主導技術 測控必備:新一代產品測試技術

新的測試需要

    對測試的需要從來未象現在這么強烈。隨著創新步伐不斷加快，對開發出與眾不同的新產品并迅速投入市場的壓力也隨之增大。客戶的期望也在不斷提高，例如在電子領域，要求在更小的空間、以更低的成本，集合多種迥異的功能。過去三年的經濟衰退不但沒有阻撓人們對創新的需要，反而增加資源的投入。目前，滿足這些需要是業務取得成功的要素之一；無論是誰，只要他能夠最快、最穩定、最可靠地滿足這些要求，他就比其他競爭對手更具有優勢。

    所有這些狀況產生了對確認、驗證和制造測試的最新需要。能夠跟上此創新需要的測試平臺不是可有可無的，而是至關重要的。平臺必須包含快速測試開發工具，能夠進行適當的調節，從而適用于整個產品開發流程。快速開發并有效制造產品需要高吞吐量測試。為測試功能復雜的產品，客戶要求提供準確的并行測試能力。另外，因為您包含進創新方案使您的產品與眾不同，所以測試系統也必須能夠快速修改，以測試新的功能。

    虛擬儀器技術是這些挑戰的創新性解決方案。它們集快速開發軟件和模塊化的、靈活的硬件于一身，用戶可以方便地創建自定義測試系統。

虛擬儀器提供：

直觀的軟件工具，用于快速測試開發；
基于創新性商用技術的快速、精確的、模塊化I/O；
基于PC機的平臺，集成同步功能，獲得高精度和大吞吐量。

快速測試開發軟件

    因為自動化越來越成為快速測試復雜產品的必要條件，所以軟件已經成為所有測試系統至關重要的要素 - 從設計驗證一直到高度自動化的制造測試。要快速交付能夠適應測試新功能的測試系統需要一套集成的測試開發工具。如圖1所示，這些工具包括測試管理、測試開發和I/O驅動程序。



圖1 新一代測試技術的完整軟件結構 

    測試管理軟件為高度自動化的測試系統提供了一個框架，包括順序控制、分支/循環、報告生成及數據庫集成等。另外，測試管理工具還必須緊密集成到為應用程序創建特定測試程序的測試開發環境中。National Instruments的TestStand是業界領先的測試管理環境，包括與所有常用測試開發環境的連通性，并且可以與這些環境之間自由地傳遞數據，以創建完全集成的系統。TestStand的結構如圖2所示。因為測試管理環境的許多需要根據應用程序的不同而不同，所以它是一個功能靈活的框架 - 例如，操作界面、報告格式和執行模式全部可以自定義以滿足不同應用程序的需要。



圖2：TestStand測試管理結構 

    許多自動化測試應用程序擁有非常多的觸發和測量通道，因此需要一個開關矩陣將I/O與被測設備（DUT）相連接。隨著設備復雜性的增加，這些系統的通道數也隨之增多。為有效地管理如此多的開關路徑，以及快速改變這些路徑來適應新產品結構的需要，必須需要開關管理軟件。
NI的Switch Executive是業界唯一的商用開關管理環境，提供了一個完成自動測試系統開關路徑配置和記錄等功能的環境。Switch Executive與NI的TestStand緊密連通，這樣，開關路徑能夠與特定的測試步驟綁定，有助于測試系統實現模塊化"連接、測試、斷開"結構。

    測試開關環境是滿足快速測試發布要求的最重要組件。此環境提供快速開發測?quot;代碼"或程序的工具是至關重要的。多年以來，實現快速開發的一種重要的軟件技術是可視化編程。可視化編程使用"圖標"或者符號功能，以圖形形式代表將要執行的操作。這些符號通過傳遞數據和確定執行順序的"線"彼此連接。因為測試程序可以看到，而不是讀文件或代碼，所以總體性開發和理解測試程序非常迅速。NI LabVIEW提供了業界最常用和最完善的可視化開發環境。另外，LabVIEW的分層數據流語言還提高了測試程序的重新利用能力。

    雖然經常被忽視，但是I/O驅動程序是快速測試開發策略至關重要的要素之一。此軟件提供了測試開發軟件和測量與控制硬件之間的連通性。它包括儀器的驅動程序、配置工具和快速I/O助手。

    儀器驅動程序提供了一套與儀器接口的高層、可讀函數。每個儀器驅動程序均為特定型號的儀器量身定做，提供儀器獨有功能的接口。對于儀器驅動程序來說，特別重要的是它與測試開發環境的集成性，從而儀器命令是測試開發無縫的一部分。作為一名測試開發人員，您需要為選定的開發環境優化驅動程序接口。Ni.com網站中的儀器驅動程序網絡包含4000余種不同儀器的驅動程序，可以與LabVIEW、C、C++和Visual Basic接口。

