基于PXI和LabVIEW的FCT(Functional Circuit Test)测试系统

霍尼韦尔综合科技（中国）有限公司   Senior Software Engineer  王伟

应用领域：产品测试

挑战：通过PXI 控制板卡和LabVIEW软件，构建一套比较完整齐全的PCB板的功能测试(FCT)系统，利用该系统可实现对音频视频以及各种静态参数（电压、电流、频率）的综合性全自动测试，对于新开发生产的PCB板，工厂无需频繁更换测试硬件，只要添加制作一个测试夹具，重新连接线路，利用LabVIEW开发编写测试软件即可。

应用方案：使用NI公司的PXI控制硬件平台结合NI的图形化编程软件LabVIEW快速并成功的开发构建出一个经济、灵活的PCB板功能测试系统(FCT测试系统)。

该系统采用的PXI 控制板卡可以实现对音频、视频以及各种静态参数(电压、电流、频率)的综合性全自动测试，并且通过LabVIEW软件编程可以实现兼容GPIB,I2C,Modbus,TCT/IP等多种协议，通过VISA模块库，可以实现对串口随意方式的数据处理，和数据交互显示。

使用的产品：

软件

LabVIEW 8.2.1 Professional Development System

National Instruments drivers

NI Vision 8.5 Development Module

NI Vision Acquisition 8.5.1

Composite Video Generator 5431

硬件

PXI-1045 18槽3U PXI机箱

PXI-6533 高速32位数字数字I/O卡

PXI-6070E 多功能I/O卡

PXI-4070 数字万用表

PXI-5122 示波器卡

PXI-2565, PXI-2503多路继电器板卡

PXI-4461 动态信号采集发生器

PXI-5431 视频信号发生卡

PXI-1411 视频分析卡

PXI-8420 RS232串口卡

PXI-8421 RS485串口卡

PXI-8331 卡

PCI-GPIB 卡

PPS-GW-3202 GPIB 接口电源

介绍

现代化电子工厂车间批量生产的PCB电路板，除了要进行ICT测试外，还要做最终打包出厂前的功能测试FCT(Functional Circuit Test)。利用NI公司的PXI 控制板卡和LabVIEW软件构建的一套完整的包含音频、视频及各种电压，电流，频率，开关量等等的综合性全自动功能测试平台。该平台实现了对各种不同的PCB电路板的FCT功能测试。通过该平台无需频繁更换测试硬件，新产品加入时，只需更换一个ATE测试夹具，按照PXI板卡的硬件资源分配，对测试夹具的插针进行连线到其界面接口，最后修改相应的测试软件即可实现对PCB板的全自动测试。

该系统综合了音频，视频的自动测试，包含了GPIB，RS232，RS485， Ethernet等多种接口和通讯方式，测试

方法简单，操作工人测试时只需要将

测试夹具压下、观察上位机软件画面提示，测试完成后抬起测试把柄即可实现全功能测试，测试效率大幅提高。

正文：

1.  FCT功能测试现状

现代化电子工厂车间批量生产的PCB电路板，通常要进行ICT和FCT的测试。

ICT：IN Circuit test，ICT通常是生产中第一道测试工序，主要运用ICT测试设备在线检查单个元器件以及各电路网络的开、短路情况。

现在大多数的PCB板都会下载相应的Firmware来对板卡进行程序控制，通过ICT的PCB板虽然能够准确定位电子元器件的优劣，却无法对整个电路板的功能好坏作出判断。这就需要测试工程师搭建一个适合PCB板的模拟电路环境，对电路板的TP(TestPoint)点进行FCT功能测试。

FCT：Functional Circuit test，主要是模拟成品的功能，运用测试治具测试产品的功能是否实现的测试系统。

现有的工厂产线对PCB的FCT功能测试，大多实现的是一对一的方式，即一种PCB对应一个FCT功能测试台。

该种测试台由测试工程师自己设计控制电路底板，连接I/O口到测试治具的针盘，然后编写底板Firmware模拟成品运行环境，实现对待测PCB板电压、电流检测、以及相应时序控制。一对一的方式虽然对测试工人是一种方便，但同时也意味着资源浪费，在该类产品出厂后，该FCT测试台也往往被束之高阁了。对测试工程师不断的制版，编程，接线等等重复劳动也是一个不小的工作压力。

2.  PXI测试系统构想 

随着产品种类越来越多，测试功能越来越复杂PCB板来说，普通的FCT功能测试台已经无法实现一些特殊的功能测试，例如：音频，视频等功能测试。能不能构建一个统一的测试平台来实现大部分的FCT功能测试呢？首先我们设想的测试平台必须具有如下测试功能：

