基于虚拟仪器技术的电源自动测试系统

齐建民

(深圳桑达国际电子器件有限公司,广东 深圳 518057)

电源自动测试系统是由电源供应器(交流或直流)、功率分析仪、电子负载、数字万用表、示波器等硬件设备组成,采用计算机控制、能实现自动测试功能的系统。通常基于标准的控制协议如GPIB(General Purpose Interface Bus)、RS232(Recommeded Standard)、VXI(VMEbus Extensions For Instrumentation)、PXI(PCIbus Ex tensions For Instrum entation)、TCP/IP等的基础上组建而成,具有通用性、灵活性、可扩充等特点,越来越成为电子产品和设备不可缺少的检测手段,其中GPIB仪器总线应用最广泛,它以IEEE488为标准,是目前大多数仪器设备厂商普遍支持和采用的接口协议,现在已发展为IEEE488.2标准。控制软件可使用任何编程语言如 LabVIEW、LabWindow s/CVI、VB、Vc、C++等实现电脑对仪器的控制完成自动测试的功能。其中LabVIEW是一种图形化编程的G语言,它以操作简单、功能强大、开发周期短等优点正在逐步被电源自动测试系统所广泛采用。

1 GPIB及虚拟仪器技术简介

GPIB又称IEEE488或 HP-IB,最早由 HP(惠普)公司提出。1965年,惠普公司为了将可编程的仪器与计算机相连,以便对仪器进行远程控制而设计出了HP-IB接口总线。由于HP-IB的易用性及高速的数据传输率(大约1 MB/s),迅速获得了广泛应用。1975年,IEEE采纳 HP-IB技术并形成IEEE488国际标准,提出了GPIB(General-Purpose Interface Bus)的名称。1987年,IEEE488标准被发展为IEEE488.1。IEEE488.1标准清晰地定义了GPIB的机械、硬件和电气协议,从而极大地方便了可编程仪器的互连。这样,来自不同厂商的仪器首次通过1根标准的GPIB电缆连接在一起。然而,IEEE488.1标准没有规定数据格式、消息交换协议等,这就导致各厂商在这些方面的不统一,而测控系统的开发者则时时面临着整合的困难。IEEE488.2标准正是针对这些局限和不足提出的。IEEE 488.2标准从GPIB控制器和GPIB仪器两方面进行了规范,规定了数据格式、状态报告机制、消息交换协议、错误处理机制、通用配置命令及仪器特殊命令。可以说,由于IEEE488.2标准的提出,GPIB系统在软件和协议方面更趋于兼容与可靠。1990年,多家仪器制造商联合提出可程控仪器标准命令SCPI(Standard Commands for Programmable Instrum ents)标准。这个标准构建在IEEE488.2标准定义的仪器特殊命令结构之上,并致力于定义一整套通用的仪器特殊命令集。现在,市面上很多GPIB仪器都与SCPI标准兼容,大大方便了系统的软件编程。不过采用GPIB架设系统时,需注意GPIB限制要求。

1)任意两个设备间的最大距离为4 m,同时整个总线上所连的设备间平均距离不超过2m;

2)线缆总长度最大值20 m;

3)每条总线最多可连接14台设备(除电脑外);

4)连接方式可以采用串联方式,也可以采用星型连接方式或两者的组合连接方式。

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示数据流,同时框图化的用户界面直观地显示数据,能够轻松地查看、修改数据或控制输入。同其他技术相比,虚拟仪器技术具有四大优势:性能高、扩展性强、开发周期短、无缝集成。

图1 电源自动测试系统

2 硬件构成

目前,一般电源测试仪器上都标配有GPIB接口,利用GPIB线可以把它们与计算机连接起来,组成一个电源自动测试系统。该系统不但提高了仪器的使用效率,而且具有强大的数据采集、信号调理、数据处理能力,并能用软件来取代硬件甚至完成硬件无法实现的功能。通常来说,一个完整的电源自动测试系统由计算机、可编程电源(交流或直流)、功率分析仪、电子负载、数字万用表、数字示波器、其它辅助设备等部分组成,如图1所示。

可编程电源是用于给待测产品提供电能的设备,常见的品牌有 Agilent、Chroma、Kikusui、Sorensen、Xantrex等,一般提供电压范围交流90～264 V,直流电压 36～72 V,交流频率47～63 Hz。目前大多可编程电源同时具备一些量测功能,如输入电压、电流、功率、频率(交流)、功率因数(交流)等,在精度要求不太高的情况下,上述参数可直接从可编程电源读出。

功率分析仪是用来精密量测待测品输入参数的,如输入电压、电流、功率、频率(交流)、功率因数(交流)、电压失真(交流)、电流谐波(交流)等,常见的品牌有 Voltech 、Chroma、Agilent、Fluke等 。

电子负载是用来模拟用电器为待测品提供负载的,一般有CC、CV 、CR、CP 4种模式,可量测参数有输出电流、电压和功率,同时具有短路保护测试功能。常见的品 牌有 Chrom a、Agilent、Kikusui、Prodigit等。

数字示波器主要用来量测输出特性参数的,如纹波、噪声、电压过冲、开机时序、关机时序、上升时间、下降时间、动态恢复时间等,再加上电流探头和电流放大器等附件,还可测输入端的浪涌电流,输出端的短路电流等。另外,数字示波器还可以把抓到的特定波形通过GPIB存到电脑中以备查用。常用的示波器品牌有 Tektronix、Agilent、Lecroy、Yokogawa等。

