王 永，張保全，居文玉，熊曉東，趙志文

（北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天設(shè)備、武器裝備生產(chǎn)與維修保障等領(lǐng)域。對(duì)于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究來說，大多數(shù)第一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為專用系統(tǒng)，它們是專為特定任務(wù)而設(shè)計(jì)的，一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)往往僅能對(duì)應(yīng)一個(gè)被測(cè)對(duì)象。而到了20世紀(jì)70年代中期，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展到了第二代，其特點(diǎn)是組成系統(tǒng)的臺(tái)式設(shè)備都具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，只要采用相應(yīng)的總線電纜連接各臺(tái)設(shè)備就能夠方便地組成系統(tǒng)。如今，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第三代，基于VXI、PXI總線，具有高速、模塊化、開放式結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)[1]。在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，適配器組件的設(shè)計(jì)是極為重要的，它負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離以及分配復(fù)用處理。目前，適配器也由最初的專用型逐步向通行型、可重構(gòu)型過渡。文獻(xiàn)[2]提出了一種新型基于繼電器與矩陣開關(guān)的信號(hào)復(fù)用方式，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自由匹配。然而，對(duì)于大型測(cè)試系統(tǒng)來講，大量使用繼電器以及矩陣開關(guān)所需成本很大，同時(shí)通道資源利用率低。文獻(xiàn)[3]提出一種新的適配器框架，其最多可以連接25個(gè)模塊，互相配合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)組合的測(cè)試，相對(duì)矩陣開關(guān)等設(shè)計(jì)，成本較低。不過，其通用性及可擴(kuò)展性一般。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)出了一種適用于美軍測(cè)試需求的新型可重構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試系統(tǒng)，改進(jìn)了美軍武器測(cè)試裝置的冗余性，提高了效率。

本文以某自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為研究對(duì)象，引入新型多路開關(guān)芯片、雙向信號(hào)隔離器件等，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中復(fù)雜信號(hào)的可重構(gòu)復(fù)用。該測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象具有多個(gè)分系統(tǒng)組合，每個(gè)組合的外部接口對(duì)信號(hào)資源的需求也大不相同，這就要求自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有較強(qiáng)的適應(yīng)性以保證能準(zhǔn)確高效地完成對(duì)被測(cè)對(duì)象各組合的性能測(cè)試。為此，利用PXI總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，Labview虛擬儀器技術(shù)，利用模擬開關(guān)以及繼電器搭建信號(hào)復(fù)用陣列，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于復(fù)雜信號(hào)可重構(gòu)復(fù)用技術(shù)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了硬件資源對(duì)復(fù)雜信號(hào)的重構(gòu)及復(fù)用，具有體積小、速度高、可重構(gòu)、通用性強(qiáng)、成本低等突出特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的功能包括施加激勵(lì)信號(hào)、信號(hào)的采集與處理、數(shù)據(jù)的分析與回放，通過對(duì)設(shè)備中各個(gè)分系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)及檢測(cè)信號(hào)的分析，可將信號(hào)歸納為模擬量輸入輸出信號(hào)、數(shù)字量輸入輸出信號(hào)、多種交直流電源信號(hào)以及特殊信號(hào)等多類復(fù)雜信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了基于PXI總線結(jié)構(gòu)的方式，并擴(kuò)展信號(hào)隔離板、信號(hào)調(diào)理板、復(fù)雜信號(hào)重構(gòu)復(fù)用板，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)各共享接口信號(hào)的快速分配。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括PXI主機(jī)箱、適配器模塊兩大部分。其中，PXI主機(jī)箱包含PXI工控機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集卡、示波器卡及信號(hào)發(fā)生器卡，其目的是產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)送與被測(cè)設(shè)備，同時(shí)完成對(duì)各種響應(yīng)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、分析、顯示等功能。適配器模塊包含電源管理板、信號(hào)隔離板、信號(hào)驅(qū)動(dòng)板以及復(fù)雜信號(hào)重構(gòu)復(fù)用板，其目的是完成被測(cè)對(duì)象和測(cè)試系統(tǒng)之間電氣、機(jī)械連接、向被測(cè)組合提供外部電源、信號(hào)轉(zhuǎn)接及驅(qū)動(dòng)、信號(hào)隔離與調(diào)理、復(fù)雜信號(hào)分類復(fù)用等功能[5]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Diagram of system overall design

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 適配器設(shè)計(jì)