1) 多路双向高速I/O可以实现对测试治具状态监测的同时，能够模拟I2C等协议实现对PCB板的多数芯片的时序控制。

2) 多路模拟量输入输出，可以模拟一些波形信号作为PCB板的的输入信号。

3)多通道可控制继电器阵列，方便实现对信号通断控制。

4) RS232, RS485串口卡，实现串口协议通信。

5) 采集电压，电流的程序控制万用表功能。

6) 可实现频率，波形采集的示波器。

7) 视频产生和采集分析功能。

8) 音频采集分析功能。

9) 可编程电源。

10) 统一编程的软件。

针对如此多的功能实现，倘若都采用仪器设备，单从费用上来说构建这样一个复杂的FCT测试系统会是一个不小的开支，这时我们想到了NI。NI作为测试测量业内的专家，为我们提供了很好的技术服务，经过仔细的需求分析，帮我们推荐了上面的产品清单，我们仅花费了最初一半费用就最终实现了我们的系统构想。

3.系统构架组成

以往一个简单的FCT功能测试台，测试治具是必须的，然后根据PCB板的不同功能需求，设计制作各种功能的电路底板，然后接线到针盘底座，最后对单片机进行编写Firmware软件。大多通过液晶屏显示测试结果，复杂一些的还需要通过串口与上位机编写的PC软件进行通信控制，以实现各种测试功能。

基于PXI的FCT功能测试台让测试工程师从频繁的设计制作各种电路板，无休止的编写Firmware软件，不断的连接布线中解脱出来。

该FCT功能测试平台的系统构架主要有如下优势：

1)统一的硬件资源分配。

将各种型号的PXI板卡插入PXI-1045 18槽3U机箱后，按照各种

板卡的接口地址，进行统一资源分配。通过SCSI接口电缆将端口线引出到我们称之为“Interface Receiver”的机架侧面上。

2) 统一的测试治具接口。

该“Interface Receiver”的顶端是一个固定尺寸的针床底座。通过统一尺寸的测试治具底座接口，从而进一步实现了将待测PCB板的TP(TestPoint)的信号引入到PXI板信号采集端。

3) 可编程电源控制。

通过GPIB控制可编程电源，实现了对各种待测PCB板一定范围内任意电压，电流的稳定供给。

4) 统一的上位机软件控制界面。

利用LabVIEW8.2.1的图形化编程软件，规范统一了上位机软件编程界面，对各个板卡的操作实现了模块化编程，大大提高了编程效率。

5) 合理的机柜布局。

因为是一个综合的FCT测试系统，必然要对设备有个合理的布局，我们采用了2m×1.2m×1.4m的机柜，分5层布局，由下往上依次设备是可编程电源，PXI设备，测试夹具， PC机，视频监视器，PC显示器。这样的一个机架紧凑而合理。

最终我们构建的测试架如图1所示。

4.PXI测试硬件构成分析

1)PXI-6533, PXI-6070E的选择

PXI-6533 拥有32条数字I/O线 (5V TTL/CMOS)，速度高达13.3 MB/s其中的任意两个I/O完全可以模拟一个I2C总线协议。数量上也足够满足我们对PCB板I/O控制的需要。对于PXI-6070E的选择我们看中的是它具有两通道的模拟量输出，可以通过软件编程模型输出一些特定波形，如正弦波、三角波等，很多时候可以作为音频信号源使用。

1)统一的硬件资源分配。

将各种型号的PXI板卡插入PXI-1045 18槽3U机箱后，按照各种

板卡的接口地址，进行统一资源分配。通过SCSI接口电缆将端口线引出到我们称之为“Interface Receiver”的机架侧面上。

2) 统一的测试治具接口。

该“Interface Receiver”的顶端是一个固定尺寸的针床底座。通过统一尺寸的测试治具底座接口，从而进一步实现了将待测PCB板的TP(TestPoint)的信号引入到PXI板信号采集端。

3) 可编程电源控制。

通过GPIB控制可编程电源，实现了对各种待测PCB板一定范围内任意电压，电流的稳定供给。

4) 统一的上位机软件控制界面。

利用LabVIEW8.2.1的图形化编程软件，规范统一了上位机软件编程界面，对各个板卡的操作实现了模块化编程，大大提高了编程效率。

5) 合理的机柜布局。

因为是一个综合的FCT测试系统，必然要对设备有个合理的布局，我们采用了2m×1.2m×1.4m的机柜，分5层布局，由下往上依次设备是可编程电源，PXI设备，测试夹具， PC机，视频监视器，PC显示器。这样的一个机架紧凑而合理。

最终我们构建的测试架如图1所示。

edatop.com

4. PXI测试硬件构成分析

1)PXI-6533, PXI-6070E的选择

PXI-6533 拥有32条数字I/O线 (5V TTL/CMOS)，速度高达13.3 MB/s其中的任意两个I/O完全可以模拟一个I2C总线协议。数量上也足够满足我们对PCB板I/O控制的需要。对于PXI-6070E的选择我们看中的是它具有两通道的模拟量输出，可以通过软件编程模型输出一些特定波形，如正弦波、三角波等，很多时候可以作为音频信号源使用。

