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标题 一种电子设备自动化测试系统的设计与实现
范文 李安源+孙日明+殷杰波


摘 要： 针对某电子设备的维修保障需求，提出一种构建其自动化测试平台的技术方案。该平台采用基于PC/104?Plus标准的工控主模块和可编程逻辑器件，实现自动测试系统与CPCI、ISA 和Multibus 待测板卡通信，软件方面采用基于TestWorks的专家系统实现故障诊断功能。实践证明该平台有效解决了某电子设备的测试诊断问题，具有一定的推广价值。
关键词： 可编程逻辑器件； 自动测试系统； 故障诊断； PCI总线
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）10?0128?03
某电子设备是舰船普遍采用的平台设备，广泛应用于雷达、声纳、导航、通信等系统。随着科学技术的进步和现代战争作战方式的需要，该类电子设备的复杂程度日益提高，导致其维修保障的难度加大。一旦出现故障，现场虽可通过更换备件的方式解决问题，故障板卡却不得不返厂维修或者派技术人员前往现场维修，维修保障周期长，全寿命周期维护费用高。基于此，本文介绍了一种针对该电子设备的测试诊断平台，阐述了设计的基本方法和具体实现过程。实际使用证明，该系统可有效降低对维修人员的技能要求，缩短维修时间，降低维修保障成本。
1 测试需求分析
某电子设备的功能多样，组成也较复杂，根据其组成，大致可分为模块类组件和板卡类组件。其中模块类组件为计算机的输入/输出设备，附带操作按键或者显示屏（或者显示LED），通过RS 232或USB接口与主机通信；板卡类组件为标准的6U结构板卡，通过导轨插入机箱内部，通过CPCI连接器与主机相连。这类板卡一般为主机的外围设备，通过CPCI总线、ISA总线或者Multibus总线与主机通信。根据功能，可分为通信类、数据处理类和图像处理类板卡。通信类板卡主要是通过RS 232/422总线、多路数字I/O等与模块类组件通信；数据处理类板卡主要对外围设备输入的数据进行预处理；图像处理类板卡主要对输入的各类视频信号进行处理，完成综合显示等功能。
依据国家的三级保障维护体制，所设计测试诊断系统应用于电路板或者模块级产品的测试，尽量定位故障到失效的元器件。因此所设计测试系统应当提供如下测试资源或测试能力：
（1） 提供信号处理类板卡的激励信号；
（2） 提供视频信号测试功能；
（3） 可以与PCI、ISA和Multibus总线板卡通信；
（4） 提供RS 232/422串口、多路数字I/O、网络接口等通信接口的测试功能；
（5） 系统应具有一定的软硬件扩展能力，以方便系统升级改造。另外，测试软件应当基于时下流行的Windows操作系统，采用合适的测试策略，能够进行功能测试，并快速准确的定位故障原因。
2 系统硬件平台
根据以上测试需求分析，在综合考虑自动测试系统的功能、性能和成本的前提下，采用PXI、GPIB混合总线构建的自动测试系统平台如图1所示，配置了数字万用表、数字示波器、信号发生器、程控直流电源、测试信号源、A/D和D/A模块、数字I/O模块、矩阵开关模块和串行接口模块等仪器和一个副显示器[1]。其中测试信号源为自研模块，用于向某些信号处理类板卡提供特定的激励信号，副显示器用于某些图像处理类板卡的输出测试。系统还在机柜面板和PXI机箱内部预留了仪器扩展位置，以便于系统的扩展或升级。

图1 硬件平台架构
3 局部总线通信方案
该电子设备中，含有大量板卡类组件，这类组件一般通过PCI、ISA或者Multibus总线与主机通信。由于总线协议复杂，传输速率高，采用一般的仪器实现通信，软硬件开发都很繁琐，因此系统采用了在接口适配器上加入一主控模块和一片CPLD可编程逻辑器件的方法实现。
通信方案如图2所示，接口适配器上的工控主模块采用研华公司的PCM?3362N计算机模块，它是一款高性能的PC/104?Plus单板计算机[2]，集成了PS/2、USB、RS 232、100 M网口等硬件资源。更重要的是，模块附带了符合PC/104?Plus规范的ISA和PCI总线，包含了ISA总线和PCI总线规范2.1版要求的所有信号，因此可直接与ISA总线和PCI总线待测板卡通信，但不能与Multibus总线通信。查阅资料发现Multibus总线和ISA总线有许多相似之处[3?4]。例如有相同的数据宽度、相同的地址空间，读/写操作也都分为存储器读/写和I/O读/写。Multibus总线上的地址和数据信号及系统初始化信号与ISA总线相反，ISA总线为同步传输，Multibus总线为异步传输，两种总线的常用信号如表1所示。

