基于PXI某处理器模块ATE设备的设计与实现

曹兴冈， 赵 斌

(中国航空计算技术研究所，西安 710068)

0 引言

随着电子技术与计算机技术的飞速发展，以总线技术为基础的自动测试系统(ATS)[1]已逐步成为处理器产品可靠运行的重要保障。测试总线应用于测试与测量领域内，它是构成一个自动测试系统的核心，其技术进展决定着整个ATS技术的发展方向。

自20世纪70年代GPIB总线以IEEE 488标准为名发布以来，测试总线标准已经快速发展，其间先后出现了GPIB、VXI、PXI、PXIe、LXI、AXIe等测试总线标准[2]，其不断推陈出新的发展历程推动着整个测量与控制领域发生了巨大变化。

基于PXI总线技术综合优势，某处理器模块测试平台优先选用PXI平台。本文重点介绍基于PXI平台某处理机模块ATE设备，主要包括系统结构、测试方法、软件结构、计量校准等。

1 系统结构

ATE设备的所有组件集成在19标准机柜内。包括主控机、PXI机箱(包含功能板卡)、接口适配箱、模块适配器、程控直流电源等。系统电源带有限压、限流功能，并带有过压、过流保护功能，在系统设计时也增加了回路的过压、过流保护功能[3]，支持程控上下电、电压电流回读等，保证系统和被测件的安全可靠。

系统软件配合各硬件模块和信号接口模块，既可以针对某个参数测试，也可完成全部参数的测试。测试完成后，系统自动存储测试结果，并根据用户的需要生成指定格式(Excel或Word等)的测试报表。系统结构示意图如图1所示。

图1 系统结构示意图

2 系统硬件设计

重点对某处理器模块中地信号处理、供电电源、直流模拟信号、离散量信号、DPRAM模块、数字逻辑模块、串口通讯及适配器等硬件接口进行介绍。

2.1 模块地信号处理

处理器模块接口母板上+15 VGND、-15 VGND、28 VGND和GND(5 V)分开设置，分隔间距>=30 mil。内层负片分割时，划分的区域与表层一样。地和电源不允许跨越相对应的区域内。需要连接的地之间采用磁珠或0欧姆电阻相连，实现一点接地,电源和地采用独立层，减少对信号的干扰。

2.2 供电电源

通过一台模块化电源：三块0～20 V/5 A和一块0～40 V/2.5 A直流电源，结合数字信号控制功率开关完成给被测件供电，电源可以软件控制上、下电。功能实现框图如图2所示。

图2 供电电源接口功能框图

处理器模块电源的供电采用互斥设计，保证在测试时只有一台电源对UUT供电。同时根据模块的供电需求，测试软件设定相应的过压、过流保护。

选用的功率开关的性能指标为：60 VDC，10 A。

电源供电技术参数：

1)+5 V：5 V电源，电流<2.4 A；

2)+15 V：15 V电源，电流<0.1 A；

3)-15 V：-15 V电源，电流<0.1 A；

4)+28 V：+18～+32 V电源，电流<0.1 A。

2.3 直流模拟信号

ATE设备配置2块D/A板卡。一块带有12路14位输出通道，每个通道能够输出-10～+10 V的模拟电压信号，经调理板调理后，能够完成给UUT 28 V(通道有效测量参数范围18～32 VDC )四路、5 V(通道有效测量参数范围1～20 VDC)二路、15 V(通道有效测量参数范围1～20 VDC) 二路、-15 V(通道有效测量参数范围-20 V～-1 VDC) 二路直流输入通道电压信号；带有32路14位输出通道，直接输出至30路±10 V模拟量输入通道，完成测试。直流模拟信号功能实现框图如图3所示。

图3 直流模拟信号连接电路示意图

2.4 离散量输入信号连接电路

UUT离散量输入信号(针对UUT)包括 “5 V/地”信号、“地/开”和 “28 V/开”离散量信号。“5 V/地”信号由数字输入输出模块实现。“地/开”和 “28 V/开”离散量信号由离散量输出模块实现。输出离散量信号的板卡是通过RS485串口控制的信号开关板卡[4]，继电器切换响应时间小于20 ms，系统能够在25 ms之内发出离散量信号。

