复杂信号可重构复用技术自动测试系统的设计

王 永，张保全，居文玉，熊晓东，赵志文

（北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191）

在科学技术迅猛发展的今天，自动测试系统已广泛应用于工业、航空航天设备、武器装备生产与维修保障等领域。对于自动测试系统的研究来说，大多数第一代自动测试系统为专用系统，它们是专为特定任务而设计的，一个测试系统往往仅能对应一个被测对象。而到了20世纪70年代中期，自动测试系统发展到了第二代，其特点是组成系统的台式设备都具有统一的标准接口，只要采用相应的总线电缆连接各台设备就能够方便地组成系统。如今，自动测试系统已经发展到第三代，基于VXI、PXI总线，具有高速、模块化、开放式结构等特点[1]。在自动测试系统中，适配器组件的设计是极为重要的，它负责对信号进行隔离以及分配复用处理。目前，适配器也由最初的专用型逐步向通行型、可重构型过渡。文献[2]提出了一种新型基于继电器与矩阵开关的信号复用方式，可实现信号的自由匹配。然而，对于大型测试系统来讲，大量使用继电器以及矩阵开关所需成本很大，同时通道资源利用率低。文献[3]提出一种新的适配器框架，其最多可以连接25个模块，互相配合，可以实现对多个组合的测试，相对矩阵开关等设计，成本较低。不过，其通用性及可扩展性一般。文献[4]设计出了一种适用于美军测试需求的新型可重构、标准化的测试系统，改进了美军武器测试装置的冗余性，提高了效率。

本文以某自动测试系统为研究对象，引入新型多路开关芯片、双向信号隔离器件等，实现了自动测试系统中复杂信号的可重构复用。该测试系统的测试对象具有多个分系统组合，每个组合的外部接口对信号资源的需求也大不相同，这就要求自动测试系统应该具有较强的适应性以保证能准确高效地完成对被测对象各组合的性能测试。为此，利用PXI总线工业控制计算机系统，Labview虚拟仪器技术，利用模拟开关以及继电器搭建信号复用阵列，设计实现了一种基于复杂信号可重构复用技术的自动测试系统，该系统充分利用了硬件资源对复杂信号的重构及复用，具有体积小、速度高、可重构、通用性强、成本低等突出特点。

1 系统总体方案设计

自动测试系统的功能包括施加激励信号、信号的采集与处理、数据的分析与回放，通过对设备中各个分系统激励信号及检测信号的分析，可将信号归纳为模拟量输入输出信号、数字量输入输出信号、多种交直流电源信号以及特殊信号等多类复杂信号。系统设计采用了基于PXI总线结构的方式，并扩展信号隔离板、信号调理板、复杂信号重构复用板，以实现对测试系统各共享接口信号的快速分配。

自动测试系统结构框图如图1所示，系统包括PXI主机箱、适配器模块两大部分。其中，PXI主机箱包含PXI工控机、多功能数据采集卡、示波器卡及信号发生器卡，其目的是产生激励信号送与被测设备，同时完成对各种响应信号的采集、存储、分析、显示等功能。适配器模块包含电源管理板、信号隔离板、信号驱动板以及复杂信号重构复用板，其目的是完成被测对象和测试系统之间电气、机械连接、向被测组合提供外部电源、信号转接及驱动、信号隔离与调理、复杂信号分类复用等功能[5]。

图1 系统总体设计框图Fig.1 Diagram of system overall design

2 系统硬件设计

2.1 适配器设计

2.1.1 信号隔离模块

目前主要的数字信号隔离技术有传统的光电隔离，ADI公司的磁隔离以及TI公司的二氧化硅电介质隔离技术[6]。为了提供双向的数字输入输出通道，选取了ADI公司的双向磁耦ADuM1250对数字信号进行隔离、选择TI公司的线性光耦ISO124对模拟信号进行隔离。

2.1.2 信号调理模块

PXI主机提供的模拟输入输出信号往往在一定的范围内，如±10 V。但是，在实际测试中，这个范围往往不能适应被测对象。因此，需要对相应的模拟信号进行适当的衰减或放大处理，以满足测试要求。为此，选取了ADI公司的AD628芯片来完成对模拟信号的放大与衰减功能，实验证明，经过调理后的信号误差在0.1%以内。

2.1.3 复杂信号重构复用模块

很多被测对象的外部接口相同，但接口中各芯线的信号类型不同。因此，要用最少的资源来实现对这样的对象进行测试，就必须设计具有可重构的信号复用功能的模块。在设计中，复杂信号经过隔离以及调理后，需要对其进行合理地分配以满足各个不同被测对象对测试资源的需求。其中，对于弱电流、低电压信号，利用模拟多路开关实现信号的复用功能。而对于强电流、大电压信号，选择通过继电器来完成信号的分配。为此，选用了ADI公司的ADG1404、ADG5404、ADG5412三种模拟开关器件，其中，ADG1404、ADG5404为4选1多路开关，有2个 地 址 端 （A0、A1） 及 1 个 信 号 使 能 端 （En）。ADG5412为4路单通道模拟开关，有4个使能端分别控制开关的通断状态。

