可扩展硬件的自动化调试系统设计*

2018-09-07

单片机与嵌入式系统应用 2018年9期

(中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036)

引言

近年来，随着技术的日新月异，国家对高科技装备的重视和自身科研管理水平的不断提升，各专业领域产品数量年年递增。在此形势下，要保证产品质量，需要具备高效、可持续发展的装备生产能力，以适应未来工业4.0及中国制造2025的新要求[1]。目前，针对产品性能特性的测试需求越来越大，不仅要求测试项目集成度和精度高，而且对测试时间和效率的要求也不断提高。随着计算机和各种工控系统的进步，自动化测试系统发展比较成熟，有通用性的测试系统平台[2]，也有针对某种参数性能的特制自动测试系统[3-5]。

在装备生产过程中，不仅要对性能参数的合格性进行测试，同时在测试项目不符合或者偏离某种目标值时，需要对产品设计参数进行调整，因此必须对产品的性能特性进行调试，以优化产品设计参数，提高产品特性。现阶段主要采用人工调试、记录数据的方式，本文提出了一种自动调试系统，自动完成数据测试、记录保存、记录分析，并计算优化设计参数、重新配置产品参数等。该系统采用Python语言进行系统开发，其拥有对仪器控制的PyVISA模块[6]，可实现仪器接口的无关性，同时支持GPIB、LAN、RS232、USB等多种接口。Python支持中文编程，有利于对各种底层库函数进行中文封装，方便调试人员对调试过程的序列代码的理解，而且支持数据库操作和第三方模块包，可以利用PyQt开发系统界面[7]。

1 硬件系统结构

1.1 总体构成

为满足产品多样化、参数多种类的特性，调试系统硬件架构采用“计算机平台+控制线”的模式，可实现接口标准化(包括信号接口和硬件接口)、测试仪器可互换、测试通道可配置等。系统硬件结构如图1所示，主要组成包括主控系统、开关矩阵、通用测试仪表、产品控制接口适配器、程控电源系统。

图1 系统硬件总体构成

1.2 主控系统

主控系统采用基于NI的PXI可扩展系统，保证不同厂商产品互操作性的仪器级接口标准，能够针对不同仪器控制接口的不同，利用插槽可扩展GPIB、LAN、RS232、USB等控制接口。同时，PXI系统具有运行速度快、体积紧凑等兼容性特点。

1.3 开关矩阵

为保证多通道产品和多种测试仪表信号链路自动化切换，节省测试资源，增强系统的可互换性，减少仪器更换频次，提高测试效率，本方案利用开关矩阵[8]采用多种开关拓扑结构组成的混合开关系统，将具有模块化的各种开关资源灵活配置和级联，通过上层软件完成各种组态和切换，形成满足不同测试需求的高效开关系统。开关矩阵的设计原则是按功能进行模块划分和配置，同时与自动调试测试系统的信号接口相对应，有利于接口的扩展和形成模块化自动调试测试系统结构。综合考虑单位产品类型和信号接口通道数、测试仪器种类和测试项目，开关矩阵信号路由如图2所示，其中A、B、C、M、N为产品信号接口。

图2 开关矩阵路由图

1.4 产品控制接口适配器

基于产品协议以及控制信号的特性，对产品的控制和信号不能使用通用仪器进行控制，因此研制了基于产品的控制接口适配器，主要包括控制转换电路、电源监控模块。控制转换电路接收主控系统的控制信号，转换为产品协议的控制信号，控制产品的模式、频段等参数的设置。

1.5 程控电源模块

程控电源为不同产品提供所需的电压和电流，因此，程控电源具有多路和多范围电源输出，可同时连接多个模块。同时，程控电源具有远程控制、过载保护、多路电源监控等特点，监测流入产品的电流值，防止大电流烧毁产品的滤波器或功放管。

2 软件设计

系统软件平台主要功能模块包括人员登录、产品选择、调试模块、报表输出、数据查询。

① 人员登录：根据对调试人员的资格认证要求，仅允许满足条件的调试人员才能登录软件进行调试。

② 产品选择：从系统集成的多种产品中选择需要调试产品。

③ 调试模块：根据编写的调试流程代码，按照软件流程进行调试。

④ 报表输出：该功能将调试的数据保存于数据库中，并可将调试数据生成Word报表。

⑤ 数据查询：按模块和时间对调试数据进行查询，并可将查询的数据生成报表。

软件平台采用Python作为开发语言，其作为脚本语言，有支持中文的版本，能够将底层驱动模块进行中文封装，使得调试人员更容易理解调试过程代码，同时，Python支持第三方开发的模块包，运用方便。在底层设备驱动方面使用PyVISA模块库[9]，并使用中文对其进行封装，使得上层代码全采用中文进行编程。软件系统调试流程如图3所示。

图3 软件调试流程图

3 系统试验

选取某型产品，调试该产品功率和调制度指标。搭建系统调试环境，选择SMB100A用于不同频率的信号源，选择HP8920B综测仪用于调制度测试，按照开关矩阵连接图将通用仪器、被调产品的信号、控制接口连接到相应位置，系统搭建实物如图4所示。图4(a)中左边为通用仪器，可根据需要更换不同仪器，右边为显示界面；显示界面后面板块如图4(b)所示，程控电源在最上面，可以多路输出，中间设备为PXI机箱，适合各种板块的扩展，最下方为开关矩阵，可通过上层软件控制信号路由。

图4 系统搭建实物图

开启软件，人员登录后选择产品型号及所需调试的功率和调制度指标选项，执行开始后，调试数据显示到软件界面，同时后台保存到数据库，方便数据的查询和分析。软件调试代码采用中文封装，调试代码与调试工艺文件相结合，一条代码代表一条调试工艺，使得调试代码容易被调试人员理解。部分实现代码如下所示(根据模式和通道的不同，可自由组合各种调试类型)：

def 功率和调制度测试(模式，通道)：

仪器初始化()

产品初始化()#设置产品工作模式和通道

产品1.设置工作状态(模式，通道)

综测仪1.设置音频1关()

#控制PTT端口输出信号

PTT端口.PTT1发射()

功率=功率计1.读发功率()

综测仪1.设置音频1幅度(0.25V)

综测仪1.设置音频1频率(1000Hz)

综测仪1.设置音频1开()

调制度=综测仪1.读调制度()