基于LabVIEW和FPGA的数字电路板比对测试系统设计

王 菊，王和明

（空军工程大学防空反导学院，陕西西安 710051）

基于LabVIEW和FPGA的数字电路板比对测试系统设计

王 菊，王和明

（空军工程大学防空反导学院，陕西西安 710051）

设计了一种基于LabVIEW和FPGA的数字电路板比对测试系统，该系统利用FPGA产生激励信号并对被测信号进行高速采样及缓存，同时借助于上位机的LabVIEW软件完成对整个系统的控制和被测信号的比对分析。实际应用表明，该系统具有运行稳定可靠、操作方便等特点，为数字电路的故障排除提供了依据。

数字电路板；比对测试；LabVIEW；FPGA

随着现代电子技术的不断发展，数字电路板的输入输出信号路数越来越多、时序关系越来越复杂，因此对数字电路板的测试已成为了电子系统调试的难点和研究的热点问题［1-2］。由于现有的测试仪器无法满足对多路信号的并行测试和快速处理，为了提高测试效率，增强检测和维修的自动化程度，笔者设计了一种基于LabVIEW和FPGA的通用数字电路板测试系统。该系统可以给出对组合逻辑电路和时序逻辑电路的功能测试结果，并对其进行分析和初步诊断，能够满足一般数字电路板的快速测试要求。

1 测试系统的功能及组成

要实现对数字电路板的测试，首先将被测数字电路板通过相应的接口连接到测试系统的硬件平台上，通过上位机控制FPGA给被测数字电路板施加激励信号，同时读取需要被分析的信号，并将其与存储于上位机对应的标准信号进行比较和分析，显示测试结果及初步修改建议。数字电路板测试系统的总体结构设计图如图1所示，主要包括Lab-VIEW模块、FPGA模块和控制电路三部分［3］。

LabVIEW模块主要用来产生控制信号，接收被测数字电路板的信号，并进行存储和分析，以图形化的界面给出测试和分析结果。FPGA模块主要完成激励信号的产生，对采集到的信号进行缓存，保证上位机和控制电路之间的正常通信。控制电路完成对FPGA工作时钟的控制，并根据控制信号决定信号的流向。根据研制产品的特点，该平台能够实现对72针和96针接插件板的对接测试，同时还预留了相应的扩展电路，使其具有可扩展性。

2 数字电路板测试系统的硬件实现

2.1 FPGA模块

FPGA模块采用的是CycloneII系列的EP2C35F672C6，用来实现时钟发生器、激励信号产生器、数据缓存和通信等功能。

2.1.1 时钟发生器

时钟发生器是将50MHz的有源晶振的输出时钟接入FPGA，然后由FPGA内嵌的锁相环将时钟频率倍频到200MHz。将200MHz的时钟频率接到分频电路的时钟端，根据设定的分频系数决定FPGA内部的工作时钟。

2.1.2 激励信号生成模块

在FPGA的内部，预先使用VHDL语言编写好了针对被测数字电路板的自然二进制码、伪随机数、随机数和特定时序关系的激励信号，根据上位机传来的控制信号，通过多路选择器选择其中的一种激励信号输出到控制电路。一般情况下对于时序和功能未知的数字电路板采用前面三种激励信号，反之则根据被测数字电路板的时序关系编写特定时序关系的激励信号。

2.1.3 通信模块

由于系统采用串行通信模式，因此FPGA中的通信模块主要用于将需要被采集的信号根据上位机所设定的串行通信协议进行打包，打包后的数据的称为一个数据帧［4］，其基本格式如图2所示。

另外，串口通信还需要注意的问题是转换电平，数据采集端供电电平为＋5V，而FPGA能接受的电平是＋3.3V，因此系统采用MAX3232电平转换器，以达到FPGA的要求［5］，如图3所示。

2.1.4 数据缓存模块

为了解决通信过程中信号采集速率和与上位机数据传输速率的不一致问题，在每个信号采集端都添加了一个数据缓存单元FIFO，每个FIFO的大小是1×128words，其输出端通过一个三态门实现数据的复用［3］，电路图如图4所示。

2.2 控制电路

控制电路主要由电源模块、时钟控制电路和I／O控制电路三部分组成。

测试系统硬件部分的输入电源电压为＋5V，通过LT1764A-EQ-3.3提供＋3.3V电压，保证FPGA的正常工作。时钟控制电路是通过控制8位拨码开关来产生对FPGA内200MHz时钟信号的分频系数，从而控制FPGA的工作频率，以适应不同类型的数字电路板。I／O控制电路的主要组成是继电器驱动电路ULN2803和5脚继电器SDR-5VDC-SL-C，与FPGA的连接关系示意图如图5所示。

继电器的常闭端接FPGA的信号采集输入端，常开端接FPGA的激励信号输出端，保证在上位机初始化没有完成之前不把激励信号输出到被测数字电路板。上位机经FPGA传来的控制信号，由ULN2803来驱动继电器的通断，当控制指令为“1”时，继电器的动触点与常闭端的静触点接通，反之则接通常开端的静触点。这种方法控制简单，便于高速的处理信号。

3 数字电路板测试系统的软件实现

LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境，本文中采用NI公司的LabVIEW8.6来开发该测试系统的应用软件，主要由控制模块、数据接收模块、数据存储、数据分析模块和结果显示模块五个功能模块组成，可以划分为数据通信，数据处理和数据显示三部分。

