可擴展硬件的自動化調試系統設計*

(中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036)

引 言

近年來，隨著技術的日新月異，國家對高科技裝備的重視和自身科研管理水平的不斷提升，各專業領域產品數量年年遞增。在此形勢下，要保證產品質量，需要具備高效、可持續發展的裝備生產能力，以適應未來工業4.0及中國制造2025的新要求[1]。目前，針對產品性能特性的測試需求越來越大，不僅要求測試項目集成度和精度高，而且對測試時間和效率的要求也不斷提高。隨著計算機和各種工控系統的進步，自動化測試系統發展比較成熟，有通用性的測試系統平臺[2]，也有針對某種參數性能的特制自動測試系統[3-5]。

在裝備生產過程中，不僅要對性能參數的合格性進行測試，同時在測試項目不符合或者偏離某種目標值時，需要對產品設計參數進行調整，因此必須對產品的性能特性進行調試，以優化產品設計參數，提高產品特性。現階段主要采用人工調試、記錄數據的方式，本文提出了一種自動調試系統，自動完成數據測試、記錄保存、記錄分析，并計算優化設計參數、重新配置產品參數等。該系統采用Python語言進行系統開發，其擁有對儀器控制的PyVISA模塊[6]，可實現儀器接口的無關性，同時支持GPIB、LAN、RS232、USB等多種接口。Python支持中文編程，有利于對各種底層庫函數進行中文封裝，方便調試人員對調試過程的序列代碼的理解，而且支持數據庫操作和第三方模塊包，可以利用PyQt開發系統界面[7]。

1 硬件系統結構

1.1 總體構成

為滿足產品多樣化、參數多種類的特性，調試系統硬件架構采用“計算機平臺+控制線”的模式，可實現接口標準化(包括信號接口和硬件接口)、測試儀器可互換、測試通道可配置等。系統硬件結構如圖1所示，主要組成包括主控系統、開關矩陣、通用測試儀表、產品控制接口適配器、程控電源系統。

圖1 系統硬件總體構成

1.2 主控系統

主控系統采用基于NI的PXI可擴展系統，保證不同廠商產品互操作性的儀器級接口標準，能夠針對不同儀器控制接口的不同，利用插槽可擴展GPIB、LAN、RS232、USB等控制接口。同時，PXI系統具有運行速度快、體積緊湊等兼容性特點。

1.3 開關矩陣

為保證多通道產品和多種測試儀表信號鏈路自動化切換，節省測試資源，增強系統的可互換性，減少儀器更換頻次，提高測試效率，本方案利用開關矩陣[8]采用多種開關拓撲結構組成的混合開關系統，將具有模塊化的各種開關資源靈活配置和級聯，通過上層軟件完成各種組態和切換，形成滿足不同測試需求的高效開關系統。開關矩陣的設計原則是按功能進行模塊劃分和配置，同時與自動調試測試系統的信號接口相對應，有利于接口的擴展和形成模塊化自動調試測試系統結構。綜合考慮單位產品類型和信號接口通道數、測試儀器種類和測試項目，開關矩陣信號路由如圖2所示，其中A、B、C、M、N為產品信號接口。

圖2 開關矩陣路由圖

1.4 產品控制接口適配器

基于產品協議以及控制信號的特性，對產品的控制和信號不能使用通用儀器進行控制，因此研制了基于產品的控制接口適配器，主要包括控制轉換電路、電源監控模塊。控制轉換電路接收主控系統的控制信號，轉換為產品協議的控制信號，控制產品的模式、頻段等參數的設置。

1.5 程控電源模塊

程控電源為不同產品提供所需的電壓和電流，因此，程控電源具有多路和多范圍電源輸出，可同時連接多個模塊。同時，程控電源具有遠程控制、過載保護、多路電源監控等特點，監測流入產品的電流值，防止大電流燒毀產品的濾波器或功放管。

2 軟件設計

系統軟件平臺主要功能模塊包括人員登錄、產品選擇、調試模塊、報表輸出、數據查詢。

① 人員登錄：根據對調試人員的資格認證要求，僅允許滿足條件的調試人員才能登錄軟件進行調試。

② 產品選擇：從系統集成的多種產品中選擇需要調試產品。

③ 調試模塊：根據編寫的調試流程代碼，按照軟件流程進行調試。

④ 報表輸出：該功能將調試的數據保存于數據庫中，并可將調試數據生成Word報表。

⑤ 數據查詢：按模塊和時間對調試數據進行查詢，并可將查詢的數據生成報表。

軟件平臺采用Python作為開發語言，其作為腳本語言，有支持中文的版本，能夠將底層驅動模塊進行中文封裝，使得調試人員更容易理解調試過程代碼，同時，Python支持第三方開發的模塊包，運用方便。在底層設備驅動方面使用PyVISA模塊庫[9]，并使用中文對其進行封裝，使得上層代碼全采用中文進行編程。軟件系統調試流程如圖3所示。

圖3 軟件調試流程圖

3 系統試驗

選取某型產品，調試該產品功率和調制度指標。搭建系統調試環境，選擇SMB100A用于不同頻率的信號源，選擇HP8920B綜測儀用于調制度測試，按照開關矩陣連接圖將通用儀器、被調產品的信號、控制接口連接到相應位置，系統搭建實物如圖4所示。圖4(a)中左邊為通用儀器，可根據需要更換不同儀器，右邊為顯示界面；顯示界面后面板塊如圖4(b)所示，程控電源在最上面，可以多路輸出，中間設備為PXI機箱，適合各種板塊的擴展，最下方為開關矩陣，可通過上層軟件控制信號路由。

圖4 系統搭建實物圖

開啟軟件，人員登錄后選擇產品型號及所需調試的功率和調制度指標選項，執行開始后，調試數據顯示到軟件界面，同時后臺保存到數據庫，方便數據的查詢和分析。軟件調試代碼采用中文封裝，調試代碼與調試工藝文件相結合，一條代碼代表一條調試工藝，使得調試代碼容易被調試人員理解。部分實現代碼如下所示(根據模式和通道的不同，可自由組合各種調試類型)：

def 功率和調制度測試(模式，通道)：

儀器初始化()

產品初始化()#設置產品工作模式和通道

產品1.設置工作狀態(模式，通道)

綜測儀1.設置音頻1關()

#控制PTT端口輸出信號

PTT端口.PTT1發射()

功率=功率計1.讀發功率()

綜測儀1.設置音頻1幅度(0.25V)

綜測儀1.設置音頻1頻率(1000Hz)

綜測儀1.設置音頻1開()

調制度=綜測儀1.讀調制度()

PTT端口.PTT接收()

功率=按值轉換(AM功率，1.1)

調制度=按值轉換(AM調制度，1.1)

#判斷結果，顯示并保存數據

判斷合格保存(‘功率’,功率，15,20)

判斷合格保存(‘調制度’，調制度，75%，100%)

結 語

陳正龍(工程師)，研究方向為自動測試系統開發。