開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)是電源行業(yè)生產(chǎn)制造部門必備的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。傳統(tǒng)的開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)以GPIB 卡控制多臺(tái)傳統(tǒng)儀器，完成自動(dòng)化測(cè)試功能。整個(gè)系統(tǒng)受限于傳統(tǒng)儀器功能，不易擴(kuò)展，很難滿足產(chǎn)品升級(jí)所帶來(lái)的新的測(cè)試要求；受限于GPIB 總線速度，很難實(shí)現(xiàn)并行測(cè)試和提高測(cè)試速度；受限于封閉式的應(yīng)用軟件，很難進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和二次開發(fā)。另外，整個(gè)系統(tǒng)的硬件成本非常高，開發(fā)周期非常長(zhǎng)。
為縮短開發(fā)周期、降低系統(tǒng)成本、提高測(cè)試效率、滿足日益更新的測(cè)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(shè)計(jì)了整個(gè)開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，并成功實(shí)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(jiǎn)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(lái)的一種自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架。它包括測(cè)試管理軟件、測(cè)試開發(fā)軟件、系統(tǒng)服務(wù)與驅(qū)動(dòng)程序軟件、處理總線平臺(tái)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(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(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間、降低自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的總體成本、為自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)提供更大的靈活性。
2 電源自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)功能需求
根據(jù)用戶需求，該系統(tǒng)應(yīng)有如下功能：
（1） 覆蓋所有需要測(cè)試的功能，如表1 所示：
表1 測(cè)試功能需求表
（2） 測(cè)試項(xiàng)目編輯功能，可以根據(jù)不同的測(cè)試需求增加或刪減測(cè)試項(xiàng)。
（3） 測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，把測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。
（4） 測(cè)試報(bào)表生成功能，根據(jù)需要自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表。
（5） 用戶管理功能，根據(jù)不同用戶授予不同權(quán)限。
（6） 靈活系統(tǒng)構(gòu)架，根據(jù)實(shí)際需求增加或刪減儀器設(shè)備。
（7） 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析功能，能計(jì)算出Cpk，繪制出控制圖。
2.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)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(cè)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(kuò)展） 是一種堅(jiān)固的基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)。PXI 結(jié)合了PCI 的電氣總線特性與CompactPCI 的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard 機(jī)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(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺(tái)。這些系統(tǒng)可用于諸如制造測(cè)試、軍事和航空、機(jī)器監(jiān)控、汽車生產(chǎn)及工業(yè)測(cè)試等各種領(lǐng)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(duì)復(fù)雜儀器系統(tǒng)的需求而推出的一種開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
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(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)硬件
測(cè)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(diǎn)，又能利用具有大功率優(yōu)勢(shì)的傳統(tǒng)儀器。整個(gè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如圖3 所示。
2.3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.3.1 軟件開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介
TestStand是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司的一款用于測(cè)試序列開發(fā)、管理和執(zhí)行的測(cè)試管理軟件。它將通用測(cè)試執(zhí)行任務(wù)（如報(bào)告生成）與專用測(cè)試任務(wù)（如執(zhí)行某項(xiàng)測(cè)試）相分離，為執(zhí)行環(huán)境定制、報(bào)告生成、數(shù)據(jù)庫(kù)記錄和操作者界面等功能提供了所必需的工具。
LabVIEW 是美國(guó)國(guó)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(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)提供了豐富的函數(shù)，可以方便快速地實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量功能。
