《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PXI和LabVIEW的FCT(Functional Circuit Test)測(cè)試系統(tǒng)
Wei Wang
摘要: 使用NI公司的PXI控制硬件平臺(tái)結(jié)合NI的圖形化編程軟件LabVIEW快速并成功的開(kāi)發(fā)構(gòu)建出一個(gè)經(jīng)濟(jì)、靈活的PCB板功能測(cè)試系統(tǒng)(FCT測(cè)試系統(tǒng))。該系統(tǒng)采用的PXI 控制板卡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻、視頻以及各種靜態(tài)參數(shù)(電壓、電流、頻率)的綜合性全自動(dòng)測(cè)試,并且通過(guò)LabVIEW軟件編程可以實(shí)現(xiàn)兼容GPIB,I2C,Modbus,TCT/IP等多種協(xié)議,通過(guò)VISA模塊庫(kù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串口隨意方式的數(shù)據(jù)處理,和數(shù)據(jù)交互顯示。
Abstract:
Key words :

介紹

    現(xiàn)代化電子工廠車(chē)間批量生產(chǎn)的PCB電路板,除了要進(jìn)行ICT測(cè)試外,還要做最終打包出廠前的功能測(cè)試FCT(Functional Circuit Test)。利用NI公司的PXI 控制板卡和LabVIEW軟件構(gòu)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(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種不同的PCB電路板的FCT功能測(cè)試。通過(guò)該平臺(tái)無(wú)需頻繁更換測(cè)試硬件,新產(chǎn)品加入時(shí),只需更換一個(gè)ATE測(cè)試夾具,按照PXI板卡的硬件資源分配,對(duì)測(cè)試夾具的插針進(jìn)行連線到其界面接口,最后修改相應(yīng)的測(cè)試軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB板的全自動(dòng)測(cè)試。

該系統(tǒng)綜合了音頻,視頻的自動(dòng)測(cè)試,包含了GPIB,RS232,RS485, Ethernet等多種接口和通訊方式,測(cè)試

方法簡(jiǎn)單,操作工人測(cè)試時(shí)只需要將

測(cè)試夾具壓下、觀察上位機(jī)軟件畫(huà)面提示,測(cè)試完成后抬起測(cè)試把柄即可實(shí)現(xiàn)全功能測(cè)試,測(cè)試效率大幅提高。

1.  FCT功能測(cè)試現(xiàn)狀

    現(xiàn)代化電子工廠車(chē)間批量生產(chǎn)的PCB電路板,通常要進(jìn)行ICT和FCT的測(cè)試。

ICT:IN Circuit test,ICT通常是生產(chǎn)中第一道測(cè)試工序,主要運(yùn)用ICT測(cè)試設(shè)備在線檢查單個(gè)元器件以及各電路網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)、短路情況。

現(xiàn)在大多數(shù)的PCB板都會(huì)下載相應(yīng)的Firmware來(lái)對(duì)板卡進(jìn)行程序控制,通過(guò)ICT的PCB板雖然能夠準(zhǔn)確定位電子元器件的優(yōu)劣,卻無(wú)法對(duì)整個(gè)電路板的功能好壞作出判斷。這就需要測(cè)試工程師搭建一個(gè)適合PCB板的模擬電路環(huán)境,對(duì)電路板的TP(TestPoint)點(diǎn)進(jìn)行FCT功能測(cè)試。

FCT:Functional Circuit test,主要是模擬成品的功能,運(yùn)用測(cè)試治具測(cè)試產(chǎn)品的功能是否實(shí)現(xiàn)的測(cè)試系統(tǒng)。

現(xiàn)有的工廠產(chǎn)線對(duì)PCB的FCT功能測(cè)試,大多實(shí)現(xiàn)的是一對(duì)一的方式,即一種PCB對(duì)應(yīng)一個(gè)FCT功能測(cè)試臺(tái)。

