。實踐證明該平臺有效解決了某電子設備的測試診斷問題，具有一定的推廣價值。

關鍵詞： 可編程邏輯器件； 自動測試系統； 故障診斷； PCI總線

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0128?03

某電子設備是艦船普遍采用的平臺設備，廣泛應用于雷達、聲納、導航、通信等系統。隨著科學技術的進步和現代戰爭作戰方式的需要，該類電子設備的復雜程度日益提高，導致其維修保障的難度加大。一旦出現故障，現場雖可通過更換備件的方式解決問題，故障板卡卻不得不返廠維修或者派技術人員前往現場維修，維修保障周期長，全壽命周期維護費用高。基于此，本文介紹了一種針對該電子設備的測試診斷平臺，闡述了設計的基本方法和具體實現過程。實際使用證明，該系統可有效降低對維修人員的技能要求，縮短維修時間，降低維修保障成本。

1 測試需求分析

某電子設備的功能多樣，組成也較復雜，根據其組成，大致可分為模塊類組件和板卡類組件。其中模塊類組件為計算機的輸入/輸出設備，附帶操作按鍵或者顯示屏（或者顯示LED），通過RS 232或USB接口與主機通信；板卡類組件為標準的6U結構板卡，通過導軌插入機箱內部，通過CPCI連接器與主機相連。這類板卡一般為主機的外圍設備，通過CPCI總線、ISA總線或者Multibus總線與主機通信。根據功能，可分為通信類、數據處理類和圖像處理類板卡。通信類板卡主要是通過RS 232/422總線、多路數字I/O等與模塊類組件通信；數據處理類板卡主要對外圍設備輸入的數據進行預處理；圖像處理類板卡主要對輸入的各類視頻信號進行處理，完成綜合顯示等功能。

依據國家的三級保障維護體制，所設計測試診斷系統應用于電路板或者模塊級產品的測試，盡量定位故障到失效的元器件。因此所設計測試系統應當提供如下測試資源或測試能力：

（1） 提供信號處理類板卡的激勵信號；

（2） 提供視頻信號測試功能；

（3） 可以與PCI、ISA和Multibus總線板卡通信；

（4） 提供RS 232/422串口、多路數字I/O、網絡接口等通信接口的測試功能；

（5） 系統應具有一定的軟硬件擴展能力，以方便系統升級改造。另外，測試軟件應當基于時下流行的Windows操作系統，采用合適的測試策略，能夠進行功能測試，并快速準確的定位故障原因。

2 系統硬件平臺

根據以上測試需求分析，在綜合考慮自動測試系統的功能、性能和成本的前提下，采用PXI、GPIB混合總線構建的自動測試系統平臺如圖1所示，配置了數字萬用表、數字示波器、信號發生器、程控直流電源、測試信號源、A/D和D/A模塊、數字I/O模塊、矩陣開關模塊和串行接口模塊等儀器和一個副顯示器[1]。其中測試信號源為自研模塊，用于向某些信號處理類板卡提供特定的激勵信號，副顯示器用于某些圖像處理類板卡的輸出測試。系統還在機柜面板和PXI機箱內部預留了儀器擴展位置，以便于系統的擴展或升級。

圖1 硬件平臺架構

3 局部總線通信方案

該電子設備中，含有大量板卡類組件，這類組件一般通過PCI、ISA或者Multibus總線與主機通信。由于總線協議復雜，傳輸速率高，采用一般的儀器實現通信，軟硬件開發都很繁瑣，因此系統采用了在接口適配器上加入一主控模塊和一片CPLD可編程邏輯器件的方法實現。

通信方案如圖2所示，接口適配器上的工控主模塊采用研華公司的PCM?3362N計算機模塊，它是一款高性能的PC/104?Plus單板計算機[2]，集成了PS/2、USB、RS 232、100 M網口等硬件資源。更重要的是，模塊附帶了符合PC/104?Plus規范的ISA和PCI總線，包含了ISA總線和PCI總線規范2.1版要求的所有信號，因此可直接與ISA總線和PCI總線待測板卡通信，但不能與Multibus總線通信。查閱資料發現Multibus總線和ISA總線有許多相似之處[3?4]。例如有相同的數據寬度、相同的地址空間，讀/寫操作也都分為存儲器讀/寫和I/O讀/寫。Multibus總線上的地址和數據信號及系統初始化信號與ISA總線相反，ISA總線為同步傳輸，Multibus總線為異步傳輸，兩種總線的常用信號如表1所示。

