多总线兼容的板级测试系统设计

朱彦青，程绪建，董振旗，刘虎

（1.第二炮兵工程学院陕西西安710025；2.西安微电子技术研究所陕西西安710054）

系统中，能兼容多种总线接口的适配器和用于不同种类信号的切换是设计的重点。该系统具有通用性强、高速度、高效率，易操作等优点。

1 系统总体设计方案

1.1 系统架构

板级测试系统是集计算机技术、仪器仪表技术和自动化技术与一体的自动化测试系统（ATS）。硬件部分由测试主机、接口适配器、矩阵开关、人机交互单元等组成。系统的架构图如图1所示。

软件部分主要分为测试主机软件和适配器软件两部分组成。测试主机软件主要完成两部分的功能，一是调用驱动程序；二是提供人机界面和测试数据的管理。适配器软件主要完成对备板驱动程序的调用。

图1 板级测试系统架构图Fig.1 Structure of board level test system

1.2 系统工作原理

系统的测试原理是基于信号的功能测试[1]，即针对备板的功能特性，选择能检验备板性能的信号，驱动备板工作，对其加载相应的信号，检验其工作性能的一种测试方法。

测试之前，必须了解各种备板的功能、特性、结构、接口关系及工作原理，对各种具体备板的信号及测试方法进行深入的研究、分析、论证，根据不同的功能，选定能检验备板性能的信号。然后，在系统中创建涵盖所有被测备板测试程序的程序集。

测试时，先对备板加载测试程序，使备板处于工作状态，适配器CPU和备板之间组成了一套计算机系统，简称为被测系统，系统的测试流程可以分为两种情况，如图2所示。一种情况是测试输入信号由被测系统CPU发送给被测板卡，如对D/A板的测试，被测信号通过矩阵开关，切换至主测系统相应的功能板卡上，通过信号采集及数据处理，将输出信号送至主测CPU；另一种情况是测试输入信号由主测系统CPU发送给主测功能板卡，如A/D板的测试，被测信号通过矩阵开关，切换至被测板卡，被测板卡对数据进行处理，将结果送至主测CPU。主测CPU通过数据对比，判断出备板功能是否良好，测试完成后，在测试主机中生成测试数据的报表。矩阵开关与主测CPU之间通过RS485进行数据通信，测试主机和适配器之间通过网络传递数据。

图2 板级测试系统的测试原理图Fig.2 Test principle diagram of board-level test system

2 测试主机设计

系统采用的主要硬件平台是CPCI总线模块。CPCI是基于标准的PCI电气规范上的一个高性能总线，是PCI总线技术和成熟的欧式卡组装技术的组合[2]。CPCI延续模块化的精神，结构紧凑稳定，总线速度快，开发成本低，可以在不牺牲测量精度并节约研制经费的情况下，提供高性能的测试、测量和数据采集。

旨在消炎抑菌，对症用药。经药敏试验，庆大霉素为不错选择。具体用法及用量，对于脱水犊牛用0.9%生理盐水1000毫升、5%葡萄糖1000毫升，庆大霉素80万单位、氨苄西林钠5克一次静注；严重脱水一天2次，连用3天。

测试主机的主要功能是：提供测控总线的接口通信、测试资源的管理、测试程序集（TPS）的调度管理和测试数据管理，并提供人机操作界面，实现自动测试[3]。系统测试主机由CPU单元、数据处理单元、功能扩展单元和电源系统单元组成。背板采用6U CPCI总线设计；电源系统采用ATX标准设计，输出+3.3、+5、+12、-12 V等直流电压；功能扩展模块为预留模块，主要用于系统后期的功能扩展。

2.1 CPU 单元的设计

CPU单元由CPU印制件和机械加固件组成。CPU印制件由Celeron-M CPU、Inter855GM芯片组、SDRAM、以太网、显示模块和PCI-PCI桥等组成；CPU模块机械加固件是指对按照加固计算机设计要求而进行的辅助设计，一方面对CPU印制件起加固作用，另一面对CPU印制件起散热作用，以保证主控计算机的可靠性。

2.2 数据处理单元的设计

数据处理单元由I/O板、A/D板、D/A板、通信板、MC/RDC板组成。

I/O板用于计算机与外部的开关量输入和输出控制，每块I/O模块由32路开关量输入、16路开关量输出、16路继电器输出组成。

A/D板用于读取系统中的模拟量，将模拟量通过量化、编码转换成数字信息。A/D板由模拟开关、精密放大器、模/数转换器、DC/DC电源模块、输入输出数据寄存器、控制电路和译码电路组成。

