基于虛擬儀器的某弱信號處理模塊測試系統設計與實現

?引 言
??? 隨著測控技術的發展，要求測試的項目和測試參數日益增多，對自動化測試速度和測試準確度也提出了較高的要求。虛擬儀器是基于計算機和標準總線技術的模塊化系統，通常由控制模塊、儀器模塊和軟件組成。由軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件對數據進行顯示、存儲以及分析處理，廣泛應用于民用和軍用測量領域Ⅲ。作為虛擬儀器技術的一種，GPIB總線儀器以其良好的可靠性和高精度性使基于該總線的虛擬儀器在自動化測試領域中得到廣泛的研究與應用。
??? GPIB總線是一個數字式的24線并行總線。它由16條信號線和8條接地返回線組成。GPIB的16條信號線分為8條數據線，5條接口管理線，3條握手線等三大組。可以實現諸如總線初始化、設備尋址或地址釋放以及為遠程或本地編程設置設備模式的任務。GPIB使用8位并行的異步數據傳輸方案。
??? 由于某弱信號處理模塊需要測試的性能指標繁多，傳統的手動測量的方法效率較低，人為因素的影響較大，操作失誤情況下容易損壞模塊，不適用于批量生產的產品測試。研制針對該模塊的自動測試設備在批量的產品測試中可以有效的節省人力和時間，減少由于人為因素而產生的差錯，提高測試準確性，對于產品的批量生產具有很大的促進作用，并有利于對產品的質量控制。

1 系統的主要功能
??? 該自動測試系統主要應用在對某型弱信號處理模塊的自動化檢測中，實現對7個大項，100多個小項的自動化檢測，取代使用分立的儀器逐項手動測試。測試系統需具備以下幾個主要功能。1)為模塊提供+12V、-12V直流電源及可變頻變幅的正弦及脈沖信號輸入；2)測試模塊的交流噪聲及直流偏置；3)測試交流通道輸出波形失真度；4)進行模塊的跨阻、高低端截止頻率、AGC、隔離度等多項性能參數的自動測試；5)測試直流通道跨阻等性能指標；6)提供高低溫測試夾具并實現常溫及高低溫狀態下的測試；7)對結果以波形及數據表等方式記錄顯示和打印輸出；8)自檢功能及過流保護功能。測試系統應具有良好的圖形用戶界面，友好的人機對話環境。軟件界面上應包括電源自檢和信號源自檢以及自校準功能。輸入模塊的激勵信號的頻率和幅值可以調節。測試系統應有兩種工作方式，可以按照測試項目順序依次進行測試，也可以對選中的單個或多個測試項目進行程控測試。測試過程中界面上實時顯示測試系統的工作狀態、測試項目和測得的數據。具有產品測試數據實時記錄、儲存及打印功能，能自動生成規范的測試報告、測試曲線。測試過程可隨時終止，并可查看自動生成的測試表格，自動標識不合格項。測試系統的組成框圖如圖1所示。測試系統的設計包括硬件沒計和軟件設計兩部分。

2 測試系統硬件設計
??? 測試系統的硬件部分由專用夾具、采集控制板、GPIB接口卡、數字I／O卡、函數信號發生器、數字萬用表、數字存儲示波器及工控機等組成。工控機通過采集控制板對模塊的各引腳通道進行選擇并發送信號，待測量通道的信號輸入到相應儀器進行測量。工控機與各儀器通過GPIB總線相連，將控制命令發送到各儀器，測得的數據被發送到工控機進行分析處理等工作。采用GPIB總線星型連接方式，可以避免因某個儀器的關閉或非正常工作而影響工控機與其他儀器間的通信。

? 圖2為該系統的硬件組成框圖。其中直流穩壓源提供模塊的工作電壓，通過采集控制板向模塊專用夾具提供。函數信號發生器、數字萬用表和數字存儲示波器本身帶有GPIB接口，在工控機擴展槽中插入GPIB卡獲得工控機的GPIB接口，通過GPIB電纜線連接在一起，可以進行數據和信號的傳輸。工控機通過GPIB卡和數字I／O卡實現對采集控制板和其他設備的實時控制，向被控對象發出命令，協調它們之間的動作，從測量設備讀出數據，并對數據進行分析和處理，將完整的測量結果進行保存或制成報表打印輸出。