圖2 局部總線通信方案

表1 MultiBus與ISA總線

注：信號名加“/”符號表示該信號為低電平有效信號。

基于MultiBus總線與ISA總線有許多相似點，系統采用邏輯編程的方法實現ISA總線與Multibus總線的通信。在工控主模塊ISA總線和待測板Multibus總線之間加入CPLD可編程邏輯器件，通過邏輯編程實現總線協議銜接。在邏輯設計時，可根據實際需求對通信協議進行裁剪性設計，而不必實現總線協議轉換的所有功能。例如針對項目中的某型板卡，只需對16位I/O通信協議進行轉換即可滿足需求。具體邏輯關系如下：

always@（IBALE）

if （IBALE）

MSA[15：0]<=～ISA[15：0]；

/*BALE信號鎖存輸出的地址*/

IOSEL=（ISA[15：4]==12′H3E）&（～IAEN）；

/*選擇本板地址范圍，沒有DMA訪問，故AEN為低電平*/

assign MIORC =～（IOSEL & ～IIOR）；

assign MIOWC =～（IOSEL & ～IIOW）；

/*若對本板讀/寫，輸出有效的讀/寫信號*/

always @ （posedge ICCLK）

MINT <= ～IISARESET；

always @ （posedge （ IOSEL & （～IIOR | ～IIOW）） or negedge MXACK） begin

if （！MXACK）

IORDY<=1′b0；

else

IORDY<=1′b1；

end

assign IIOCHRDY = IOSELWR？ ～ IORDY ： 1′bz；

/*若對本板讀/寫信號有效，輸出忙信號，若MXACK有效，則釋放

忙信號，輸出高阻態*/

assign IO16 = （～MIORC | ～ MIOWC）；

always @ （IO16） begin

if （IO16 ）

IIO16<=1′b0；

else

IIO16<=1′bz；

end /*輸出IO16信號*/

assign ISD[15：0] = MIORC ？ ～MSD[15：0] ： 15′bz；

/*讀操作*/

assign MSD[15：0] = MIOWC ？ ～MSD[15：0] ： 15′bz；

/*寫操作*/

接口適配器上的工控主模塊需要做適當的軟件開發，一方面需要與主控計算機通信，接收主控計算機的指令；另一方面，需要根據主控計算機的指令與PCI、ISA或Multibus總線待測板通信，完成對待測板的讀/寫操作，必要時還要把讀/寫結果反饋給主控計算機。

完整的通信過程為：自動測試設備內的程控電源給接口適配器供電，待PCM?3362N工控主模塊啟動后，通過網線接收PXI主控計算機的指令，并根據指令對 PCI、ISA、Multibus總線待測板做讀/寫操作，控制待測板的工作狀態。PXI主控計算機上運行的測試程序再控制測試儀器對待測板卡做各種測試。

4 軟件測試平臺

軟件測試平臺采用了基于數據庫的TestWorks平臺，如圖3所示，TestWorks是適用于開發各種測試程序的通用測試軟件平臺，它分為開發平臺和運行平臺兩部分。開發平臺用于開發測試程序，提供測試儀器、測試對象之間連接路徑信息，經編譯、鏈接生成可執行的程序。運行平臺提供測試程序的運行環境，在用戶完成簡單的選擇后即可按其要求進行測試，自動生成報表。TestWorks的開發平臺與運行平臺各自獨立，互不影響，可根據需要隨時在開發平臺上添加測試程序或者測試儀器，在運行平臺上運行測試程序。TestWorks直觀靈活、操作簡便的特點，便于系統的擴展或升級改造，降低了對ATS開發人員和操作人員的技術要求。

圖3 TestWorks界面

5 測試策略

根據測試需求，整個測試程序包含功能測試和故障診斷兩部分。功能測試部分用于待測組件的故障檢測，故障診斷部分用于診斷、定位故障區域。功能測試部分采用自動化測試方法，自動調用測試資源進行測試，盡量減少人工的干預，以提高測試速度。故障診斷部分采用基于故障樹分析法的故障診斷專家系統[5?6]。其工作原理是把故障診斷知識通過故障樹的形式直觀的顯示出來，然后經過匯總和提煉轉化為測試軟件平臺具體的診斷程序。測試時，系統通過人機交互界面與操作者交流的方式引導操作者逐步進行深入診斷，最終定位故障原因。以某輸入設備滾動球不響應故障為例，所構建的故障樹如圖4所示。

圖4 某輸入設備故障樹

6 結 語

本系統經試驗驗證，很好地解決了各組件的功能測試問題，各類板卡的故障檢測率幾乎可達100%。對于大部分組件，基于故障樹分析法的故障診斷專家系統可定位故障到芯片級。對于某些功能復雜的圖像處理類板卡，由于大量采用BGA封裝芯片，且在板卡設計時沒有預留測試點，可定位故障到功能區。

該測試診斷系統采用工控主模塊和可編程邏輯器件實現了與總線類板卡的通信，提高了系統的測試診斷能力。所采用的自動化測試方法和基于故障樹分析法的故障診斷專家系統，可有效縮短故障診斷時間，降低人員技能要求，為復雜電子設備的測試診斷和維修保障提供了一種理想的解決方案。

參考文獻

[1] 李行善，左毅，孫杰.自動測試系統集成技術[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2] PC/104 Embedded Consortium. PC/104?Plus specification version 1.2 [R]. [S.l.]： PC/104 Embedded Consortium， 2001.

[3] 姚吉文.Multibus總線到ISA總線的接口設計[J].情報指揮控制系統與仿真技術，2001（12）：13?18.

[4] 宋春雷.淺論Multibus總線技術及其應用[J].工業控制計算機，2010，23（8）：34?35.

[5] 杜江.基于測試診斷一體化技術的雷達引導頭技術支援系統設計[J].計算機測量與控制，2014，22（3）：775?777.

[6] 魏選平.故障樹分析法及其應用[J].計算機科學與技術，2004（3）：12?15.