變頻器控制板自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉靜 ，趙澤生 ，于洪澤 ，王明玥 ，于志強(qiáng) ，賈鵬飛 ，盧貝貝

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180；2.電氣傳動(dòng)國(guó)家工程研究中心，天津 300180）

變頻器控制板是一種集成FPGA，ARM，DSP于一體的高性能復(fù)雜板卡。手動(dòng)測(cè)試中需要用到萬(wàn)用表、穩(wěn)壓源、信號(hào)發(fā)生器、電子負(fù)載等多種儀器設(shè)備和開發(fā)工具Quartus Ⅱ 11.1等軟件，這就要求測(cè)試人員具有熟練操作儀器、運(yùn)行軟件的技能。繁多的測(cè)試項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致手動(dòng)測(cè)試效率低、數(shù)據(jù)記錄容易出錯(cuò)、板卡出廠質(zhì)量難以保證。手動(dòng)測(cè)試變頻器控制板所耗費(fèi)的時(shí)間成本和人工成本均無法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)要求。目前變頻器控制板卡有諸多應(yīng)用場(chǎng)合，例如中壓三電平變頻器、通用變頻器、光伏逆變器、儲(chǔ)能、伺服驅(qū)動(dòng)器、恒流源等項(xiàng)目。基于上述需求，急需開發(fā)一種針對(duì)變頻器控制板卡性能測(cè)試的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，從而有效配合變頻器控制板卡（以下簡(jiǎn)稱控制板）的量產(chǎn)。

1 總體測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制板架構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制板架構(gòu)Fig.1 The architecture of the control board

控制板核心控制芯片采用DSP+FPGA+ARM的控制架構(gòu)。其中DSP用于控制算法的實(shí)現(xiàn)，與上位機(jī)調(diào)試軟件（TGCS）或NI測(cè)試軟件通過串口進(jìn)行通訊。FPGA用于實(shí)現(xiàn)AD采集、模擬量及開關(guān)量輸入輸出、驅(qū)動(dòng)信號(hào)及故障的輸入輸出等。ARM用于實(shí)現(xiàn)按鍵顯示控制、RS485通訊等，通過設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來驗(yàn)證控制板是否具備上述功能。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，板卡測(cè)試臺(tái)（見圖2虛線框）、被測(cè)板卡和針床共同組成一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。針床上放入被測(cè)控制板，通過針床上的探針實(shí)現(xiàn)控制板上測(cè)試點(diǎn)與測(cè)試系統(tǒng)的連接。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電路板上的某一功能電路的輸入通道施加激勵(lì)信號(hào)，并檢測(cè)相應(yīng)的輸出信號(hào)是否在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，并將測(cè)試結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)文件中。針床由通用接口與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的多功能卡連接。多功能卡通過PXI口與上位機(jī)系統(tǒng)連接。上位機(jī)系統(tǒng)提供人機(jī)交互界面，一方面響應(yīng)命令，輸出相應(yīng)的控制向量，為被測(cè)板卡提供激勵(lì)信號(hào)；另一方面對(duì)采集的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行處理分析，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較得出測(cè)試結(jié)果，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)與顯示。本系統(tǒng)采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW搭建人機(jī)交互界面與高效測(cè)試流程管理軟件TestStand搭建測(cè)試流程執(zhí)行序列，在TestStand中編寫相應(yīng)的Test Sequence序列文件，通過調(diào)用編好的LabVIEW設(shè)備操作程序，來實(shí)現(xiàn)各種功能的測(cè)試。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the test system

