齊建民

(深圳桑達國際電子器件有限公司,廣東 深圳 518057)

電源自動測試系統(tǒng)是由電源供應器(交流或直流)、功率分析儀、電子負載、數(shù)字萬用表、示波器等硬件設備組成,采用計算機控制、能實現(xiàn)自動測試功能的系統(tǒng)。通?；跇藴实目刂茀f(xié)議如GPIB(General Purpose Interface Bus)、RS232(Recommeded Standard)、VXI(VMEbus Extensions For Instrumentation)、PXI(PCIbus Ex tensions For Instrum entation)、TCP/IP等的基礎上組建而成,具有通用性、靈活性、可擴充等特點,越來越成為電子產品和設備不可缺少的檢測手段,其中GPIB儀器總線應用最廣泛,它以IEEE488為標準,是目前大多數(shù)儀器設備廠商普遍支持和采用的接口協(xié)議,現(xiàn)在已發(fā)展為IEEE488.2標準?？刂栖浖墒褂萌魏尉幊陶Z言如 LabVIEW、LabWindow s/CVI、VB、Vc、C++等實現(xiàn)電腦對儀器的控制完成自動測試的功能。其中LabVIEW是一種圖形化編程的G語言,它以操作簡單、功能強大、開發(fā)周期短等優(yōu)點正在逐步被電源自動測試系統(tǒng)所廣泛采用。

1 GPIB及虛擬儀器技術簡介

GPIB又稱IEEE488或 HP-IB,最早由 HP(惠普)公司提出。1965年,惠普公司為了將可編程的儀器與計算機相連,以便對儀器進行遠程控制而設計出了HP-IB接口總線。由于HP-IB的易用性及高速的數(shù)據傳輸率(大約1 MB/s),迅速獲得了廣泛應用。1975年,IEEE采納 HP-IB技術并形成IEEE488國際標準,提出了GPIB(General-Purpose Interface Bus)的名稱。1987年,IEEE488標準被發(fā)展為IEEE488.1。IEEE488.1標準清晰地定義了GPIB的機械、硬件和電氣協(xié)議,從而極大地方便了可編程儀器的互連。這樣,來自不同廠商的儀器首次通過1根標準的GPIB電纜連接在一起。然而,IEEE488.1標準沒有規(guī)定數(shù)據格式、消息交換協(xié)議等,這就導致各廠商在這些方面的不統(tǒng)一,而測控系統(tǒng)的開發(fā)者則時時面臨著整合的困難。IEEE488.2標準正是針對這些局限和不足提出的。IEEE 488.2標準從GPIB控制器和GPIB儀器兩方面進行了規(guī)范,規(guī)定了數(shù)據格式、狀態(tài)報告機制、消息交換協(xié)議、錯誤處理機制、通用配置命令及儀器特殊命令?？梢哉f,由于IEEE488.2標準的提出,GPIB系統(tǒng)在軟件和協(xié)議方面更趨于兼容與可靠。1990年,多家儀器制造商聯(lián)合提出可程控儀器標準命令SCPI(Standard Commands for Programmable Instrum ents)標準。這個標準構建在IEEE488.2標準定義的儀器特殊命令結構之上,并致力于定義一整套通用的儀器特殊命令集。現(xiàn)在,市面上很多GPIB儀器都與SCPI標準兼容,大大方便了系統(tǒng)的軟件編程。不過采用GPIB架設系統(tǒng)時,需注意GPIB限制要求。

1)任意兩個設備間的最大距離為4 m,同時整個總線上所連的設備間平均距離不超過2m;

2)線纜總長度最大值20 m;

3)每條總線最多可連接14臺設備(除電腦外);

4)連接方式可以采用串聯(lián)方式,也可以采用星型連接方式或兩者的組合連接方式。

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件,結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。虛擬儀器的圖形化數(shù)據流語言和程序框圖能自然地顯示數(shù)據流,同時框圖化的用戶界面直觀地顯示數(shù)據,能夠輕松地查看、修改數(shù)據或控制輸入。同其他技術相比,虛擬儀器技術具有四大優(yōu)勢:性能高、擴展性強、開發(fā)周期短、無縫集成。

圖1 電源自動測試系統(tǒng)

