| 标题 | 基于PXI机载计算机ATE设备的设计与实现 |
| 范文 | 曹兴冈+韩晨 摘 要： 随着测试设备对高性能、高性价比要求的不断提高，先进的PXI测试技术平台应运而生，将其应用于机载计算机ATE设备软、硬系统结构设计，模拟、离散及数字通信接口设计以及测试设备自身计量校准设计等，将为PXI测试平台应用于测试设备提供实践平台，并为机载计算机设备及类似测试设备提供优良的系统设计方案，其采用模块化、标准化思想，通用性和推广性极强。 关键词： PXI平台； 测试设备设计； 接口设计； 计量校准 中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0123?04 Design and Realization of airborne computer ATE equipment based on PXI platform CAO Xing?gang， HAN Chen （Aeronautics Computing Technique Institute， Xian 710068， China） Abstract： With increasing improvement of performance and performance?price ratio requirements for test equipment， the advanced PXI testing platform has emerged. When this method is applied to the design of airborne computer test equipment， including software and hardware system design， analog， discrete and digital communication interface design， automatic measurement and calibration design， It provides an implementation platform for the PXI testing platform used in test equipment. And also a favorable system design is provides for airborne computer testing equipments and similar equipments. It has high generality and expansibility because it has used the ideas of modularization and standardization. Keywords： PXI； testing equipment design； interface design； metrology and calibration 0 引 言 在20世纪90年代后期，测试及测量工程师一般只有两种测试专用平台可以选择，即VXI和GPIB。VXI平台价格昂贵、使用复杂，无法利用主流计算机的技术实现更高性能。GPIB具有更强的功能和较高的性价比，但在对同步、高速测试要求高的测试设备中难以集成。1997年，NI推出PXI平台——专为测试任务而优化的CompactPCI。首先，从PXI本身的技术优势来讲，它集定时与触发、更高带宽及更优的性价比于一身，从而成为测试平台首选。其次，PXI还提供了一种清晰的混合解决方案，即PXI能很轻松地将硬件和软件，包括上一代VXI、GPIB及串口设备与PXI新产品、USB及以太网设备集成在一起[1]。 机载计算机（UUT）涉及多种类、多数量的被测信号接口，主要包括模拟、离散、数字通信等信号接口，基于PXI主流测试平台综合优势，机载计算机测试平台优先选用PXI平台。 本文重点介绍基于PXI平台机载计算机ATE设备，主要包括系统结构、接口设计、软件结构及计量校准等。 1 系统结构 机载计算机ATE设备分成两个部分：PXI机箱部分和外接的接口适配器部分。