應(yīng)用領(lǐng)域：產(chǎn)品測(cè)試

挑戰(zhàn)：

 

      通過(guò)PXI 控制板卡和LabVIEW軟件，構(gòu)建一套比較完整齊全的PCB板的功能測(cè)試(FCT)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻視頻以及各種靜態(tài)參數(shù)（電壓、電流、頻率）的綜合性全自動(dòng)測(cè)試，對(duì)于新開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的PCB板，工廠無(wú)需頻繁更換測(cè)試硬件，只要添加制作一個(gè)測(cè)試夾具，重新連接線路，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)編寫(xiě)測(cè)試軟件即可。

應(yīng)用方案：

 

      使用NI公司的PXI控制硬件平臺(tái)結(jié)合NI的圖形化編程軟件LabVIEW快速并成功的開(kāi)發(fā)構(gòu)建出一個(gè)經(jīng)濟(jì)、靈活的PCB板功能測(cè)試系統(tǒng)(FCT測(cè)試系統(tǒng))。
該系統(tǒng)采用的PXI 控制板卡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻、視頻以及各種靜態(tài)參數(shù)(電壓、電流、頻率)的綜合性全自動(dòng)測(cè)試，并且通過(guò)LabVIEW軟件編程可以實(shí)現(xiàn)兼容GPIB,I2C,Modbus,TCT/IP等多種協(xié)議，通過(guò)VISA模塊庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串口隨意方式的數(shù)據(jù)處理，和數(shù)據(jù)交互顯示。

使用的產(chǎn)品：

 

軟件
LabVIEW 8.2.1 Professional Development System
National Instruments drivers
NI Vision 8.5 Development Module
NI Vision Acquisition 8.5.1
Composite Video Generator 5431
硬件
PXI-1045 18槽3U PXI機(jī)箱
PXI-6533 高速32位數(shù)字?jǐn)?shù)字I/O卡
PXI-6070E 多功能I/O卡
PXI-4070 數(shù)字萬(wàn)用表
PXI-5122 示波器卡
PXI-2565, PXI-2503多路繼電器板卡
PXI-4461 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集發(fā)生器
PXI-5431 視頻信號(hào)發(fā)生卡
PXI-1411 視頻分析卡
PXI-8420 RS232串口卡
PXI-8421 RS485串口卡
PXI-8331 卡
PCI-GPIB 卡
PPS-GW-3202 GPIB 接口電源

介紹

      現(xiàn)代化電子工廠車(chē)間批量生產(chǎn)的PCB電路板，除了要進(jìn)行ICT測(cè)試外，還要做最終打包出廠前的功能測(cè)試FCT(Functional Circuit Test)。利用NI公司的PXI 控制板卡和LabVIEW軟件構(gòu)建的一套完整的包含音頻、視頻及各種電壓，電流，頻率，開(kāi)關(guān)量等等的綜合性全自動(dòng)功能測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種不同的PCB電路板的FCT功能測(cè)試。通過(guò)該平臺(tái)無(wú)需頻繁更換測(cè)試硬件，新產(chǎn)品加入時(shí)，只需更換一個(gè)ATE測(cè)試夾具，按照PXI板卡的硬件資源分配，對(duì)測(cè)試夾具的插針進(jìn)行連線到其界面接口，最后修改相應(yīng)的測(cè)試軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB板的全自動(dòng)測(cè)試。
      該系統(tǒng)綜合了音頻，視頻的自動(dòng)測(cè)試，包含了GPIB，RS232，RS485， Ethernet等多種接口和通訊方式，測(cè)試方法簡(jiǎn)單，操作工人測(cè)試時(shí)只需要將測(cè)試夾具壓下、觀察上位機(jī)軟件畫(huà)面提示，測(cè)試完成后抬起測(cè)試把柄即可實(shí)現(xiàn)全功能測(cè)試，測(cè)試效率大幅提高。

正文：

1.  FCT功能測(cè)試現(xiàn)狀

 

