基于PXI和LabVIEW的FCT(Functional Circuit Test)測試系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：通過PXI 控制板卡和LabVIEW軟件，構(gòu)建一套比較完整齊全的PCB板的功能測試(FCT)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對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)測試，對于新開發(fā)生產(chǎn)的PCB板，工廠無需頻繁更換測試硬件，只要添加制作一個(gè)測試夾具，重新連接線路，利用LabVIEW開發(fā)編寫測試軟件即可。

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快速并成功的開發(fā)構(gòu)建出一個(gè)經(jīng)濟(jì)、靈活的PCB板功能測試系統(tǒng)(FCT測試系統(tǒng))。
該系統(tǒng)采用的PXI 控制板卡可以實(shí)現(xiàn)對音頻、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)測試，并且通過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VISA模塊庫，可以實(shí)現(xiàn)對串口隨意方式的數(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)代化電子工廠車間批量生產(chǎn)的PCB電路板，除了要進(jìn)行ICT測試外，還要做最終打包出廠前的功能測試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，開關(guān)量等等的綜合性全自動(dòng)功能測試平臺(tái)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對各種不同的PCB電路板的FCT功能測試。通過該平臺(tái)無需頻繁更換測試硬件，新產(chǎn)品加入時(shí)，只需更換一個(gè)ATE測試夾具，按照PXI板卡的硬件資源分配，對測試夾具的插針進(jìn)行連線到其界面接口，最后修改相應(yīng)的測試軟件即可實(shí)現(xiàn)對PCB板的全自動(dòng)測試。
該系統(tǒng)綜合了音頻，視頻的自動(dòng)測試，包含了GPIB，RS232，RS485， Ethernet等多種接口和通訊方式，測試
方法簡單，操作工人測試時(shí)只需要將
測試夾具壓下、觀察上位機(jī)軟件畫面提示，測試完成后抬起測試把柄即可實(shí)現(xiàn)全功能測試，測試效率大幅提高。

正文：
1.  FCT功能測試現(xiàn)狀
    現(xiàn)代化電子工廠車間批量生產(chǎn)的PCB電路板，通常要進(jìn)行ICT和FCT的測試。
ICT：IN Circuit test，ICT通常是生產(chǎn)中第一道測試工序，主要運(yùn)用ICT測試設(shè)備在線檢查單個(gè)元器件以及各電路網(wǎng)絡(luò)的開、短路情況。
現(xiàn)在大多數(shù)的PCB板都會(huì)下載相應(yīng)的Firmware來對板卡進(jìn)行程序控制，通過ICT的PCB板雖然能夠準(zhǔn)確定位電子元器件的優(yōu)劣，卻無法對整個(gè)電路板的功能好壞作出判斷。這就需要測試工程師搭建一個(gè)適合PCB板的模擬電路環(huán)境，對電路板的TP(TestPoint)點(diǎn)進(jìn)行FCT功能測試。
FCT：Functional Circuit test，主要是模擬成品的功能，運(yùn)用測試治具測試產(chǎn)品的功能是否實(shí)現(xiàn)的測試系統(tǒng)。
現(xiàn)有的工廠產(chǎn)線對PCB的FCT功能測試，大多實(shí)現(xiàn)的是一對一的方式，即一種PCB對應(yīng)一個(gè)FCT功能測試臺(tái)。
該種測試臺(tái)由測試工程師自己設(shè)計(jì)控制電路底板，連接I/O口到測試治具的針盤，然后編寫底板Firmware模擬成品運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對待測PCB板電壓、電流檢測、以及相應(yīng)時(shí)序控制。一對一的方式雖然對測試工人是一種方便，但同時(shí)也意味著資源浪費(fèi)，在該類產(chǎn)品出廠后，該FCT測試臺(tái)也往往被束之高閣了。對測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測試系統(tǒng)構(gòu)想 
    隨著產(chǎn)品種類越來越多，測試功能越來越復(fù)雜PCB板來說，普通的FCT功能測試臺(tái)已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)一些特殊的功能測試，例如：音頻，視頻等功能測試。能不能構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的測試平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)大部分的FCT功能測試呢？首先我們設(shè)想的測試平臺(tái)必須具有如下測試功能：

