自動測試系統的通用測試接口設計與實現

　　GPIB、VXI、PXI等總線標準的出現大大簡化了自動測試系統(ATS)的集成，系統構建變成了各種儀器模塊的功能組態。然而，由于UUT復雜多樣，接口類型千變萬化，因此，設計連接UUT和測試資源的通用測試接口(TUA)則是簡化ATS集成開發，提高儀器互換性、軟件移植性和系統性價比的有效手段。

　　本文探討通用TUA的設計與實現方法。?

1通用TUA設計方案
　　通用TUA采用開關網絡-連接器-適配器結構。

1.1連接器-適配器
　　通用TUA的連接器-適配器結構如圖1所示。?

　　連接器是測試資源連接被測信號和向UUT輸出激勵的統一接口，是為了實現接口的通用性而設計的。它一面連接適配器，另一面連接測試資源，UUT測試信號和測試資源信號在這里實現對接。

　　適配器實現對UUT信號和測試資源信號的連接、變換、分配等功能。在適配器結構中，UUT接口連接UUT測試端口，通過連接電纜、針床等接口結構實現與適配器信號調理電路的連接，最后這些經調理的信號通過統一的接口與連接器相連。

　　在連接器-適配器結構中，連接器是標準的、通用的，連接部件采用商業貨架產品(COTS)，可以根據系統的需求選購、組態；適配器針對具體的UUT，是非標準的、專用的。適配器采用“黑匣子”結構，可由設計人員根據自己的特長、愛好進行設計，只要提供的接口與連接器保持兼容就可以。

1.2開關網絡
　　連接器-適配器結構與測試資源的連接有直接電纜連接、專用屏蔽線連接、矩陣開關連接和專用開關連接等多種方式。前兩種方式適用于小型系統和專用系統，后兩種方式適用于大型系統，通用性較強。本文設計的TUA采用了直接電纜連接和開關網絡連接相結合的混合連接方式。測試資源是否連入開關網絡由資源的種類和數量決定，目的在于最大限度地擴充信號連接通道，實現測試資源的動態分配，節省費用，提高性價比。

　　開關網絡如圖2所示。該結構中采用矩陣開關對接的方式形成了環形虛線包圍的邏輯意義上的總線，進而形成開關網絡結構。如把4*16、4*32和4*64型矩陣開關各自的4路信號連接在一起，就形成了任意兩路可互達的總線型開關網絡結構。總線的數量由系統測試時需要同時加載的最大信號通道數決定；總線的連接能力由矩陣開關模塊的數目決定。圖中的兩個雙向箭頭表示測試資源與連接器直接相連。?

1.3基于通用TUA的ATS結構?

　　在通用TUA結構中，UUT連接電纜實現信號的第一次分配；適配器調理電路實現信號的第二次分配；而連接器到測試資源通過開關網絡實現信號的第三次分配。基于通用TUA的ATS結構如圖3所示，其中虛線框部分是由開關網絡、連接器和適配器構成的通用TUA部分，它實現了測試資源和UUT的無縫集成。?

2TUA硬件設計
　　TUA的硬件設計包括連接器設計和適配器信號調理電路設計兩部分。

2.1連接器設計
　　為了提高TUA的通用性和可靠性，選用COTS產品進行連接器設計，比如可以選用歐式DIN41612C系列、DIN41612F系列和RF18GHz系列插針和插座作為連接器中低頻信號、電源信號和同軸信號的可選連接部件。圖4給出了連接部件示意圖。

　　連接器與適配器的機械接口采用類似于VXI、PXI模塊的齒輪-球鎖結構，減小插拔力，提高可靠性，延長使用壽命。

　　連接器采用可裁減結構。根據具體的ATS和UUT測試需求，選用連接模塊的種類和數量；連接模塊可以以單個或組的形式遞增。連接器提供給UUT標準接口，被測信號可以在上面任意分配。

2.2適配器信號調理電路設計
　　本文給出基于USB總線微控制器的設計方法。

2.2.1器件和開發系統的選擇
　　考慮到芯片結構、編程語言、開發系統、設計靈活性和功能擴展性等因素，選用Cypress公司的EZ-USB 2100系列單片機作為微控制器芯片，選用Keil C51作為固件開發工具。

　　EZ-USB 2100單片機采用51系列內核，兼容性較好；內嵌USB接口引擎，縮小了設計規模；支持軟配置，省去了燒片子的麻煩；通用編程接口擴展了芯片的功能。Keil C51針對51內核，代碼效率很高。

