电子产品测试系统中基于单片机的通用智能测试接口的设计与应用

在电路设计和调试中，对设计单元电路的性能进行实时测试是必不可少的环节。很多情况下，需要通过计算机的比较和分析，来测试设计的电路的性能是否达到要求。随着当今的各种标准化的测试总线的出现例如GPIB，VXI等，快速连接各种测试仪表组建自动测试系统成为非常方便的事情。然而，由于被测试对象的复杂多样性，接口类型千变万化，在接口设计上会有一定的困难，而设计连接和测试仪表的智能型通用测试接口则是简化集成开发，提高仪表互换软件移植性和系统性价比的有效手段。

单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种的单片机主要用于工业控制，测试测量等, 单片机使用比较简单，价格低廉，生存周期长，速度越来越快，因此作为较为简单的控制器件非常适合作用在无需处理大量的数据的实时现场控制应用中。

而本文主要探讨基于单片机的通用智能测试接口的应用与接口系统的实现方法。

1.考虑到开发的简单性和易用性我们采用了基于51内核的增强型芯片STC89C51RC/RD+系列单片机作为控制部分的MCU

STC89C51RC/RD+系列单片机的优点：

超强抗干扰,轻松过 4KV 快速脉冲干扰(EFT)

高抗静电(ESD)，6KV静电可直接打在芯片管脚上

中断优先级可设置成4级(IP,IPH)

可在系统编程无需编程器（ISP）方便软件升级。

2.同时使用Keil C51作为单片机的软件开发工具，KEIL C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点，所以Keil C51针对51内核，代码效率很高。

3．使用Visual Studio C++作为控制端DLL的开发工具。

Part 1:

1。通用智能测试接口的组成
　　通用测试接口是采用了 资源连接器-开关网络部-待测模块匹配器-总控制部-总线连接部分。

组成如图1

1.1本系统分为5个部分

1． 资源连接器：作用是把待测信号经过整理和规范化后和测试资源连接起来。

2． 网络开关部分：作用是把输入的各种待测信号，按照测试要求切换到不同的测试信道上。

3． 匹配器：作用是根据不同的待测单元，把待测信号如针床或各种探头等经过线缆调整变换成规范的信号，连接到网络开关部分。

4． 总线部连接部分：作用是把各种待测信号和控制信号还有地址信号，与相应的模块有机的连接在一起。

5． 总控制部：控制网络开关部的信号切换。和其他功能模块的协同工作。

1.2下面我们分开详述各部分的作用和设计思路：

1. 连接器：

连接器的主要作用就提供一个被测信号和测试资源的一个变换通道，也就是把由网络开关部所提供的待测信号经过规范化转换成标准的信号输出提供给测试资源。因为不同的测试资源对测试信号有不同的要求。连接器就是为了适应不同的测试资源而设计的。这样就避免了由于使用不同的测试资源而对整体电路的修改，加大了系统的灵活性，和通用性。

2．网络开关板：

网络开关板部分是一个非常重要的部分，因为它直接担负着把匹配器获得的信号根据测试系统的要求提供给连接器后再提供给测试资源的重要任务。其逻辑结构如下图所示，其中DIChannel_IN和DIChanne_OUT开关矩阵与激励信号总线组成了n*n 路的网络开关，可以使激励信号进行n路选通到达待测模块。同样DO_relay_board也是这个工作方式。另外激励信号总线和待测信号总线是可以根据测试资源的具体数量来增加。在实际使用中对不同信号的测试，在测试要求上是有很多不同的，如对电压，电流的测试就与对高频小信号的测试有所不同。所以除了预留常规信号测试通道外，还要留出特殊测试通道。以供对不同的测试目标的不同要求使用。例如作为高频信号测试如使用普通的开关则会造成对信号的衰减同时也会对其它的部分造成干扰，所以应选用专用的射频继电器。同时作为开关网络，所有的测试通道应该能够按照不同系统的不同要求进行快速的变换。这就提出了对系统智能化的要求，这也是我们使用单片机来完成这一设计的主要目的。网络开关板的逻辑结构如图2

