基于PXI平台的环境试验并行测试系统设计

张 倩，张 硕，侯燕春

基于PXI平台的环境试验并行测试系统设计

张 倩1，张 硕2，侯燕春1

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 中国航天系统科学与工程研究院，北京，100048）

为提高测试的通用化、自动化、智能化，缩短试验时间，节省试验成本,提出了一种基于面向仪器系统的PCI扩展（PCI Extensions for Instrumentation，PXI）平台的自动流程执行架构，以及柔性测试流程配置的环境试验并行测试系统，该并行测试系统在换流器等产品环境试验中得到了应用，并实践验证取得的效果良好。

环境试验；PXI总线；LabVIEW状态机；自动测试系统

0 引 言

环境试验广泛开展于航空航天、军工、电子、通信、机械等领域，用于保证电子产品使用过程中的安全性、可靠性和可行性[1]。在环境试验实施的过程中要实时监测电子产品的性能指标，电子产品种类数量多、测试数据量大、测试时间长，依赖传统的监测方法和监测设备已经很难适应一键测试、自动判读、高效率、高扩展度等要求，而采用虚拟仪器技术，基于PXI平台的测试系统具有测试效率高、定位故障快速、自动化水平高、可靠度高及操作柔性化等特点，该技术在电子产品设计、生产、测试和检验中得到了大范围的应用[2]。因此基于面向仪器系统的PCI扩展（PCI Extensions for Instrumentation，PXI）平台的测试系统是实现环境试验并行测试的有效解决方案。

本文设计的并行测试系统以自动测试系统（Auto Test System，ATS）技术为核心，采用的虚拟仪器技术在各种测量与控制、电子行业工程设计和应用的用户中应用颇广[3]。在环境试验并行测试系统的研制中，贯彻“软件即仪器”的思想，运用基于PXI平台的虚拟仪器技术，采用面向信号的开发方法，实现了一套硬件平台满足多种产品的通用电信号监测需求[4]。

本文运用自动测试和判读技术，通过LabVIEW开发软件创建自定义的测试流程，选用通用化的PXI总线模块集成系统硬件平台，Access数据库配置针对不同电子产品测试需求的自动测试流程，建立一种面向信号、以LabVIEW状态机为基础架构，完成交直流电压、电流、阻值、频率、数字量、指令等信号的实时监测，并实现测试的自动判读和超差报警等功能。

1 系统原理及架构

环境试验中对电子产品性能指标检测过程主要为测试系统发出激励信号给被测产品，同时采集被测产品响应信号。以运载火箭测量系统的换流转接器为例，换流转接器的主要功能为将配电器提供的28 V输入一次电源变换为二次电源5 V和3 V的直流电压信号，二次电源输出为多路信号，然后分别供电给箭上传感器、变换器，参加环境试验时传统的测试台只能串行完成监测任务，测试台的主要功能为：

a）向换流转接器供电；

b）采集换流转接器输出电压、电流信号，具有多路电压信号检测通道和多路电流信号检测通道。检测的电压范围为-16～+1 V，检测的电流范围为0～2 A；

c）采集换流转接器工作正常信号，回采换流转接器的供电电压和工作电流。

采用Simulink仿真工具搭建换流转接器工作原理结构，实现对电压信号的输出模拟，可以动态观察仿真数据和输出结果。图1为Simulink仿真曲线，从曲线中可以看出，换流转接器按照要求输出的直流电压接近3 V。

图1 换流转接器输出信号仿真

针对换流转接器搭建的仿真模型可以为并行测试系统开发提供验证手段，通过测试平台监测换流转接器输出电压信号，验证了换流转接器工作是否正常，同时也验证了并行测试系统设计方案的可行性和正确性。

环境试验并行测试平台要满足换流转接器测试台的基本功能，能够实时并行采集多路信号，平台设计基于信号种类多、信号数量大、自动化检测、可拓展性等特点，利用PXI虚拟仪器技术，采用面向信号的系统建模方法，建立一套多功能的自动化闭环测试平台，该测试平台可以完成模拟量、数字量、脉冲、阻值、频率等信号的测试，以及激励信号的输出，并可实现测试的自动化判读。

