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挑戰：通過(guò)PXI 控制板卡和LabVIEW軟件，構建一套比較完整齊全的PCB板的功能測試(FCT)系統，利用該系統可實(shí)現對音頻視頻以及各種靜態(tài)參數（電壓、電流、頻率）的綜合性全自動(dòng)測試，對于新開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的PCB板，工廠(chǎng)無(wú)需頻繁更換測試硬件，只要添加制作一個(gè)測試夾具，重新連接線(xiàn)路，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)編寫(xiě)測試軟件即可。 應用方案：使用NI公司的PXI控制硬件平臺結合NI的圖形化編程軟件LabVIEW快速并成功的開(kāi)發(fā)構建出一個(gè)經(jīng)濟、靈活的PCB板功能測試系統(FCT測試系統)。 該系統采用的PXI 控制板卡可以實(shí)現對音頻、視頻以及各種靜態(tài)參數(電壓、電流、頻率)的綜合性全自動(dòng)測試，并且通過(guò)LabVIEW軟件編程可以實(shí)現兼容 GPIB,I2C,Modbus,TCT/IP等多種協(xié)議，通過(guò)VISA模塊庫，可以實(shí)現對串口隨意方式的數據處理，和數據交互顯示。 使用的產(chǎn)品 軟件 LabVIEW 8.2.1 Professional Development System National Instruments drivers NI Vision 8.5 Development Module NI Vision Acquisition 8.5.1 Composite Video Generator 5431 硬件 PXI-1045 18槽3U PXI機箱 PXI-6533 高速32位數字數字I/O卡 PXI-6070E 多功能I/O卡 PXI-4070 數字萬(wàn)用表 PXI-5122 示波器卡 PXI-2565, PXI-2503多路繼電器板卡 PXI-4461 動(dòng)態(tài)信號采集發(fā)生器 PXI-5431 視頻信號發(fā)生卡 PXI-1411 視頻分析卡 PXI-8420 RS232串口卡 PXI-8421 RS485串口卡 PXI-8331 卡 PCI-GPIB 卡 PPS-GW-3202 GPIB 接口電源 介紹 現代化電子工廠(chǎng)車(chē)間批量生產(chǎn)的PCB電路板，除了要進(jìn)行ICT測試外，還要做最終打包出廠(chǎng)前的功能測試FCT(Functional Circuit Test)。利用NI公司的PXI 控制板卡和LabVIEW軟件構建的一套完整的包含音頻、視頻及各種電壓，電流，頻率，開(kāi)關(guān)量等等的綜合性全自動(dòng)功能測試平臺。該平臺實(shí)現了對各種不同的 PCB電路板的FCT功能測試。通過(guò)該平臺無(wú)需頻繁更換測試硬件，新產(chǎn)品加入時(shí)，只需更換一個(gè)ATE測試夾具，按照PXI板卡的硬件資源分配，對測試夾具的插針進(jìn)行連線(xiàn)到其界面接口，最后修改相應的測試軟件即可實(shí)現對PCB板的全自動(dòng)測試。 該系統綜合了音頻，視頻的自動(dòng)測試，包含了GPIB，RS232，RS485， Ethernet等多種接口和通訊方式，測試方法簡(jiǎn)單，操作工人測試時(shí)只需要將測試夾具壓下、觀(guān)察上位機軟件畫(huà)面提示，測試完成后抬起測試把柄即可實(shí)現全功能測試，測試效率大幅提高。 1. FCT功能測試現狀 現代化電子工廠(chǎng)車(chē)間批量生產(chǎn)的PCB電路板，通常要進(jìn)行ICT和FCT的測試。 ICT：IN Circuit test，ICT通常是生產(chǎn)中第一道測試工序，主要運用ICT測試設備在線(xiàn)檢查單個(gè)元器件以及各電路網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)、短路情況。 