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

        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(duì)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(duì)測試夾具的插針進(jìn)行連線到其界面接口，修改相應(yīng)的測試軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)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。
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?cè)O(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(duì)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(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)了一半費(fèi)用就實(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，對(duì)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(duì)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(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。
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(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)音頻信號(hào)的采集分析。
另外，對(duì)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(duì)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(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。

圖2  視頻檢測原理圖

圖3  PXI測試設(shè)備

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(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)主要通過對(duì)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(duì)Audio Out的輸出波形進(jìn)行檢測，對(duì)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(duì)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。

圖4  軟件控制界面說明

圖5  軟件控制主界面

圖 6  主程序框圖

結(jié)論
通過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DAQmx與LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)的無縫連接，利用PXI構(gòu)建的FCT功能測試臺(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)過大量的實(shí)驗(yàn)，測試，我們非常成功的運(yùn)用多臺(tái)這樣的FCT功能測試臺(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。