開關電源自動化測試系統的設計與實現
開關電源自動化測試系統是電源行業生產制造部門必備的自動化測試系統。傳統的開關電源自動化測試系統以GPIB 卡控制多臺傳統儀器，完成自動化測試功能。整個系統受限于傳統儀器功能，不易擴展，很難滿足產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，很難進行系統維護和二次開發。另外，整個系統的硬件成本非常高，開發周期非常長。
為縮短開發周期、降低系統成本、提高測試效率、滿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開關電源自動化測試系統，并成功實現了該系統。
1 以軟件為核心的模塊化系統構架簡介
以軟件為核心的模塊化系統構架是近年發展起來的一種自動化測試系統設計構架。它包括測試管理軟件、測試開發軟件、系統服務與驅動程序軟件、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構架
以軟件為核心的模塊化系統構架能縮短自動化測試系統的開發時間、降低自動化測試系統的總體成本、為自動化測試系統提供更大的靈活性。
2 電源自動化系統的設計與實現
2.1 系統功能需求
根據用戶需求，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，把測試數據自動存入數據庫。
（4） 測試報表生成功能，根據需要自動生成測試報表。
（5） 用戶管理功能，根據不同用戶授予不同權限。
（6） 靈活系統構架，根據實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 硬件設計與實現
2.2.1 系統總線選擇
系統總線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 作為系統總線。
2.2.2 PXI 總線介紹
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展） 是一種堅固的基于PC的測量和自動化平臺。PXI 結合了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、汽車生產及工業測試等各種領域中。
PXI 在1997 年完成開發，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的需求而推出的一種開放式工業標準。
2.2.3 硬件系統構架
本系統使用的硬件如表2 所示：
表2 開關電源自動化測試系統硬件
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 總線的傳統儀器。PXI 總線與GPIB 總線一起構建以PXI 總線為核心的混合總線系統。這樣的總線系統既具有PXI 總線的優點，又能利用具有大功率優勢的傳統儀器。整個系統的硬件構架如圖3 所示。
2.3 軟件設計與實現
2.3.1 軟件開發平臺簡介
TestStand是美國國家儀器有限公司的一款用于測試序列開發、管理和執行的測試管理軟件。它將通用測試執行任務（如報告生成）與專用測試任務（如執行某項測試）相分離，為執行環境定制、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言，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個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。整個系統的功能分為三個層次，最底層是硬件驅動層，主要負責儀器控制和數據采集；中間層是測試功能層，在LabVIEW 下進行數據處理，獲得測試要求中的參數，完成測試功能開發；最高層是測試管理層，在TestStand 下開發測試系統構架，集成LabVIEW 下開發的測試功能，實現通用測試功能，如測試報表等。
圖4 軟件構架。
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。測試功能層不用關心底層硬件是什么以及數據從哪個具體的儀器中來，只需專注于數據處理和分析；測試管理層不用關心測試功能如何實現，只需專注于測試序列和測試構架的設計與實現。
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、儀器驅動和測試功能并調整測試序列即可，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 系統界面
本系統界面設計簡潔、友好，適合生產線操作員使用，如圖5 所示：
圖5 電源自動化系統測試界面。
3 試驗結果
3.1 開發時間
本系統從設計開發到調試完畢僅用了2 人2 周的時間大大低于現有商業開關電源自動化測試系統的開發時間。
3.2 測試時間
本系統在生產線上與用戶現有的商業開關電源自動化測試系統作對比。表3 是100 次測試時間平均值對比，從表中可以看出，本系統總體測試時間比成熟的商業系統提升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%;調整測試和動態測試，由于需要反復控制傳統儀器并且商業系統已使用了底層函數對儀器控制進行了優化，所以本系統的速度比商業系統慢。
表3 測試時間對比
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系統的誤差在0.2%以內，完全滿足用戶測試需求。
表4 調整測試
4 結語