現在大多數的PCB板都會(huì )下載相應的Firmware來(lái)對板卡進(jìn)行程序控制，通過(guò)ICT的PCB板雖然能夠準確定位電子元器件的優(yōu)劣，卻無(wú)法對整個(gè)電路板的功能好壞作出判斷。這就需要測試工程師搭建一個(gè)適合PCB板的模擬電路環(huán)境，對電路板的TP(TestPoint)點(diǎn)進(jìn)行FCT功能測試。 FCT：Functional Circuit test，主要是模擬成品的功能，運用測試治具測試產(chǎn)品的功能是否實(shí)現的測試系統。 現有的工廠(chǎng)產(chǎn)線(xiàn)對PCB的FCT功能測試，大多實(shí)現的是一對一的方式，即一種PCB對應一個(gè)FCT功能測試臺。 該種測試臺由測試工程師自己設計控制電路底板，連接I/O口到測試治具的針盤(pán)，然后編寫(xiě)底板Firmware模擬成品運行環(huán)境，實(shí)現對待測PCB 板電壓、電流檢測、以及相應時(shí)序控制。一對一的方式雖然對測試工人是一種方便，但同時(shí)也意味著(zhù)資源浪費，在該類(lèi)產(chǎn)品出廠(chǎng)后，該FCT測試臺也往往被束之高閣了。對測試工程師不斷的制版，編程，接線(xiàn)等等重復勞動(dòng)也是一個(gè)不小的工作壓力。 2. PXI測試系統構想 隨著(zhù)產(chǎn)品種類(lèi)越來(lái)越多，測試功能越來(lái)越復雜PCB板來(lái)說(shuō)，普通的FCT功能測試臺已經(jīng)無(wú)法實(shí)現一些特殊的功能測試，例如：音頻，視頻等功能測試。能不能構建一個(gè)統一的測試平臺來(lái)實(shí)現大部分的FCT功能測試呢？首先我們設想的測試平臺必須具有如下測試功能： 1) 多路雙向高速I(mǎi)/O可以實(shí)現對測試治具狀態(tài)監測的同時(shí)，能夠模擬I2C等協(xié)議實(shí)現對PCB板的多數芯片的時(shí)序控制。 2) 多路模擬量輸入輸出，可以模擬一些波形信號作為PCB板的的輸入信號。 3)多通道可控制繼電器陣列，方便實(shí)現對信號通斷控制。 4) RS232, RS485串口卡，實(shí)現串口協(xié)議通信。 5) 采集電壓，電流的程序控制萬(wàn)用表功能。 6) 可實(shí)現頻率，波形采集的示波器。 7) 視頻產(chǎn)生和采集分析功能。 8) 音頻采集分析功能。 9) 可編程電源。 10) 統一編程的軟件。 針對如此多的功能實(shí)現，倘若都采用儀器設備，單從費用上來(lái)說(shuō)構建這樣一個(gè)復雜的FCT測試系統會(huì )是一個(gè)不小的開(kāi)支，這時(shí)我們想到了NI。NI作為測試測量業(yè)內的專(zhuān)家，為我們提供了很好的技術(shù)服務(wù)，經(jīng)過(guò)仔細的需求分析，幫我們推薦了上面的產(chǎn)品清單，我們僅花費了最初一半費用就最終實(shí)現了我們的系統構想。 3. 系統構架組成 以往一個(gè)簡(jiǎn)單的FCT功能測試臺，測試治具是必須的，然后根據PCB板的不同功能需求，設計制作各種功能的電路底板，然后接線(xiàn)到針盤(pán)底座，最后對單片機進(jìn)行編寫(xiě)Firmware軟件。大多通過(guò)液晶屏顯示測試結果，復雜一些的還需要通過(guò)串口與上位機編寫(xiě)的PC軟件進(jìn)行通信控制，以實(shí)現各種測試功能。 基于PXI的FCT功能測試臺讓測試工程師從頻繁的設計制作各種電路板，無(wú)休止的編寫(xiě)Firmware軟件，不斷的連接布線(xiàn)中解脫出來(lái)。 該FCT功能測試平臺的系統構架主要有如下優(yōu)勢： 1) 統一的硬件資源分配。 將各種型號的PXI板卡插入PXI-1045 18槽3U機箱后，按照各種板卡的接口地址，進(jìn)行統一資源分配。通過(guò)SCSI接口電纜將端口線(xiàn)引出到我們稱(chēng)之為“Interface Receiver”的機架側面上。 2) 統一的測試治具接口。 該“Interface Receiver”的頂端是一個(gè)固定尺寸的針床底座。通過(guò)統一尺寸的測試治具底座接口，從而進(jìn)一步實(shí)現了將待測PCB板的TP(TestPoint)的信號引入到PXI板信號采集端。 