繼電保護CPU板卡自動測試系統及方法①

王振華,孫振華,孫世杰

(許繼電氣股份有限公司,許昌 461000)

隨著微電子技術、計算機技術、信息技術的不斷發展,繼電保護技術也得到了迅速的發展,從最初的電磁式保護裝置發展到如今的集網絡化、智能化、保護測控于一體的微機繼電保護測控裝置,并且在電力系統中廣泛應用[1,2].電力系統量測控制設備是構建智能電網的基礎,實現智能電網目標的載體[3],其能否正常運行直接影響到電力系統運行的可靠性和安全性.CPU板卡作為繼電保護測控裝置的核心板卡,其硬件功能的正確性及性能的好壞,直接關系到裝置運行的安全性和可靠性.在繼電保護CPU板卡生產調試階段,需要對各功能模塊進行測試,從功能上進行驗證及對關鍵性能指標進行評估[4],以保證滿足設計的要求.傳統的人工測試方法費時費力,甚至無法達到測試目的,并且操作繁瑣,重復作業,容易出錯.

在測試過程中引入自動化工具進行自動化測試,是一種非常實用高效的方法[5–7].目前的繼電保護自動測試系統主要針對保護測控裝置進行設計,而針對CPU板卡的自動測試開發較少.為加快生產測試流程,提高測試效率,本文設計了一種繼電保護CPU板卡的硬件自動測試系統.該自動測試系統采用模塊化、層次化設計,通用性強,自動化程度高,測試過程無需人工干預,有效避免人工測試過程中漏測測試項、錯接測試線等造成的質量隱患,極大縮短CPU板卡的生產調試周期.

1 CPU 板卡模塊化分析

CPU 板卡是在分析和借鑒了國內外同類產品基礎上,從技術和開發手段的先進性,軟硬件資源的通用性,系統的可靠性等方面考慮,開發研制的高性能保護測控插件.目前本公司CPU板卡主要采用PowerPc架構處理器 MPC8377、MPC8313、MPC8309,以及 Xilinx公司的ARM+FPGA組合架構ZYNQ-7000 系列等高性能處理器作為主控制芯片,構建保護控制自動化系統硬件平臺.

綜合考慮各類CPU板卡,按照板上各種硬件資源所實現的功能不同,可以將CPU板卡資源劃分為表1所列功能模塊.本文CPU板卡是對CPU保護插件、通信管理插件等使用高性能處理器作為主控芯片的相關插件統稱.

表1 CPU 板卡功能模塊及描述

隨著電力系統的不斷發展,電力系統保護自動化裝置的功能需求更加多樣化,繼電保護CPU板卡的硬件功能模塊也會不斷發展壯大.

本自動測試系統中所用到的測試方法都是以CPU板卡的模塊化分析為基礎的,根據CPU板卡各種硬件功能模塊的特點,采用不同的測試方法,實現硬件功能模塊的自動化測試,進行功能驗證和性能評估,并按照功能模塊對測試結果進行記錄、歸檔.

2 自動測試系統設計

2.1 系統總體架構

CPU板卡自動測試系統遵循模塊化、通用性、實用性、經濟性的總體設計原則,從硬件組成上分為測試管理裝置、被測輔助裝置、PC上位機等幾部分,其總體架構如圖1所示.PC上位機與測試管理裝置之間使用以太網通信,實現測試命令的下發及測試結果的最終上送.測試管理裝置與被測輔助裝置內的CPU 被測板卡通過以太網通信,實現測試交互.測試管理裝置還通過通用異步串口與被測輔助裝置內的測試輔助板通信,下發數模轉換命令,產生AD通道測試所需的模擬量,施加到CPU 板卡的模擬通道上.在部分硬件模塊(以太網、串口等)測試時,測試管理裝置與CPU板卡之間需要通過相應通道接口進行數據報文收發、產生測試參考信號等.

