開關電源自動化測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
開關電源自動化測試系統(tǒng)是電源行業(yè)生產(chǎn)制造部門必備的自動化測試系統(tǒng)。傳統(tǒng)的開關電源自動化測試系統(tǒng)以GPIB 卡控制多臺傳統(tǒng)儀器，完成自動化測試功能。整個系統(tǒng)受限于傳統(tǒng)儀器功能，不易擴展，很難滿足產(chǎn)品升級所帶來的新的測試要求；受限于GPIB 總線速度，很難實現(xiàn)并行測試和提高測試速度；受限于封閉式的應用軟件，很難進行系統(tǒng)維護和二次開發(fā)。另外，整個系統(tǒng)的硬件成本非常高，開發(fā)周期非常長。
為縮短開發(fā)周期、降低系統(tǒng)成本、提高測試效率、滿足日益更新的測試需求，本文根據(jù)以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架重新設計了整個開關電源自動化測試系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)了該系統(tǒng)。
1 以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架簡介
以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架是近年發(fā)展起來的一種自動化測試系統(tǒng)設計構(gòu)架。它包括測試管理軟件、測試開發(fā)軟件、系統(tǒng)服務與驅(qū)動程序軟件、處理總線平臺和模塊化I/O 與儀器控制五個層次，如圖1 所示。
圖1 以軟件為核心的模塊化的系統(tǒng)構(gòu)架
以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架能縮短自動化測試系統(tǒng)的開發(fā)時間、降低自動化測試系統(tǒng)的總體成本、為自動化測試系統(tǒng)提供更大的靈活性。
2 電源自動化系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)功能需求
根據(jù)用戶需求，該系統(tǒng)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(jù)不同的測試需求增加或刪減測試項。
�。�3） 測試數(shù)據(jù)存儲功能，把測試數(shù)據(jù)自動存入數(shù)據(jù)庫。
�。�4） 測試報表生成功能，根據(jù)需要自動生成測試報表。
�。�5） 用戶管理功能，根據(jù)不同用戶授予不同權限。
（6） 靈活系統(tǒng)構(gòu)架，根據(jù)實際需求增加或刪減儀器設備。
�。�7） 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能，能計算出Cpk，繪制出控制圖。
2.2 硬件設計與實現(xiàn)
2.2.1 系統(tǒng)總線選擇
系統(tǒng)總線是系統(tǒng)硬件構(gòu)架的核心，它決定了數(shù)據(jù)傳輸速度，直接影響系統(tǒng)的測試效率。
常見的總線有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 常見總線帶寬和傳輸延遲比較。
PXI Express 總線具有最大的帶寬和最低的傳輸延遲。PXI 總線具有很高的帶寬和很低的傳輸延遲。
考慮PXI 總線的模塊化儀器大大多于PXI Express 總線，本文將選擇PXI 作為系統(tǒng)總線。
2.2.2 PXI 總線介紹
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展） 是一種堅固的基于PC的測量和自動化平臺。PXI 結(jié)合了PCI 的電氣總線特性與CompactPCI 的堅固性、模塊化及Eurocard 機械封裝的特性，并增加了專門的同步總線和主要軟件特性。
這使它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺。這些系統(tǒng)可用于諸如制造測試、軍事和航空、機器監(jiān)控、汽車生產(chǎn)及工業(yè)測試等各種領域中。
PXI 在1997 年完成開發(fā)，并在1998 年正式推出，它是為了滿足日益增加的對復雜儀器系統(tǒng)的需求而推出的一種開放式工業(yè)標準。
2.2.3 硬件系統(tǒng)構(gòu)架
本系統(tǒng)使用的硬件如表2 所示：
表2 開關電源自動化測試系統(tǒng)硬件
測量硬件選用基于PXI 總線的模塊化儀器，功率硬件選用基于GPIB 總線的傳統(tǒng)儀器。PXI 總線與GPIB 總線一起構(gòu)建以PXI 總線為核心的混合總線系統(tǒng)。這樣的總線系統(tǒng)既具有PXI 總線的優(yōu)點，又能利用具有大功率優(yōu)勢的傳統(tǒng)儀器。整個系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如圖3 所示。
2.3 軟件設計與實現(xiàn)
2.3.1 軟件開發(fā)平臺簡介
TestStand是美國國家儀器有限公司的一款用于測試序列開發(fā)、管理和執(zhí)行的測試管理軟件。它將通用測試執(zhí)行任務（如報告生成）與專用測試任務（如執(zhí)行某項測試）相分離，為執(zhí)行環(huán)境定制、報告生成、數(shù)據(jù)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言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它為數(shù)據(jù)采集，分析和表達提供了豐富的函數(shù)，可以方便快速地實現(xiàn)各種測量功能。
