用LabVIEW測試電話系統用戶環路集中測量系統的測試頭

作者：徐明初

職務：生產部經理

公司：廣州瑞達通信技術有限公司

應用領域：產品測試

使用的產品：LabVIEW7.0，DAQ7.0，DIO-96 DIO卡，NI6014 DAQ卡，TNT4882C ASIC PCI-GPIB接口卡

挑戰：在有限的預算和時間內，設計一套高度集成、多功能、穩定可靠的自動測試系統用于通信線路測試產品的參數校準和功能測試。

應用方案：采用NI公司基于LabVIEW的虛擬儀器平臺和Agilent公司的34401A六位半數字萬用表，通過定制的接口硬件和信號調理模塊構建功能完善的自動測試系統，集成了數字I/O、儀器控制、數據采集、信號發生及調理功能，結合使用LabVIEW開發的自動測試軟件完成測試任務所需的數字仿真及測試控制、基本參數的測量及參數校準和各電路模塊的功能測試，實現了用一臺測試設備測試4種單板的設計要求，真正做到了一機多用，降低了測試成本。

測試頭作為電話系統用戶環路集中測量系統的前端設備，除對電話線路的電氣特性參數進行測試外，還可對用戶話機、交換機用戶板的功能進行測試，測量系統的后臺分析軟件通過分析返回的測量結果，對用戶線路故障進行判斷、定位，為準確、快速排障提供可靠依據，該設備可通過MODEM、RS-232口或TCP/IP口與測量中心連接。廣州瑞達公司的測試頭是基于VME總線的線路測試設備，由電源/接口板、控制/通信板、多功能測量板、交互測量板四個子模塊和帶VME總線無源背板的機箱構成，其核心模塊多功能測量板由采用三端測量法和帶線驅動的3位半數字萬用表、電容測試儀、縱向平衡測試儀以及P噪聲計組成，為保證最終產品的測試精度和質量，該設備在設計中設置了十余個需校準的參數及上千個需測試驗證的參數，同時其通信模塊和外部接口的功能也要逐一驗證，我們通過采用DIO96仿真CPU及VME總線的讀寫操作來控制被測板使之處于所需的測試狀態；采用NI6014 DAQ卡產生測試所需的0~1200Hz、0dBm~10dBm的單音信號和標準DTMF信號以及采集被測信號并結合LabVIEW的信號分析功能實現對單音信號頻率及幅度、測試信號源相位差的測量和DTMF信號的譯碼；此外采用GPIB控制的Agilent公司的34401A高精度萬用表完成對各種基本參數的測量。通過使用LabVIEW開發的自動測試軟件來有機整合上述虛擬儀器資源，成功構建了滿足該產品4塊板的功能測試及參數自動校準的自動測試設備。

系統采用典型的基于虛擬儀器平臺的個人自動測試系統架構（如圖1所示），其核心是采用LabVIEW7.0開發的自動測試軟件，它控制測試系統完成所有的測試任務，包括參數裝載、上電控制、UUT設置、測試通路控制、信號發生及信號采集、參數測試、參數校準、信號分析及處理、測試結果分析及顯示以及測試流程控制；基于通用工控機的虛擬儀器平臺提供測試控制、參數測試、參數校準以及外部端口功能測試所需的硬件資源，其中DIO96用于CPU仿真、VME總線仿真、繼電器矩陣的控制和程控電阻盒的控制，NI6014DAQ卡用于標準直流電壓、單音信號以及DTMF信號的產生和被測音頻信號及DTMF信號的采集，Agilent34401A萬用表用于被校準參數的測量以及一般參數的測量；專用組件主要包括被測板與虛擬儀器平臺之間的硬件接口和用于電源程控、程控電阻盒控制以及Agilent34401A萬用表和NI6014DAQ卡復用所需的繼電器矩陣，測試夾具用測試頭的機框改制，可滿足4種單板的測試需求。

該測試系統設計的核心思想是充分發揮虛擬儀器的靈活性、通用性、擴展性和軟件功能強大等優越性，盡量減少專用硬件的數量，除必須的專用接口硬件外，功能性專用硬件一律用DAQ卡加軟件來實現，這得益于DAQ卡強大的功能、良好的軟件支持和理想的輸入輸出特性，這樣的設計可有效降低設備成本，提高其穩定性、可靠性、可維護性，同時可保護設備投資。

為方便維護及保證測試系統可靠工作，我們設計了一套自診斷程序，用于檢查測試系統本身的功能和精度，同時可幫助維護人員查找故障。

該測試系統自動測試軟件總體結構采用LabVIEW提供的狀態機結構，由于自動測試系統的測試序列是由對應的測試任務構成的順序集，而對于解決有順序任務的問題來說，狀態機結構是最有效的方法，同時狀態機結構支持入口的任意跳轉，這樣當測試設備工作于維修模式時，可直接跳到與維修有關的測試步驟，保證了設備使用靈活方便，有利于提高設備利用率。