該種測(cè)試臺(tái)由測(cè)試工程師自己設(shè)計(jì)控制電路底板,連接I/O口到測(cè)試治具的針盤(pán),然后編寫(xiě)底板Firmware模擬成品運(yùn)行環(huán)境,實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)PCB板電壓、電流檢測(cè)、以及相應(yīng)時(shí)序控制。一對(duì)一的方式雖然對(duì)測(cè)試工人是一種方便,但同時(shí)也意味著資源浪費(fèi),在該類產(chǎn)品出廠后,該FCT測(cè)試臺(tái)也往往被束之高閣了。對(duì)測(cè)試工程師不斷的制版,編程,接線等等重復(fù)勞動(dòng)也是一個(gè)不小的工作壓力。

2.  PXI測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)想

    隨著產(chǎn)品種類越來(lái)越多,測(cè)試功能越來(lái)越復(fù)雜PCB板來(lái)說(shuō),普通的FCT功能測(cè)試臺(tái)已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)一些特殊的功能測(cè)試,例如:音頻,視頻等功能測(cè)試。能不能構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)試平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)大部分的FCT功能測(cè)試呢?首先我們?cè)O(shè)想的測(cè)試平臺(tái)必須具有如下測(cè)試功能:

 

  1. 多路雙向高速I(mǎi)/O可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試治具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí),能夠模擬I2C等協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB板的多數(shù)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(hào)作為PCB板的的輸入信號(hào)。
  3. 多通道可控制繼電器陣列,方便實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)通斷控制。
  4. RS232, RS485串口卡,實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)一編程的軟件。

    針對(duì)如此多的功能實(shí)現(xiàn),倘若都采用儀器設(shè)備,單從費(fèi)用上來(lái)說(shuō)構(gòu)建這樣一個(gè)復(fù)雜的FCT測(cè)試系統(tǒng)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(cè)試測(cè)量業(yè)內(nèi)的專家,為我們提供了很好的技術(shù)服務(wù),經(jīng)過(guò)仔細(xì)的需求分析,幫我們推薦了上面的產(chǎn)品清單,我們僅花費(fèi)了最初一半費(fèi)用就最終實(shí)現(xiàn)了我們的系統(tǒng)構(gòu)想。

3.        系統(tǒng)構(gòu)架組成

以往一個(gè)簡(jiǎn)單的FCT功能測(cè)試臺(tái),測(cè)試治具是必須的,然后根據(jù)PCB板的不同功能需求,設(shè)計(jì)制作各種功能的電路底板,然后接線到針盤(pán)底座,最后對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編寫(xiě)Firmware軟件。大多通過(guò)液晶屏顯示測(cè)試結(jié)果,復(fù)雜一些的還需要通過(guò)串口與上位機(jī)編寫(xiě)的PC軟件進(jìn)行通信控制,以實(shí)現(xiàn)各種測(cè)試功能。

基于PXI的FCT功能測(cè)試臺(tái)讓測(cè)試工程師從頻繁的設(shè)計(jì)制作各種電路板,無(wú)休止的編寫(xiě)Firmware軟件,不斷的連接布線中解脫出來(lái)。

該FCT功能測(cè)試平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)架主要有如下優(yōu)勢(shì):

1)       統(tǒng)一的硬件資源分配。

    將各種型號(hào)的PXI板卡插入PXI-1045 18槽3U機(jī)箱后,按照各種

板卡的接口地址,進(jìn)行統(tǒng)一資源分配。通過(guò)SCSI接口電纜將端口線引出到我們稱之為“Interface Receiver”的機(jī)架側(cè)面上。

2) 統(tǒng)一的測(cè)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(tǒng)一尺寸的測(cè)試治具底座接口,從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了將待測(cè)PCB板的TP(TestPoint)的信號(hào)引入到PXI板信號(hào)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(xiàn)了對(duì)各種待測(cè)PCB板一定范圍內(nèi)任意電壓,電流的穩(wěn)定供給。