2.3.2 軟件構(gòu)架
軟件構(gòu)架，如圖4 所示。整個系統(tǒng)的功能分為三個層次，最底層是硬件驅(qū)動層，主要負責儀器控制和數(shù)據(jù)采集；中間層是測試功能層，在LabVIEW 下進行數(shù)據(jù)處理，獲得測試要求中的參數(shù)，完成測試功能開發(fā)；最高層是測試管理層，在TestStand 下開發(fā)測試系統(tǒng)構(gòu)架，集成LabVIEW 下開發(fā)的測試功能，實現(xiàn)通用測試功能，如測試報表等。
圖4 軟件構(gòu)架。
這三個層次完全獨立，具有最小的耦合性，可以進行并行開發(fā)。測試功能層不用關心底層硬件是什么以及數(shù)據(jù)從哪個具體的儀器中來，只需專注于數(shù)據(jù)處理和分析；測試管理層不用關心測試功能如何實現(xiàn)，只需專注于測試序列和測試構(gòu)架的設計與實現(xiàn)。
當有增加/刪減測試功能的需求時，只需要增加/刪減相應的儀器、儀器驅(qū)動和測試功能并調(diào)整測試序列即可，并不需要對整個測試軟件做較大的修改，具有很強的靈活性。
2.3.3 系統(tǒng)界面
本系統(tǒng)界面設計簡潔、友好，適合生產(chǎn)線操作員使用，如圖5 所示：
圖5 電源自動化系統(tǒng)測試界面。
3 試驗結(jié)果
3.1 開發(fā)時間
本系統(tǒng)從設計開發(fā)到調(diào)試完畢僅用了2 人2 周的時間大大低于現(xiàn)有商業(yè)開關電源自動化測試系統(tǒng)的開發(fā)時間。
3.2 測試時間
本系統(tǒng)在生產(chǎn)線上與用戶現(xiàn)有的商業(yè)開關電源自動化測試系統(tǒng)作對比。表3 是100 次測試時間平均值對比，從表中可以看出，本系統(tǒng)總體測試時間比成熟的商業(yè)系統(tǒng)提升15.38%;時序測試部分采用了高帶寬的模塊化儀器，測試時間提升52.5%;調(diào)整測試和動態(tài)測試，由于需要反復控制傳統(tǒng)儀器并且商業(yè)系統(tǒng)已使用了底層函數(shù)對儀器控制進行了優(yōu)化，所以本系統(tǒng)的速度比商業(yè)系統(tǒng)慢。
表3 測試時間對比
3.3 測試精度
表4 是100 次調(diào)整測試的測試結(jié)果平均值對比，由表中可以看出，本系統(tǒng)的測試精度與商業(yè)系統(tǒng)的誤差在0.2%以內(nèi)，完全滿足用戶測試需求。
表4 調(diào)整測試
4 結(jié)語
本文按照“以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架”設計并實現(xiàn)了開關電源自動化測試系統(tǒng)。實驗表明，基于該構(gòu)架的系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的系統(tǒng)具有開發(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，適合生產(chǎn)線自動化測試升級的需求。
為縮短開發(fā)周期、降低系統(tǒng)成本、提高測試效率、滿足日益更新的測試需求，本文根據(jù)以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架重新設計了整個開關電源自動化測試系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)了該系統(tǒng)。
1 以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架簡介
以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架是近年發(fā)展起來的一種自動化測試系統(tǒng)設計構(gòu)架。它包括測試管理軟件、測試開發(fā)軟件、系統(tǒng)服務與驅(qū)動程序軟件、處理總線平臺和模塊化I/O 與儀器控制五個層次，如圖1 所示。
圖1 以軟件為核心的模塊化的系統(tǒng)構(gòu)架
以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架能縮短自動化測試系統(tǒng)的開發(fā)時間、降低自動化測試系統(tǒng)的總體成本、為自動化測試系統(tǒng)提供更大的靈活性。
2 電源自動化系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)功能需求
根據(jù)用戶需求，該系統(tǒng)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(jù)不同的測試需求增加或刪減測試項。
�。�3） 測試數(shù)據(jù)存儲功能，把測試數(shù)據(jù)自動存入數(shù)據(jù)庫。
�。�4） 測試報表生成功能，根據(jù)需要自動生成測試報表。
�。�5） 用戶管理功能，根據(jù)不同用戶授予不同權限。
（6） 靈活系統(tǒng)構(gòu)架，根據(jù)實際需求增加或刪減儀器設備。
�。�7） 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能，能計算出Cpk，繪制出控制圖。
2.2 硬件設計與實現(xiàn)
2.2.1 系統(tǒng)總線選擇
系統(tǒng)總線是系統(tǒng)硬件構(gòu)架的核心，它決定了數(shù)據(jù)傳輸速度，直接影響系統(tǒng)的測試效率。
常見的總線有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 常見總線帶寬和傳輸延遲比較。