??? 函數信號發生器采用Agilent 33220A，用來向模塊提供正弦信號和脈沖波信號。Agilent 33220A所能提供的正弦波的頻率范圍為1μHz～20MHz，幅度范圍為10mVpp～10Vpp，精度為1mVp-p。Agilent 33220A函數信號發生器帶有IEEE488．2標準的GPIB端口，可以和工控機進行通信，并由工控機對其輸出波形參數進行設置。數字示波器采用Tektronix公司生產的TDS1002，帶寬為60MHz，采樣率1．0GS／s，可以滿足測試要求；TDS1002示波器帶有滿足IEEE488．2標準的GPIB端口，可以和工控機進行通信，將測試結果傳遞給工控機。數字萬用表采用Agilent 34401A，具有6位半數字分辨率，最高精度為1μV，交流電壓測量量程為15mV～750V，頻率測量范圍為5Hz～1MHz，最高精度為0．01Hz，帶有滿足IEEE488．2標準的GPIB端口，可以和工控機進行通信，用來完成模塊各通道輸出波形的頻率和交直流幅值的測量，并檢測直流穩壓源和函數信號發生器的輸出。
2．1 直流穩壓電源單元
??? 直流穩壓電源為模塊提供+12V和-12V電壓，為控制板和模塊夾具板上的GPLD和繼電器提供+5V工作電壓。采用DH1718G-4型直流穩壓源，此電源有0～+36V和0～-36V兩路可調直流電壓輸出和一路十5V固定電壓輸出，輸出電流分別為0～+3．5A和0～-3．5A，紋波電壓有效值為0．5mV。
2．2 主控計算機系統
??? 主控計算機系統由工控機主機、GPIB總線接口卡和數字I／O卡構成。計算機主機采用研華科技有限公司生產的工控機，內存在軟件計算和顯示中對容量要求比較大，內存容量配置為1Gbytes。GPIB總線接口卡選用了National Instruments公司生產的PCI-GPIB接口卡，該接口卡支持“Plug and Play"標準，接插件采用IEEE488．1的標準24針接頭，數據傳輸支持標準IEEE488和HS488兩種模式。數字I／O卡采用National Instruments公司生產的PCI-6503，是PCI總線接口的數字I／O卡，兼容性強，支持“Plug and Play"標準，采用5V TTL／CMOS控制電平，具有3通道共24位輸入／輸出。
2．3 采集控制板
??? 采集控制電路板分為電源處理、信號輸入、信號輸出和CPLD控制4個部分。電源處理部分負責8塊待測模塊工作電源以及增益控制引腳的選通；信號輸入部分將信號發生器輸出的信號提供給模塊待測的一路；信號輸出部分把模塊待測的一路輸出信號送給數字萬用表或示波器進行測量。CPLD另設了5個輸出引腳A～E用來控制模塊夾具板上的繼電器通斷。為了適合產品和夾具的需要，選用了超小型高靈敏度的電流動作型信號繼電器，其導通電阻小，絕緣電阻大，壽命長(開關數可達千萬次)，體積小，重量輕。
??? 工控機首先向數字I／O卡寫控制字，數字I／O卡將8位的命令數據傳送給采集控制板上的CPLD，CPLD將接收到的控制命令經過譯碼產生各繼電器的控制信號，在CPLD每個輸出引腳采用驅動電路提高電流驅動能力以實現對繼電器的控制，從而實現某個待測模塊的相應通道的選通。除了采集控制板上的繼電器陣列以外，夾具板上還有5個繼電器，用以實現模塊輸入通道的就近接地。CPLD模塊采用的是Xilinx公司的XC9572-15PC84，XC9572是Xilinx公司XC9500系列CPLD的一種，采用了先進的Fast FLASH ISP技術，可提供10000次以上編程擦除周期，并提供了先進的系統內部編程及測試功能。