      現(xiàn)代化電子工廠車(chē)間批量生產(chǎn)的PCB電路板，通常要進(jìn)行ICT和FCT的測(cè)試。
      ICT：IN Circuit test，ICT通常是生產(chǎn)中第一道測(cè)試工序，主要運(yùn)用ICT測(cè)試設(shè)備在線檢查單個(gè)元器件以及各電路網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)、短路情況。
      現(xiàn)在大多數(shù)的PCB板都會(huì)下載相應(yīng)的Firmware來(lái)對(duì)板卡進(jìn)行程序控制，通過(guò) ICT的PCB板雖然能夠準(zhǔn)確定位電子元器件的優(yōu)劣，卻無(wú)法對(duì)整個(gè)電路板的功能好壞作出判斷。這就需要測(cè)試工程師搭建一個(gè)適合PCB板的模擬電路環(huán)境，對(duì)電路板的TP(TestPoint)點(diǎn)進(jìn)行FCT功能測(cè)試。
      FCT：Functional Circuit test，主要是模擬成品的功能，運(yùn)用測(cè)試治具測(cè)試產(chǎn)品的功能是否實(shí)現(xiàn)的測(cè)試系統(tǒng)。
      現(xiàn)有的工廠產(chǎn)線對(duì)PCB的FCT功能測(cè)試，大多實(shí)現(xiàn)的是一對(duì)一的方式，即一種PCB對(duì)應(yīng)一個(gè)FCT功能測(cè)試臺(tái)。
      該種測(cè)試臺(tái)由測(cè)試工程師自己設(shè)計(jì)控制電路底板，連接I/O口到測(cè)試治具的針盤(pán)，然后編寫(xiě)底板Firmware模擬成品運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)PCB板電壓、電流檢測(cè)、以及相應(yīng)時(shí)序控制。一對(duì)一的方式雖然對(duì)測(cè)試工人是一種方便，但同時(shí)也意味著資源浪費(fèi)，在該類產(chǎn)品出廠后，該FCT測(cè)試臺(tái)也往往被束之高閣了。對(duì)測(cè)試工程師不斷的制版，編程，接線等等重復(fù)勞動(dòng)也是一個(gè)不小的工作壓力。

2.  PXI測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)想 

      隨著產(chǎn)品種類越來(lái)越多，測(cè)試功能越來(lái)越復(fù)雜PCB板來(lái)說(shuō)，普通的FCT功能測(cè)試臺(tái)已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)一些特殊的功能測(cè)試，例如：音頻，視頻等功能測(cè)試。能不能構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)試平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)大部分的FCT功能測(cè)試呢？首先我們?cè)O(shè)想的測(cè)試平臺(tái)必須具有如下測(cè)試功能：
1) 多路雙向高速I(mǎi)/O可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試治具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，能夠模擬I2C等協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB板的多數(shù)芯片的時(shí)序控制。
2) 多路模擬量輸入輸出，可以模擬一些波形信號(hào)作為PCB板的的輸入信號(hào)。
3)多通道可控制繼電器陣列，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)通斷控制。
4) RS232, RS485串口卡，實(shí)現(xiàn)串口協(xié)議通信。
5) 采集電壓，電流的程序控制萬(wàn)用表功能。
6) 可實(shí)現(xiàn)頻率，波形采集的示波器。
7) 視頻產(chǎn)生和采集分析功能。
8) 音頻采集分析功能。
9) 可編程電源。
10) 統(tǒng)一編程的軟件。

      針對(duì)如此多的功能實(shí)現(xiàn)，倘若都采用儀器設(shè)備，單從費(fèi)用上來(lái)說(shuō)構(gòu)建這樣一個(gè)復(fù)雜的FCT測(cè)試系統(tǒng)會(huì)是一個(gè)不小的開(kāi)支，這時(shí)我們想到了NI。NI作為測(cè)試測(cè)量業(yè)內(nèi)的專家，為我們提供了很好的技術(shù)服務(wù)，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的需求分析，幫我們推薦了上面的產(chǎn)品清單，我們僅花費(fèi)了最初一半費(fèi)用就最終實(shí)現(xiàn)了我們的系統(tǒng)構(gòu)想。