在实际设计中，可以对同一被测对象采用较少的控制信号，如使能信号、通道选择地址信号等，这样，虽然会使系统的灵活性受到一定的限制，却可以更有效地优化资源利用，如当测试某一对象时，仅仅需要控制2个地址位、1个使能端信号的电平状态，就可以将被测对象所需资源配置到位，完成测试资源的配置需求，大大提高了系统固有资源的利用效率。相对于利用矩阵开关实现资源信号复用的传统方法，这种方式尤其适合于较大型自动测试系统（一般其外部接口资源超过几百个的系统）的设计。

复杂信号重构复用框图如图2所示，对于本测试系统来讲，因为选用的是4选1式模拟多路开关，所以一个模拟开关与继电器阵列模块可满足对4种不同被测对象的测试要求，同时，在系统硬件上还设计有公共资源接口，可通过配置新的多路模拟开关及继电器模块以满足新增被测对象的测试需求，使得系统具有较强的可重构性及扩展性。

2.2 系统自检模块设计

目前，自动测试系统常用的自检模式是：基于仪器自检的系统自检、基于仪器比对的系统自检、基于开关切换的系统自检[7]。本测试系统利用模拟多路开关设置独立的自检通道，通过软件控制实现了对自动测试系统每个信号通道是否正常的检测，具有自检时间短、故障定位准确等优点。

图2 复杂信号重构复用框图Fig.2 Diagram of complex signals reconstruction and multiplexing

图3 自检系统结构框图Fig.3 Diagram of self-inspection system structure

自动测试系统的自检功能原理是将两个待检资源对应的模拟多路开关端口通过ADG5412开关相连，所以称之为“配对”，如图3所示。 假设 a，b，c，d，A，B，C，D 均为待检端口，以 a，A 为例，自检时，将使能控制端1及使能控制端2置为有效状态，保证ADG5404及ADG5412开关导通，从“配对”的一个端口a输入信号经过开关ADG5412后从另一个端口A端输出，通过PXI工控机采集以判断该通路是否工作正常。如此，即完成了a与A所在信号通道的检测，同理，通过改变ADG5404地址控制端的状态，即可完成其它通道的检测。在系统自检完成后，将使能控制端2置为无效状态，使ADG5412开关处于高阻状态后，即可进行正常的系统测试。

此外，可根据系统的外部接口资源分配情况，以及外接被测对象的连线情况，通过合理的选择通道，可以自动实现对被测对象连接线缆正确与否的判断，从而避免误接线缆的情况发生，这个检测过程被称为线检。

3 系统软件设计

本测试系统软件使用图形化编程工具Lab-VIEW编写。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。同时，LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画形式显示数据及单步执行等，便于程序的调试[8]。根据系统的总体需求，将测试系统应用软件划分成多个功能模块，包括线检测试模块、系统自检模块、被测对象功能测试模块、故障诊断及报表生成模块。

系统软件流程如图4所示，其中测试系统故障诊断部分采用专家系统的诊断原理，即当计算机采集到被诊断对象的信息后，综合运用各种规则方法，必要时也可通过一定的人机交互，快速地定位故障点或者推断出可能的故障位置，最终反馈给用户，以帮助用户迅速排除故障[9]。与此同时，生成关于包含故障位置、故障点信息，可能的故障原因等一系列信息的报表程序并可打印输出。

图4 系统软件流程图Fig.4 Software process diagram of system

4 测试结果

应用上述技术，研制了某大型设备的自动测试系统。本自动测试系统很好地满足了某套设备多个分系统的测试需求，各种测试参数的指标均达到了设计要求，并且相对于用户进行手工测试操作大大节省了操作时间，同时测试操作的准确度也大大提高。图5展示了一个分系统的测试界面。

图5 系统测试界面Fig.5 Interface of system testing

5 结语

本文利用复杂信号的可重构复用等技术，设计了先进的自动测试系统，并实现了某大型设备各分系统的测试及故障诊断。该自动测试系统的突出特点是将模拟多路开关器件及继电器有机结合，通过优化信号资源复用，构建复杂信号重构复用模块，实现了对多类复杂信号资源在测试通道上的合理分配，极大地提高了系统资源的使用效率。同时，设计上也较为充分地考虑了系统可扩展性。对于新增被测对象，只需通过软件方式配置相应的接口信号即可满足测试需求。相比固定阵列的矩阵开关，该系统更适用于信号数量庞大的中型、大型测试系统，体现了较高的灵活性及性价比。此外，在系统硬件设计上，利用模拟多路开关等技术，使得自动测试系统具有自检和线检等功能。在系统软件设计上，还具有故障诊断定位功能，充分体现了先进自动测试系统的发展方向。目前该设备已投入使用，运行稳定可靠、测试效率高、使用维护方便。

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