PXI机箱、主控计算机和显示器集成在一个机柜中，包含UUT所有被测接口的激励源输出和信号采集输入等资源，该资源通过高密度电缆引到接口适配器上，由适配器负责信号的调理和分配；接口适配器实现PXI机箱的测试资源到机载计算机的连接[2]。 硬件系统上采用分层结构设计，分别是PXI总线设备层及功能板卡层、转接控制接口层以及信号调理适配层。系统结构示意图如图1所示。 2 接口设计 重点对机载计算机中应用广泛的模拟、离散、数字通讯等接口进行详细介绍。 图1 系统结构示意图 2.1 模拟接口设计 0～36 V直流模拟量测试采用程控电源提供激励；400 Hz/115 V交流模拟量测试采用程控电源提供激励；电流模拟量测试采用cPCI?6208提供激励，通过继电器切换为UUT提供直流、交流测试输入信号。模拟接口硬件设计如图2所示。 图2 模拟接口硬件设计示意图 2.2 离散接口设计 地/开离散量输入测试采用继电器板卡实现；晶体管地/开输入测试由晶体管开关量输出卡外接晶体管实现，程控电源提供晶体管上拉电压，为UUT提供晶体管地/开信号。离散接口设计示意图如图3所示。 2.3 数字通信接口设计 RS 422串行通信模块和RS 423并行总线的测试选用4路RS 422卡，通过复用方式分配给UUT。信号分配422/423总线切换矩阵对UUT进行测试。使用双通道示波器测量和观察通信过程中的信号波形和参数。测试端分别改变波特率参数、数据位长度、奇偶校验方式等与UUT通信，然后恢复到正常模式，再次测试通信是否正常。RS 422和RS 423测试方法和流程如图4所示。 图3 离散接口硬件设计示意图 图4 RS 422和RS 423测试设计示意图 3 选用的PXI平台主要硬件配置及优良特性 基于PXI平台机载计算机ATE设备主要硬件配置及优良特性：PXI机箱选择PXIS?2719型机箱；采用标准化设计，支持PXI2.2版标准；19寸标准机箱，支持1个系统插槽，8个PXI外设插槽，留有备份插槽，易于扩展；强制风冷设计，散热效果优。 选择PXI主控制器PXI?3959型产品，采用Intel 酷睿2 双核 T7500 CPU；支持4 GB 667 MHz DDR2存储器；集成160GB/7200RPM SATA硬盘；双Gigabit网口；4个USB接口；2个RS 232串口；集成GPIB控制器，相当模块化主控机，且处理速度快，配置标准接口。 选择小电压模拟量激励板卡cPCI?6216，具有16 b分辨率，16个通道。电流量激励板卡选择cPCI?6208A，具有15 b分辨率，有较高的采样精度；机械地开型信号的激励选择PXI?7921，采用PICMG 2.0标准，24通道单刀双掷继电器，集成继电器驱动电路。以上模拟、离散信号模块若通道不足，采用如上继电器矩阵板卡切换，进行分时测量。 选择RS 422总线通信板卡cPCI?3544，采用PCI 2.1标准，自动分配IRQ和I/O地址；4个通信接口；硬件选择422模式和485模式；各个通道间隔离；波特率支持到115 200 b/s，配置灵活，特性优良。PXI机箱、各功能板卡及程控电源也可根据机载计算机测试指标要求选择其他型号产品，满足机载计算机测试需求。 4 计量接口的设计 系统设计充分考虑了计量接口的预留和回绕自检的设计。计量接口主要有以下两个方面： （1） 系统中通过GPIB接口控制的标准仪器的信号接口； （2） PXI机箱内的数字I/O资源和模拟I/O资源。 这两类接口在设计适配器时考虑布置在适配器的后面板上，使用安装孔直径为6 mm的小型测试孔。这些引出的信号测量点，可以使用高等级的标准仪器对ATE设备输出的信号进行计量和校准；对于ATE设备的信号采集资源，可以外加高等级的激励源，由设备采集标准信号，然后将设备采集的值与标准值进行比对，从而实现设备校准。对于大回路自检，主要采用内、外“回绕的方式”[3]进行。 5 软件设计 5.1 软件功能 对于部件的I/O特性的判定过程，首先通过多功能PXI模块产生相关的激励信号（多为正弦或方波信号），经过适当的调理、隔离后加给待测部件UUT，同时采集待测部件UUT上的输出信号（可能是一路或多路，数字信号或模拟信号），然后对采集到的信号进行处理分析，从而得出该部件的工作状态以及可能存在的故障。 