基于虚拟仪器的电路板单板测试系统

王苏敬，阎兆允，刘 冰，康 旭，郭旭刚

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

基于虚拟仪器的电路板单板测试系统

王苏敬，阎兆允，刘 冰，康 旭，郭旭刚

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

利用集成测试和虚拟仪器的设计思想，设计基于虚拟仪器的电路板卡测试系统，从系统的整体结构及原理、硬件和软件设计开发进行了阐述。实际测试结果表明该系统可以大大提高测试的准确度和效率，具有很好的实用性和扩展性。

电路板测试；Lab VIEW；虚拟仪器；PXI

根据各被测板卡的性能特点，采用虚拟仪器技术，实现了对电路板单板进行高速、可靠的测试，为产品批量生产的质量检验和维护维修提供依据，确保出厂产品的质量及可靠性。以下从测试系统整体结构及原理、硬件设计和软件设计3部分对该系统进行详细的阐述与分析。

1 虚拟仪器技术

虚拟仪器技术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［1］。同其他技术相比，虚拟仪器技术具有4大优势。

高性能：虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全＂继承＂了PC技术的优点，包括功能卓越的处理器和文件I/O，在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。

扩展性强：只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。

节约时间：在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。

无缝集成：NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，可轻松地将多个测量设备集成到单个系统。

PXI总线方式是虚拟仪器5种总线方式中最新的总线技术，是在PCI总线技术基础上增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的。

电路板单板测试系统中被测板卡种类较多，被测信号繁多，且开发时间有限，基于虚拟仪器技术的高性能、扩展性强、节约时间和无缝集成的特点，所以本测试系统采用基于PXI总线的虚拟仪器技术进行开发。

2 测试系统整体结构及原理

测试系统实现背板导通和电阻测试、其他功能板卡的功能测试和部分性能测试。测试系统能够实时采集、显示、打印和保存测试结果。测试类型分自动测试和手动测试，自动测试指可在无人工干预状态下完成板卡的测试工作，用于批量生产的出厂测试；手动测试指有人工操作状态下对板卡进行单项测试，确定故障位置甚至元器件，用于售后板卡维修和批量生产自动测试时有故障的板卡。测试项目包括：

导通测试：验证输入输出端口的导通情况，通过测量其两端电阻值的大小来判断其导通情况。

电源电压特性试验：使电源电压为70，110，140 V，检测电源板的输出电压值，查看其是否在允许的范围之内。

开关量输出检测：用于验证开关量输出功能，通过模拟不同开关量的动作条件，检测查看其输出是否正常。

模拟量输出检测：用于验证模拟量输出功能，通过CAN总线设置模拟量的输出，检测查看其输出值大小是否正常。

开关量输入检测：用于验证开关量输入检测功能，输入实际的开关信号，通过CAN总线通信输出的数据，判断输入电路是否工作正常。

模拟量输入检测：用于验证模拟量输入检测功能，输入实际的模拟信号，通过CAN总线通信输出的数据，判断输入电路是否工作正常。

PWM波输出检测：验证板卡PWM输出功能，通过CAN总线设置PWM的输出，检测查看其PWM输出是否正常。

PWM波输入检测：验证板卡PWM输出功能，输入实际的PWM信号，并变化高电平电压为77，110，137 V，通过CAN总线通信输出的数据，判断PWM输入电路是否工作正常。

通讯测试：验证RS232、RS485、CAN和MVB通讯功能。

在硬件方面采用基于PXI总线的机箱、控制器及模块化测试仪器，充分发挥了PXI总线的优势，为准确、快速的单板性能测试提供硬件保障。测试系统总体设计结构如图1所示。

图1 测试系统总体设计结构图

测试系统由PXI总线数据采集单元、电源、信号调理转换、接口转换板卡和显示及打印单元等组成。PXI总线数据采集单元要能对信号进行处理和分析；电源部分要能给被测试板卡及数据采集单元供电；信号调理单元对采集到的模拟和数字信号进行处理，并将信号输入给PXI总线数据采集单元，同时对被测板卡提供模拟输入信号和数字输入信号；为实现测试多种电路板和多种测试信号类型的需求，采用信号复用技术，接口方面配备相应的接口转换板工装。

