開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統的設計與實(shí)現
開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統是電源行業(yè)生產(chǎn)制造部門(mén)必備的自動(dòng)化測試系統。傳統的開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統以GPIB 卡控制多臺傳統儀器，完成自動(dòng)化測試功能。整個(gè)系統受限于傳統儀器功能，不易擴展，很難滿(mǎn)足產(chǎn)品升級所帶來(lái)的新的測試要求；受限于GPIB 總線(xiàn)速度，很難實(shí)現并行測試和提高測試速度；受限于封閉式的應用軟件，很難進(jìn)行系統維護和二次開(kāi)發(fā)。另外，整個(gè)系統的硬件成本非常高，開(kāi)發(fā)周期非常長(cháng)。
為縮短開(kāi)發(fā)周期、降低系統成本、提高測試效率、滿(mǎn)足日益更新的測試需求，本文根據以軟件為核心的模塊化系統構架重新設計了整個(gè)開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統，并成功實(shí)現了該系統。
1 以軟件為核心的模塊化系統構架簡(jiǎn)介
以軟件為核心的模塊化系統構架是近年發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)化測試系統設計構架。它包括測試管理軟件、測試開(kāi)發(fā)軟件、系統服務(wù)與驅動(dòng)程序軟件、處理總線(xiàn)平臺和模塊化I/O 與儀器控制五個(gè)層次，如圖1 所示。
圖1 以軟件為核心的模塊化的系統構架
以軟件為核心的模塊化系統構架能縮短自動(dòng)化測試系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低自動(dòng)化測試系統的總體成本、為自動(dòng)化測試系統提供更大的靈活性。
2 電源自動(dòng)化系統的設計與實(shí)現
2.1 系統功能需求
根據用戶(hù)需求，該系統應有如下功能：
�。�1） 覆蓋所有需要測試的功能，如表1 所示：
表1 測試功能需求表
�。�2） 測試項目編輯功能，可以根據不同的測試需求增加或刪減測試項。
�。�3） 測試數據存儲功能，把測試數據自動(dòng)存入數據庫。
�。�4） 測試報表生成功能，根據需要自動(dòng)生成測試報表。
�。�5） 用戶(hù)管理功能，根據不同用戶(hù)授予不同權限。
�。�6） 靈活系統構架，根據實(shí)際需求增加或刪減儀器設備。
�。�7） 數據統計和分析功能，能計算出Cpk，繪制出控制圖。
2.2 硬件設計與實(shí)現
2.2.1 系統總線(xiàn)選擇
系統總線(xiàn)是系統硬件構架的核心，它決定了數據傳輸速度，直接影響系統的測試效率。
常見(jiàn)的總線(xiàn)有GPIB、USB、Ethernet/LAN/LXI、PXI和PXI Express，其帶寬和傳輸延遲比較如圖2所示：
圖2 常見(jiàn)總線(xiàn)帶寬和傳輸延遲比較。
PXI Express 總線(xiàn)具有最大的帶寬和最低的傳輸延遲。PXI 總線(xiàn)具有很高的帶寬和很低的傳輸延遲。
考慮PXI 總線(xiàn)的模塊化儀器大大多于PXI Express 總線(xiàn)，本文將選擇PXI 作為系統總線(xiàn)。
2.2.2 PXI 總線(xiàn)介紹
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展） 是一種堅固的基于PC的測量和自動(dòng)化平臺。PXI 結合了PCI 的電氣總線(xiàn)特性與CompactPCI 的堅固性、模塊化及Eurocard 機械封裝的特性，并增加了專(zhuān)門(mén)的同步總線(xiàn)和主要軟件特性。
這使它成為測量和自動(dòng)化系統的高性能、低成本運載平臺。這些系統可用于諸如制造測試、軍事和航空、機器監控、汽車(chē)生產(chǎn)及工業(yè)測試等各種領(lǐng)域中。
PXI 在1997 年完成開(kāi)發(fā)，并在1998 年正式推出，它是為了滿(mǎn)足日益增加的對復雜儀器系統的需求而推出的一種開(kāi)放式工業(yè)標準。