圖1 系統總體架構

2.2 測試管理裝置

測試管理裝置主要由電源插件、核心控制插件、以太網通信插件、以太網轉接插件、串口擴展插件、出口擴展插件等部分組成,各部分通過背板連接.各插件主要采用公司現有的供貨板卡,只需針對該裝置設計專用背板插件,以節約產品開發成本.測試管理裝置的主要功能包括:接收上位機發送的測試命令,向被測CPU板卡轉發測試命令;接收背測板測試結果,并向上位機轉發測試結果;提供足夠的光以太網口、電以太網口、RS232/RS485串口、開出等物理接口,及其它各類輔助測試資源.測試管理裝置的功能組成框圖如圖2所示.

圖2 測試管理裝置功能組成框圖

為提高整個測試系統的通用性,測試管理裝置的功能資源應按照最大化的要求進行設計,以滿足各類CPU板卡的測試需要.測試管理裝置具體實現以下功能:

(1)1 路電以太網口,與上位機通信;

(2)1路電以太網口,與被測CPU板卡通信;

(3)1路RS232串口,與被測輔助裝置內輔助測試板卡上的DA 轉換模塊通信,發送DA 轉換命令;

(4)8路電以太網口,用于測試被測CPU板卡的電以太網口;

(5)8路光以太網口,用于測試被測CPU板卡的光以太網口;

(6)3路RS485,用于測試被測CPU板卡的RS485串口;

(7)2路RS232,用于測試被測CPU板卡的RS232串口;

(8)1路光B碼和1路電B碼輸出,為被測CPU板卡光B碼測試提供參考信號;

(9)14對出口觸點信號,用于輔助測試被測CPU板卡的開入通道;

(10)2 路光纖通道,用于測試被測 CPU 板卡的光纖通道.

2.3 被測輔助裝置

被測輔助裝置主要由電源插件、被測CPU 板卡、FPGA輔助測試板卡等幾部分組成,各部分通過背板實現電氣信號連接,其中FPGA輔助測試板卡為新設計插件.被測輔助裝置主要功能包括:為被測CPU插件提供供電電源;在FPGA輔助測試板卡的輔助下完成擴展開入、擴展開出、擴展總線、按鍵通道、液晶控制信號、IO 信號等硬件功能模塊的測試工作.

FPGA輔助測試板為被測輔助裝置的重要組成部分,主要由FPGA可編程邏輯器件、電平轉換電路、以太網口轉接電路及DA轉換模塊等組成,如圖3所示.

圖3 FPGA 輔助測試板組成框圖

被測CPU板卡所有背板端子引線經背板全部轉接至FPGA輔助測試板.被測板通過背板端子上的總線與FPGA輔助測試板實現信息交互.FPGA可編程邏輯器件通過檢測相應背板引線上電平參考信號的變化,產生測試結果并反饋給被測CPU 板卡;或主動給相應背板引線輸出電平參考信號,由被測CPU板卡回讀該電平參考信號并產生測試結果.電平轉換電路將背板端子的出口、按鍵等的24V或5V電平轉換為3.3V電平信號連接到FPGA可編程邏輯器件.以太網口轉接電路將CPU板卡背板網口引線轉接到FPGA輔助測試板前面板上的RJ45端子,與測試管理裝置實現通信,實現信息交互.DA轉換模塊主要由微控制器及DA轉換芯片組成,通過前端子的串口接收測試管理裝置發送的數據包,選擇并通過相應通道輸出電壓或電流模擬量.

FPGA輔助測試板的設計使用為擴展開入、擴展開出、擴展總線、按鍵通道、液晶控制信號、IO 信號等硬件功能模塊的測試提供一種高效便捷的測試方法,不需要借助產品整裝置來完成測試,并且不需要額外的測試設備施加激勵,節約了測試成本.

2.4 上位機測試管理軟件

PC上位機測試管理軟件基于Windows操作系統,用于CPU板卡測試用例的編輯、測試命令下發及測試信息管理等.PC上位機與測試管理裝置使用以太網通信,通過定時收發心跳報文檢測和指示通訊線路通訊狀態;發送測試命令給測試管理裝置,并接收測試管理裝置上送的測試結果.通過TCP與UDP協議對比分析,在局域以太網上采用UDP進行內部通信比較合適,根據該系統的應用特點,傳輸層協議采用UDP通信協議.UDP 協議不需要建立連接,響應速度快,具有較少的流量控制和差錯控制,系統開銷比較小[8–10].