    NI Measurement & Automation Explorer等配置工具包含用來配置和測試I/O的工具，以及保存定標、校準及通道別名信息的工具。這些工具對于迅速實現首次測量，以及測試系統的故障診斷和維護，是非常重要的。

    I/O助手是一些交互工具，用來極快速地創建測量或促進開發應用程序。例如LabVIEW 7 Express中的Instrument I/O Assistant和DAQ Assistant。圖3所示的DAQ Assistant為用戶提供了一塊面板，無需編程就能配置常用的數據采集參數。易于使用的I/O助手與功能強大的編程環境的結合對于實現快速開發和功能來滿足各種應用場合的要求是非常必要的。



圖3：NI DAQ Assistant提供了一個在LabVIEW中快速配置數據采集任務的交互工具 

模塊化I/O
    第二個至關重要的測試技術是模塊化I/O，包括模塊化儀器和數據采集等技術。此測量硬件布置在一塊印刷電路板上，可以插入到PC或PXI底板中。模塊化I/O采用商業芯片技術以較低的成本創建高性能虛擬儀器。ADC、DAC、FGPA和DSP等商業技術的廣泛使用使模塊化I/O的功能和性能迅速改善。圖4所示是模塊化數字化儀的當前性能，通過頻率（將信號數字化的速度）和位（數字化精度）來表現。在很多情況下，虛擬儀器的精度超過了傳統儀器。



圖4：虛擬儀器的測量能力超過傳統儀器 

    模塊化I/O采用總線和處理器技術，因此它實現了高速測量和高速輸出到PC機內存的能力。例如，PCI總線能夠達到132 MB/s的吞吐量 - 比用來連接大多數傳統儀器的GPIB總線快了100倍以上。在虛擬儀器系統中，使用GHz PC處理器來分析數據并使用軟件進行測量。測量結果是純粹建立在包含內置供應商定義硬件和應用專用處理器的傳統儀器之上的測試系統吞吐量的10至100倍。在許多測試為其瓶頸的系統中，通過使用多個冗余儀器來滿足吞吐量要求。預算緊縮正在壓迫這種提高吞吐量的"強力"方法。赑XI模塊化I/O的系統能夠以超過100 MB/s的速度將數字化儀處理的數據連續輸入PC中，或者每秒進行3000次5 1/2位DMM測量。目前，對于大規模測試的要求使得這些吞吐量增益和成本節省對于保持競爭力是至關重要的。
 
基于PC機的測試平臺

    在今天，所有現代的測試系統均包含一臺PC機。它不僅僅只是測試系統的一部分，而是正在成為至關重要的集成平臺 - 測試系統的核心。GHz處理器、高速總線、廣泛使用的軟件、不斷提高的性能和特別低的價格使得PC機實際上成為一個理想的測試平臺。圖5所示是一個實例，說明了PC機在過去20年中發生的性能進步。在測試系統中，性能提高達到同等規模的唯一元素可能就是DUT本身了。



圖5：PC平臺在過去20年間的性能提高超過了10,000倍 

    虛擬儀器采用PC和PC技術使測試應用程序的性能獲得同等規模的進步。對于虛擬儀器系統，在您升級了PC機之后，整個測試系統都將從更快的處理器、更大的存儲器和更先進的外圍設備中獲益。

    PXI（CompactPCI eXtensions for Instrumentation）是建立在PC機技術之上的模塊化I/O的標準。PXI為基于PC機的結構添加了集成定時和同步、工業條件堅固性，以及更多的通道數。PXI是一個系統聯盟標準，已經得到65家公司的支持。

    PXI提供的定時和同步結構是另一項至關重要的測試技術。使用這些功能，多個模塊化I/O設備的定時特性能夠實現精確的同步，大大提高了精度和吞吐量。PXI背板包括共享觸發器、一個高穩定的共享時鐘，以及一組保證同步性能的星型觸發線路。如圖6所示。



圖6：PXI平臺包含定時和同步的專用資源 

    說明定時和同步如何提高測試系統吞吐量的一個實例是使用DMM和開關掃描一組DC測量值。掃描開關和DMM的一個關鍵功能是在測試多個點的過程中進行握手的能力。對于握手掃描，DMM接收來自開關的數字脈沖（"Scanner Advanced"）、進行測量，然后產生一個數字脈沖（"Measurement Complete"）。在開關接收到"Measurement Complete"信號之后，它進入板載掃描列表上的下一個輸入項。在開關模塊的繼電器穩定之后，開關發出一個"Scanner Advanced"脈沖，并觸發DMM進行新的測量，重新開始前文所述的過程。過程一直重復，直到掃描列表完成為止。握手信號可以通過PXI觸發總線直接發送。在采用此種方式時，與軟件定時方法相比，基于PXI的開關/DMM系統可以將測試時間優化50％以上。