3 測試系統軟件設計
??? 整個軟件系統設計分為4個模塊：人機界面、數據處理、儀器控制和數據傳輸，如圖3所示。其中，儀器控制和數據傳輸是在測試過程中聯合作用的，作為底層的程序進行開發，并按照功能整合成子程序，劃分為多個子模塊分別進行設計，供測試主程序進行調用，提高了軟件的可靠性、可維護性和可擴展性。前臺是人機界面，檢測并判斷用戶輸入的測試相關信息，形成測試流程并調用相應子程序。后臺數據處理部分，將儀器傳回的測量數據進行分析判斷，形成報表存檔。測試軟件的工作方式分為兩種：自動測試和程控測試。自動測試模式可按順序依次進行全部項目的測試；程控測試模式可以對選中的單項或多項測試項目進行單獨測試。通過軟件功能更改可以兼容不同設計的弱信號處理模塊。測試系統的軟件開發平臺采用美國NI公司的LabVIEW8．2。

??? 根據功能需要設置了5個主要界面，分別為登陸、用戶管理、參數設置、測試和報表管理。登錄界面通過校驗屏幕輸入的用戶名及密碼，判斷相應的權限。軟件系統控制實際儀器對被測模塊進行7個大項的測試。控制信號及測得數據均通過GPIB總線傳輸。在測試過程中，在底層進行數據的處理和分析，判斷是否符合指標要求，并進行整理匯總。該測試系統軟件將所有硬件資源的驅動程序以驅動程序庫的形式加以組織，使測試應用程序通過訪問驅動程序庫函數實現對各種硬件資源的操作，提高了系統的計算能力。
3．1 登陸界面的實現
??? 通過對用戶名和密碼的判斷可得出對應的權限。如果是系統管理員，則進入Case框的“True"條件，通過對登陸界面上的功能可視屬性的設置，顯示數據管理、參數修改、測試等所有功能。如果是普通用戶登錄，則進入Case框的“False'’條件。在內層Case框內，程序對四個功能按鈕的Visible屬性進行設置，并對右下方的布爾型全局變量“是系統管理員”進行賦值。該全局變量的賦值是為了與數據管理界面進行通信，在數據管理界面上對不同的用戶權限進行功能區分。
??? 用戶登錄后，程序不斷檢測屏幕上各個功能按鈕的狀態，一旦有按鈕按下，則進入其相應的子界面。子界面均做成VI，存放在于登錄界面同一根目錄下。在程序中，運用Call By Reference Node函數，對子界面進行動態調用，實質上就是對VI進行動態控制。子界面動態調用程序中，首先分別使用Refnum函數和Open VI Reference函數生成和打開被調用子界面VI的Reference(參考號)，再使用Invoke Node函數中的Open FP動作打開子界面的前面板窗口，并通過Property Node函數設置被調用VI的屬性。設置被調用的子界面狀態為Activate，即可對被調用的子界面上的控件進行操作。使用Call By Refer-ence Node函數進行調用，在調用完畢之后，再使用Invoke Node關閉子界面前面板窗口。最后釋放Reference。在整個軟件系統中，將相關功能集成在1個子界面中，通過動態調用子界面，使程序運行合理，使用方便。
3．2 測試主界面的實現
??? 測試主界面是整個測試軟件中最復雜和功能最集中的部分，對操作者輸入的測試信息進行判別并形成測試流程，通過測試流程調用相應測試功能的子VI完成測試任務。需要通過程序對工控機上的數字I／O卡和GPIB接口卡進行控制，使其按照程序的設置進行輸入輸出；測試過程中實時顯示測試進度和測試數據，對于部分測試項目按照要求在界面上顯示測得的信號波形；要對測試過程中測得的數據講行判別。在豐界面設計時，將各個測試項目獨立編寫形成子VI以便調用。測試項目完成后進行一系列報表整理和數據庫的插入等操作，及時更新測量的數據。
??? 由于模塊針對不同的溫度的合格指標不同，因此主界面上設計了常溫、低溫和高溫三個選項。使用While循環框及Event Structure(事件結構)實現上述功能。外層的While框是令程序循環等待操作者的選擇動作的發生，Event Structure框中是響應該動作的程序。
??? 操作者按下“初始化”按鈕，系統運行初始化子程序，檢測萬用表、信號發生器、示波器、穩壓電源等是否工作正常，并檢查夾具選定測試位置上是否裝有模塊。初始化程序還測量被測模塊的電源電流，并進行測試所需激勵信號的自適應校正。以上各項均通過后，初始化程序結束。程序等待操作者按下“開始測試”按鈕。取得所測模塊的信息和所測項目，形成測試程序流程，按照流程分別進入各測試項目子程序中。