2.2.3 硬件系統構架
本系統使用的硬件如表2 所示：
表2 開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統硬件
測量硬件選用基于PXI 總線(xiàn)的模塊化儀器，功率硬件選用基于GPIB 總線(xiàn)的傳統儀器。PXI 總線(xiàn)與GPIB 總線(xiàn)一起構建以PXI 總線(xiàn)為核心的混合總線(xiàn)系統。這樣的總線(xiàn)系統既具有PXI 總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，又能利用具有大功率優(yōu)勢的傳統儀器。整個(gè)系統的硬件構架如圖3 所示。
2.3 軟件設計與實(shí)現
2.3.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺簡(jiǎn)介
TestStand是美國國家儀器有限公司的一款用于測試序列開(kāi)發(fā)、管理和執行的測試管理軟件。它將通用測試執行任務(wù)（如報告生成）與專(zhuān)用測試任務(wù)（如執行某項測試）相分離，為執行環(huán)境定制、報告生成、數據庫記錄和操作者界面等功能提供了所必需的工具。
LabVIEW 是美國國家儀器有限公司的一款圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗室所接受，視為一個(gè)標準的數據采集和儀器控制軟件。它為數據采集，分析和表達提供了豐富的函數，可以方便快速地實(shí)現各種測量功能。
2.3.2 軟件構架
軟件構架，如圖4 所示。整個(gè)系統的功能分為三個(gè)層次，最底層是硬件驅動(dòng)層，主要負責儀器控制和數據采集；中間層是測試功能層，在LabVIEW 下進(jìn)行數據處理，獲得測試要求中的參數，完成測試功能開(kāi)發(fā)；最高層是測試管理層，在TestStand 下開(kāi)發(fā)測試系統構架，集成LabVIEW 下開(kāi)發(fā)的測試功能，實(shí)現通用測試功能，如測試報表等。
圖4 軟件構架。
這三個(gè)層次完全獨立，具有最小的耦合性，可以進(jìn)行并行開(kāi)發(fā)。測試功能層不用關(guān)心底層硬件是什么以及數據從哪個(gè)具體的儀器中來(lái)，只需專(zhuān)注于數據處理和分析；測試管理層不用關(guān)心測試功能如何實(shí)現，只需專(zhuān)注于測試序列和測試構架的設計與實(shí)現。
當有增加/刪減測試功能的需求時(shí)，只需要增加/刪減相應的儀器、儀器驅動(dòng)和測試功能并調整測試序列即可，并不需要對整個(gè)測試軟件做較大的修改，具有很強的靈活性。
2.3.3 系統界面
本系統界面設計簡(jiǎn)潔、友好，適合生產(chǎn)線(xiàn)操作員使用，如圖5 所示：
圖5 電源自動(dòng)化系統測試界面。
3 試驗結果
3.1 開(kāi)發(fā)時(shí)間
本系統從設計開(kāi)發(fā)到調試完畢僅用了2 人2 周的時(shí)間大大低于現有商業(yè)開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間。
3.2 測試時(shí)間
本系統在生產(chǎn)線(xiàn)上與用戶(hù)現有的商業(yè)開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統作對比。表3 是100 次測試時(shí)間平均值對比，從表中可以看出，本系統總體測試時(shí)間比成熟的商業(yè)系統提升15.38%;時(shí)序測試部分采用了高帶寬的模塊化儀器，測試時(shí)間提升52.5%;調整測試和動(dòng)態(tài)測試，由于需要反復控制傳統儀器并且商業(yè)系統已使用了底層函數對儀器控制進(jìn)行了優(yōu)化，所以本系統的速度比商業(yè)系統慢。
表3 測試時(shí)間對比
3.3 測試精度
表4 是100 次調整測試的測試結果平均值對比，由表中可以看出，本系統的測試精度與商業(yè)系統的誤差在0.2%以?xún)�，完全滿(mǎn)足用戶(hù)測試需求。
表4 調整測試
4 結語(yǔ)