并行测试系统分为硬件设计和软件设计，以换流转接器为例，系统架构如图2所示，可以实现对电子产品的动态监测，能够模拟产生符合各种测试条件的激励信号，对响应的信号进行采集与测量，实时同步显示测试结果便于观察，实时判读和处理测试结果，并进行超差判断和故障定位，测试流程结束后自动生成测试报表，存储测试数据等。硬件部分采用通用化集成设备，由主控制器、模块化仪器、信号转接适配器以及测试电缆组成。软件部分作为测试系统的核心，选择LabVIEW开发工具进行开放式的测试流程设计，实现对硬件平台的控制。

图2 系统架构

2 硬件设计

PXI是美国国家仪器公司NI推出的一种开放式开发工具，具有极高的性价比、驱动程序丰富可支持多种开发平台、易于升级和维护等优点。基于上述优点，环境试验并行测试系统的硬件平台设计将基于PXI总线架构实现。

PXI硬件由电源、电源测控组合、接口适配器、激励信号输出模块和信号采集模块。电源测控组合是硬件核心，主要由PXI机箱、PXI总线模块和外设设备组成，PXI核心平台集成标准信号输出与采集模块，实现标准信号的输出与信号监测；信号接口适配器可以满足通用化需求，是匹配不同的被测信号接口的一个适配环节，实现标准信号与箭上所需信号的调理转换及接口匹配；激励信号输出模块采用多功能板卡可以实现数字量、模拟量等信号输出，作为被测设备的激励输出，信号采集模块及数字式万用表，实现对各类信号的采集。

环境试验并行测试系统对火箭系统的多种电子产品均适用，包括配电器、换流转接器、模拟量变换器、数字量变换器、指令变换器、脉冲变换器以及环境参数传感器、变换器等。硬件平台设计如图3所示。

图3 硬件结构

3 软件设计

在虚拟仪器的用户测试应用界面设计中，取代了传统的仪器设备操作界面，由设计开发人员自定义设计界面，通过软件界面实现对硬件设备的控制[5]。系统软件开发的要点：底层硬件板卡兼容、测试流程通用、数据库文件有效管理、用户界面个性化设计、测试判读自动化等，系统选择LabVIEW作为软件开发工具[6]。并行测试系统软件设计共分为7个模块，软件架构示意如图4所示。

图4 系统软件架构示意

3.1 数据模型设计

3.1.1 硬件连接配置设计

硬件的连接包含：被测对象的电气接口端与信号转接装置输入端，信号转接装置输入端与信号转接装置输出端，信号转接装置输出端与多路复用开关输入模块，多路复用开关输入模块与测试系统端口。根据硬件的连接关系应建立相应的数据模型。

系统硬件的连接关系：

3.1.2 状态机设计

有限状态机在集成电路软件设计中广泛应用[7]，状态机执行的是一种固定式的流程，对于用户来说需要根据实际功能需要动态地改变执行的顺序。集成电路中常使用的三段式状态机由状态转移和具体状态中的逻辑组成，状态信号按照预先的功能设定可以在各个状态之间进行切换。状态机的主要用途是将控制逻辑分解成功能需求中要求的状态，在进行状态切换时无状态冲突、功能实现独立，同时将用户预期设计的功能分布在具体状态中进行实现。状态机由一个功能主循环和一个状态选择结构组成，通过寄存器数值的变化来实现状态切换。三段式状态机的框架的结构清晰，方便进行功能拓展和功能修改[8]。

自动测试的状态机转换逻辑关系如图5所示。

图5 状态机逻辑关系转换

系统上电后首先通过复位进入initial状态，对状态转移寄存器及相关功能寄存器进行初始赋值，直接进入idle空闲状态，在启动自动执行条件后进入自动测试流程，顺序读取测试步骤，按序执行“信号准备”“信号产生”“反馈信号等待”“信号采样”“判读分析”，根据判读结果确定“终止”的状态或“暂停”的状态来决定下一步进入的测试步骤，分别是停止测试、继续执行下一步测试步骤或者暂停测试。

3.1.3 自动化测试技术设计

环境试验中对电子产品性能指标的传统测试是由人工手动完成。人工手动测试不仅繁琐、时间成本高，且易出错。自动化测试的实现能很大程度地提升测试效率，自动判读和超差报警功能更是能有效地提高测试的准确性。