3) 可編程電源控制。 通過(guò)GPIB控制可編程電源，實(shí)現了對各種待測PCB板一定范圍內任意電壓，電流的穩定供給。 4) 統一的上位機軟件控制界面。 利用LabVIEW8.2.1的圖形化編程軟件，規范統一了上位機軟件編程界面，對各個(gè)板卡的操作實(shí)現了模塊化編程，大大提高了編程效率。 5) 合理的機柜布局。 因為是一個(gè)綜合的FCT測試系統，必然要對設備有個(gè)合理的布局，我們采用了2m×1.2m×1.4m的機柜，分5層布局，由下往上依次設備是可編程電源，PXI設備，測試夾具， PC機，視頻監視器，PC顯示器。這樣的一個(gè)機架緊湊而合理。 最終我們構建的測試架如圖1所示。 
圖一 4. PXI測試硬件構成分析 1) PXI-6533, PXI-6070E的選擇 PXI-6533 擁有32條數字I/O線(xiàn) (5V TTL/CMOS)，速度高達13.3 MB/s其中的任意兩個(gè)I/O完全可以模擬一個(gè)I2C總線(xiàn)協(xié)議。數量上也足夠滿(mǎn)足我們對PCB板I/O控制的需要。對于PXI-6070E的選擇我們看中的是它具有兩通道的模擬量輸出，可以通過(guò)軟件編程模型輸出一些特定波形，如正弦波、三角波等，很多時(shí)候可以作為音頻信號源使用。 2) PXI-4070, PXI-5122, GW-3202 GPIB接口可編程電源 待測PCB板屬于弱電，PXI-4070可測量高達±300 VDC的電壓和±1 ADC的電流充分滿(mǎn)足測試需求。另外對GW-3202通過(guò)GPIB接口軟件編程控制可以提供給測試夾具底板穩定可靠的電壓電流，短路過(guò)電流時(shí)候還提供短路保護，非常安全。PXI-5122自然必不可少，14位分辨率的雙同步采樣示波器，對于實(shí)現圖形分析，頻率測試，非常方便。 3) 視頻信號的測試分析。 視頻檢測包括對視頻鏡頭采集清晰度的檢測和視頻芯片編解碼算法的檢測。PXI-1411具有單路彩色模擬輸入通道，結合NI Vision Acquisition 8.5.1軟件可以將光學(xué)鏡頭采集的視頻信號傳輸到軟件進(jìn)行分析處理。 PXI-5431高精度模擬視頻信號發(fā)生器，可以模擬視頻信號源輸出到待測PCB板的視頻編解碼芯片，在通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數字視頻傳輸畫(huà)面到計算機，從而實(shí)現對視頻編解碼芯片的測試。一個(gè)簡(jiǎn)單的視頻信號測試原理如圖2所示。
圖2 視頻檢測原理圖 4) 音頻信號的測試分析 安防類(lèi)電子產(chǎn)品中，音頻信號的測試是必須的。很多的產(chǎn)品音頻要求必須達到一定的國家標準。為了測試音頻，通常需要花大價(jià)錢(qián)購買(mǎi)一套音頻分析儀，實(shí)現對THD(諧波失真率)，S/N信噪比等精確測量。 PXI-4461就是一款完全可以替代音頻分析儀的數據采集卡，結合NI的軟件模塊，可以非常方便的實(shí)現對音頻信號的采集分析。 另外，對于簡(jiǎn)單的音頻信號測試，可以通過(guò)PXI-6070E模擬一個(gè)正弦信號作為的待測PCB板的音頻信號輸入源，通過(guò)PXI-5122讀取音頻信號輸出端頻率，幅值的方法實(shí)現FCT功能檢測。 5 ) 其他PXI板卡的使用 對于任何測試測量系統，自然離不開(kāi)繼電器的控制，我們采用了多塊PXI-2565, PXI-2503繼電器板卡。 PXI-2565擁有16個(gè)獨立的單刀單擲非鎖存繼電器可以方便的實(shí)現線(xiàn)路的控制。PXI-2503低壓多路復用開(kāi)關(guān)繼電器，在一些特殊電路上非常方便。PXI-8420 RS232串和PXI-8421 RS485串口卡各有兩個(gè)串口，擴充了計算機的串口配置，通過(guò)VISA編程通信異常方便。 PXI-8331 卡高速串口卡，用于跟計算機實(shí)現高速通信。 PCI-GPIB 卡 實(shí)現了對GPIB接口設備的通信控制。 構建完成的PXI設備前面板如圖3。