本文按照“以軟件為核心的模塊化系統構架”設計并實(shí)現了開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統。實(shí)驗表明，基于該構架的系統較之傳統的系統具有開(kāi)發(fā)周期短、測試速度快、測試精度高、總體成本低、維護方便和升級容易的特點(diǎn)，適合生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化測試升級的需求。
為縮短開(kāi)發(fā)周期、降低系統成本、提高測試效率、滿(mǎn)足日益更新的測試需求，本文根據以軟件為核心的模塊化系統構架重新設計了整個(gè)開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統，并成功實(shí)現了該系統。
1 以軟件為核心的模塊化系統構架簡(jiǎn)介
以軟件為核心的模塊化系統構架是近年發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)化測試系統設計構架。它包括測試管理軟件、測試開(kāi)發(fā)軟件、系統服務(wù)與驅動(dòng)程序軟件、處理總線(xiàn)平臺和模塊化I/O 與儀器控制五個(gè)層次，如圖1 所示。
圖1 以軟件為核心的模塊化的系統構架
以軟件為核心的模塊化系統構架能縮短自動(dòng)化測試系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低自動(dòng)化測試系統的總體成本、為自動(dòng)化測試系統提供更大的靈活性。
2 電源自動(dòng)化系統的設計與實(shí)現
2.1 系統功能需求
根據用戶(hù)需求，該系統應有如下功能：
�。�1） 覆蓋所有需要測試的功能，如表1 所示：
表1 測試功能需求表
�。�2） 測試項目編輯功能，可以根據不同的測試需求增加或刪減測試項。
�。�3） 測試數據存儲功能，把測試數據自動(dòng)存入數據庫。
�。�4） 測試報表生成功能，根據需要自動(dòng)生成測試報表。
�。�5） 用戶(hù)管理功能，根據不同用戶(hù)授予不同權限。
�。�6） 靈活系統構架，根據實(shí)際需求增加或刪減儀器設備。
�。�7） 數據統計和分析功能，能計算出Cpk，繪制出控制圖。
2.2 硬件設計與實(shí)現
2.2.1 系統總線(xiàn)選擇
系統總線(xiàn)是系統硬件構架的核心，它決定了數據傳輸速度，直接影響系統的測試效率。
常見(jiàn)的總線(xiàn)有GPIB、USB、Ethernet/LAN/LXI、PXI和PXI Express，其帶寬和傳輸延遲比較如圖2所示：
圖2 常見(jiàn)總線(xiàn)帶寬和傳輸延遲比較。
PXI Express 總線(xiàn)具有最大的帶寬和最低的傳輸延遲。PXI 總線(xiàn)具有很高的帶寬和很低的傳輸延遲。
考慮PXI 總線(xiàn)的模塊化儀器大大多于PXI Express 總線(xiàn)，本文將選擇PXI 作為系統總線(xiàn)。
2.2.2 PXI 總線(xiàn)介紹
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展） 是一種堅固的基于PC的測量和自動(dòng)化平臺。PXI 結合了PCI 的電氣總線(xiàn)特性與CompactPCI 的堅固性、模塊化及Eurocard 機械封裝的特性，并增加了專(zhuān)門(mén)的同步總線(xiàn)和主要軟件特性。
這使它成為測量和自動(dòng)化系統的高性能、低成本運載平臺。這些系統可用于諸如制造測試、軍事和航空、機器監控、汽車(chē)生產(chǎn)及工業(yè)測試等各種領(lǐng)域中。
PXI 在1997 年完成開(kāi)發(fā)，并在1998 年正式推出，它是為了滿(mǎn)足日益增加的對復雜儀器系統的需求而推出的一種開(kāi)放式工業(yè)標準。
2.2.3 硬件系統構架
本系統使用的硬件如表2 所示：
表2 開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統硬件
測量硬件選用基于PXI 總線(xiàn)的模塊化儀器，功率硬件選用基于GPIB 總線(xiàn)的傳統儀器。PXI 總線(xiàn)與GPIB 總線(xiàn)一起構建以PXI 總線(xiàn)為核心的混合總線(xiàn)系統。這樣的總線(xiàn)系統既具有PXI 總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，又能利用具有大功率優(yōu)勢的傳統儀器。整個(gè)系統的硬件構架如圖3 所示。