PXI Express 總線具有最大的帶寬和最低的傳輸延遲。PXI 總線具有很高的帶寬和很低的傳輸延遲。
考慮PXI 總線的模塊化儀器大大多于PXI Express 總線，本文將選擇PXI 作為系統(tǒng)總線。
2.2.2 PXI 總線介紹
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展） 是一種堅固的基于PC的測量和自動化平臺。PXI 結(jié)合了PCI 的電氣總線特性與CompactPCI 的堅固性、模塊化及Eurocard 機械封裝的特性，并增加了專門的同步總線和主要軟件特性。
這使它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺。這些系統(tǒng)可用于諸如制造測試、軍事和航空、機器監(jiān)控、汽車生產(chǎn)及工業(yè)測試等各種領域中。
PXI 在1997 年完成開發(fā)，并在1998 年正式推出，它是為了滿足日益增加的對復雜儀器系統(tǒng)的需求而推出的一種開放式工業(yè)標準。
2.2.3 硬件系統(tǒng)構(gòu)架
本系統(tǒng)使用的硬件如表2 所示：
表2 開關電源自動化測試系統(tǒng)硬件
測量硬件選用基于PXI 總線的模塊化儀器，功率硬件選用基于GPIB 總線的傳統(tǒng)儀器。PXI 總線與GPIB 總線一起構(gòu)建以PXI 總線為核心的混合總線系統(tǒng)。這樣的總線系統(tǒng)既具有PXI 總線的優(yōu)點，又能利用具有大功率優(yōu)勢的傳統(tǒng)儀器。整個系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如圖3 所示。
2.3 軟件設計與實現(xiàn)
2.3.1 軟件開發(fā)平臺簡介
TestStand是美國國家儀器有限公司的一款用于測試序列開發(fā)、管理和執(zhí)行的測試管理軟件。它將通用測試執(zhí)行任務（如報告生成）與專用測試任務（如執(zhí)行某項測試）相分離，為執(zhí)行環(huán)境定制、報告生成、數(shù)據(jù)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言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它為數(shù)據(jù)采集，分析和表達提供了豐富的函數(shù)，可以方便快速地實現(xiàn)各種測量功能。
2.3.2 軟件構(gòu)架
軟件構(gòu)架，如圖4 所示。整個系統(tǒng)的功能分為三個層次，最底層是硬件驅(qū)動層，主要負責儀器控制和數(shù)據(jù)采集；中間層是測試功能層，在LabVIEW 下進行數(shù)據(jù)處理，獲得測試要求中的參數(shù)，完成測試功能開發(fā)；最高層是測試管理層，在TestStand 下開發(fā)測試系統(tǒng)構(gòu)架，集成LabVIEW 下開發(fā)的測試功能，實現(xiàn)通用測試功能，如測試報表等。
圖4 軟件構(gòu)架。
這三個層次完全獨立，具有最小的耦合性，可以進行并行開發(fā)。測試功能層不用關心底層硬件是什么以及數(shù)據(jù)從哪個具體的儀器中來，只需專注于數(shù)據(jù)處理和分析；測試管理層不用關心測試功能如何實現(xiàn)，只需專注于測試序列和測試構(gòu)架的設計與實現(xiàn)。
當有增加/刪減測試功能的需求時，只需要增加/刪減相應的儀器、儀器驅(qū)動和測試功能并調(diào)整測試序列即可，并不需要對整個測試軟件做較大的修改，具有很強的靈活性。
2.3.3 系統(tǒng)界面
本系統(tǒng)界面設計簡潔、友好，適合生產(chǎn)線操作員使用，如圖5 所示：
圖5 電源自動化系統(tǒng)測試界面。
3 試驗結(jié)果
3.1 開發(fā)時間
本系統(tǒng)從設計開發(fā)到調(diào)試完畢僅用了2 人2 周的時間大大低于現(xiàn)有商業(yè)開關電源自動化測試系統(tǒng)的開發(fā)時間。
3.2 測試時間
本系統(tǒng)在生產(chǎn)線上與用戶現(xiàn)有的商業(yè)開關電源自動化測試系統(tǒng)作對比。表3 是100 次測試時間平均值對比，從表中可以看出，本系統(tǒng)總體測試時間比成熟的商業(yè)系統(tǒng)提升15.38%;時序測試部分采用了高帶寬的模塊化儀器，測試時間提升52.5%;調(diào)整測試和動態(tài)測試，由于需要反復控制傳統(tǒng)儀器并且商業(yè)系統(tǒng)已使用了底層函數(shù)對儀器控制進行了優(yōu)化，所以本系統(tǒng)的速度比商業(yè)系統(tǒng)慢。
表3 測試時間對比
3.3 測試精度
表4 是100 次調(diào)整測試的測試結(jié)果平均值對比，由表中可以看出，本系統(tǒng)的測試精度與商業(yè)系統(tǒng)的誤差在0.2%以內(nèi)，完全滿足用戶測試需求。
表4 調(diào)整測試
4 結(jié)語
本文按照“以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架”設計并實現(xiàn)了開關電源自動化測試系統(tǒng)。實驗表明，基于該構(gòu)架的系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的系統(tǒng)具有開發(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，適合生產(chǎn)線自動化測試升級的需求。
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