2.1.1 信號(hào)隔離模塊

目前主要的數(shù)字信號(hào)隔離技術(shù)有傳統(tǒng)的光電隔離，ADI公司的磁隔離以及TI公司的二氧化硅電介質(zhì)隔離技術(shù)[6]。為了提供雙向的數(shù)字輸入輸出通道，選取了ADI公司的雙向磁耦A(yù)DuM1250對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離、選擇TI公司的線性光耦I(lǐng)SO124對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離。

2.1.2 信號(hào)調(diào)理模塊

PXI主機(jī)提供的模擬輸入輸出信號(hào)往往在一定的范圍內(nèi)，如±10 V。但是，在實(shí)際測(cè)試中，這個(gè)范圍往往不能適應(yīng)被測(cè)對(duì)象。因此，需要對(duì)相應(yīng)的模擬信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p或放大處理，以滿足測(cè)試要求。為此，選取了ADI公司的AD628芯片來完成對(duì)模擬信號(hào)的放大與衰減功能，實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過調(diào)理后的信號(hào)誤差在0.1%以內(nèi)。

2.1.3 復(fù)雜信號(hào)重構(gòu)復(fù)用模塊

很多被測(cè)對(duì)象的外部接口相同，但接口中各芯線的信號(hào)類型不同。因此，要用最少的資源來實(shí)現(xiàn)對(duì)這樣的對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，就必須設(shè)計(jì)具有可重構(gòu)的信號(hào)復(fù)用功能的模塊。在設(shè)計(jì)中，復(fù)雜信號(hào)經(jīng)過隔離以及調(diào)理后，需要對(duì)其進(jìn)行合理地分配以滿足各個(gè)不同被測(cè)對(duì)象對(duì)測(cè)試資源的需求。其中，對(duì)于弱電流、低電壓信號(hào)，利用模擬多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的復(fù)用功能。而對(duì)于強(qiáng)電流、大電壓信號(hào)，選擇通過繼電器來完成信號(hào)的分配。為此，選用了ADI公司的ADG1404、ADG5404、ADG5412三種模擬開關(guān)器件，其中，ADG1404、ADG5404為4選1多路開關(guān)，有2個(gè) 地 址 端 （A0、A1） 及 1 個(gè) 信 號(hào) 使 能 端 （En）。ADG5412為4路單通道模擬開關(guān)，有4個(gè)使能端分別控制開關(guān)的通斷狀態(tài)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以對(duì)同一被測(cè)對(duì)象采用較少的控制信號(hào)，如使能信號(hào)、通道選擇地址信號(hào)等，這樣，雖然會(huì)使系統(tǒng)的靈活性受到一定的限制，卻可以更有效地優(yōu)化資源利用，如當(dāng)測(cè)試某一對(duì)象時(shí)，僅僅需要控制2個(gè)地址位、1個(gè)使能端信號(hào)的電平狀態(tài)，就可以將被測(cè)對(duì)象所需資源配置到位，完成測(cè)試資源的配置需求，大大提高了系統(tǒng)固有資源的利用效率。相對(duì)于利用矩陣開關(guān)實(shí)現(xiàn)資源信號(hào)復(fù)用的傳統(tǒng)方法，這種方式尤其適合于較大型自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（一般其外部接口資源超過幾百個(gè)的系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)。

復(fù)雜信號(hào)重構(gòu)復(fù)用框圖如圖2所示，對(duì)于本測(cè)試系統(tǒng)來講，因?yàn)檫x用的是4選1式模擬多路開關(guān)，所以一個(gè)模擬開關(guān)與繼電器陣列模塊可滿足對(duì)4種不同被測(cè)對(duì)象的測(cè)試要求，同時(shí)，在系統(tǒng)硬件上還設(shè)計(jì)有公共資源接口，可通過配置新的多路模擬開關(guān)及繼電器模塊以滿足新增被測(cè)對(duì)象的測(cè)試需求，使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可重構(gòu)性及擴(kuò)展性。

2.2 系統(tǒng)自檢模塊設(shè)計(jì)

目前，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)常用的自檢模式是：基于儀器自檢的系統(tǒng)自檢、基于儀器比對(duì)的系統(tǒng)自檢、基于開關(guān)切換的系統(tǒng)自檢[7]。本測(cè)試系統(tǒng)利用模擬多路開關(guān)設(shè)置獨(dú)立的自檢通道，通過軟件控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)每個(gè)信號(hào)通道是否正常的檢測(cè)，具有自檢時(shí)間短、故障定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 復(fù)雜信號(hào)重構(gòu)復(fù)用框圖Fig.2 Diagram of complex signals reconstruction and multiplexing

圖3 自檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Diagram of self-inspection system structure