3. 系統(tǒng)構(gòu)架組成

      以往一個(gè)簡(jiǎn)單的FCT功能測(cè)試臺(tái)，測(cè)試治具是必須的，然后根據(jù)PCB板的不同功能需求，設(shè)計(jì)制作各種功能的電路底板，然后接線到針盤(pán)底座，最后對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編寫(xiě)Firmware軟件。大多通過(guò)液晶屏顯示測(cè)試結(jié)果，復(fù)雜一些的還需要通過(guò)串口與上位機(jī)編寫(xiě)的PC軟件進(jìn)行通信控制，以實(shí)現(xiàn)各種測(cè)試功能。
      基于PXI的FCT功能測(cè)試臺(tái)讓測(cè)試工程師從頻繁的設(shè)計(jì)制作各種電路板，無(wú)休止的編寫(xiě)Firmware軟件，不斷的連接布線中解脫出來(lái)。
      該FCT功能測(cè)試平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)架主要有如下優(yōu)勢(shì)：
      1) 統(tǒng)一的硬件資源分配。
      將各種型號(hào)的PXI板卡插入PXI-1045 18槽3U機(jī)箱后，按照各種
板卡的接口地址，進(jìn)行統(tǒng)一資源分配。通過(guò)SCSI接口電纜將端口線引出到我們稱之為“Interface Receiver”的機(jī)架側(cè)面上。
      2) 統(tǒng)一的測(cè)試治具接口。
      該“Interface Receiver”的頂端是一個(gè)固定尺寸的針床底座。通過(guò)統(tǒng)一尺寸的測(cè)試治具底座接口，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了將待測(cè)PCB板的TP(TestPoint)的信號(hào)引入到PXI板信號(hào)采集端。
      3) 可編程電源控制。
      通過(guò)GPIB控制可編程電源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種待測(cè)PCB板一定范圍內(nèi)任意電壓，電流的穩(wěn)定供給。
      4) 統(tǒng)一的上位機(jī)軟件控制界面。
      利用LabVIEW8.2.1的圖形化編程軟件，規(guī)范統(tǒng)一了上位機(jī)軟件編程界面，對(duì)各個(gè)板卡的操作實(shí)現(xiàn)了模塊化編程，大大提高了編程效率。
      5) 合理的機(jī)柜布局。
      因?yàn)槭且粋€(gè)綜合的FCT測(cè)試系統(tǒng)，必然要對(duì)設(shè)備有個(gè)合理的布局，我們采用了2m×1.2m×1.4m的機(jī)柜，分5層布局，由下往上依次設(shè)備是可編程電源，PXI設(shè)備，測(cè)試夾具， PC機(jī)，視頻監(jiān)視器，PC顯示器。這樣的一個(gè)機(jī)架緊湊而合理。

最終我們構(gòu)建的測(cè)試架如圖1所示。

 