2.2.2基于USB總線的信號調理電路設計

　　在選定芯片和開發工具的基礎上，基于USB總線微控制器芯片的適配器信號調理電路設計流程如圖5。

　　硬件電路設計指在EZ-USB 2100芯片的基礎上設計外圍電路實現系統的硬件功能框架。固件設計面向USB設備，按USB協議實現硬件電路的具體功能，它使用Keil C51進行編寫；設備驅動程序面向USB主機，提供測控軟件控制USB設備的接口，采用DDK進行編寫。

　　信號調理電路的供電問題可由具體的設計需求決定。若電路規模較小，可采用USB自供電方式；若規模較大，采用總線供電。?

3TUA軟件設計
　　TUA軟件設計指采用軟件的方法實現TUA的程控管理，包括信號轉接通道的自動管理和適配器調理電路的軟件控制兩部分。

3.1信號轉接通道的自動管理
　　信號轉接通道的自動管理是TUA完成信號轉接功能，進行測試資源動態分配的具體執行機制。同時也是提高TUA的自動化、標準化、通用化水平，簡化測試系統軟件設計的有效手段。為了實現信號轉接通道的自動管理，測控程序對轉接通道的控制要以控制系統信號端口的電氣互連關系為基本出發點。而要實現此目標，必須使轉接通道的控制函數與各轉接通道的電氣互連關系成為相互獨立的兩個部分。系統轉接通道的電氣互連信息以控制模型的形式存儲在一個文件中，通道控制函數在這個模型的基礎上來實現對轉接通道的控制。基于信號轉接通道自動管理的ATS軟件結構如圖6所示。

　　與普通測試軟件相比，該軟件結構增加了三部分內容：信號轉接通道控制模型、信號轉接通道通用控制函數和配置工具。

3.1.1信號轉接通道控制模型
　　采用.ini配置文件的形式建立信號轉接通道控制模型，采用字段的形式建立控制模型的數據結構，控制模型對外提供測試資源和UUT信號端口索引。

　　該控制模型文件記錄了實現信號端口電氣連接(及撤銷連接)操作所需要的全部控制信息，實際上是對系統信號轉接通道物理結構的充分描述。另外在該文件中，還要定義接口的信號特征，以便提供錯誤信息和安全檢查。另外，該文件還要提供矩陣開關的驅動程序信息，方便控制函數調用。以下是控制模型配置文件簡要示例：?
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3.1.2信號轉接通道通用控制函數
　　信號轉接通道通用控制函數是在通道控制模型的基礎上實現對信號通道控制及管理的執行函數。為了簡化程序調用，控制函數采用標準結構，按功能被封裝成三個，如下所示：
　　(1)Matrix-ArrayInit(Char ATEName)：初始化信號轉接通道控制模型。調用參數為當前ATE系統的注冊名，該注冊名同時也是記錄系統轉接通道控制模型信息的配置文件名；
　　(2)Matrix-ArrayClose(char Port1Name，char Port2Name,)：連接兩個信號端口，調用參數分別為需要連接的兩個信號端口的注冊名；
　　(3)Matrix-ArrayOpen(char Port1Name，char Port2Name,)：撤銷兩個信號端口的電氣連接，調用參數分別為需要撤銷連接的兩個信號端口的注冊名。控制函數被封裝在一個DLL文件中供測控程序直接調用。

3.1.3配置工具
　　配置工具完成控制模型的可視化管理和具體UUT通道的可視化配置，是系統的重要工具組件。

3.2適配器調理電路的軟件控制
　　適配器調理電路的軟件控制由具體的硬件設計方法決定，如前面基于USB總線微控制器的硬件設計方法，可采用設備驅動程序控制USB總線的方法實現信號調理電路的軟件設計。篇幅關系，不再贅述。?

4結論
　　基于開關網絡-連接器-適配器結構的TUA設計實現了測試資源與UUT的無縫對接，最大限度地增強了系統的連接能力，通用，擴展能力強，安全性好。

參考文獻

［1］顏榮江.EZ-USB 2100系列單片機原理、編程及應用［M］.北京航空航天大學出版社，2002.
［2］任獻彬.ATE系統信號轉接通道的自動管理技術［J］.測控技術.2002，21(1)：57-59，61.