5.2 软件组成 LabVIEW是NI公司推出的基于G语言（Graphical Programming Language）的图形化开发平台，支持多种工业标准总线[4]。 测试系统以LabVIEW 8.5组态软件包和Microsoft SQL Server为基础，在Windows环境下设计开发一套基于PXI总线的机载计算机ATE设备软件平台。其软件结构如图5所示，包含硬件自检、校准、测试参数阈值设置、通道配置、信号采集、信号输出、数据分析、数据同步存储、数据传输、故障诊断等一系列功能，可实现对电压、电流等信号的采集、处理与诊断，为相关人员提供参考。 5.3 软件工作流程及界面 软件简要工作流程如图6所示。依据测试任务的不同，各个软件模块的内部有各自的工作方式与流程，在此不一一举例。 图5 软件结构组成 采用可视图形化界面管理测试的全部过程，测试界面主要包括：初始化界面，手动测试界面，自动测试界面和自测试界面（用于系统校准、计量、检定的用）。 图6 测试流程示意图 数据采集显示模块采用单一主控界面实现，通过主控界面菜单和按键的选择完成各项功能，不同的功能通过不同的自流成实现，核心程序如图7所示。 6 自测试 6.1 ATE自测试设计 在自检状态需断开与机载计算机连接的所有测试电缆，并将测试电缆连接到自检插座。 由于UUT接口较多，内回绕自测试不可能覆盖整个测试系统，以免增加测试系统设计复杂度和降低设备整体可靠性，ATE设备内回绕自测试只涉及到模拟量AI、串行通信、程控设备和仿真测试平台供电系统。 图7 核心程序 ATE设备设计了完备的外回绕自检测，功能覆盖所有I/O接口，完整的自检测需要通过外回绕自检实现，外回绕自检检测到与UUT计算机连接的航空电缆末端，即包含了输出电缆自检测试。 6.2 UUT自测试测试设计 由于ATE通过硬件接口对UUT各硬件接口进行测试时，部分UUT计算机自测试电路（BIT电路）不参与工作，因而不能对其正确性检测，所以ATE需通过RS 232接口启动UUT计算机自检测功能达到对该部分电路的测试。UUT计算机自测试主要检测SRU模块的BIT电路是否正常工作。UUT计算机自测试功能启动前，应先将连接器相关的所有输入激励断开。 7 结 语 基于PXI平台机载计算机测试设备设计与实现中，采用先进的PXI测试平台，其硬件系统结构设计采用模块化、标准化思想，通用性和推广性强。利用LabVIEW软件，配合NI的硬件产品可实现测试设备的软硬件统一，使得开发更规范化和标准化。系统开发周期短，可有效地降低成本，并具有良好的可扩展性和可移植性。在重点关注针对UUT自动化测试及高覆盖率测试的基础上，还充分考虑测试设备自身计量校准软、硬件设计，有利于提高测试设备的自身可靠性。根据不同的测试需要，进行适当扩展和资源复用，其通用性、先进性和扩展性可广泛应用于多种类型的测试设备，以便于满足不同测试需求。 参考文献 [1] 奚全生，李鸿飞.VXI和PXI总线技术的应用及其发展前景[J].工业控制计算机，2002（11）：11?12. [2] 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. [3] 彭刚锋.机载计算机专用检测软件确认方法的研究报告[R].西安：中国航空计算技术研究所，2008. [4] 孙晓云，郭立炜，孙会琴.基于LabVIEW/CVI的虚拟仪器的设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2005. [5] 陶东香，郑海波，茹东生.基于PXI和LabVIEW的无源干扰设备测试诊断系统构建[J].现代电子技术，2011，34（7）：120?122. [6] 杨宁，惠晓强.计算机雷电电磁防护技术[J].现代电子技术，2013，36（12）：1?4. 图3 离散接口硬件设计示意图 图4 RS 422和RS 423测试设计示意图 3 选用的PXI平台主要硬件配置及优良特性 基于PXI平台机载计算机ATE设备主要硬件配置及优良特性：PXI机箱选择PXIS?2719型机箱；采用标准化设计，支持PXI2.2版标准；19寸标准机箱，支持1个系统插槽，8个PXI外设插槽，留有备份插槽，易于扩展；强制风冷设计，散热效果优。 