圖3 PXI測試設備 5. 系統軟件設計 有了穩定可靠的硬件，必須結合方便易用的開(kāi)發(fā)軟件才能真正的發(fā)揮系統的“十分”效能。NI公司的LabVIEW圖形化編程軟件使得我們的系統如虎添翼，真正發(fā)揮了出了PXI應有的功能。 軟件的前面板界面也進(jìn)行了劃分，主要由靜態(tài)參數顯示窗口，視頻測試窗口，音頻測試窗口，合格率計算窗口，信息提示窗口五部分構成。前面板測試界面如圖4所示。
圖4 軟件控制界面說(shuō)明 1) 靜態(tài)參數顯示窗口。 主要對一些如電壓、電流的模擬量，TTL電平以及GPIO狀態(tài)或者相關(guān)串口通信信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示。軟件實(shí)現主要通過(guò)對DAQmx模塊的調用，讀取PXI-6533，PXI-6070E、或者通過(guò)繼電器切換利用PXI-4070進(jìn)行讀取實(shí)現。參數測試完成，會(huì )將測試數據記錄到數據庫文件中，供操作員查看或生成報表。 2) 視頻測試窗口。 利用WebBrowser控件將PXI-5431產(chǎn)生的Color Bar視頻圖像再經(jīng)過(guò)待測PCB板編解碼后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )Ethernet實(shí)時(shí)的顯示在該窗口，由操作員判斷圖像好壞。 3) 音頻測試窗口 通過(guò)PXI-6070E的模擬量輸出通道模擬輸出了一個(gè)1KHZ，800mV的正弦波到待測PCB板的Audio In輸入端，通過(guò)PXI-5122示波器卡對Audio Out的輸出波形進(jìn)行檢測，對照輸入端頻率幅值進(jìn)行比較，實(shí)現測量音頻信號。 4) 合格率計算框 該框中對所有測試的PCB板數量進(jìn)行了統計，通過(guò)與失敗的一目了然，同時(shí)進(jìn)行了合格率百分比計算。該框中還包含了一個(gè)產(chǎn)品序列號的輸入框，操作員通過(guò)條形碼掃描槍將產(chǎn)品序列號掃入，即可作為該產(chǎn)品的唯一識別標識登記到數據庫中。 5) 信息提示窗口 該窗口用于實(shí)時(shí)測試步驟的信息提示，提示操作員當前操作步驟，當測試出錯時(shí)會(huì )紅色字體顯示出錯代碼，提示操作員處理。軟件控制界面解析如圖4所示。軟件前面板主控界面如圖5所示。
圖5 （軟件控制主界面） 整個(gè)軟件程序框架采用了事件+狀態(tài)機的結構，狀態(tài)機是 LabVIEW程序中最常用的設計模式之一，它由一個(gè)主循環(huán)和一個(gè)Case結構組成，利用移位寄存器實(shí)現狀態(tài)跳轉，在編程中我們利用了Typedef來(lái)實(shí)現狀態(tài)枚舉值，構建了模板，這樣可以很方便的添加減少狀態(tài)值。同時(shí)在狀態(tài)機的Idle狀態(tài)中加入事件結構，當每次狀態(tài)完成，跳轉到Idle狀態(tài)都會(huì )實(shí)時(shí)響應操作員的界面操作，程序框圖如圖6所示。
圖6 主程序框圖 結論 通過(guò)NI公司先進(jìn)的PXI技術(shù)，能夠準確而快速地對硬件進(jìn)行控制和數據采集；同時(shí)PXI驅動(dòng)庫DAQmx與LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺的無(wú)縫連接，利用 PXI構建的FCT功能測試臺， 雖然結構復雜，信號量較多，但是結構調理，功能強大，易于修改，同時(shí)實(shí)現了資源共享，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗，測試，我們非常成功的運用多臺這樣的FCT功能測試臺到了工廠(chǎng)的產(chǎn)線(xiàn)中，并且穩定可靠。每次新產(chǎn)品釋放的時(shí)候，研發(fā)工程師只需要添加一個(gè)治具，根據資源分配表壓針，連線(xiàn)，修改軟件即可；大大減少了測試工程師的工作負荷。相信NI的產(chǎn)品在該行業(yè)會(huì )有更加深入的應用。 作者：霍尼韋爾綜合科技（中國）有限公司高級軟件工程師 王偉 本文獲NI公司2009 案例征文大賽單項獎（測試與驗證） |