4. PXI測(cè)試硬件構(gòu)成分析

1) PXI-6533, PXI-6070E的選擇
      PXI-6533 擁有32條數(shù)字I/O線 (5V TTL/CMOS)，速度高達(dá)13.3 MB/s其中的任意兩個(gè)I/O完全可以模擬一個(gè)I2C總線協(xié)議。數(shù)量上也足夠滿足我們對(duì)PCB板I/O控制的需要。對(duì)于PXI-6070E的選擇我們看中的是它具有兩通道的模擬量輸出，可以通過(guò)軟件編程模型輸出一些特定波形，如正弦波、三角波等，很多時(shí)候可以作為音頻信號(hào)源使用。
2)  PXI-4070, PXI-5122, GW-3202   GPIB接口可編程電源
      待測(cè)PCB板屬于弱電，PXI-4070可測(cè)量高達(dá)±300 VDC的電壓和±1 ADC的電流充分滿足測(cè)試需求。另外對(duì)GW-3202通過(guò)GPIB接口軟件編程控制可以提供給測(cè)試夾具底板穩(wěn)定可靠的電壓電流，短路過(guò)電流時(shí)候還提供短路保護(hù)，非常安全。PXI-5122自然必不可少，14位分辨率的雙同步采
樣示波器，對(duì)于實(shí)現(xiàn)圖形分析，頻率測(cè)試，非常方便。
3) 視頻信號(hào)的測(cè)試分析。
      視頻檢測(cè)包括對(duì)視頻鏡頭采集清晰度的檢測(cè)和視頻芯片編解碼算法的檢測(cè)。PXI-1411具有單路彩色模擬輸入通道，結(jié)合NI Vision Acquisition 8.5.1軟件可以將光學(xué)鏡頭采集的視頻信號(hào)傳輸?shù)杰浖M(jìn)行分析處理。
      PXI-5431高精度模擬視頻信號(hào)發(fā)生器，可以模擬視頻信號(hào)源輸出到待測(cè)PCB板的視頻編解碼芯片，在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字視頻傳輸畫(huà)面到計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻編解碼芯片的測(cè)試。一個(gè)簡(jiǎn)單的視頻信號(hào)測(cè)試原理如圖2所示。

 

 

4)  音頻信號(hào)的測(cè)試分析。
      安防類電子產(chǎn)品中，音頻信號(hào)的測(cè)試是必須的。很多的產(chǎn)品音頻要求必須達(dá)到一定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。為了測(cè)試音頻，通常需要花大價(jià)錢(qián)購(gòu)買(mǎi)一套音頻分析儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)THD(諧波失真率)，S/N信噪比等精確測(cè)量。
      PXI-4461就是一款完全可以替代音頻分析儀的數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合NI的軟件模塊，可以非常方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的采集分析。
      另外，對(duì)于簡(jiǎn)單的音頻信號(hào)測(cè)試，可以通過(guò)PXI-6070E模擬一個(gè)正弦信號(hào)作為的待測(cè)PCB板的音頻信號(hào)輸入源，通過(guò)PXI-5122讀取音頻信號(hào)輸出端頻率，幅值的方法實(shí)現(xiàn)FCT功能檢測(cè)。
5 ) 其他PXI板卡的使用
      對(duì)于任何測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)，自然離不開(kāi)繼電器的控制，我們采用了多塊PXI-2565, PXI-2503繼電器板卡。
      PXI-2565擁有16個(gè)獨(dú)立的單刀單擲非鎖存繼電器可以方便的實(shí)現(xiàn)線路的控制。PXI-2503低壓多路復(fù)用開(kāi)關(guān)繼電器，在一些特殊電路上非常方便。PXI-8420 RS232串和PXI-8421 RS485串口卡各有兩個(gè)串口，擴(kuò)充了計(jì)算機(jī)的串口配置，通過(guò)VISA編程通信異常方便。PXI-8331 卡高速串口卡，用于跟計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高速通信。PCI-GPIB 卡 實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPIB接口設(shè)備的通信控制。構(gòu)建完成的PXI設(shè)備前面板如圖3。

 

5. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

 

      有了穩(wěn)定可靠的硬件，必須結(jié)合方便易用的開(kāi)發(fā)軟件才能真正的發(fā)揮系統(tǒng)的“十分”效能。NI公司的LabVIEW圖形化編程軟件使得我們的系統(tǒng)如虎添翼，真正發(fā)揮了出了PXI應(yīng)有的功能。
      軟件的前面板界面也進(jìn)行了劃分，主要由靜態(tài)參數(shù)顯示窗口，視頻測(cè)試窗口，音頻測(cè)試窗口，合格率計(jì)算窗口，信息提示窗口五部分構(gòu)成。前面板測(cè)試界面如圖4所示。