虛擬儀器技術的應用實例

    數以千計的公司已經成功地將虛擬儀器部署在他們的設計實驗室和制造工廠中，以提高性能、靈活性和生產力，如前文所述。下面的每個實例均說明了這些技術對于那些已經認識到他們能夠使測試成為戰略優勢的公司是如何的至關重要。

Lexmark提高了墨水盒測試精度

    Lexmark是印刷解決方案開發和制造的全球領導者，包括噴墨打印機和激光打印機，以及相關耗材。為滿足他們對于高吞吐量和低測試成本的要求，Lexmark采用了基于PC機的、使用LabVIEW和NI模塊化儀器的解決方案。

    Lexmark能夠隨著需要的變化調節其測試方案的規模。在1997年，系統使用一個8位、20 MS/s數字化儀（NI PCI-5102）和LabVIEW 4.1。然而，隨著噴墨打印頭技術的發展，Lexmark對于速度和分辨率的要求也增加。目前的制造系統使用LabVIEW 7 Express和基于PXI的系統，包括最新的14位、100 MS/s數字化儀（NI PXI-5122）和100 MHz數字波形發生器/分析儀（NI PXI-6552）。在提高測試系統性能的同時，Lexmark實際上因為采用了最新的測量技術而降低了設備成本。最重要地是，通過使用基于軟件的虛擬儀器結構，他們能夠在要求變化時，以最小的軟件修改量升級系統。 

   1997  2001  2003 
數字波形發生  第三方
ISA板 
(25 MHz)  NI PCI-6534
(20 MHz)   NI PXI-6552
(100 MHz) 
電阻測量用數字化儀  NI PCI-5102 
(10 MS/s, 8-bit)
NI-SCOPE
  NI PCI-5911
(12.5 MS/s, 12-bit)
NI-SCOPE  NI PXI-5122
(100 MS/s, 14-bit)
NI-SCOPE 
軟件  LabVIEW 4.1  LabVIEW 6i LabVIEW 7 Express 

圖7：Lexmark成功地更改了測量系統的規模以滿足不斷提高的噴墨打印頭測試要求 

美國空軍使用虛擬儀器增加任務執行能力
    在2002年，ManTech測試系統獲得了一個價值數百萬美元的合同開發和生產LANTIRN系統所用的測試設備，并提供技術支持。LANTIRN（低海拔夜間導航與目標導向紅外線）是一個在美國空軍主要戰斗機型上使用的系統，包括F-15E攻擊鷹和F-16C/D戰隼。LANTIRN顯著地提高了這些飛機的戰斗效能，它們可能低海拔、夜間和各種天氣條件下飛行，用各種精確制導和非制導武器攻擊地面目標。

    原來的LANTIRN測試系統可以追溯到20世紀80年代末期，基于MicroVAX計算機，與獨立式儀器綁定。系統不僅僅尺寸大，需要7個完整機架的空間，而且由于測試系統元件的逐漸過時，美國空軍面臨著一大堆可靠性和維護問題。

    ManTech采用PXI和NI模塊化儀器，以及市場上現成的技術，將測試系統的尺寸減小了50％以上，同時滿足了軍隊對于運行狀態和非運行狀態的可靠要求。

    降低了3G移動電話的制造測試成本
信威通信技術有限公司是中國的一家電信公司，最先合作開發出SCDMA標準。SCDMA協議是TD-SCDMA的基礎，它是在中國開發的3G協議。新維SCDMA在1.8 GHz帶寬下運行，為小型城市提供了一種低成本無線訪問和消息服務解決方案。

    VI Services（NI的聯盟伙伴）與新維有限公司合作，成功地使用PXI-5660 RF信號分析儀、LabVIEW和VI Services的無限測試工具包開發出一個SCDMA移動電話在線測試站。對于各個移動電話產品系列，新維有限公司均用基于虛擬儀器的新型測試站取代了原來基于獨立式通信測試套件的測試系統。同時，每條生產線的測試吞吐量幾乎增加了一倍，因此，通過采用虛擬儀器方法，性能提高了近4倍。

    因為系統使用軟件進行信號分析，所以它能夠在新的移動電話標準發布時進行升級，而無需購買附加測試設備。