通过测试内部的RS-485总线控制信号开关模块输出结合UUT的地端口(0 V)电压信号完成给被测设备提供“地/开”离散量信号。离散量输入信号连接电路示意图如图4所示。

信号开关器件指标为：30 VDC，0.5 A；带载使用寿命>100 000次。

1)接地/开路输入34路，其中地信号：测量激励电流2～3 mA时，电压不大于3.5 VDC，开信号：通道电压30 VDC时，漏电流不超过100 μA；

2)28 V/开路输入32路，其中28 VDC信号：测量激励电流2～3 mA时，最低识别电压为16 VDC，开信号：30 VDC时，漏电流不超过100 μA；

图4 离散量输入信号连接电路示意图

2.5 离散量输出(相对UUT)信号连接电路

数字量输入模块卡的30 V离散量隔离数字采集通道，能够采集UUT的地/开离散量信号和28 V/开离散量信号[5]；离散量信号采集连接电路示意图如图5所示。

图5 离散量输出信号连接电路

数字量输入模块的隔离采集端口具有：输入通道高隔离电压(2 500 VDC)；高过压保护(50 V)；有效输入范围宽(5～30 V)。并具有双向导通能力，即使信号反接依然不会损坏板卡。此模块还提供系统离散量自检功能。

2.6 DPRAM模块

ATE设备提供DPRAM模块，模块按照接口处理板上功能设计，提供3片IDT7024 DPRAM，电平为TTL(+5 V)。因此，接口电路除控制DPRAM读写外，还需要对电平进行转换。处理器模块通过片选信号选择不同的DPRAM进行读写操作，操作完成后，ATE设备通过DPRAM模块上内置的MCU将UUT选定的芯片对应地址的数据读出并与预期值比对。DPRAM连接图见图6。

图6 DPRAM接口测试连接示意图

2.7 数字逻辑模块

数字逻辑模块仿真Local Bus总线[6]信号，作为处理器模块的外部设备。处理器访问局部总线时可对数字逻辑模块上的存储单元进行读写。ATE设备通过串口获取相关存储单元数据并判断处理模块读写是否正常。测试连接示意图见图7。

图7 Local Bus测试连接示意图

2.8 串口通讯连接关系

一个串口模块由8路串口组成，其中每一路可通过拨码开关完成RS232、RS422、RS485间的转换，最大速率115 200 bps，实现和UUT的串口通讯。串口连接关系如图8所示。

2.9 适配器方案

ATE设备配置适配箱+模块适配器实现UUT信号的转接和调理。适配箱后面板通过连接器连接ATE设备端的各输入输出通道和台式设备，经过各个调理模块后通过连接电缆把各个测试接口引出，与模块适配器连接。

适配箱前面板有测试孔，可满足用户在测试时测量各个信号状态的需求。模块适配器通过模块连接器与被测件相连，将需要测试的端口和信号引出，并通过电缆与接口适配箱连接。

3 选用的PXI平台主要硬件配置及优良特性

基于PXI平台[7]处理器模块ATE设备硬件配置及优良特性： PXI机箱选用PXI-1044 型14槽机箱，温度范围为0～55 ℃，采用标准化设计，支持PXI2.2版标准；19寸标准机柜，采用强制风冷设计，达到良好的散热效果。

ATE设备采用程控模块化电源给UUT(被测件)供电，共计4个模块，其中0～20 V/5 A 三块，0～40 V/2.5 A一块，支持程控上下电、电压电流回读等，满足处理器模块供电的需要。