 

 

1) 靜態(tài)參數(shù)顯示窗口。
      主要對(duì)一些如電壓、電流的模擬量，TTL電平以及GPIO狀態(tài)或者相關(guān)串口通信信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示。軟件實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)對(duì)DAQmx模塊的調(diào)用，讀取PXI-6533，PXI-6070E、或者通過(guò)繼電器切換利用PXI-4070進(jìn)行讀取實(shí)現(xiàn)。參數(shù)測(cè)試完成，會(huì)將測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，供操作員查看或生成報(bào)表。

2) 視頻測(cè)試窗口。
      利用WebBrowser控件將PXI-5431產(chǎn)生的Color Bar視頻圖像再經(jīng)過(guò)待測(cè)PCB板編解碼后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)
Ethernet實(shí)時(shí)的顯示在該窗口，由操作員判斷圖像好壞。
3) 音頻測(cè)試窗口
      通過(guò)PXI-6070E的模擬量輸出通道模擬輸出了一個(gè)1KHZ，800mV的正弦波到待測(cè)PCB板的Audio In輸入端，通過(guò)PXI-5122示波器卡對(duì)Audio Out的輸出波形進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)照輸入端頻率幅值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)測(cè)量音頻信號(hào)。

4) 合格率計(jì)算框
      該框中對(duì)所有測(cè)試的PCB板數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，通過(guò)與失敗的一目了然，同時(shí)進(jìn)行了合格率百分比計(jì)算。該框中還包含了一個(gè)產(chǎn)品序列號(hào)的輸入框，操作員通過(guò)條形碼掃描槍將產(chǎn)品序列號(hào)掃入，即可作為該產(chǎn)品的唯一識(shí)別標(biāo)識(shí)登記到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
5) 信息提示窗口
      該窗口用于實(shí)時(shí)測(cè)試步驟的信息提示，提示操作員當(dāng)前操作步驟，當(dāng)測(cè)試出錯(cuò)時(shí)會(huì)紅色字體顯示出錯(cuò)代碼，提示操作員處理。軟件前面板主控界面如圖5所示。

 

 

      整個(gè)軟件程序框架采用了事件+狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)，狀態(tài)機(jī)是LabVIEW程序中最常用的設(shè)計(jì)模式之一，它由一個(gè)主循環(huán)和一個(gè)Case結(jié)構(gòu)組成，利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，在編程中我們利用了Typedef來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)枚舉值，構(gòu)建了模板，這樣可以很方便的添加減少狀態(tài)值。同時(shí)在狀態(tài)機(jī)的Idle狀態(tài)中加入事件結(jié)構(gòu)，當(dāng)每次狀態(tài)完成，跳轉(zhuǎn)到Idle狀態(tài)都會(huì)實(shí)時(shí)響應(yīng)操作員的界面操作，程序框圖如圖6所示。

 

 

結(jié)論

      通過(guò)NI公司先進(jìn)的PXI技術(shù)，能夠準(zhǔn)確而快速地對(duì)硬件進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集；同時(shí)PXI驅(qū)動(dòng)庫(kù)DAQmx與LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的無(wú)縫連接，利用PXI構(gòu)建的FCT功能測(cè)試臺(tái)， 雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號(hào)量較多，但是結(jié)構(gòu)調(diào)理，功能強(qiáng)大，易于修改，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了資源共享，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試，我們非常成功的運(yùn)用多臺(tái)這樣的FCT功能測(cè)試臺(tái)到了工廠的產(chǎn)線中，并且穩(wěn)定可靠。每次新產(chǎn)品釋放的時(shí)候，研發(fā)工程師只需要添加一個(gè)治具，根據(jù)資源分配表壓針，連線，修改軟件即可；大大減少了測(cè)試工程師的工作負(fù)荷。相信NI的產(chǎn)品在該行業(yè)會(huì)有更加深入的應(yīng)用。