4) 統(tǒng)一的上位機(jī)軟件控制界面。

利用LabVIEW8.2.1的圖形化編程軟件,規(guī)范統(tǒng)一了上位機(jī)軟件編程界面,對(duì)各個(gè)板卡的操作實(shí)現(xiàn)了模塊化編程,大大提高了編程效率。

5) 合理的機(jī)柜布局。

   因?yàn)槭且粋€(gè)綜合的FCT測(cè)試系統(tǒng),必然要對(duì)設(shè)備有個(gè)合理的布局,我們采用了2m×1.2m×1.4m的機(jī)柜,分5層布局,由下往上依次設(shè)備是可編程電源,PXI設(shè)備,測(cè)試夾具, PC機(jī),視頻監(jiān)視器,PC顯示器。這樣的一個(gè)機(jī)架緊湊而合理。

最終我們構(gòu)建的測(cè)試架如圖1所示。

4.        PXI測(cè)試硬件構(gòu)成分析

1)     PXI-6533, PXI-6070E的選擇

    PXI-6533 擁有32條數(shù)字I/O線 (5V TTL/CMOS),速度高達(dá)13.3 MB/s其中的任意兩個(gè)I/O完全可以模擬一個(gè)I2C總線協(xié)議。數(shù)量上也足夠滿足我們對(duì)PCB板I/O控制的需要。對(duì)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(hào)源使用。

 

圖一

 

2)  PXI-4070, PXI-5122, GW-3202   GPIB接口可編程電源

待測(cè)PCB板屬于弱電,PXI-4070

可測(cè)量高達(dá)±300 VDC的電壓和±1 ADC的電流充分滿足測(cè)試需求。另外對(duì)GW-3202通過(guò)GPIB接口軟件編程控制可以提供給測(cè)試夾具底板穩(wěn)定可靠的電壓電流,短路過(guò)電流時(shí)候還提供短路保護(hù),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(duì)于實(shí)現(xiàn)圖形分析,頻率測(cè)試,非常方便。

3) 視頻信號(hào)的測(cè)試分析。

   視頻檢測(cè)包括對(duì)視頻鏡頭采集清晰度的檢測(cè)和視頻芯片編解碼算法的檢測(cè)。PXI-1411具有單路彩色模擬輸入通道,結(jié)合NI Vision

   Acquisition 8.5.1軟件可以將光學(xué)鏡頭采集的視頻信號(hào)傳輸?shù)杰浖M(jìn)行分析處理。

PXI-5431高精度模擬視頻信號(hào)發(fā)生器,可以模擬視頻信號(hào)源輸出到待測(cè)PCB板的視頻編解碼芯片,在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字視頻傳輸畫(huà)面到計(jì)算機(jī),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻編解碼芯片的測(cè)試。一個(gè)簡(jiǎn)單的視頻信號(hào)測(cè)試原理如圖2所示

4)  音頻信號(hào)的測(cè)試分析。

    安防類電子產(chǎn)品中,音頻信號(hào)的測(cè)試是必須的。很多的產(chǎn)品音頻要求必須達(dá)到一定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。為了測(cè)試音頻,通常需要花大價(jià)錢(qián)購(gòu)買(mǎi)一套音頻分析儀,實(shí)現(xiàn)對(duì)THD(諧波失真率),S/N信噪比等精確測(cè)量。

PXI-4461就是一款完全可以替代音頻分析儀的數(shù)據(jù)采集卡,結(jié)合NI的軟件模塊,可以非常方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的采集分析。

另外,對(duì)于簡(jiǎn)單的音頻信號(hào)測(cè)試,可以通過(guò)PXI-6070E模擬一個(gè)正弦信號(hào)作為的待測(cè)PCB板的音頻信號(hào)輸入源,通過(guò)PXI-5122讀取音頻信號(hào)輸出端頻率,幅值的方法實(shí)現(xiàn)FCT功能檢測(cè)。