本文按照“以軟件為核心的模塊化系統構架”設計并實現了開關電源自動化測試系統。實驗表明，基于該構架的系統較之傳統的系統具有開發周期短、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，適合生產線自動化測試升級的需求。
為縮短開發周期、降低系統成本、提高測試效率、滿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開關電源自動化測試系統，并成功實現了該系統。
1 以軟件為核心的模塊化系統構架簡介
以軟件為核心的模塊化系統構架是近年發展起來的一種自動化測試系統設計構架。它包括測試管理軟件、測試開發軟件、系統服務與驅動程序軟件、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構架
以軟件為核心的模塊化系統構架能縮短自動化測試系統的開發時間、降低自動化測試系統的總體成本、為自動化測試系統提供更大的靈活性。
2 電源自動化系統的設計與實現
2.1 系統功能需求
根據用戶需求，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，把測試數據自動存入數據庫。
（4） 測試報表生成功能，根據需要自動生成測試報表。
（5） 用戶管理功能，根據不同用戶授予不同權限。
（6） 靈活系統構架，根據實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 硬件設計與實現
2.2.1 系統總線選擇
系統總線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 作為系統總線。
2.2.2 PXI 總線介紹
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展） 是一種堅固的基于PC的測量和自動化平臺。PXI 結合了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、汽車生產及工業測試等各種領域中。
PXI 在1997 年完成開發，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的需求而推出的一種開放式工業標準。
2.2.3 硬件系統構架
本系統使用的硬件如表2 所示：
表2 開關電源自動化測試系統硬件
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 總線的傳統儀器。PXI 總線與GPIB 總線一起構建以PXI 總線為核心的混合總線系統。這樣的總線系統既具有PXI 總線的優點，又能利用具有大功率優勢的傳統儀器。整個系統的硬件構架如圖3 所示。
2.3 軟件設計與實現
2.3.1 軟件開發平臺簡介
TestStand是美國國家儀器有限公司的一款用于測試序列開發、管理和執行的測試管理軟件。它將通用測試執行任務（如報告生成）與專用測試任務（如執行某項測試）相分離，為執行環境定制、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言，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個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。整個系統的功能分為三個層次，最底層是硬件驅動層，主要負責儀器控制和數據采集；中間層是測試功能層，在LabVIEW 下進行數據處理，獲得測試要求中的參數，完成測試功能開發；最高層是測試管理層，在TestStand 下開發測試系統構架，集成LabVIEW 下開發的測試功能，實現通用測試功能，如測試報表等。
圖4 軟件構架。
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。測試功能層不用關心底層硬件是什么以及數據從哪個具體的儀器中來，只需專注于數據處理和分析；測試管理層不用關心測試功能如何實現，只需專注于測試序列和測試構架的設計與實現。
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、儀器驅動和測試功能并調整測試序列即可，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 系統界面
本系統界面設計簡潔、友好，適合生產線操作員使用，如圖5 所示：
圖5 電源自動化系統測試界面。
3 試驗結果
3.1 開發時間
本系統從設計開發到調試完畢僅用了2 人2 周的時間大大低于現有商業開關電源自動化測試系統的開發時間。
3.2 測試時間
本系統在生產線上與用戶現有的商業開關電源自動化測試系統作對比。表3 是100 次測試時間平均值對比，從表中可以看出，本系統總體測試時間比成熟的商業系統提升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%;調整測試和動態測試，由于需要反復控制傳統儀器并且商業系統已使用了底層函數對儀器控制進行了優化，所以本系統的速度比商業系統慢。
表3 測試時間對比
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系統的誤差在0.2%以內，完全滿足用戶測試需求。
表4 調整測試
4 結語
本文按照“以軟件為核心的模塊化系統構架”設計并實現了開關電源自動化測試系統。實驗表明，基于該構架的系統較之傳統的系統具有開發周期短、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，適合生產線自動化測試升級的需求。
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