2 硬件構成

目前,一般電源測試儀器上都標配有GPIB接口,利用GPIB線可以把它們與計算機連接起來,組成一個電源自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但提高了儀器的使用效率,而且具有強大的數(shù)據采集、信號調理、數(shù)據處理能力,并能用軟件來取代硬件甚至完成硬件無法實現(xiàn)的功能。通常來說,一個完整的電源自動測試系統(tǒng)由計算機、可編程電源(交流或直流)、功率分析儀、電子負載、數(shù)字萬用表、數(shù)字示波器、其它輔助設備等部分組成,如圖1所示。

可編程電源是用于給待測產品提供電能的設備,常見的品牌有 Agilent、Chroma、Kikusui、Sorensen、Xantrex等,一般提供電壓范圍交流90～264 V,直流電壓 36～72 V,交流頻率47～63 Hz。目前大多可編程電源同時具備一些量測功能,如輸入電壓、電流、功率、頻率(交流)、功率因數(shù)(交流)等,在精度要求不太高的情況下,上述參數(shù)可直接從可編程電源讀出。

功率分析儀是用來精密量測待測品輸入參數(shù)的,如輸入電壓、電流、功率、頻率(交流)、功率因數(shù)(交流)、電壓失真(交流)、電流諧波(交流)等,常見的品牌有 Voltech 、Chroma、Agilent、Fluke等 。

電子負載是用來模擬用電器為待測品提供負載的,一般有CC、CV 、CR、CP 4種模式,可量測參數(shù)有輸出電流、電壓和功率,同時具有短路保護測試功能。常見的品 牌有 Chrom a、Agilent、Kikusui、Prodigit等。

數(shù)字示波器主要用來量測輸出特性參數(shù)的,如紋波、噪聲、電壓過沖、開機時序、關機時序、上升時間、下降時間、動態(tài)恢復時間等,再加上電流探頭和電流放大器等附件,還可測輸入端的浪涌電流,輸出端的短路電流等。另外,數(shù)字示波器還可以把抓到的特定波形通過GPIB存到電腦中以備查用。常用的示波器品牌有 Tektronix、Agilent、Lecroy、Yokogawa等。

數(shù)據采集表(或臺式萬用表)是用來精密量測輸出參數(shù)的,如電壓有效值、最大最小值、再加上外置分流器(據量測要求選用合適規(guī)格)還可以對輸出電流進行精密量測。常用的品牌有Agilent、Fluke、Keithley等。

3 軟件構成

本系統(tǒng)軟件是基于虛擬儀器LabVIEW平臺開發(fā)的,LabVIEW是美國國家儀器公司(NATIONAL INSTRUMENTS,NI)的創(chuàng)新軟件產品,也是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。是面向對象的一種編程軟件,其編寫的程序稱為虛擬儀器VI(Virtual Instrument),以.VI后綴。它為測試系統(tǒng)開發(fā)人員提供了一種全新的編程方法,即用直觀的前面板與流程圖相結合的編程方法來構建測試系統(tǒng)。

3.1 功能模塊

本系統(tǒng)的軟件按功能可分為以下4個模塊:儀器控制、參數(shù)量測、數(shù)據處理、記錄保存,如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊

儀器控制是指控制儀器達到不同測試項目要求的條件,使待測電源產品工作在特定的使用環(huán)境下。它包括儀器初始化、具體使用條件設定、測量條件設定等。如設定電源供應器的輸出電壓、限流點等;設定電子負載的負載類型、負載大小、電流爬升率、電壓范圍、量測類型等;設定示波器的信號類型、時間基準、垂直刻度、觸發(fā)模式、量測參數(shù)等。正確的儀器控制是實現(xiàn)不同的測試條件,量測正確的功能參數(shù)的前提,也是整個測試系統(tǒng)能自動運行的基礎。

參數(shù)量測是指按測試項目要求的條件從已設置好的儀器中讀回特定參數(shù)的值。如從功率分析儀讀回輸入功率、功率因數(shù);從電子負載讀回輸出電流值;從數(shù)據采集表讀回輸出電壓、電流;從示波器讀回輸出紋波、上升時間等;它是軟件系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié),是測試系統(tǒng)的核心任務。