5 ) 其他PXI板卡的使用

對(duì)于任何測(cè)試測(cè)量系統(tǒng),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(dú)立的單刀單擲非鎖存繼電器可以方便的實(shí)現(xiàn)線路的控制。PXI-2503低壓多路復(fù)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(kuò)充了計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高速通信。

PCI-GPIB 卡 實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPIB接口設(shè)備的通信控制。

構(gòu)建完成的PXI設(shè)備前面板如圖3。

 

圖2  視頻檢測(cè)原理圖

圖3  PXI測(cè)試設(shè)備

5.        系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

有了穩(wěn)定可靠的硬件,必須結(jié)合方便易用的開(kāi)發(fā)軟件才能真正的發(fā)揮系統(tǒng)的“十分”效能。NI公司的LabVIEW圖形化編程軟件使得我們的系統(tǒng)如虎添翼,真正發(fā)揮了出了PXI應(yīng)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(shù)顯示窗口,視頻測(cè)試窗口,音頻測(cè)試窗口,合格率計(jì)算窗口,信息提示窗口五部分構(gòu)成。前面板測(cè)試界面如圖4所示。

1) 靜態(tài)參數(shù)顯示窗口。

主要對(duì)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(xiàn)主要通過(guò)對(duì)DAQmx模塊的調(diào)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(xiàn)。參數(shù)測(cè)試完成,會(huì)將測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)文件中,供操作員查看或生成報(bào)表。

2) 視頻測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)PCB板的Audio In輸入端,通過(guò)PXI-5122示波器卡對(duì)Audio Out的輸出波形進(jìn)行檢測(cè),對(duì)照輸入端頻率幅值進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)測(cè)量音頻信號(hào)。4) 合格率計(jì)算框

   該框中對(duì)所有測(cè)試的PCB板數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),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(jì)算。該框中還包含了一個(gè)產(chǎn)品序列號(hào)的輸入框,操作員通過(guò)條形碼掃描槍將產(chǎn)品序列號(hào)掃入,即可作為該產(chǎn)品的唯一識(shí)別標(biāo)識(shí)登記到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

5) 信息提示窗口

   該窗口用于實(shí)時(shí)測(cè)試步驟的信息提示,提示操作員當(dāng)前操作步驟,當(dāng)測(cè)試出錯(cuò)時(shí)會(huì)紅色字體顯示出錯(cuò)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。

    整個(gè)軟件程序框架采用了事件+狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu),狀態(tài)機(jī)是LabVIEW程序中最常用的設(shè)計(jì)模式之一,它由一個(gè)主循環(huán)和一個(gè)Case結(jié)構(gòu)組成,利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn),在編程中我們利用了Typedef來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)枚舉值,構(gòu)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(jī)的Idle狀態(tài)中加入事件結(jié)構(gòu),當(dāng)每次狀態(tài)完成,跳轉(zhuǎn)到Idle狀態(tài)都會(huì)實(shí)時(shí)響應(yīng)操作員的界面操作,程序框圖如圖6所示。

 

圖4  軟件控制界面說(shuō)明

圖5  軟件控制主界面

圖 6  主程序框圖

結(jié)論

通過(guò)NI公司先進(jìn)的PXI技術(shù),能夠準(zhǔn)確而快速地對(duì)硬件進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集;同時(shí)PXI驅(qū)動(dòng)庫(kù)DAQmx與LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的無(wú)縫連接,利用PXI構(gòu)建的FCT功能測(cè)試臺(tái), 雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜,信號(hào)量較多,但是結(jié)構(gòu)調(diào)理,功能強(qiáng)大,易于修改,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了資源共享,經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),測(cè)試,我們非常成功的運(yùn)用多臺(tái)這樣的FCT功能測(cè)試臺(tái)到了工廠的產(chǎn)線中,并且穩(wěn)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(jù)資源分配表壓針,連線,修改軟件即可;大大減少了測(cè)試工程師的工作負(fù)荷。相信NI的產(chǎn)品在該行業(yè)會(huì)有更加深入的應(yīng)用。

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