3．匹配器

匹配器是直接与待测模块相连的，它的主要任务就是把待测模块的所有测试信号，连接到它的输入端，经过它的变换后，形成标准的测试信号提供给网络开关，以供系统的使用。由于不同的测试目标的测试形式和测试要求不同，比如对LOGIC信号的测试，模拟信号的测试或混合测试等等。所以对匹配器的在硬件上的设计，应该由应用人员根据待测的模块的不同，进行不同的设计但是在输出接口上应该与网络开关部保持一致.

4．总线：

总线是整个系统的纽带他连接了所有的资源，是这个系统的基础。由于要考虑到今后的系统扩充性应采用较大的冗余机制。在硬件的设计上，采用了120Pin的标准PCI插槽，采用这种插槽机制既可以提高系统的冗余，便于系统的维护和插拔又为系统的扩充提供了必要的冗余。在总线中我们定义了几个部分:包括通讯控制总线（COM，USB，I2C），电源总线（24V，12V，5V，3.3V）和数据通道部分和信号通道部分。

5． 控制部：

控制部分是该系统的核心部分它完成了接收外来控制信号，切换网络开关，谐调系统各部分的工作。以按照测试的要求为测试资源提供待测信号通道。同时也为待测模块提供其测试所需要的激励信号通道。并可以提供在系统编程（ISP）以实现对整个测试接口系统的控制软件的随时更新，这样可以更好的提高系统的灵活性，和可移植性。

1.3 系统工作流程

整个接口系统的工作过程是这样的，待测模块所需的激励信号通过DI信号总线由继电器组成的DI开关网络提供给待测模块，而测试信号则由DO开关网络通过DO测试总线提供给测试资源，其中系统地总控部分用来接收来自上位机的网络通道切换指令，同时根据指令进行译码工作将翻译得到的具体通道号通过驱动装置来控制相应的开关的吸合与释放完成对信号通路的选通与切断，实现由外部控制机构进行程控的测试过程。

在本系统结构中，待测资源通过连接电缆实现了信号的第一次分配；匹配器调整电路实现信号的第二次分配；而匹配器通过开关网络再与连接器到测试资源的连接实现信号的第三次分配。基于上述结构如图1所示，其中红色线框圈选部分是资源连接器-开关网络部-待测模块匹配器-总控制部-总线连接部分组成的完整的测试接口系统，它实现了测试资源和待测模块的无缝连接。

Part 2:

2．关于硬件设计。

2.1控制板部分硬件设计

考虑到开发的简单性和易用性我们采用了基于51内核的增强型芯片STC89C51RC/RD+系列单片机作为控制部分的MCU

STC89C51RC/RD+系列单片机的优点：

超强抗干扰,轻松过 4KV 快速脉冲干扰(EFT)

高抗静电(ESD)，6KV静电可直接打在芯片管脚上

中断优先级可设置成4级(IP,IPH)

可在系统编程无需编程器（ISP）方便软件升级。

同时使用Keil C51作为单片机的软件开发工具，KEIL C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点，所以Keil C51针对51内核，代码效率很高。

2.1.1在选定的MCU和开发工具的基础上总控制板的设计流程如 图三。

1．硬件电路设计指的是在MCU的基础上，设计其完成功能所需的外围硬件电路。

2．单片机软件开发，是由Keil C51来完成的对于接口控制部分的逻辑，和对于上位机所发送命令的译码部分。

3．驱动程序设计，是面向上位机的。它的主要功能是

为应用测试软件提供对本系统的控制指令。

为更新本系统的控制软件（ISP）提供所需的接口。

2.2 其他部分的硬件设计

2.2.1 连接器部分的硬件设计

为了提高该系统的通用性和可靠性，可选用COTS（commercial off-the-shelf）产品进行连接器设计，比如可以选用欧式DIN41612C系列、DIN41612F系列和RF18GH系列插针和插座作为连接器中低频信号、电源信号和同轴信号的可选连接部件。见图四