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的自檢功能原理是將兩個(gè)待檢資源對(duì)應(yīng)的模擬多路開關(guān)端口通過ADG5412開關(guān)相連，所以稱之為“配對(duì)”，如圖3所示。 假設(shè) a，b，c，d，A，B，C，D 均為待檢端口，以 a，A 為例，自檢時(shí)，將使能控制端1及使能控制端2置為有效狀態(tài)，保證ADG5404及ADG5412開關(guān)導(dǎo)通，從“配對(duì)”的一個(gè)端口a輸入信號(hào)經(jīng)過開關(guān)ADG5412后從另一個(gè)端口A端輸出，通過PXI工控機(jī)采集以判斷該通路是否工作正常。如此，即完成了a與A所在信號(hào)通道的檢測(cè)，同理，通過改變ADG5404地址控制端的狀態(tài)，即可完成其它通道的檢測(cè)。在系統(tǒng)自檢完成后，將使能控制端2置為無效狀態(tài)，使ADG5412開關(guān)處于高阻狀態(tài)后，即可進(jìn)行正常的系統(tǒng)測(cè)試。

此外，可根據(jù)系統(tǒng)的外部接口資源分配情況，以及外接被測(cè)對(duì)象的連線情況，通過合理的選擇通道，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象連接線纜正確與否的判斷，從而避免誤接線纜的情況發(fā)生，這個(gè)檢測(cè)過程被稱為線檢。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)試系統(tǒng)軟件使用圖形化編程工具Lab-VIEW編寫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。同時(shí)，LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫形式顯示數(shù)據(jù)及單步執(zhí)行等，便于程序的調(diào)試[8]。根據(jù)系統(tǒng)的總體需求，將測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用軟件劃分成多個(gè)功能模塊，包括線檢測(cè)試模塊、系統(tǒng)自檢模塊、被測(cè)對(duì)象功能測(cè)試模塊、故障診斷及報(bào)表生成模塊。

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示，其中測(cè)試系統(tǒng)故障診斷部分采用專家系統(tǒng)的診斷原理，即當(dāng)計(jì)算機(jī)采集到被診斷對(duì)象的信息后，綜合運(yùn)用各種規(guī)則方法，必要時(shí)也可通過一定的人機(jī)交互，快速地定位故障點(diǎn)或者推斷出可能的故障位置，最終反饋給用戶，以幫助用戶迅速排除故障[9]。與此同時(shí)，生成關(guān)于包含故障位置、故障點(diǎn)信息，可能的故障原因等一系列信息的報(bào)表程序并可打印輸出。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Software process diagram of system

4 測(cè)試結(jié)果

應(yīng)用上述技術(shù)，研制了某大型設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)很好地滿足了某套設(shè)備多個(gè)分系統(tǒng)的測(cè)試需求，各種測(cè)試參數(shù)的指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并且相對(duì)于用戶進(jìn)行手工測(cè)試操作大大節(jié)省了操作時(shí)間，同時(shí)測(cè)試操作的準(zhǔn)確度也大大提高。圖5展示了一個(gè)分系統(tǒng)的測(cè)試界面。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試界面Fig.5 Interface of system testing

5 結(jié)語

本文利用復(fù)雜信號(hào)的可重構(gòu)復(fù)用等技術(shù)，設(shè)計(jì)了先進(jìn)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了某大型設(shè)備各分系統(tǒng)的測(cè)試及故障診斷。該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是將模擬多路開關(guān)器件及繼電器有機(jī)結(jié)合，通過優(yōu)化信號(hào)資源復(fù)用，構(gòu)建復(fù)雜信號(hào)重構(gòu)復(fù)用模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多類復(fù)雜信號(hào)資源在測(cè)試通道上的合理分配，極大地提高了系統(tǒng)資源的使用效率。同時(shí)，設(shè)計(jì)上也較為充分地考慮了系統(tǒng)可擴(kuò)展性。對(duì)于新增被測(cè)對(duì)象，只需通過軟件方式配置相應(yīng)的接口信號(hào)即可滿足測(cè)試需求。相比固定陣列的矩陣開關(guān)，該系統(tǒng)更適用于信號(hào)數(shù)量龐大的中型、大型測(cè)試系統(tǒng)，體現(xiàn)了較高的靈活性及性價(jià)比。此外，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上，利用模擬多路開關(guān)等技術(shù)，使得自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有自檢和線檢等功能。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，還具有故障診斷定位功能，充分體現(xiàn)了先進(jìn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前該設(shè)備已投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、測(cè)試效率高、使用維護(hù)方便。

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