选择PXI主控制器PXI?3959型产品，采用Intel 酷睿2 双核 T7500 CPU；支持4 GB 667 MHz DDR2存储器；集成160GB/7200RPM SATA硬盘；双Gigabit网口；4个USB接口；2个RS 232串口；集成GPIB控制器，相当模块化主控机，且处理速度快，配置标准接口。 选择小电压模拟量激励板卡cPCI?6216，具有16 b分辨率，16个通道。电流量激励板卡选择cPCI?6208A，具有15 b分辨率，有较高的采样精度；机械地开型信号的激励选择PXI?7921，采用PICMG 2.0标准，24通道单刀双掷继电器，集成继电器驱动电路。以上模拟、离散信号模块若通道不足，采用如上继电器矩阵板卡切换，进行分时测量。 选择RS 422总线通信板卡cPCI?3544，采用PCI 2.1标准，自动分配IRQ和I/O地址；4个通信接口；硬件选择422模式和485模式；各个通道间隔离；波特率支持到115 200 b/s，配置灵活，特性优良。PXI机箱、各功能板卡及程控电源也可根据机载计算机测试指标要求选择其他型号产品，满足机载计算机测试需求。 4 计量接口的设计 系统设计充分考虑了计量接口的预留和回绕自检的设计。计量接口主要有以下两个方面： （1） 系统中通过GPIB接口控制的标准仪器的信号接口； （2） PXI机箱内的数字I/O资源和模拟I/O资源。 这两类接口在设计适配器时考虑布置在适配器的后面板上，使用安装孔直径为6 mm的小型测试孔。这些引出的信号测量点，可以使用高等级的标准仪器对ATE设备输出的信号进行计量和校准；对于ATE设备的信号采集资源，可以外加高等级的激励源，由设备采集标准信号，然后将设备采集的值与标准值进行比对，从而实现设备校准。对于大回路自检，主要采用内、外“回绕的方式”[3]进行。 5 软件设计 5.1 软件功能 对于部件的I/O特性的判定过程，首先通过多功能PXI模块产生相关的激励信号（多为正弦或方波信号），经过适当的调理、隔离后加给待测部件UUT，同时采集待测部件UUT上的输出信号（可能是一路或多路，数字信号或模拟信号），然后对采集到的信号进行处理分析，从而得出该部件的工作状态以及可能存在的故障。 5.2 软件组成 LabVIEW是NI公司推出的基于G语言（Graphical Programming Language）的图形化开发平台，支持多种工业标准总线[4]。 测试系统以LabVIEW 8.5组态软件包和Microsoft SQL Server为基础，在Windows环境下设计开发一套基于PXI总线的机载计算机ATE设备软件平台。其软件结构如图5所示，包含硬件自检、校准、测试参数阈值设置、通道配置、信号采集、信号输出、数据分析、数据同步存储、数据传输、故障诊断等一系列功能，可实现对电压、电流等信号的采集、处理与诊断，为相关人员提供参考。 5.3 软件工作流程及界面 软件简要工作流程如图6所示。依据测试任务的不同，各个软件模块的内部有各自的工作方式与流程，在此不一一举例。 图5 软件结构组成 采用可视图形化界面管理测试的全部过程，测试界面主要包括：初始化界面，手动测试界面，自动测试界面和自测试界面（用于系统校准、计量、检定的用）。 图6 测试流程示意图 数据采集显示模块采用单一主控界面实现，通过主控界面菜单和按键的选择完成各项功能，不同的功能通过不同的自流成实现，核心程序如图7所示。 6 自测试 6.1 ATE自测试设计 在自检状态需断开与机载计算机连接的所有测试电缆，并将测试电缆连接到自检插座。 由于UUT接口较多，内回绕自测试不可能覆盖整个测试系统，以免增加测试系统设计复杂度和降低设备整体可靠性，ATE设备内回绕自测试只涉及到模拟量AI、串行通信、程控设备和仿真测试平台供电系统。 图7 核心程序 ATE设备设计了完备的外回绕自检测，功能覆盖所有I/O接口，完整的自检测需要通过外回绕自检实现，外回绕自检检测到与UUT计算机连接的航空电缆末端，即包含了输出电缆自检测试。 6.2 UUT自测试测试设计 由于ATE通过硬件接口对UUT各硬件接口进行测试时，部分UUT计算机自测试电路（BIT电路）不参与工作，因而不能对其正确性检测，所以ATE需通过RS 232接口启动UUT计算机自检测功能达到对该部分电路的测试。