2.2.2 网络开关部分的硬件设计

网络开关采用可增减结构。根据具体的测试资源和待测模块测试需求，网络开关模块可以以板卡的形式递增或裁减。由于每块板卡都有相应的地址所以可以通过增加不同地址的板卡来进行信号通道的扩充。

2.2.3 匹配器部分的硬件设计

匹配器提供给UUT标准接口，被测信号可以在上面任意分配。

2.2.4 总线系统部分的硬件设计

总线系统的硬件接口我们采用的是标准的PCI扩展槽，其中已经定义了DI_BUS, DO_BUS,POWER_BUS,COM,USB,I2C,EXTEND_BUS，当需要增加信号通道时我们可以自由的定义EXTEND_BUS成为设计人员需要的信号通道或控制总线，从而给予系统更强的可扩展性。而基于PCI插槽的设计更便于系统的扩展和维护。

Part 3:

3．软件设计

软件设计主要指的是用软件的方法实现接口系统的程控管理，其中包括信号转接通道的自动管理和测试应用程序对本系统的调用接口两部分

3.1信号转接通道的自动管理

　　信号转接通道的自动管理是控制板完成信号转接功能，进行测试资源动态分配的具体执行机制。同时也是提高测试系统接口的自动化、标准化、通用化，简化测试系统软件设计的有效手段。为了实现信号转接通道的自动管理，测控程序对转接通道的控制要以控制系统信号端口的电气互连关系为基本出发点。而要实现此目标，必须使转接通道的控制函数与各转接通道的电气互连关系成为相互独立的两个部分。

3.1.1信号转接通道控制模型

　　采用.cfg的配置文件形式建立激励信号转接通道控制模型和被测试模块通道控制模型，采用字段的形式建立控制模型的数据结构，控制模型对外提供测试资源和UUT信号端口索引。这个控制模型文件记录了实现信号端口电气连接(及撤销连接)操作所需要的控制信息，实际上是对系统信号转接通道物理结构的描述。另外在该文件中，还要定义接口的信号特征，以便提供错误信息和安全检查。另外，该文件还要提供矩阵开关的驱动程序信息，方便控制函数调用。以下是控制模型配置文件简要示例：

3.1.2应用程序对本系统的调用接口

　　信号转接通道通用控制函数是在通道控制模型的基础上实现对信号通道控制及管理的执行函数。为了简化程序调用，控制函数被封装在一个DLL文件中供测控程序直接调用。

它按功能分为五个，如下所示：
　　(1)Channal_Init(Char 配置文件名)：初始化信号转接通道控制模型。调用参数为当前要测试的系统注册名，该注册名同时也是记录系统转接通道控制模型信息的配置文件名；
　　(2)Channal_Close(int DIChannel_IN，int DIChannel_OUT,)

Channal_Open(int DIChannel_IN，int DIChannel_OUT,)：连接两个信号端口，调用参数分别为需要连接的信号端口和资源端口的注册名；
　(3)Channal_Close(int DOChannel_IN，int DOChannelOUT,)

Channal_Open(int DOChannel_IN，int DOChannelOUT,)：撤销两个信号端口的电气连接，调用参数分别为需要撤销连接的两个信号端口和资源端口的注册名。

在本系统中，我们为以后测试不同的待测模块留下了很大的扩展空间，可以通过DI_BUS和DO_BUS来扩展不同的功能模块，还可以通过激励信号总线和待测信号总线的扩充来加大测试通道和激励信号的数量。另外一些特殊的测试项目还可以通过升级控制板的软件和开发相应的功能板，来完成测试。因篇幅关系在此不再细述。

　　基于资源连接器-开关网络部-待测模块匹配器-总控制部-总线连接部分的测试接口设计方案实现了测试资源与被测资源的无缝对接，极大限度地增强了系统的连接能力和通用性，有着极强的扩展能力