2.3 軟件設計與實(shí)現
2.3.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺簡(jiǎn)介
TestStand是美國國家儀器有限公司的一款用于測試序列開(kāi)發(fā)、管理和執行的測試管理軟件。它將通用測試執行任務(wù)（如報告生成）與專(zhuān)用測試任務(wù)（如執行某項測試）相分離，為執行環(huán)境定制、報告生成、數據庫記錄和操作者界面等功能提供了所必需的工具。
LabVIEW 是美國國家儀器有限公司的一款圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗室所接受，視為一個(gè)標準的數據采集和儀器控制軟件。它為數據采集，分析和表達提供了豐富的函數，可以方便快速地實(shí)現各種測量功能。
2.3.2 軟件構架
軟件構架，如圖4 所示。整個(gè)系統的功能分為三個(gè)層次，最底層是硬件驅動(dòng)層，主要負責儀器控制和數據采集；中間層是測試功能層，在LabVIEW 下進(jìn)行數據處理，獲得測試要求中的參數，完成測試功能開(kāi)發(fā)；最高層是測試管理層，在TestStand 下開(kāi)發(fā)測試系統構架，集成LabVIEW 下開(kāi)發(fā)的測試功能，實(shí)現通用測試功能，如測試報表等。
圖4 軟件構架。
這三個(gè)層次完全獨立，具有最小的耦合性，可以進(jìn)行并行開(kāi)發(fā)。測試功能層不用關(guān)心底層硬件是什么以及數據從哪個(gè)具體的儀器中來(lái)，只需專(zhuān)注于數據處理和分析；測試管理層不用關(guān)心測試功能如何實(shí)現，只需專(zhuān)注于測試序列和測試構架的設計與實(shí)現。
當有增加/刪減測試功能的需求時(shí)，只需要增加/刪減相應的儀器、儀器驅動(dòng)和測試功能并調整測試序列即可，并不需要對整個(gè)測試軟件做較大的修改，具有很強的靈活性。
2.3.3 系統界面
本系統界面設計簡(jiǎn)潔、友好，適合生產(chǎn)線(xiàn)操作員使用，如圖5 所示：
圖5 電源自動(dòng)化系統測試界面。
3 試驗結果
3.1 開(kāi)發(fā)時(shí)間
本系統從設計開(kāi)發(fā)到調試完畢僅用了2 人2 周的時(shí)間大大低于現有商業(yè)開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間。
3.2 測試時(shí)間
本系統在生產(chǎn)線(xiàn)上與用戶(hù)現有的商業(yè)開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統作對比。表3 是100 次測試時(shí)間平均值對比，從表中可以看出，本系統總體測試時(shí)間比成熟的商業(yè)系統提升15.38%;時(shí)序測試部分采用了高帶寬的模塊化儀器，測試時(shí)間提升52.5%;調整測試和動(dòng)態(tài)測試，由于需要反復控制傳統儀器并且商業(yè)系統已使用了底層函數對儀器控制進(jìn)行了優(yōu)化，所以本系統的速度比商業(yè)系統慢。
表3 測試時(shí)間對比
3.3 測試精度
表4 是100 次調整測試的測試結果平均值對比，由表中可以看出，本系統的測試精度與商業(yè)系統的誤差在0.2%以?xún)�，完全滿(mǎn)足用戶(hù)測試需求。
表4 調整測試
4 結語(yǔ)
本文按照“以軟件為核心的模塊化系統構架”設計并實(shí)現了開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)化測試系統。實(shí)驗表明，基于該構架的系統較之傳統的系統具有開(kāi)發(fā)周期短、測試速度快、測試精度高、總體成本低、維護方便和升級容易的特點(diǎn)，適合生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化測試升級的需求。
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