数据采集表(或台式万用表)是用来精密量测输出参数的,如电压有效值、最大最小值、再加上外置分流器(据量测要求选用合适规格)还可以对输出电流进行精密量测。常用的品牌有Agilent、Fluke、Keithley等。

3 软件构成

本系统软件是基于虚拟仪器LabVIEW平台开发的,LabVIEW是美国国家仪器公司(NATIONAL INSTRUMENTS,NI)的创新软件产品,也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。是面向对象的一种编程软件,其编写的程序称为虚拟仪器VI(Virtual Instrument),以.VI后缀。它为测试系统开发人员提供了一种全新的编程方法,即用直观的前面板与流程图相结合的编程方法来构建测试系统。

3.1 功能模块

本系统的软件按功能可分为以下4个模块:仪器控制、参数量测、数据处理、记录保存,如图2所示。

图2 软件功能模块

仪器控制是指控制仪器达到不同测试项目要求的条件,使待测电源产品工作在特定的使用环境下。它包括仪器初始化、具体使用条件设定、测量条件设定等。如设定电源供应器的输出电压、限流点等;设定电子负载的负载类型、负载大小、电流爬升率、电压范围、量测类型等;设定示波器的信号类型、时间基准、垂直刻度、触发模式、量测参数等。正确的仪器控制是实现不同的测试条件,量测正确的功能参数的前提,也是整个测试系统能自动运行的基础。

参数量测是指按测试项目要求的条件从已设置好的仪器中读回特定参数的值。如从功率分析仪读回输入功率、功率因数;从电子负载读回输出电流值;从数据采集表读回输出电压、电流;从示波器读回输出纹波、上升时间等;它是软件系统的关键环节,是测试系统的核心任务。

数据处理是指对软件系统运行中间所产生的数据,包括设定仪器的参数、测试项目的上下限、程序运行的中间变量、从仪器读回的量测值等,按照不同测试项目的要求进行转换、计算、分析、判断并把结果输出到电脑屏幕且按照一定要求保存为统一格式的过程。这个环节是测试任务的最终目的,待测产品在单个测试项目上是通过还是失效就是在本环节分析判断出来,并把结果显示在电脑屏幕上,提醒操作者进行下一步的指定作业。

记录保存是指把经过数据处理的测试结果及其它必要信息按照指定的文件格式保存下来以备查用。记录保存的格式有很多种,比如Excel、TXT、DBF、XM L等。测试记录对测试数据分析、制做CPK、对产品的鉴别与追溯等都非常重要,是产品品质记录的必要组成部分。

3.2 程序流程

主程序采取顺序加条件结构,流程如图3所示。

图3 程序流程

3.3 测试系统功能

电源自动测试系统的测试功能主要有:①输入电流、功率、功率因数、浪涌电流、电流谐波、电压失真测试;②输入掉电循环测试;③输出电压测试;④输出电流测试;⑤输出负载调整率测试;⑥输出过载、短路保护测试;⑦输出动态负载测试;⑧输出电压调整率测试;⑨输出过压保护测试;⑩输出过功率保护测试;○11效率测试;○12纹波、噪声测试;○13时序测试;○14遥控开关机测试。

3.4 用户操作界面

利用LabVIEW软件设计的软件主程序包括:测试主界面(见图4)和程序框图(见图5)。用户在进入测试界面后,输入产品相关信息,如产品序列号。程序将自动开始测试,在测试完成后,按产品序列号自动存储测试数据到记录文件中。

3.5 测试记录

测试数据和结果在测试结束后将被写入测试记录中,在测试记录通过套入公式还可以计算出Cp、Ca、Sigma、CPK,如图 6 所示 。

图6 测试记录

4 系统特点

综合以上论述,本自动测试系统有以下特点:

1)开放式系统体系结构。支持测试流程配置开发,支持新测试项目开发,支持仪器驱动的二次开发,满足不同机种的测试要求。

2)仪器易置换。支持市面上大部分型号的仪器,更换仪器只需更新仪器驱动包,简单便捷。

3)支持现场调试。有单步运行Debug功能,可对不同仪器及协议进行现场调试。

4)全自动测试过程。整个测试过程自动完成,全面现场信息管理,多种测试方式选择,红色测试结果显示,声音报警。

5)测试时间大大缩短。与手动人工测试相比,节约测试时间50%以上。

6)生成测试记录并保存。便于统计分析SPEC,产品信息可追溯。

7)新机种测试程序开发周期短。基于图形化的编程环境,开发调试相对脚本编程简单易行,一般来说一个新机种程序只需1～2周时间。

8)节省成本。自行开发测试系统的成本一般是市面上具同等功能的电源自动测试系统的30%以下。

9)维护方便。由于是自行开发,故障排除及日常维护变得非常方便。

5 结束语

虚拟仪器是今后仪器仪表、测量控制研究与发展的方向,用LabV IEW作为软件开发平台,比常用的面向对象软件编程难度大大降低,使得软件开发效率高,界面友好,功能强大,且扩展性好,凭借虚拟仪器技术构建的电源自动测试系统,同类仪器可简单互换,提高了硬件资源的利用率,最大限度地兼容不同产品的测试需求,同时降低了测试程序开发周期,提高了测试效率,降低了人工测试风险。操作简单易学,易于掌握,测试结果简单明了,兼有测试失效时颜色和声音报警功能,并且测试结果可保存为文件化记录,便于统计分析SPEC资料及追溯产品质记录。基于虚拟仪器技术的自动测试系统是一种观念和技术上的创新,将逐渐成为电源产品测试方式的主要发展方向。

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