2.3.2 軟件構(gòu)架
軟件構(gòu)架，如圖4 所示。整個(gè)系統(tǒng)的功能分為三個(gè)層次，最底層是硬件驅(qū)動(dòng)層，主要負(fù)責(zé)儀器控制和數(shù)據(jù)采集；中間層是測(cè)試功能層，在LabVIEW 下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得測(cè)試要求中的參數(shù)，完成測(cè)試功能開發(fā)；最高層是測(cè)試管理層，在TestStand 下開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)架，集成LabVIEW 下開發(fā)的測(cè)試功能，實(shí)現(xiàn)通用測(cè)試功能，如測(cè)試報(bào)表等。
圖4 軟件構(gòu)架。
這三個(gè)層次完全獨(dú)立，具有最小的耦合性，可以進(jìn)行并行開發(fā)。測(cè)試功能層不用關(guān)心底層硬件是什么以及數(shù)據(jù)從哪個(gè)具體的儀器中來(lái)，只需專注于數(shù)據(jù)處理和分析；測(cè)試管理層不用關(guān)心測(cè)試功能如何實(shí)現(xiàn)，只需專注于測(cè)試序列和測(cè)試構(gòu)架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)有增加/刪減測(cè)試功能的需求時(shí)，只需要增加/刪減相應(yīng)的儀器、儀器驅(qū)動(dòng)和測(cè)試功能并調(diào)整測(cè)試序列即可，并不需要對(duì)整個(gè)測(cè)試軟件做較大的修改，具有很強(qiáng)的靈活性。
2.3.3 系統(tǒng)界面
本系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dòng)化系統(tǒng)測(cè)試界面。
3 試驗(yàn)結(jié)果
3.1 開發(fā)時(shí)間
本系統(tǒng)從設(shè)計(jì)開發(fā)到調(diào)試完畢僅用了2 人2 周的時(shí)間大大低于現(xiàn)有商業(yè)開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。
3.2 測(cè)試時(shí)間
本系統(tǒng)在生產(chǎn)線上與用戶現(xiàn)有的商業(yè)開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)作對(duì)比。表3 是100 次測(cè)試時(shí)間平均值對(duì)比，從表中可以看出，本系統(tǒng)總體測(cè)試時(shí)間比成熟的商業(yè)系統(tǒng)提升15.38%;時(shí)序測(cè)試部分采用了高帶寬的模塊化儀器，測(cè)試時(shí)間提升52.5%;調(diào)整測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，由于需要反復(fù)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(duì)儀器控制進(jìn)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(cè)試時(shí)間對(duì)比
3.3 測(cè)試精度
表4 是100 次調(diào)整測(cè)試的測(cè)試結(jié)果平均值對(duì)比，由表中可以看出，本系統(tǒng)的測(cè)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(cè)試需求。
表4 調(diào)整測(cè)試
4 結(jié)語(yǔ)
本文按照“以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架”設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(cè)試速度快、測(cè)試精度高、總體成本低、維護(hù)方便和升級(jí)容易的特點(diǎn)，適合生產(chǎn)線自動(dòng)化測(cè)試升級(jí)的需求。
為縮短開發(fā)周期、降低系統(tǒng)成本、提高測(cè)試效率、滿足日益更新的測(cè)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(shè)計(jì)了整個(gè)開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，并成功實(shí)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(jiǎn)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(lái)的一種自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架。它包括測(cè)試管理軟件、測(cè)試開發(fā)軟件、系統(tǒng)服務(wù)與驅(qū)動(dòng)程序軟件、處理總線平臺(tái)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(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(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間、降低自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的總體成本、為自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)提供更大的靈活性。
2 電源自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)功能需求
根據(jù)用戶需求，該系統(tǒng)應(yīng)有如下功能：
（1） 覆蓋所有需要測(cè)試的功能，如表1 所示：
表1 測(cè)試功能需求表
（2） 測(cè)試項(xiàng)目編輯功能，可以根據(jù)不同的測(cè)試需求增加或刪減測(cè)試項(xiàng)。
（3） 測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，把測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。
（4） 測(cè)試報(bào)表生成功能，根據(jù)需要自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表。
（5） 用戶管理功能，根據(jù)不同用戶授予不同權(quán)限。
（6） 靈活系統(tǒng)構(gòu)架，根據(jù)實(shí)際需求增加或刪減儀器設(shè)備。
（7） 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析功能，能計(jì)算出Cpk，繪制出控制圖。