軟件功能模塊結構如圖4所示,主要包括以下功能模塊:

圖4 PC 上位機測試管理軟件結構

(1)用戶管理:包括用戶登錄驗證、用戶注銷、密碼設置;

(2)測試命令下發:發送啟動自動測試命令及中止測試命令;

(3)測試過程輸出展示:將測試過程及結果分模塊展示,便于掌握測試進度;

(4)測試報告生成:將測試結果信息按規定格式保存為PDF文件;

(5)系統參數設置:根據設置的參數進行系統設置,并將參數保存到配置文件中;

(6)報文監視:實時查看以太網通信鏈路上原始報文數據,便于系統調試;

(7)通信狀態指示:指示通信鏈路的工作狀態.

測試用例包括具體CPU 板卡型號、硬件功能模塊測試項以及各硬件模塊相應測試參數設置,如收發數據包數量、數據包長度、通道數、模擬量值、等待時間等.采用xml類型的文件編輯存儲,每個硬件功能模塊測試項對應其中的一個元素,元素可以有子元素和屬性.每種不同類型板卡可對測試項目進行勾選并保存下來建立測試用例庫,測試管理軟件根據所測試的CPU 板卡型號,自動選擇調用相應測試用例文件,完成自動測試.

測試管理軟件能夠將測試過程實時展示出來,并且在測試完成后,根據規格要求將測試結果生成PDF文件保存起來,以便測試人員查看、歸檔.

3 測試方法及測試流程

按照測試方法的不同,將被測CPU板卡的硬件功能模塊分為三大類,分別為:裝置輔助類、板上自檢類和背板引線類.

3.1 裝置輔助類功能模塊測試

裝置輔助類硬件功能模塊包括以太網口、RS485/RS232串口、B碼對時、光纖通道、開入等,其特點是測試過程需要在測試管理裝置的輔助作用下完成.CPU 板卡上該類模塊通過與測試管理裝置上的相同類型模塊收發數據或接收測試管理裝置下發的參考信號,實現對其功能及性能測試評估.

裝置輔助類硬件功能模塊測試流程為:如圖5所示,上位機首先通過網口E給測試管理裝置網口E1發送測試命令,測試管理裝置通過網口E2將測試命令轉發給被測輔助裝置中CPU板卡的網口E,CPU板卡接收到測試命令后進入測試模式.

圖5 裝置輔助類硬件功能模塊測試流程示意圖

下面分兩種情況說明:

(1)當CPU板卡待測模塊T為網口、串口等通信接口時,CPU板卡通過T給測試管理裝置的T發送數據包,測試管理裝置接收到數據包后對數據包內的方向標志取反后發回給CPU板卡,CPU板卡對定量收發的數據包進行比較統計,產生測試結果.

(2)當CPU板卡待測模塊T為開入或B碼時,測試管理裝置在收到測試命令后,通過T輸出參考信號,CPU板卡待測模塊T通過檢測該信號狀態變化或對該信號進行解碼,判斷待測模塊的工作狀態,產生測試結果.CPU板卡將測試結果通過網口E反饋給測試管理裝置網口E2,再通過測試管理裝置網口E1發送給上位機,實現對該模塊功能及性能測試評估.

3.2 板上自檢類功能模塊測試

板上自檢類硬件功能模塊主要包括測溫模塊、實時時鐘、電壓監測、FLASH、DDR等,CPU板卡上該類模塊沒有端子引線,通過自身讀寫自檢測試實現對其功能及性能測試評估.

板上自檢類硬件功能模塊測試流程為:如圖6所示,板上自檢類硬件功能模塊測試中,上位機與測試管理裝置之間的通信同裝置輔助類硬件功能模塊測試過程.當CPU板卡E網口接收到測試管理裝置E2網口轉發的測試命令后,待測硬件模塊T進入讀寫自檢測試,產生測試結果,實現對該模塊功能及性能測試評估.

圖6 板上自檢類硬件功能模塊測試流程示意圖

3.3 背板引線類功能模塊測試

背板引線類硬件功能模塊主要包括擴展開入、擴展開出、AD通道、按鍵通道、液晶控制信號、擴展總線、IO信號等.CPU板卡上該類模塊信號經背板端子連接至FPGA輔助測試板,在FPGA輔助測試板的配合下實現對其功能及性能測試評估.