除硬件上采用PXI总线设计外，想要进一步实现自动化判读，还要对连接端口的数据模型和试验信息的数据模型进行优化设计。

接口数据模型反映了硬件端口对应联系，即被测对象端口、转接装置端口和仪器设备端口的关系信息。接口数据模型由被测端口信息UTOC、转接端口信息CTOC、仪器端口信息CTOS组成，数据模型的索引关系如图6所示，试验信息数据模型TESTNAME定义了被测端口和判据信息，接口数据模型和试验信息数据模型通过试验表单模型TESTLIST的索引获得试验的全面信息，更改其任意一个数据表内容可以自动反应到测试配置信息中。在实际测试时，只需选择相应的测试项目，即可按照数据表信息自动控制多路复用器和数字万用表完成相应的测试工作。

图6 数据模型的索引关系示意

3.1.4 数据库设计

LabVIEW访问数据库的方式很多，LabSQL利用Microsoft ADO以及SQL语言来完成数据库访问，简单易用[9]。它支持Windows操作系中任何基于OBDC的数据库，系统数据库架构设计中可采用Microsoft的Access数据库，建立基于关系数据库的硬件配置和流程配置的数据结构，具有很强的通用性。

数据库可由两部分构成：试验配置数据库与试验结果数据库。试验配置数据模型如图6所示，试验结果数据库分为试验结果、报警信息和操作日志3部分。

3.2 用户层设计

LabVIEW用户层设计可以按实际需求出发，进行个性化的界面设计，所具备的功能有：

a）用户登录窗口，包括测试产品类型选择、操作流程选择、用户口令等管理。测试产品类型选择，可任意选择配电器、换流转接器、直流信号变换器、交直流信号变换器、数字量变换器、指令变换器中的一种进行测试，在界面中可图形化设置测试参数以及操作；操作流程选择，在测试主界面中可以手动操作指令，选择信号、设置信号参数并控制信号输出，也可编辑自动操作流程配置文件，自动读取操作步骤。

b）权限管理功能，对测试流程TPS编辑，包括自动测试和手动测试。

c）Access数据库设计功能，对测试配置和测试数据进行编辑。

d）发送自动测试、暂停、停止等指令，实时控制PXI板卡。

e）人机界面中自动判读和报警功能。

人机界面采用文本框、表格、按钮、指示灯等控件元素组成，自动测试界面如图7所示，首先选择“自动测试”选项，进行自动测试流程，选择相应的测试配置，自动读取全部的测试信息，在测试界面会显示接口数据模型中原始节点配置关系，在“试验信息”会显示定义后的节点配置信息，在“实时数据”会显示测试内容、参考值和回采的信号值，选择合适的万用表工作模式和量程。在执行自动测试流程时，“自动测试”方式下可执行“开始测试”“停止测试”“暂停测试”或“导出结果”，判读合格自动顺序执行，判读不合格报警灯亮起，测试流程自动停止。

图7 换流转接器自动测试人机界面

4 结 论

以计算机技术为核心的自动化测试系统是实现电子设备功能和性能自动测试的重要手段[10]，本文详细介绍了电子产品环境试验并行测试系统的自动化设计方法，即采用PXI总线作为硬件平台，采用LabVIEW状态机作为软件平台，完成自动测试功能，实现了对航天电气系统换流转接器、传感器、变换器等产品在环境试验中的自动化测试与判读功能，测试效率大幅提升，平台具有很强的通用性，利用同一套硬件平台可完成不同产品测试任务的需求，该方法可为类似测试需求的系统设计作参考。

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Design of Parallel Test System of Environment Experiment based onPXI Platform

Zhang Qian1, Zhang Shuo2, Hou Yan-chun1

(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076;2. China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing, 100048)

In order to improve the universality, automation and intelligence of tests, an automatic process execution architecture based on PXI platform and an environmental test parallel testing system with flexible test process configuration are processed. The engineering application proves that this design method has good effect.

environmental test; PXI bus; LabVIEW state machine; auto test system

TP2

A

1004-7182(2020)02-0122-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20200223

张 倩（1988-），女，工程师，主要研究方向为运载火箭电气系统自动测试技术。

张 硕（1987-），男，工程师，主要研究方向为运载火箭电气系统软件开发和测评技术。

侯燕春（1984-），女，高级工程师，主要研究方向为运载火箭电气系统开发和设计。

2019-02-18；

2019-10-09