3.1 数据通信

上位机中的控制模块用于向FPGA发送打包后的激励信号类型、端口类型和系统工作状态等控制数据，FPGA根据串行通信协议解析得到控制指令，并执行相应的指令。数据接收模块则用于通过串行总线接收数据，并解析出被测数字电路板的被采集信号送入到数据处理模块。因此实现控制模块和数据接收模块的关键是保证与下位机的串行通信正常进行。

笔者主要采用LabVIEW中的VISA来（Virtual Instrument Software Architecture）实现控制模块和数据接收模块与下位机FPGA之间的串行通信。VISA是一个I／O接口软件及其规范的总称，其本身不具有编程能力，但是可以调用底层驱动器。在LabVIEW8.6中文版中，串口VI包括VISA配置串口、VISA写入、VISA读取、VISA关闭等，利用这些VI可以轻易地实现上位机与串口之间的通信［6-8］，串行通信的基本程序框图如图6所示。

根据被测数字电路板的实际情况，设置串口名称、波特率因子、数据位数、停止位、校验位和控制位等参数值完成串口通信的初始化，并通过读写控制完成的数据的接收和发送。

3.2 数据处理

数据处理的写入和读取基本框图如图7所示。

将数据接收模块送来的二进制数据，首先通过TDMS写入函数将其写入指定的.tdms文件中，并存储于上位机中；在完成一个测试周期的写入后，用TDMS读取函数分别读取刚才存入的数据和预先存好的标准数据；最后将这两路数据进行比较，给出测试结果。其中所使用的.tdms文件是一种保存波形属性和波形数据的二进制文件，具有较高的浮点数精度，占用磁盘空间少等特点［9-10］。

3.3 数据显示

数据显示部分主要完成对波形和文本的显示。波形显示是将采集到的0、1序列通过创建数组控件打包为数组形式，经二维数组转置控件将逻辑0、1序列转置，创建数字数据控件得到数字数据，用数字波形图进行显示［11］；文本显示只需要调用Lab-VIEW中的字符串显示控件即可［12］。

4 数字电路板测试系统的验证

4.1 测试流程

数字电路板测试系统通过比较被测数字电路板的标准数据和实测数据是否存在差异来判定其是否正确，并给出测试结果和初步的修改建议，测试流程如图8所示。首先将被测数字电路板插到硬件平台上，接通所有电源，运行数字电路板测试系统应用软件的主程序；通过控制模块设定相应的端口类型，即确定是被测数字电路板的输入端口还是输出端口，然后设定给被测数字电路板所施加的激励信号类型（需要在FPGA中进行预定义）；点击运行按钮，激励信号通过输入端口被送入到被测数字电路板中进行逻辑运算；通过输出端口将被采集的信号经FPGA缓存后送入上位机，并进行存储；完成1个周期的存储后，读取实测数据和标准数据，同时进行显示；如果实测数据和标准数据完全一致，那么测试结束，否则，分析结果，并给出初步的修改建议。

4.2 实例验证

设计数字电路板测试系统的最初目的在于测试某引进装备中待国产化和维修的数字类板件是否达到了预期的功能，实现对多路信号的高速采集、显示、存储和分析。为了更加清楚的查找电路板中可能存在的问题，可以给被测数字电路板施加不同的激励信号，而且对于十分庞大、复杂的数字电路板，也可以采用分块检测的方法。以国产化某引进装备中的数字类板件为例，首先对测试系统所要施加激励信号类型、端口类型等设进行置，运行测试系统的应用软件，采集到输出端口W＿2的标准数据波形和实测数据波形如图9所示。

点击结果分析按钮，根据标准数据（本实例中是指原电路的测试结果），通过数据处理模块对实测数据进行比较和分析。结果中“1”代表实测数据与标准数据不同，“0”代表相同，给出了如图10所示的分析结果和初步修改建议。

采用相同的方法测试所有需要被测试的信号是否相同，完成对整个数字电路板的测试。

5 结束语

该数字电路板测试系统通过不同的设置或连接不同的数字电路板接口可以将其应用于不同的测试场合，具有很强的扩展性。而且利用FPGA和LabVIEW设计数字电路板测试系统，其创新点在于采用了前沿的模块化结构，使得数字电路板的测试变得更加方便、直观和快捷。

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Comparison and Test System Design of Digital Circuit Board Based on LabVIEW and FPGA

WANG Ju，WANG Heming

（Air Defense and Anti-Missile Institute of Air Force Engineering University，Xi’an 710051，Shaanxi，China）

A comparison and test system of digital circuit board was designed based on the LabVIEW and FPGA.The system produced the excitation signals by use of FPGA，and the signals were measured by means of the high speed sampling and cache.At the same time，with the help of LabVIEW software in the upper monitor，the whole system control，comparison and analysis of the measured signals were performed.The actual study showed that this system is stable，reliable in running and easy to operate，it can provide the basis for the troubleshooting of the digital circuit.

digital circuit board；comparison and test；LabVIEW；FPGA

TJ306＋.3

A

1673-6524（2014）02-0045-05

2014-01-10；

2014-04-16

王菊（1991-），女，硕士研究生，主要从事微电子技术在武器系统中的应用研究。E-mail：862588498＠qq.com