UUT计算机自测试主要检测SRU模块的BIT电路是否正常工作。UUT计算机自测试功能启动前，应先将连接器相关的所有输入激励断开。 7 结 语 基于PXI平台机载计算机测试设备设计与实现中，采用先进的PXI测试平台，其硬件系统结构设计采用模块化、标准化思想，通用性和推广性强。利用LabVIEW软件，配合NI的硬件产品可实现测试设备的软硬件统一，使得开发更规范化和标准化。系统开发周期短，可有效地降低成本，并具有良好的可扩展性和可移植性。在重点关注针对UUT自动化测试及高覆盖率测试的基础上，还充分考虑测试设备自身计量校准软、硬件设计，有利于提高测试设备的自身可靠性。根据不同的测试需要，进行适当扩展和资源复用，其通用性、先进性和扩展性可广泛应用于多种类型的测试设备，以便于满足不同测试需求。 参考文献 [1] 奚全生，李鸿飞.VXI和PXI总线技术的应用及其发展前景[J].工业控制计算机，2002（11）：11?12. [2] 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. [3] 彭刚锋.机载计算机专用检测软件确认方法的研究报告[R].西安：中国航空计算技术研究所，2008. [4] 孙晓云，郭立炜，孙会琴.基于LabVIEW/CVI的虚拟仪器的设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2005. [5] 陶东香，郑海波，茹东生.基于PXI和LabVIEW的无源干扰设备测试诊断系统构建[J].现代电子技术，2011，34（7）：120?122. [6] 杨宁，惠晓强.计算机雷电电磁防护技术[J].现代电子技术，2013，36（12）：1?4. 图3 离散接口硬件设计示意图 图4 RS 422和RS 423测试设计示意图 3 选用的PXI平台主要硬件配置及优良特性 基于PXI平台机载计算机ATE设备主要硬件配置及优良特性：PXI机箱选择PXIS?2719型机箱；采用标准化设计，支持PXI2.2版标准；19寸标准机箱，支持1个系统插槽，8个PXI外设插槽，留有备份插槽，易于扩展；强制风冷设计，散热效果优。 选择PXI主控制器PXI?3959型产品，采用Intel 酷睿2 双核 T7500 CPU；支持4 GB 667 MHz DDR2存储器；集成160GB/7200RPM SATA硬盘；双Gigabit网口；4个USB接口；2个RS 232串口；集成GPIB控制器，相当模块化主控机，且处理速度快，配置标准接口。 选择小电压模拟量激励板卡cPCI?6216，具有16 b分辨率，16个通道。电流量激励板卡选择cPCI?6208A，具有15 b分辨率，有较高的采样精度；机械地开型信号的激励选择PXI?7921，采用PICMG 2.0标准，24通道单刀双掷继电器，集成继电器驱动电路。以上模拟、离散信号模块若通道不足，采用如上继电器矩阵板卡切换，进行分时测量。 选择RS 422总线通信板卡cPCI?3544，采用PCI 2.1标准，自动分配IRQ和I/O地址；4个通信接口；硬件选择422模式和485模式；各个通道间隔离；波特率支持到115 200 b/s，配置灵活，特性优良。PXI机箱、各功能板卡及程控电源也可根据机载计算机测试指标要求选择其他型号产品，满足机载计算机测试需求。 4 计量接口的设计 系统设计充分考虑了计量接口的预留和回绕自检的设计。计量接口主要有以下两个方面： （1） 系统中通过GPIB接口控制的标准仪器的信号接口； （2） PXI机箱内的数字I/O资源和模拟I/O资源。 这两类接口在设计适配器时考虑布置在适配器的后面板上，使用安装孔直径为6 mm的小型测试孔。这些引出的信号测量点，可以使用高等级的标准仪器对ATE设备输出的信号进行计量和校准；对于ATE设备的信号采集资源，可以外加高等级的激励源，由设备采集标准信号，然后将设备采集的值与标准值进行比对，从而实现设备校准。对于大回路自检，主要采用内、外“回绕的方式”[3]进行。 