利用LabVIEW的層次結構，為改善LabVIEW代碼的可維護性，我們將測試軟件在邏輯上分為測試執行界面、測試模塊和儀器驅動器3層（見圖2），其中測試執行界面層負責測試序列的組織、人機交互和測試報告的生成；測試模塊為每一測試步驟的具體實現，每個測試模塊對應測試序列中的一個測試步驟且可獨立運行，以便于調試；儀器驅動器為儀器供應商提供的標準的LabVIEW儀器驅動程序庫。我們在測試執行界面和測試模塊間定義了標準接口，而測試模塊通過直接調用儀器驅動器的高層函數（VI）來與儀器驅動器交互，清晰的層次結構和標準化的接口有效改善了軟件的健壯性和可維護性，同時也便于團隊協作開發的組織。

為了便于軟件系統的維護，我們將測試規格等需要維護的數據做成一個測試清單ACCESS數據庫，當測試程序第一次啟動時，這些參數被自動加載，對于不同的被測板，只需加載相應的測試清單數據庫即可，而不需對程序作任何改動；類似地，當產品參數發生改變而需更改測試規格時，也只需更改測試清單數據庫里的對應記錄，而不需更改程序代碼。正是由于LabVIEW提供的功能強大的SQL TOOL KIT工具包幫助我們輕松實現了維護性數據獨立于程序代碼的思想。

為了滿足該設備測試4種板的需求，測試軟件的用戶界面層必須是完全可重用的，利用LabVIEW動態加載子VI的功能，我們將測試模塊的名稱標準化，在用戶界面層采用動態加載的方式調用各測試模塊，在更換被測對象時，只需將對應的測試模塊拷貝到指定路經的文件夾即可，而不用對用戶界面層作任何改動，這樣可大大減少重復性工作，提高開發效率。此外，由于動態加載子VI的生命周期與其執行周期相同，故測試軟件對系統資源的占用較少，在測試系統比較龐大的情況下，有利于提高執行效率。

此外在測試功能的實現上，更得益于LabVIEW的強大功能和易用性，通過合理分配DIO96的I/O線，利用LabVIEW提供的DIO函數，我們輕松完成了MOTOROLA系列CPU的仿真程序和VME總線的讀寫仿真程序的編寫；通過調用基于VISA的驅動程序，輕松完成了對Agilent34401A數字萬用表的控制；利用LabVIEW的波形發生器函數，輕松實現了虛擬信號發生器的功能；利用LabVIEW自帶的信號處理工具包，通過FFT變換完成了對同頻信號相位差的測量和利用諧波分析法完成對DTMF信號的譯碼。當然參數校準算法的成功實現也得益于LabVIEW強大的功能和豐富的資源。

測試界面采用典型的生產自動測試系統界面（圖3所示為待機狀態下的界面），用戶可選擇被測產品的類型（在線產品和返修產品），測試設備的操作模式（生產測試模式和維修模式），在維修模式下，用戶可選擇起始執行步驟，單步循環次數及測試序列循環次數。測試過程中，測試界面除顯示被測板信息、測試通過率信息和當前測試步驟信息外，還會實時報告各測試步驟的測試結果，當有測試步驟失敗時，會提醒用戶是繼續還是終止測試。測試完成后，測試軟件自動生產LOG文件或將測試結果寫入數據庫。

此外當測試通過率低于設定值時，系統會發出告警信息以提醒操作者注意。

測試流程包括總體測試流程（見圖4）和測試模塊測試執行流程（見圖5）。

圖4所示測試流程為生產模式下的自動測試流程，在維修模式下，由于可手動選擇測試步驟，流程中會增加一些手工選擇的環節。

測試模塊的功能雖然千差萬別，但我們將其流程標準化，主要目的是保證各測試模塊均可獨立運行，這樣十分便于開發調試，也便于開發的組織和管理。

4種被測板需校準的參數達十余個，被校參數類型包括基本的測試用交、直流基準信號源的幅度，測試用交流信號源之間的相位差，板上交、直流基準電壓的幅度，單音信號及DTMF信號的幅度，各種類型濾波器的頻率響應特性等。所有這些參數的校準均通過預先設置的微調電阻來調整，我們采用如圖6所示的閉環調節算法，同時根據被校參數對電阻調節的不同收斂特性，用LabVIEW編制了不同的校準算法，計算機通過程控電阻盒來模擬微調電阻對被校準參數進行調節，測試儀器將調節的結果反饋至計算機，計算機根據校準算法通過程控電阻盒對被校參數作進一步調整，直至被校參數達到目標值要求，此時，校準程序自動給出微調電阻的阻值。

由于我們的校準算法根據被校參數的收斂特性進行了優化，使的校準調節的準確度和速度都較為理想。

我們用基于LabVIEW的虛擬儀器平臺，在有限的預算和時間內，成功開發了電話系統用戶環路集中測量系統測試頭的單板自動測試設備，實現了一臺設備測四種板的設計要求，完全替代了原進口設備，造價不到進口設備的十分之一，且比進口設備體積更小，功能更強，維護更方面，同時在穩定性和可靠性方面有質的提高。

LabVIEW的強大功能保證了虛擬儀器優勢的充分發揮，不僅大大減少了專用硬件的使用，也使測試設備開發周期大為縮短，為新產品搶先上市奠定了基礎。

以基于開放工業標準的計算機技術為基礎的虛擬儀器技術，其靈活性和可擴展性是傳統儀器所無法比擬的，本文所述設備只需增加少量資源，即可演變為一臺滿足音頻頻段產通信產品功能測試的通用自動測試平臺。