3．3 交流噪聲測試
??? 某弱信號處理模塊的交流噪聲主要來源于熱噪聲、散粒噪聲和1／f噪聲等。交流噪聲測試測量各交流通道的交流噪聲電壓值Vn，測量過程中需要觀察噪聲波形，應為帶寬型非周期性波形。程序通過I／O卡輸出控制字，驅動繼電器，選通被測芯片，并連通其輸入輸出管腳和實際儀器之間的電路。被測芯片的各交流輸入通道均接GND，被測芯片的輸出經過低噪聲放大電路放大30倍后，由萬用表測得并通過GPIB總線傳輸到程序。子程序“顯示波形30s”調用示波器，采集放大30倍后的噪聲波形數據，通過GPIB總線傳輸到程序后界面實時顯示，持續30s。
3．4 參數指標的修改
??? 可以由系統管理員修改參數指標并及時存儲作為合格判據。指標參數以二進制文件形式存儲在計算機的指定路徑，每次運行參數修改界面時先讀出該二進制文件，將這些參數初始化到界面的各個相應控件上，向操作者顯示出最近的修改結果。操作者修改完成后，將最新的修改情況更新存儲到指定路徑的二進制文件上，覆蓋原有文件，保持指標參數的為最新。
3．5 波形失真度計算
??? Distortion Measurements．vi是計算波形失真度的程序。諧波失真是指用信號源輸入時，輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成分。諧波失真由系統不是完全線性造成，它通常用百分數來表示。總諧波失真度THD計算公式如下：
???
??? 式中，V2至Vx是基波V1的諧波。X限制在奈奎斯特頻率范圍。
3．6 測試記錄功能設計
??? 程序通過對界面上操作者輸入的報表管理信息，形成相應的程序流程。程序可實現對6個模塊的測試報表的打印和保存。程序主要使用File I／O類函數中的Write File函數結合格式控制程序進行報表的生成。程序中首先設置報表的頭尾顯示信息，使用Initialize Report函數初始化成標準報表。使用Append Report Text函數添加打印報表的內容。第1個Append Report Text函數添加報表對應模塊的信息，如測試時間，模塊序號及批號等。第2個Append Report Text函數添加測試者簽名，落款日期及QC簽名等備注信息。報表生成后，使用Print Report函數將格式整理好的報表送至聯機打印機進行打印輸出。使用Append Text Table with diff column widthto Report生成不同列寬表格的報表函數。在For循環結構中，通過層疊型順序框執行報表格式的整理，通過For結構的循環計數器在測試結果數組中提取數據，并進行重排及插入報表相應位置等操作。

4 實現結果
??? 表1為用測試系統測標準模塊的主要參數得到的測試結果。從表1中可以看出，各參數的測試結果準確，且重測一致性較好。本測試系統研制完成后經批量的模塊產品測試檢驗，很好地滿足了某弱信號處理模塊的測試需求，各種測試參數的指標均達到了設計要求，并且使用方便，用戶界面友好，軟件功能更改方便靈活。目前已經應用于某紅外跟蹤產品的批量生產中。

5 結束語
??? 某弱信號處理模塊測試系統通過GPIB接口實現工控機對各種儀器設備的控制，通過數字I／O卡控制繼電器來選擇芯片通道和協調各儀器，實現了模塊所有測試項目的自動測試和記錄。本測試系統已經成功應用于兩種型號的弱信號處理模塊的測試工作，經過批量的產品測試，證明可以顯著提高測試效率和測試準確度，具有顯著的實用價值。