D/A板提供12路单极性模拟量输出，输出电压为0～10 V。D/A板主要由数/模转换器、运算放大器、DC/DC电源模块、数据寄存器、控制和译码电路组成。

通信板包括8路RS-422通信接口和8路RS-485通信接口组成，用于串口数据的传输。

MC/RDC板集脉冲收发、数字量传输及将角度的模拟信号转换为数字信号等功能于一体。MC/RDC板由PCI桥电路、逻辑控制电路、脉冲输入电路、脉冲输出电路、数字量控制电路、RDC信号输入电路等部分组成。

3 矩阵开关模块设计

3.1 ATS中矩阵开关的设计原则

开关系统是ATS中信号传输与分配的中枢，借助开关系统的不同组态，可以充分利用ATS有限的测试资源，实现各种检测与激励信号的灵活路由[4]。

矩阵开关是一个m路输入，n路输出的功能单元，在控制部分的控制之下，选择m路中的一路测试信号，输出到n路中的指定一路测试通道上，主要功能为对指定信号进行转接[5]。矩阵开关主要由控制部分、信号调理部分和开关阵列组成，通过控制矩阵开关，将激励信号进行分类调整，自动切换到相应端口[6]。

采用模块化可扩展的开关系统结构，不仅可以方便地扩大开关系统规模，而且使开关系统向上兼容，有助于实现测试系统TPS的移植和相互操作。矩阵开关设计的原则是按功能进行模块化划分和配置，同时与自动测试系统信号接口装置的信号定义相对应，这样将有利于接口的扩展和形成模块化ATS结构。

3.2 系统矩阵开关的配置

系统的测试任务是大型复杂系统备板的功能测试，由于备板种类有上百种，信号种类繁多，备板总线接口的种类也比较多，这对信号的切换、转接提出了较高要求。通过对测试主机板卡和被测板卡的功能与总线接口分析，为了满足系统通用性的要求、实现系统功能，确定了矩阵开关的行维为100，列维为4，即100×4矩阵。5个100×4矩阵模块级联，分别连接A/D板、D/A板、I/O板、MC/RDC板和串口通信板，如图3所示。

系统由DSP芯片控制矩阵开关运行，编程简便，速度也能满足一般系统的要求，通过建立DSP的控制程序集，实现每种被测板卡的信号矩阵切换。

这种设计在硬件上要求较高，但运行速度快，功能强大，便于后期扩展，符合加固设备的研制标准。

图3 矩阵开关的级联图Fig.3 Cascade diagram of matrix switch

4 适配器模块设计

接口适配器作为测试设备和被测对象之间的桥梁，把仪器资源分配给被测对象的各个管脚，完成对被测对象施加激励和进行测量的工作[7]。

在系统中，适配器机箱背板总线为CPCI总线，由CPU模块和被测备板的接插件组成。CPCI总线和PCI的电气规范一致，PCI总线允许同级PCI局部总线访问和通过PCI-PCI与扩展总线桥访问主存储器和扩展总线设备，PCI总线中的南桥（PCI-ISA桥）可以连接基础PCI局部总线到ISA总线[8]。

CPU模块的作用有两点：一是驱动被测板卡，使其处于工作状态，二是通过网络与主控CPU通信，接收主控CPU的命令，控制被测备板收发、处理数据。

适配器机箱内共设置10个插槽，用于接插被测备板。这些插槽包括2个CPI插槽、2个CPCI插槽、2个ISA插槽、2个AT-96插槽和2个ET-96插槽，其总线连接关系如图4所示。

图4 适配器模块的连接图Fig.4 Connection diagram of adaptor module

在系统的设计中，从CPU的J2由PCI-PCI桥引出2个PCI插槽和2个CPCI插槽，J3与PCI-ISA桥连接，引出ISA插槽、AT-96插槽、ET-96插槽各2个。PCI-PCI桥由PCI2050B实现，PCI-ISA桥由IT8888芯片实现。

5 系统的软件实现

系统的软件由应用软件和板卡驱动程序组成。软件界面是人机交互的窗口，因此测试软件界面需简洁、友好，方便实验者操作[9]。系统采用C++builder作为系统开发平台，利用功能强大的图形化控制界面，实现对采集数据的获取和处理[10]，测试界面如图5所示。用户可通过键盘鼠标操作，选择被测试板卡，加载激励信号，采样被测信号数据，建立被测板卡信号数据库，对各种信号数据进行分析与处理，最终完成自动测试任务。驱动程序是完成对某一特定板卡控制与通信的软件程序集，它是应用程序实现仪器控制的桥梁。

图5 板级测试系统的测试界面Fig.5 Test interface of board-level test system

6 结束语

多总线兼容的板级测试系统设计综合了仪器仪表技术、计算机技术和自动化技术。在技术上解决了多种总线的接口兼容和测试信号的切换，实现了对某大型复杂系统备板的功能测试。该系统具有通用性强、高速度、高效率、易操作等优点，在现实中运用良好，性能稳定，具有较高的实用价值。

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