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要包括NI控制器（PXIe-8820）、PXI接口模塊、程控電源、電子負(fù)載、針床、顯示屏等。PXI接口模塊包括IO卡（PXI-6509和PXI-6528用于開關(guān)量的輸入與輸出），DMM數(shù)字萬(wàn)用表卡（PXI-4065配合多路復(fù)用器PXI-2527用于測(cè)量信號(hào)的電壓、電阻、電流值），多功能卡PXIe-6363（用于輸出模擬量、方波信號(hào)，測(cè)量方波信號(hào)頻率），串口通訊卡PXI-8432/4（用于實(shí)現(xiàn)串口通訊）。程控直流電源E3645A（供電電壓范圍0～35 V，電流最大2.2 A）和E3631A（3路輸出電壓電流范圍分別為0～6 V，0～5 A；0～25 V，0～1 A；-25～0 V，0～1 A）用于給變頻器控制板卡提供電源[1]。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)工具

軟件設(shè)計(jì)是本測(cè)試系統(tǒng)的核心。軟件系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面，迅速有效地對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制，還可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便后續(xù)調(diào)用及分析。開發(fā)軟件平臺(tái)是Lab-VIEW2013和TestStand2013。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The block diagram of software system

程序主體采用用戶接口層、測(cè)試管理層、信號(hào)連接層、應(yīng)用層及驅(qū)動(dòng)層的五層結(jié)構(gòu)。采用層級(jí)化的程序結(jié)構(gòu)，下層程序只接收相鄰的上層程序的調(diào)用，跨層之間不會(huì)直接聯(lián)系，這樣降低了程序之間的耦合，便于程序分層編寫調(diào)試。同時(shí)程序分層便于程序分類，實(shí)現(xiàn)程序的模塊化通用化。

TestStand是一款可立即運(yùn)行的測(cè)試管理軟件，可以調(diào)用大部分應(yīng)用開發(fā)環(huán)境編寫的代碼模塊開發(fā)測(cè)試序列，如LabVIEW，VC++，.NET程序集及Visual Basic等[2]，本系統(tǒng)是對(duì)TestStand的二次開發(fā)。不同的測(cè)試功能用不同的測(cè)試序列配置，大大地降低了軟件開發(fā)時(shí)間和維護(hù)成本[3]。LabVIEW有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信等方面的能力[4]，是測(cè)試系統(tǒng)調(diào)用代碼模塊的開發(fā)環(huán)境。

3.2 TestStand測(cè)試程序流程圖

控制板卡自動(dòng)測(cè)試程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖Fig.4 The flow chart of software

由圖4可知，硬件、參數(shù)初始化后，首先通過DMM數(shù)字萬(wàn)用表卡電阻檔進(jìn)行變頻器控制板上全部電源的阻抗測(cè)試，并檢測(cè)測(cè)量實(shí)際值是否在設(shè)定閾值范圍內(nèi)、將測(cè)試結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)Log文件夾中。若其中出現(xiàn)不在閾值范圍內(nèi)的測(cè)試項(xiàng)，則會(huì)停止測(cè)試，彈出圖5所示故障對(duì)話框；若第一步測(cè)試正常，通過DMM數(shù)字萬(wàn)用表卡電壓檔對(duì)控制板上所有電源電壓進(jìn)行測(cè)量，若其中出現(xiàn)超出設(shè)定值區(qū)間時(shí)，也會(huì)停止測(cè)試，彈出故障對(duì)話框。即前兩步測(cè)試定義為重故障，有測(cè)試不合格項(xiàng)就停止本次測(cè)試；后面幾步測(cè)試定義為輕故障，其中有測(cè)試不合格項(xiàng)不會(huì)停止，還會(huì)繼續(xù)向下測(cè)試，直到本次測(cè)試完畢后顯示測(cè)試不通過。若前兩步測(cè)試正常，會(huì)出現(xiàn)提示板內(nèi)是否已下載測(cè)試程序的對(duì)話框，選擇“Y”，繼續(xù)后面幾步的測(cè)試；選擇“N”，程序回到最開始，板卡則可以拿去下載板卡內(nèi)測(cè)試程序，下載完程序重新開始測(cè)試。若板卡中未下載程序，但仍選擇“Y”，則在第三步中會(huì)提示“FPGA_ID錯(cuò)誤”。