數(shù)據處理是指對軟件系統(tǒng)運行中間所產生的數(shù)據,包括設定儀器的參數(shù)、測試項目的上下限、程序運行的中間變量、從儀器讀回的量測值等,按照不同測試項目的要求進行轉換、計算、分析、判斷并把結果輸出到電腦屏幕且按照一定要求保存為統(tǒng)一格式的過程。這個環(huán)節(jié)是測試任務的最終目的,待測產品在單個測試項目上是通過還是失效就是在本環(huán)節(jié)分析判斷出來,并把結果顯示在電腦屏幕上,提醒操作者進行下一步的指定作業(yè)。

記錄保存是指把經過數(shù)據處理的測試結果及其它必要信息按照指定的文件格式保存下來以備查用。記錄保存的格式有很多種,比如Excel、TXT、DBF、XM L等。測試記錄對測試數(shù)據分析、制做CPK、對產品的鑒別與追溯等都非常重要,是產品品質記錄的必要組成部分。

3.2 程序流程

主程序采取順序加條件結構,流程如圖3所示。

圖3 程序流程

3.3 測試系統(tǒng)功能

電源自動測試系統(tǒng)的測試功能主要有:①輸入電流、功率、功率因數(shù)、浪涌電流、電流諧波、電壓失真測試;②輸入掉電循環(huán)測試;③輸出電壓測試;④輸出電流測試;⑤輸出負載調整率測試;⑥輸出過載、短路保護測試;⑦輸出動態(tài)負載測試;⑧輸出電壓調整率測試;⑨輸出過壓保護測試;⑩輸出過功率保護測試;○11效率測試;○12紋波、噪聲測試;○13時序測試;○14遙控開關機測試。

3.4 用戶操作界面

利用LabVIEW軟件設計的軟件主程序包括:測試主界面(見圖4)和程序框圖(見圖5)。用戶在進入測試界面后,輸入產品相關信息,如產品序列號。程序將自動開始測試,在測試完成后,按產品序列號自動存儲測試數(shù)據到記錄文件中。

3.5 測試記錄

測試數(shù)據和結果在測試結束后將被寫入測試記錄中,在測試記錄通過套入公式還可以計算出Cp、Ca、Sigma、CPK,如圖 6 所示 。

圖6 測試記錄

4 系統(tǒng)特點

綜合以上論述,本自動測試系統(tǒng)有以下特點:

1)開放式系統(tǒng)體系結構。支持測試流程配置開發(fā),支持新測試項目開發(fā),支持儀器驅動的二次開發(fā),滿足不同機種的測試要求。

2)儀器易置換。支持市面上大部分型號的儀器,更換儀器只需更新儀器驅動包,簡單便捷。

3)支持現(xiàn)場調試。有單步運行Debug功能,可對不同儀器及協(xié)議進行現(xiàn)場調試。

4)全自動測試過程。整個測試過程自動完成,全面現(xiàn)場信息管理,多種測試方式選擇,紅色測試結果顯示,聲音報警。

5)測試時間大大縮短。與手動人工測試相比,節(jié)約測試時間50%以上。

6)生成測試記錄并保存。便于統(tǒng)計分析SPEC,產品信息可追溯。

7)新機種測試程序開發(fā)周期短?；趫D形化的編程環(huán)境,開發(fā)調試相對腳本編程簡單易行,一般來說一個新機種程序只需1～2周時間。

8)節(jié)省成本。自行開發(fā)測試系統(tǒng)的成本一般是市面上具同等功能的電源自動測試系統(tǒng)的30%以下。

9)維護方便。由于是自行開發(fā),故障排除及日常維護變得非常方便。

5 結束語

虛擬儀器是今后儀器儀表、測量控制研究與發(fā)展的方向,用LabV IEW作為軟件開發(fā)平臺,比常用的面向對象軟件編程難度大大降低,使得軟件開發(fā)效率高,界面友好,功能強大,且擴展性好,憑借虛擬儀器技術構建的電源自動測試系統(tǒng),同類儀器可簡單互換,提高了硬件資源的利用率,最大限度地兼容不同產品的測試需求,同時降低了測試程序開發(fā)周期,提高了測試效率,降低了人工測試風險。操作簡單易學,易于掌握,測試結果簡單明了,兼有測試失效時顏色和聲音報警功能,并且測試結果可保存為文件化記錄,便于統(tǒng)計分析SPEC資料及追溯產品質記錄?；谔摂M儀器技術的自動測試系統(tǒng)是一種觀念和技術上的創(chuàng)新,將逐漸成為電源產品測試方式的主要發(fā)展方向。

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