2.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)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(cè)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(kuò)展） 是一種堅(jiān)固的基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)。PXI 結(jié)合了PCI 的電氣總線特性與CompactPCI 的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard 機(jī)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(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺(tái)。這些系統(tǒng)可用于諸如制造測(cè)試、軍事和航空、機(jī)器監(jiān)控、汽車生產(chǎn)及工業(yè)測(cè)試等各種領(lǐng)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(duì)復(fù)雜儀器系統(tǒng)的需求而推出的一種開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
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(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)硬件
測(cè)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(diǎn)，又能利用具有大功率優(yōu)勢(shì)的傳統(tǒng)儀器。整個(gè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如圖3 所示。
2.3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.3.1 軟件開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介
TestStand是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司的一款用于測(cè)試序列開發(fā)、管理和執(zhí)行的測(cè)試管理軟件。它將通用測(cè)試執(zhí)行任務(wù)（如報(bào)告生成）與專用測(cè)試任務(wù)（如執(zhí)行某項(xiàng)測(cè)試）相分離，為執(zhí)行環(huán)境定制、報(bào)告生成、數(shù)據(jù)庫(kù)記錄和操作者界面等功能提供了所必需的工具。
LabVIEW 是美國(guó)國(guó)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(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)提供了豐富的函數(shù)，可以方便快速地實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量功能。
2.3.2 軟件構(gòu)架
軟件構(gòu)架，如圖4 所示。整個(gè)系統(tǒng)的功能分為三個(gè)層次，最底層是硬件驅(qū)動(dòng)層，主要負(fù)責(zé)儀器控制和數(shù)據(jù)采集；中間層是測(cè)試功能層，在LabVIEW 下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得測(cè)試要求中的參數(shù)，完成測(cè)試功能開發(fā)；最高層是測(cè)試管理層，在TestStand 下開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)架，集成LabVIEW 下開發(fā)的測(cè)試功能，實(shí)現(xiàn)通用測(cè)試功能，如測(cè)試報(bào)表等。
圖4 軟件構(gòu)架。
這三個(gè)層次完全獨(dú)立，具有最小的耦合性，可以進(jìn)行并行開發(fā)。測(cè)試功能層不用關(guān)心底層硬件是什么以及數(shù)據(jù)從哪個(gè)具體的儀器中來(lái)，只需專注于數(shù)據(jù)處理和分析；測(cè)試管理層不用關(guān)心測(cè)試功能如何實(shí)現(xiàn)，只需專注于測(cè)試序列和測(cè)試構(gòu)架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)有增加/刪減測(cè)試功能的需求時(shí)，只需要增加/刪減相應(yīng)的儀器、儀器驅(qū)動(dòng)和測(cè)試功能并調(diào)整測(cè)試序列即可，并不需要對(duì)整個(gè)測(cè)試軟件做較大的修改，具有很強(qiáng)的靈活性。
2.3.3 系統(tǒng)界面
本系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dòng)化系統(tǒng)測(cè)試界面。
3 試驗(yàn)結(jié)果
3.1 開發(fā)時(shí)間
本系統(tǒng)從設(shè)計(jì)開發(fā)到調(diào)試完畢僅用了2 人2 周的時(shí)間大大低于現(xiàn)有商業(yè)開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。
3.2 測(cè)試時(shí)間
本系統(tǒng)在生產(chǎn)線上與用戶現(xiàn)有的商業(yè)開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)作對(duì)比。表3 是100 次測(cè)試時(shí)間平均值對(duì)比，從表中可以看出，本系統(tǒng)總體測(cè)試時(shí)間比成熟的商業(yè)系統(tǒng)提升15.38%;時(shí)序測(cè)試部分采用了高帶寬的模塊化儀器，測(cè)試時(shí)間提升52.5%;調(diào)整測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，由于需要反復(fù)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(duì)儀器控制進(jìn)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(cè)試時(shí)間對(duì)比
3.3 測(cè)試精度
表4 是100 次調(diào)整測(cè)試的測(cè)試結(jié)果平均值對(duì)比，由表中可以看出，本系統(tǒng)的測(cè)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(cè)試需求。
表4 調(diào)整測(cè)試
4 結(jié)語(yǔ)
本文按照“以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)構(gòu)架”設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(cè)試速度快、測(cè)試精度高、總體成本低、維護(hù)方便和升級(jí)容易的特點(diǎn)，適合生產(chǎn)線自動(dòng)化測(cè)試升級(jí)的需求。
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