图2 局部总线通信方案
表1 MultiBus与ISA总线
注：信号名加“/”符号表示该信号为低电平有效信号。
基于MultiBus总线与ISA总线有许多相似点，系统采用逻辑编程的方法实现ISA总线与Multibus总线的通信。在工控主模块ISA总线和待测板Multibus总线之间加入CPLD可编程逻辑器件，通过逻辑编程实现总线协议衔接。在逻辑设计时，可根据实际需求对通信协议进行裁剪性设计，而不必实现总线协议转换的所有功能。例如针对项目中的某型板卡，只需对16位I/O通信协议进行转换即可满足需求。具体逻辑关系如下：
always@（IBALE）
if （IBALE）
MSA[15：0]<=～ISA[15：0]；
/*BALE信号锁存输出的地址*/
IOSEL=（ISA[15：4]==12′H3E）&（～IAEN）；
/*选择本板地址范围，没有DMA访问，故AEN为低电平*/
assign MIORC =～（IOSEL & ～IIOR）；
assign MIOWC =～（IOSEL & ～IIOW）；
/*若对本板读/写，输出有效的读/写信号*/
always @ （posedge ICCLK）
MINT <= ～IISARESET；
always @ （posedge （ IOSEL & （～IIOR | ～IIOW）） or negedge MXACK） begin
if （！MXACK）
IORDY<=1′b0；
else
IORDY<=1′b1；
end
assign IIOCHRDY = IOSELWR？ ～ IORDY ： 1′bz；
/*若对本板读/写信号有效，输出忙信号，若MXACK有效，则释放
忙信号，输出高阻态*/
assign IO16 = （～MIORC | ～ MIOWC）；
always @ （IO16） begin
if （IO16 ）
IIO16<=1′b0；
else
IIO16<=1′bz；
end /*输出IO16信号*/
assign ISD[15：0] = MIORC ？ ～MSD[15：0] ： 15′bz；
/*读操作*/
assign MSD[15：0] = MIOWC ？ ～MSD[15：0] ： 15′bz；
/*写操作*/
接口适配器上的工控主模块需要做适当的软件开发，一方面需要与主控计算机通信，接收主控计算机的指令；另一方面，需要根据主控计算机的指令与PCI、ISA或Multibus总线待测板通信，完成对待测板的读/写操作，必要时还要把读/写结果反馈给主控计算机。
完整的通信过程为：自动测试设备内的程控电源给接口适配器供电，待PCM?3362N工控主模块启动后，通过网线接收PXI主控计算机的指令，并根据指令对 PCI、ISA、Multibus总线待测板做读/写操作，控制待测板的工作状态。PXI主控计算机上运行的测试程序再控制测试仪器对待测板卡做各种测试。
4 软件测试平台
软件测试平台采用了基于数据库的TestWorks平台，如图3所示，TestWorks是适用于开发各种测试程序的通用测试软件平台，它分为开发平台和运行平台两部分。开发平台用于开发测试程序，提供测试仪器、测试对象之间连接路径信息，经编译、链接生成可执行的程序。运行平台提供测试程序的运行环境，在用户完成简单的选择后即可按其要求进行测试，自动生成报表。TestWorks的开发平台与运行平台各自独立，互不影响，可根据需要随时在开发平台上添加测试程序或者测试仪器，在运行平台上运行测试程序。TestWorks直观灵活、操作简便的特点，便于系统的扩展或升级改造，降低了对ATS开发人员和操作人员的技术要求。

图3 TestWorks界面
5 测试策略
根据测试需求，整个测试程序包含功能测试和故障诊断两部分。功能测试部分用于待测组件的故障检测，故障诊断部分用于诊断、定位故障区域。功能测试部分采用自动化测试方法，自动调用测试资源进行测试，尽量减少人工的干预，以提高测试速度。故障诊断部分采用基于故障树分析法的故障诊断专家系统[5?6]。其工作原理是把故障诊断知识通过故障树的形式直观的显示出来，然后经过汇总和提炼转化为测试软件平台具体的诊断程序。测试时，系统通过人机交互界面与操作者交流的方式引导操作者逐步进行深入诊断，最终定位故障原因。以某输入设备滚动球不响应故障为例，所构建的故障树如图4所示。

图4 某输入设备故障树
6 结 语
本系统经试验验证，很好地解决了各组件的功能测试问题，各类板卡的故障检测率几乎可达100%。对于大部分组件，基于故障树分析法的故障诊断专家系统可定位故障到芯片级。对于某些功能复杂的图像处理类板卡，由于大量采用BGA封装芯片，且在板卡设计时没有预留测试点，可定位故障到功能区。
该测试诊断系统采用工控主模块和可编程逻辑器件实现了与总线类板卡的通信，提高了系统的测试诊断能力。所采用的自动化测试方法和基于故障树分析法的故障诊断专家系统，可有效缩短故障诊断时间，降低人员技能要求，为复杂电子设备的测试诊断和维修保障提供了一种理想的解决方案。
参考文献
[1] 李行善，左毅，孙杰.自动测试系统集成技术[M].北京：电子工业出版社，2004.
[2] PC/104 Embedded Consortium. PC/104?Plus specification version 1.2 [R]. [S.l.]： PC/104 Embedded Consortium， 2001.
[3] 姚吉文.Multibus总线到ISA总线的接口设计[J].情报指挥控制系统与仿真技术，2001（12）：13?18.
[4] 宋春雷.浅论Multibus总线技术及其应用[J].工业控制计算机，2010，23（8）：34?35.
[5] 杜江.基于测试诊断一体化技术的雷达引导头技术支援系统设计[J].计算机测量与控制，2014，22（3）：775?777.
[6] 魏选平.故障树分析法及其应用[J].计算机科学与技术，2004（3）：12?15.
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更新时间：2025/2/5 20:51:09