背板引線類硬件功能模塊的測試主要是通過FPGA輔助測試板實現的.如圖7所示,當CPU板卡E網口接收到測試管理裝置E2網口轉發的測試命令后,待測模塊T進入測試模式.CPU板卡通過背板總線實現與FPGA輔助測試板交互,由于不同模塊背板引線信號的方向不同,測試實現中會有所不同.

(1)CPU板卡背板引線信號方向為輸出的信號,FPGA輔助測試板接收到相應模塊的測試命令后,進入檢測背板連線信號變化工作狀態,CPU板卡控制背板連線信號變化,FPGA輔助測試板根據檢測情況產生測試結果,并將結果暫存到FPGA內部寄存器中,待CPU板卡通過背板總線讀取測試結果.

圖7 背板引線類硬件功能模塊測試流程示意圖

(2)CPU板卡背板引線信號方向為輸入的信號,FPGA輔助測試板接收到相應模塊的測試命令后,控制相應背板連線信號變化,CPU檢測信號變化情況,據此產生測試結果.

(3)AD通道測試時,測試管理裝置通過串口S以固定幀格式發送數字量、AD通道號給FPGA輔助測試板的DA轉換模塊,DA轉換模塊將數字量轉換為模擬量信號,并輸出給被測CPU板卡相應模擬量通道,CPU讀取AD采樣值并與測試管理裝置通過以太網通信口發送的數字量值進行比較,據此判斷AD采樣通道功能是否正常.

FPGA輔助測試板的設計使用,為背板引線類硬件功能模塊的測試提供了高效快捷的測試方法.下面以擴展總線測試舉例說明該類CPU模塊測試軟件的具體實現.擴展總線包括片選信號、讀寫信號、8位數據線、8位地址線,測試軟件流程如圖8所示.

圖8 擴展總線測試軟件流程圖

(1)CPU板卡通過擴展總線向FPGA輔助測試板0x00地址進行一次寫操作,啟動測試;

(2)CPU板卡通過擴展總線依次讀地址0x01、0x02、0x04、0x08、0x10、0x20、0x40、0x80;

(3)CPU判斷所讀數據,每次讀數應為相應地址的反碼(FPGA進行邏輯處理),否則輸出異常;

(4)輸出測試結果.

使用該方法能夠同時測試到地址線與地址線、數據線與數據線、地址線與數據線、地址線與VCC、數據線與VCC、地址線與GND以及數據線與GND之間是否短路,數據線、地址線、控制線連接是否正確,實現了對擴展總線的全面測試.

4 應用實例

目前,該自動測試系統已經應用于MPC8313、MPC8377系列處理器相關的CPU板卡生產過程的測試之中.以某型號的微機測控裝置內的CPU板卡為例,該CPU板卡上待測硬件功能模塊如表2所示.

表2 某型號 CPU 板卡測試項

從表中各功能模塊的測試時間來看,開入、AD通道、以太網、B碼對時等幾項測試所用時間較多,而使用FPGA輔助測試板完成的測試項如擴展總線、液晶控制信號、IO信號、按鍵通道等所用時間較少.從PC上位機啟動測試開始,到測試完成生成測試報告,整個測試過程不需人工干預,該CPU板卡測試時間約為59 s,與傳統人工測試至少30分鐘以上測試時間相比,測試效率大幅提高.由于各類CPU板卡的板上硬件功能模塊的差異,測試時間會有所不同,綜合分析各類板卡,其測試時間均在2分鐘以內.

5 結論與展望

CPU板卡自動測試系統采用模塊化、層次化設計,主要由測試管理裝置、被測輔助裝置、PC上位機等幾部分組成.根據CPU 板卡上各硬件功能模塊的特點,將其分為三大類,分別采用不同的測試方法,實現了CPU板卡硬件功能模塊的自動測試,節省了人力物力成本,減少測試過程中的人為錯誤,極大縮短產品的生產調試周期.進一步地,使用工業機器人配合該自動測試系統,實現測試系統的接線、更換待測CPU板卡、下載測試程序等各工序的自動化作業[11],提高測試準備等生產測試各個環節的生產效率,能夠更好地發揮自動測試系統的作用.