64路数字I/O模块实现数字量的输入输出检测。

采用Moxa八通道多功能串口卡(每个通道均可设置为RS232、RS422、RS485)实现RS232、RS422、RS485接口的通信测试。

采用双通道ARINC825D板卡实现ARINC825D数据总线测试。

采用双通道AIM AFDX或所内生产的AFDX仿真卡实现AFDX总线端系统的通信及相关测试。

采用4发4收ARINC429板卡实现ARINC429数据总线的通信测试。

采用12路D/A模块配合信号调理板(将D/A输出的±10 V调理至±32 V)实现28 V，+15 V，-15 V模拟量输入通道的测试。

采用32路D/A，输出±10 V电压满足30路±10 V模拟量输入通道的测试；

采用定制的数字逻辑模块实现对LBE总线的仿真，实现LBE总线地址、数据、片选、读写等信号的时序逻辑测试。

三块32路离散量模块和两块32路开关模块实现28 V/开离散量、地/开信号的测试。

数字万用表实现系统的自校准和相关电压的测试。

测试系统通过仪器面板接口和适配器完成输入输出信号的切换和供电，将UUT(被测件)通过适配底板和系统连接起来，形成一个完整的测试系统。

4 测试项及测试方法

4.1 BIT测试

处理器模块上电后，ATE设备从串口获取模块BIT[8]信息并显示。

需要单独对处理器模块其中一项进行测试时，通过串口发送BIT测试项指令并回读测试结果显示。

4.2 电源测试及拉偏测试

电源测试包括：模块上各种电源电压测量等。采用开关模块配合数字表测量电压，并对其进行记录。

ATE设备获取数字表测试结果，解析后在用户界面显示并记录。

将UUT供电电压拉偏至UUT供电需求的上、下限，并完成UUT相关的BIT、I/O端口测试、通讯测试等全部测试是否合格，ATE设备将测试结果通过软件界面显示出来，并记录形成测试报告。

4.3 离散量测试

通过数字量输入输出模块、离散量输出模块输出离散量信号，给指定通道置位(逻辑1或0)，通过串口回读该通道的状态值并比对，显示结果。

4.4 直流模拟量输入采集测试

通过模拟量输出D/A模块给指定模拟量输入通道输出设定电平值，处理器模块采集该通道电平值后上报给ATE设备，ATE设备比对结果并显示。

4.5 ARINC825数据总线通信测试

ATE设备通过ARINC825板卡给处理器模块响应的ARINC825通道发送数据，波特率设置为100 kbps，处理器模块收到数据后回传给ATE设备，ATE设备收到数据后比对并显示结果。

4.6 ARINC429数据总线通信测试

ATE设备通过ARINC429板卡给处理器模块响应的ARINC429通道发送数据，波特率设置为100 kbps，处理器模块收到数据后回传给ATE设备，ATE设备收到数据后比对并显示结果。

4.7 AFDX端系统测试

为了测试AFDX 终端系统网络通信的性能、功能以及协议符合性，一个终端节点通过网线连接到AFDX仿真模块，主要完成终端系统的功能测试、协议符合性测试以及性能测试。

以基本帧为例的接收测试方法如下：

1)ATE设备创建发送端口配置表、发送VL 配置表、接收端口配置表、接收VL 配置表以及端系统配置表，然后通知端系统进行加载；

2)ATE设备将其速率设置为100 Mbps，然后构造100 帧数据，将其发给终端系统；

3)终端系统收到数据帧后用发送端口将其收到的数据返回给ATE设备；验证ATE设备的相应端口接收到相应数目的有效数据帧。

4.8 DPRAM接口测试

处理器模块读写ATE设备提供的DPRAM接口模块，读写完成后，ATE设备通过串口读取相应芯片及地址的数据并与预期值比对，确认处理器模块能否正确读写DPRAM。

4.9 Local Bus总线测试

数字逻辑模块仿真Local Bus总线信号，作为处理器模块的外部设备。处理器访问局部总线时可对数字逻辑模块上的存储单元进行读写。ATE设备通过串口获取相关存储单元数据并判断处理模块读写是否正常。

4.10 以太网接口集成测试

以太网接口通过主控机以太网接口与集成ATE设备进行数据通信，采用ping命令进行通信。

ATE设备将测试结果通过软件界面显示出来，并记录形成测试报告。

4.11 串行通信接口

RS-232、RS-422、RS-485串行通讯接口，采用8路的多功能串口卡，数据收发正常。ATE设备将测试结果通过软件界面显示出来，并记录形成测试报告。

4.12 功耗测试

模块上电后，通过串口回读程控电源的直流电压、电流数据，并计算和检查测试结果，得出模块的功耗并记录。

5 系统自校准和计量

系统校准采用原位计量校准，预留测试接口，减少拆装。使用适配器引出系统测量资源测试点，使用外部校准设备对其进行计量。需要提供的资源包含：六位半数字万用表一台。

计量时采用经过校准的数字万用表检测ATE设备的输出模拟信号，根据在量程范围内的测试结果对输出通道进行标校；数字通道采用回绕测试的方法进行计量。

在校准时，主要针对ATE设备所需要的指标校准，校准的精度不低于5‰。在系统校准时，通过系统预留的校准接口，将需校准的模块的测试通道通过电缆与标校仪器设备相连，按照使用标准源比对的计量方式即可完成对系统中各个接口的计量。系统计量示意图见图9。