5 软件设计 5.1 软件功能 对于部件的I/O特性的判定过程，首先通过多功能PXI模块产生相关的激励信号（多为正弦或方波信号），经过适当的调理、隔离后加给待测部件UUT，同时采集待测部件UUT上的输出信号（可能是一路或多路，数字信号或模拟信号），然后对采集到的信号进行处理分析，从而得出该部件的工作状态以及可能存在的故障。 5.2 软件组成 LabVIEW是NI公司推出的基于G语言（Graphical Programming Language）的图形化开发平台，支持多种工业标准总线[4]。 测试系统以LabVIEW 8.5组态软件包和Microsoft SQL Server为基础，在Windows环境下设计开发一套基于PXI总线的机载计算机ATE设备软件平台。其软件结构如图5所示，包含硬件自检、校准、测试参数阈值设置、通道配置、信号采集、信号输出、数据分析、数据同步存储、数据传输、故障诊断等一系列功能，可实现对电压、电流等信号的采集、处理与诊断，为相关人员提供参考。 5.3 软件工作流程及界面 软件简要工作流程如图6所示。依据测试任务的不同，各个软件模块的内部有各自的工作方式与流程，在此不一一举例。 图5 软件结构组成 采用可视图形化界面管理测试的全部过程，测试界面主要包括：初始化界面，手动测试界面，自动测试界面和自测试界面（用于系统校准、计量、检定的用）。 图6 测试流程示意图 数据采集显示模块采用单一主控界面实现，通过主控界面菜单和按键的选择完成各项功能，不同的功能通过不同的自流成实现，核心程序如图7所示。 6 自测试 6.1 ATE自测试设计 在自检状态需断开与机载计算机连接的所有测试电缆，并将测试电缆连接到自检插座。 由于UUT接口较多，内回绕自测试不可能覆盖整个测试系统，以免增加测试系统设计复杂度和降低设备整体可靠性，ATE设备内回绕自测试只涉及到模拟量AI、串行通信、程控设备和仿真测试平台供电系统。 图7 核心程序 ATE设备设计了完备的外回绕自检测，功能覆盖所有I/O接口，完整的自检测需要通过外回绕自检实现，外回绕自检检测到与UUT计算机连接的航空电缆末端，即包含了输出电缆自检测试。 6.2 UUT自测试测试设计 由于ATE通过硬件接口对UUT各硬件接口进行测试时，部分UUT计算机自测试电路（BIT电路）不参与工作，因而不能对其正确性检测，所以ATE需通过RS 232接口启动UUT计算机自检测功能达到对该部分电路的测试。UUT计算机自测试主要检测SRU模块的BIT电路是否正常工作。UUT计算机自测试功能启动前，应先将连接器相关的所有输入激励断开。 7 结 语 基于PXI平台机载计算机测试设备设计与实现中，采用先进的PXI测试平台，其硬件系统结构设计采用模块化、标准化思想，通用性和推广性强。利用LabVIEW软件，配合NI的硬件产品可实现测试设备的软硬件统一，使得开发更规范化和标准化。系统开发周期短，可有效地降低成本，并具有良好的可扩展性和可移植性。在重点关注针对UUT自动化测试及高覆盖率测试的基础上，还充分考虑测试设备自身计量校准软、硬件设计，有利于提高测试设备的自身可靠性。根据不同的测试需要，进行适当扩展和资源复用，其通用性、先进性和扩展性可广泛应用于多种类型的测试设备，以便于满足不同测试需求。 参考文献 [1] 奚全生，李鸿飞.VXI和PXI总线技术的应用及其发展前景[J].工业控制计算机，2002（11）：11?12. [2] 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. [3] 彭刚锋.机载计算机专用检测软件确认方法的研究报告[R].西安：中国航空计算技术研究所，2008. [4] 孙晓云，郭立炜，孙会琴.基于LabVIEW/CVI的虚拟仪器的设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2005. [5] 陶东香，郑海波，茹东生.基于PXI和LabVIEW的无源干扰设备测试诊断系统构建[J].现代电子技术，2011，34（7）：120?122. [6] 杨宁，惠晓强.计算机雷电电磁防护技术[J].现代电子技术，2013，36（12）：1?4. |
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