在测试软件开发方面选用NI公司的Lab VIEW图形化开发环境，引入虚拟仪器的概念，采用软件编程方式最大限度的对硬件资源进行配置和使用，使系统的通用型、可重用性以及可扩展性得到极大的提高。测试系统软件设计了丰富的人机交互界面，保证试验操作直观简单。

3 测试系统硬件设计

测试系统由以PXI嵌入式控制器为核心的工业控制器、数字量输入输出、模拟量输入输出、矩阵开关、信号调理板和接口转换板组成。PXI嵌入式控制器选用PXI－8133高性能嵌入式控制器，配有1.73 GHz的4核处理器和2 GHz DDR3内存，具有高速USB、以太网、RS232、GPIB等外部接口。

系统的硬件结构图如图2所示。

图2 系统硬件结构图

4 测试系统软件设计

图3 测试软件结构图

电路板测试系统测试软件选用NI公司的Lab-VIEW平台进行编制。Lab VIEW是由美国国家仪器公司（National Instrument）推出的一种高效的基于图形开发、调试和运行的集成化环境［2-3］。测试软件采用模块化的设计理念，将常用的能单独划分的功能模块设计成成熟的子VI（Visual Identity system），供测试程序调用。测试程序模块调用结构图见图3所示。

实施试验阶段，测试软件依据测试者选择的板卡类型及具体型号确定测试项目和测试步骤，然后调用相应的子VI，而子VI则调用PXI板卡底层驱动API，试验结果经底层驱动API和子VI最终返回给实施试验主界面，方便用户进行测试结果的判断、查看、保存及打印等功能。

测试软件的人机交互界面包括：系统初始化、实施试验和试验数据管理。系统初始化阶段测试系统首先进行软硬件的初始化，然后进入软硬件功能的自检，通过自检后方可进行试验；实施试验负责板卡类型和具体型号的选择以及自动和手动测试模式的选择；试验数据中数据管理负责试验数据保存菜单项的选择、测试结果打印和查询。

系统初始化是系统启动时自动进行的操作，也可手动触发系统自检功能，由主程序逐个调用各功能模块的自检来实现。实施试验界面是测试任务的执行界面，根据测试板卡类型和具体型号来调用相应的测试子程序实现各测试功能，完成测试任务。调用方法均采用动态调用方式如图4所示。

图4 PWM测试调用方式

系统软件的操作流程如图5所示。

图5 电路板单板测试流程图

5 试验测试

通过对电路板单板的测试诊断，验证了测试系统的功能。下面以电源板和控制板PWM输出测试为例。

电源板块输入电压范围为：DC 70 V～140 V，输出有DC 5 V、DC 15 V和DC 24 V。测试时输入电压分别取70，110，140 V，在这3个输入电压情况下，电源板均应正常工作，输出电压应稳定可靠。测试结果见表1。

表1 电源板试验测试结果 V

PWM输出测试通过CAN总线下发目标频率输出值，DC 110 V PWM信号经降压隔离后进入PXI-6602采集板块，比较采集的频率值和标准值得出测试结果，PWM输出测试如表2。

表2 PWM输出测试结果 Hz

由表1和表2可以看出，测量值都在规定范围之内，说明电路板符合指标要求。

6 结束语

依据集成测试和虚拟仪器的设计思想，研制了电路板单板测试系统，实现了对不同类型的电路板进行功能测试与故障判断的功能。使用基于PXI系统的硬件平台，以Lab VIEW为软件开发环境，按照模块化设计方法，构建测试系统。整个测试系统集成度高、扩展性好、操作简单，充分体现了虚拟仪器的优势，具有良好的应用前景。

［1］ 童 刚.虚拟仪器实用编程技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］ 刘 胜，张兰勇，章桂荣，等.Lab VIEW 2009程序设计［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［3］ 胡仁喜，高海宾.Lab VIEW 2010中文版虚拟仪器从入门都精通［M］.北京：机械工业出版社，2012.

Development of Circuit Board Test System Based on Virtual Instrument

WANG Sujing，YAN Zhaoyun，LIU Bing，KANG Xu，GUO Xugang
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Circuit board test system is designed based on the design idea of integrated test and virtual instrument.The principle structure of system，hardware and software design is described in detail.The test results show that the system can greatly improve the accuracy and efficiency，and has good usability and expansibility.

circuit board testing；Lab VIEW；virtual instrument；PXI

TP206＋.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.07

1008－7842（2014）01－0038－03

2—）男，助理研究员（

2013－09－27）