图9 系统计量示意图

6 软件设计

6.1 测试软件组成

软件是处理器模块通用ATE设备的主要部分，将设备中每个模块的功能有机结合，并使整个设备的运作有效稳定。ATE设备应用软件组成如图10所示。测试操作系统选择主流的成熟稳定的Windows 7系统，LabVIEW提供了直观的图形显示界面，使开发的应用程序具有良好的人机界面，方便用户操作。整个系统软件包括：硬件配置模块、系统自检模块、参数设置模块、UUT识别模块、模式选择模块、单元测试模块、数据处理模块、报表生成模块和在线帮助模块[9]。

图10 ATE设备软件组成框图

该软件由两大部分组成，第一部分是由按钮组成，包括“系统自检”、“系统校准”、“UUT识别”、 “模块测试”、“报表输出”和“退出”等按钮。软件把操作员常用到的功能都放到桌面上；另一部分则是菜单项，一些不常用到的附加功能则放到菜单中，如“读取/保存配置文件”等文件操作功能。“自动手动测试”选择项放到“模式选择”菜单项。在线帮助也放到菜单中。

6.2 测试流程

用户使用软件进行测试的总体流程如图11所示。在运行模块测试软件后，对系统中的硬件进行初始化配置。在测试之前，首先要对设备中需要的测试模块进行自检，保证ATE设备自身状态正常。然后确认被测件UUT工作准备状态是否正常，进行手动/自动模式选择，开始执行测试与数据结果处理。在执行测试过程中，当测试项不合格时，测试系统通过出错对话框、出错状态指示灯提醒操作人员及时进行故障处理。

图11 测试软件总体流程

测试完成后，系统软件能够对测试结果分析统计、合格项判定，测试结果以测试报告的形式输出，方便用户查阅和打印。

在实现此测试任务的过程中，主要包括：

1)系统自检功能：主要是通过调用程控模块的测试函数来检测模块是否能上电后正常工作。

2)系统校准功能：主要是通过给系统输入标准数字、模拟信号，然后采集信号来判断测试系统是否能正常工作。

3)UUT类型选择：该模块负责检测被测件的类型，通过用户设定的UUT类型匹配硬件设置，进行UUT设备的加电操作。

4)参数设置功能：包括硬件参数的设置，即对采集通道采样率，量程等的设置；还包括测试参数判据的设置，即对测试结果合格与否的阈值设置，测试系统根据设定的阈值自动判定测试结果；另外还有手动和自动测试模式选择。

5)模块测试功能：模块各个测试项的测试。

6)报表输出功能：输出word或excel格式的测试结果。

7)在线帮助功能：提供系统的在线使用方法。

以上多个功能结合、结合其它的质量要求而形成了测试工作的功能、性能、可靠安全性要求，达到能完整测试处理器模块性能的综合指标测试任务要求。

7 试验结果与分析

基于PXI平台某处理器模块ATE设备已经成功完成与被测件UUT及外部交联设备联试，设备技术指标满足协议要求，测试覆盖率95%以上，被测件UUT经过ESS、高低温工作、功能振动等试验测试验证，其功能、性能满足应用要求，装机使用正常。

8 结束语

基于PXI平台某处理器模块ATE设备设计与实现，以先进的PXI测试平台为核心，其硬件系统结构设计采用模块化、标准化原则，通用性及推广性强。利用LabVIEW软件，配合NI的标准软硬件产品，系统开发周期短，并具有良好的可扩展性和可移植性。在充分考虑自动化测试效率及测试覆盖率同时，配置自身计量校准功能，其通用性、先进性可广泛应用于航空航天电子产品及设备功能、性能测试等领域。