圖5 故障對(duì)話框Fig.5 Fault dialog

3.3 測(cè)試項(xiàng)

控制板功能測(cè)試包括電源阻抗、電源電壓、模擬量輸入、PWM波功能、開關(guān)量輸入功能、開關(guān)量輸出功能、模擬量輸出、繼電器控制信號(hào)、溫度檢測(cè)等。下面以模擬量輸入（AD采樣）程序?yàn)槔髦攸c(diǎn)介紹。

FPGA自動(dòng)測(cè)試程序利用開發(fā)工具Quartus Ⅱ 11.1 sp2的圖形化方式編程。例如，程序中一共有8路模擬量輸入采樣。測(cè)試時(shí)，在板卡上每一路的模擬量輸入點(diǎn)輸入不同的電壓值，通過PXI-6509口（AO口）給定，再經(jīng)板卡上的采樣電路處理后輸入到FPGA相應(yīng)采樣管腳，F(xiàn)PGA將讀取到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DOUT_A和DOUT_B中，經(jīng)如圖6所示的adc122s_dr模塊處理后，將結(jié)果存儲(chǔ)在輸出端的ADVALUE_A和ADVALUE_B中，上位機(jī)通過DSP讀取adc122s_dr模塊的處理結(jié)果（由圖7所示LabVIEW模塊實(shí)現(xiàn)），并與輸入值對(duì)比，判斷輸入輸出結(jié)果是否一致，并做出判定，最后關(guān)閉AO，通過Goto語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)路數(shù)切換測(cè)試。整個(gè)過程的TestStand實(shí)現(xiàn)程序如圖8所示。

圖6 模擬量輸入測(cè)試程序（Quartus Ⅱ）Fig.6 Test program for analog input（Quartus Ⅱ）

圖7 模擬量輸入測(cè)試程序（LabVIEW）Fig.7 Test program for analog input（LabVIEW）

圖8 模擬量輸入測(cè)試程序（TestStand）Fig.8 Test program for analog input（TestStand）

4 測(cè)試結(jié)果

變頻器板卡測(cè)試完成后，會(huì)自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，測(cè)試報(bào)告中Name列為測(cè)試項(xiàng)名稱，Target Min和Target Max為規(guī)定的閾值范圍，Actual為測(cè)試的實(shí)際值。如果實(shí)際值在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)（在Target Min和Target Max之間），則測(cè)試結(jié)果為Passed（測(cè)試通過），否則為Failed（測(cè)試不通過）。整個(gè)測(cè)試中若有測(cè)試不通過項(xiàng)，會(huì)彈出圖5所示故障對(duì)話框。本測(cè)試報(bào)告為txt文件格式，具有占用空間小、文件打開速度快等特點(diǎn)，但每行的內(nèi)容長(zhǎng)度不同，可讀性較差，此文件可以通過右鍵以Excel表格的形式打開，增加可讀性，如圖9所示為變頻器控制板測(cè)試報(bào)告中第三步（模擬量輸入測(cè)試）的一部分。

圖9 測(cè)試報(bào)告（局部）Fig.9 Test report（local）

5 結(jié)論

本文較詳細(xì)地介紹了針對(duì)變頻器控制板自動(dòng)測(cè)試在硬件、軟件方面及整體的設(shè)計(jì)流程。

本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)在變頻器控制板的自動(dòng)測(cè)試中操作方便，跟手動(dòng)測(cè)試相比可使測(cè)試時(shí)間縮短5倍以上，對(duì)變頻器控制板的整個(gè)自動(dòng)測(cè)試時(shí)間約5 min，基本不受人為因素影響，測(cè)試結(jié)果均是儀器的客觀判定，對(duì)測(cè)試人員專業(yè)水平要求不高。

目前此測(cè)試系統(tǒng)已正式應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試中，并順利完成多批次變頻器控制板的測(cè)試工作。