1) 多路雙向高速I/O可以實(shí)現(xiàn)對測試治具狀態(tài)監(jiān)測的同時(shí)，能夠模擬I2C等協(xié)議實(shí)現(xiàn)對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)用上來說構(gòu)建這樣一個(gè)復(fù)雜的FCT測試系統(tǒng)會(huì)是一個(gè)不小的開支，這時(shí)我們想到了NI。NI作為測試測量業(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)簡單的FCT功能測試臺(tái)，測試治具是必須的，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，然后接線到針盤底座，最后對單片機(jī)進(jìn)行編寫Firmware軟件。大多通過液晶屏顯示測試結(jié)果，復(fù)雜一些的還需要通過串口與上位機(jī)編寫的PC軟件進(jìn)行通信控制，以實(shí)現(xiàn)各種測試功能。
基于PXI的FCT功能測試臺(tái)讓測試工程師從頻繁的設(shè)計(jì)制作各種電路板，無休止的編寫Firmware軟件，不斷的連接布線中解脫出來。
該FCT功能測試平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)架主要有如下優(yōu)勢：
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。通過統(tǒng)一尺寸的測試治具底座接口，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了將待測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GPIB控制可編程電源，實(shí)現(xiàn)了對各種待測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測試系統(tǒng)，必然要對設(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)建的測試架如圖1所示。

4. PXI測試硬件構(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PCB板I/O控制的需要。對于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PCB板屬于弱電，PXI-4070
可測量高達(dá)±300 VDC的電壓和±1 ADC的電流充分滿足測試需求。另外對GW-3202通過GPIB接口軟件編程控制可以提供給測試夾具底板穩(wěn)定可靠的電壓電流，短路過電流時(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，對于實(shí)現(xiàn)圖形分析，頻率測試，非常方便。
3) 視頻信號(hào)的測試分析。
   視頻檢測包括對視頻鏡頭采集清晰度的檢測和視頻芯片編解碼算法的檢測。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PCB板的視頻編解碼芯片，在通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字視頻傳輸畫面到計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對視頻編解碼芯片的測試。一個(gè)簡單的視頻信號(hào)測試原理如圖2所示。
4)  音頻信號(hào)的測試分析。
    安防類電子產(chǎn)品中，音頻信號(hào)的測試是必須的。很多的產(chǎn)品音頻要求必須達(dá)到一定的國家標(biāo)準(zhǔn)。為了測試音頻，通常需要花大價(jià)錢購買一套音頻分析儀，實(shí)現(xiàn)對THD(諧波失真率)，S/N信噪比等精確測量。
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)對音頻信號(hào)的采集分析。
另外，對于簡單的音頻信號(hào)測試，可以通過PXI-6070E模擬一個(gè)正弦信號(hào)作為的待測PCB板的音頻信號(hào)輸入源，通過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。
5 ) 其他PXI板卡的使用
對于任何測試測量系統(tǒng)，自然離不開繼電器的控制，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，視頻測試窗口，音頻測試窗口，合格率計(jì)算窗口，信息提示窗口五部分構(gòu)成。前面板測試界面如圖4所示。

1) 靜態(tài)參數(shù)顯示窗口。
主要對一些如電壓、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)主要通過對DAQmx模塊的調(diào)用，讀取PXI-6533，PXI-6070E、或者通過繼電器切換利用PXI-4070進(jìn)行讀取實(shí)現(xiàn)。參數(shù)測試完成，會(huì)將測試數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫文件中，供操作員查看或生成報(bào)表。
2) 視頻測試窗口。
利用WebBrowser控件將PXI-5431產(chǎn)生的Color Bar視頻圖像再經(jīng)過待測PCB板編解碼后，通過網(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) 音頻測試窗口
   通過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PCB板的Audio In輸入端，通過PXI-5122示波器卡對Audio Out的輸出波形進(jìn)行檢測，對照輸入端頻率幅值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)測量音頻信號(hào)。4) 合格率計(jì)算框
   該框中對所有測試的PCB板數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，通過與失敗的一目了然，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)庫中。
5) 信息提示窗口
   該窗口用于實(shí)時(shí)測試步驟的信息提示，提示操作員當(dāng)前操作步驟，當(dāng)測試出錯(cuò)時(shí)會(huì)紅色字體顯示出錯(cuò)代碼，提示操作員處理。軟件控制界面解析如圖4所示。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。