PXI-5431高精度模拟视频信号发生器，可以模拟视频信号源输出到待测PCB板的视频编解码芯片，在通过网络将数字视频传输画面到计算机，从而实现对视频编解码芯片的测试。一个简单的视频信号测试原理如图2所示。

4)  音频信号的测试分析。

安防类电子产品中，音频信号的测试是必须的。很多的产品音频要求必须达到一定的国家标准。为了测试音频，通常需要花大价钱购买一套音频分析仪，实现对THD(谐波失真率)，S/N信噪比等精确测量。

PXI-4461就是一款完全可以替代音频分析仪的数据采集卡，结合NI的软件模块，可以非常方便的实现对音频信号的采集分析。

另外，对于简单的音频信号测试，可以通过PXI-6070E模拟一个正弦信号作为的待测PCB板的音频信号输入源，通过PXI-5122读取音频信号输出端频率，幅值的方法实现FCT功能检测。

5 ) 其他PXI板卡的使用

对于任何测试测量系统，自然离不开继电器的控制，我们采用了多块PXI-2565, PXI-2503继电器板卡。

PXI-2565拥有16个独立的单刀单掷非锁存继电器可以方便的实现线路的控制。PXI-2503低压多路复用开关继电器，在一些特殊电路上非常方便。PXI-8420 RS232串和PXI-8421 RS485串口卡各有两个串口，扩充了计算机的串口配置，通过VISA编程通信异常方便。

PXI-8331 卡高速串口卡，用于跟计算机实现高速通信。

PCI-GPIB 卡 实现了对GPIB接口设备的通信控制。

构建完成的PXI设备前面板如图3。

edatop.com

5.系统软件设计

有了稳定可靠的硬件，必须结合方便易用的开发软件才能真正的发挥系统的“十分”效能。NI公司的LabVIEW图形化编程软件使得我们的系统如虎添翼，真正发挥了出了PXI应有的功能。

软件的前面板界面也进行了划分，主要由静态参数显示窗口，视频测试窗口，音频测试窗口，合格率计算窗口，信息提示窗口五部分构成。前面板测试界面如图4所示。

1) 静态参数显示窗口。

主要对一些如电压、电流的模拟量，TTL电平以及GPIO状态或者相关串口通信信息等进行实时状态显示。软件实现主要通过对DAQmx模块的调用，读取PXI-6533，PXI-6070E、或者通过继电器切换利用PXI-4070进行读取实现。参数测试完成，会将测试数据记录到数据库文件中，供操作员查看或生成报表。

2) 视频测试窗口。

利用WebBrowser控件将PXI-5431产生的Color Bar视频图像再经过待测PCB板编解码后，通过网络

Ethernet实时的显示在该窗口，由操作员判断图像好坏。

3) 音频测试窗口

通过PXI-6070E的模拟量输出通道模拟输出了一个1KHZ，800mV的正弦波到待测PCB板的Audio In输入端，通过PXI-5122示波器卡对Audio Out的输出波形进行检测，对照输入端频率幅值进行比较，实现测量音频信号。4) 合格率计算框

该框中对所有测试的PCB板数量进行了统计，通过与失败的一目了然，同时进行了合格率百分比计算。该框中还包含了一个产品序列号的输入框，操作员通过条形码扫描枪将产品序列号扫入，即可作为该产品的唯一识别标识登记到数据库中。

5) 信息提示窗口

该窗口用于实时测试步骤的信息提示，提示操作员当前操作步骤，当测试出错时会红色字体显示出错代码，提示操作员处理。软件控制界面解析如图4所示。软件前面板主控界面如图5所示。

整个软件程序框架采用了事件+状态机的结构，状态机是LabVIEW程序中最常用的设计模式之一，它由一个主循环和一个Case结构组成，利用移位寄存器实现状态跳转，在编程中我们利用了Typedef来实现状态枚举值，构建了模板，这样可以很方便的添加减少状态值。同时在状态机的Idle状态中加入事件结构，当每次状态完成，跳转到Idle状态都会实时响应操作员的界面操作，程序框图如图6所示。

edatop.com

edatop.com

结论

通过NI公司先进的PXI技术，能够准确而快速地对硬件进行控制和数据采集,同时PXI驱动库DAQmx与LabVIEW软件开发平台的无缝连接，利用PXI构建的FCT功能测试台， 虽然结构复杂，信号量较多，但是结构调理，功能强大，易于修改，同时实现了资源共享，经过大量的实验，测试，我们非常成功的运用多台这样的FCT功能测试台到了工厂的产线中，并且稳定可靠。每次新产品释放的时候，研发工程师只需要添加一个治具，根据资源分配表压针，连线，修改软件即可,大大减少了测试工程师的工作负荷。相信NI的产品在该行业会有更加深入的应用。