超大規(guī)模集成電路：系統(tǒng)和電路的設(shè)計原理

引言

傳統(tǒng)的電路性能檢測采用人工檢測來檢定電路是否合格，主要存在以下弊端：第一，在測試過程中頻繁地更換儀器和被測對象的連線，操作儀器不斷地完成整個測試過程，后續(xù)還需要人工進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和編寫檢測報告等工作，耗費大量的時間，不能適應(yīng)部隊武器裝備的快速化保障需求;第二，這種傳統(tǒng)檢測方法不具備自動化操作，在測試過程中對測試人員的依賴性較強(qiáng)，要求測試人員熟練掌握測試流程，而且在測試和后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程中難免引入人為誤差;第三，由于電路通常都需要完成多個項目的測試，測試過程極其繁瑣和枯燥，勞動強(qiáng)度大，而且頻繁操作和誤操作容易損壞貴重儀器。

自動化測試系統(tǒng)(automatic test system，ATS)是指：測試儀器在計算機(jī)的控制下，向被測對象按照一定的時序和順序提供激勵，同時對被測對象在該激勵下的響應(yīng)進(jìn)行測量的系統(tǒng)。 GPIB，VXI，是目前自動測試系統(tǒng)較常用標(biāo)準(zhǔn)總線，這幾種總線構(gòu)建的測試平臺比較如表1所示。1980年代VXI的出現(xiàn)，將高階量測與測試應(yīng)用的設(shè)備帶進(jìn)了模塊化的階段。VXI的價格較高，隨著技術(shù)發(fā)展，PXI延續(xù)模塊化的精神，以較緊實的架構(gòu)設(shè)計、較快的總線速度，以及較低的價格，提供量測與測試設(shè)備一個新的選擇。GPIB是控制器和可編程儀器之間通信的一種總線協(xié)議，也稱為IEEE2488標(biāo)準(zhǔn)，因其使用簡單、傳輸速率高而被廣泛應(yīng)用，隨著 IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的完善，傳輸速率的提高以及帶GPIB接口的儀器成本不斷下降。PXI和GPIB為目前工業(yè)上普遍采用的測試總線，其性能穩(wěn)定、操作方便、組建靈活、設(shè)備利用率高、價格低廉，適合于組建性價比高的自動測試系統(tǒng)。另外，虛擬儀器技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷完善，LabVIEW軟件平臺的圖形化操作界面，都非常有利于工程師們迅速的掌握設(shè)計編程方法，又好又快地完成項目任務(wù)，因此虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)測量領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

因此本文提出了基于LabVIEW平臺的PXI加GPIB總線的測試系統(tǒng)。

GPIB總線的自動測試系統(tǒng)的設(shè)計思想，即借助LabVIEW開發(fā)平臺，采用虛擬儀器的軟件設(shè)計方法，通過GPIB總線接口和相應(yīng)的控制電路，實現(xiàn)工控機(jī)對各種測試儀器的實時控制，完成對被測電路各項性能指標(biāo)的自動化測試，并充分發(fā)揮工控機(jī)自動分析和處理數(shù)據(jù)的能力，最后將數(shù)據(jù)以電子文檔形式保存后生成測試報表打印出來。

1 測試系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 總體框架設(shè)計

該測試系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采用PXI和GPIB總線接口、數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)工控機(jī)對各種測試儀器的實時控制。在軟件設(shè)計上通過 LabVIEW開發(fā)平臺，采用虛擬儀器的軟件設(shè)計方法，將工控機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、顯示以及存儲，解決了在LabVIEW中實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理的技術(shù)問題。

測試過程要以自動測試的方式完成。

自動測試主要采用NI公司的相關(guān)PXI板卡在默認(rèn)設(shè)置狀態(tài)下完成檢測工作，設(shè)計思路是通過數(shù)字I/O口控制繼電器的打開和閉合來控制測試設(shè)備的連接。等所需的測試項目連接好后，再通過LabVIEW的編寫的數(shù)據(jù)采集處理程序獲得測量數(shù)據(jù)，在顯示界面顯示測量結(jié)果，便于用戶分析處理，得出相應(yīng)的結(jié)論，最后把測量結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中，便于以后調(diào)出來進(jìn)行分析和寫測試報告。

1.2 信號調(diào)理單元設(shè)計

被測電路中有多路差分輸入信號，使用信號源產(chǎn)生模擬信號時，需要進(jìn)行差分轉(zhuǎn)換，差分轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。

分析如下：

經(jīng)過實踐驗證該電路方案是可行的。

1.3 測控設(shè)備硬件

自動測試主要使用的設(shè)備是NI公司的PXI設(shè)備，采用PXI-1042機(jī)箱和PXI-8196控制器實現(xiàn)測量控制。PXI-8196控制器為2.O GHz Intel Pentium M760處理器的控制器，具備雙信道DDR2內(nèi)存，最大內(nèi)存容量為2 GB，集成4個USB 2.0連接端口、一個GPIB接口，以及串行端口和并行端口，預(yù)裝Microsoft WindowsXP Professional操作系統(tǒng)，用于需要大量分析工作或系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用環(huán)境，例如ATE、軍事/航天、通信、工業(yè)及消費電器應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集卡選用NI 公司的PXI-6259數(shù)據(jù)采集模塊，該數(shù)據(jù)采集卡有16位1 MS/s(多通道)，1.25 MS/s(單通道)，32 SE/16 DI，48路數(shù)字I/O定時硬件(≥10 MHz)，TTL電平，4路16位模擬輸出(2.8 MS/s)，輸出范圍-10～+10 V。任意波形發(fā)生器選用NI公司的PXI-5412，能提供-6～+6 V信號，給被測試的各個信號通道提供正弦、方波等信號。PXI-5152有2個單端輸入的通道，每個通道具有1 GS/s實時采樣率。動態(tài)信號分析儀選用NI公司的PXI-4461，具有2個差分輸通道，2個模擬輸入通道;通道的實時采樣率是204. 8 KS/s，應(yīng)用該卡制作一個通用的動態(tài)信號分析儀界面，用以實現(xiàn)手動測量。

2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 測控軟件設(shè)計工具

該系統(tǒng)的測控軟件系統(tǒng)是在Visual Basic和LabVIEW軟件開發(fā)平臺開發(fā)的，測量的結(jié)果數(shù)據(jù)保存在SQL數(shù)據(jù)庫中。其軟件體系構(gòu)如圖2所示。

在PXI測控計算機(jī)中，利用LabVIEW和NI公司的各種數(shù)據(jù)采集處理模塊對被測電路的進(jìn)行測量;利用GPIB接口與各臺式儀表通信，可以獲得自動或手動的測量結(jié)果;利用ADO接口訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，把各種用戶需要的數(shù)據(jù)在測量過程中不斷地提交給數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)的測試信息管理工作。值得一提的是，各測量儀器操作能否實現(xiàn)同步，儀器收發(fā)命令、讀/寫數(shù)據(jù)和執(zhí)行指令的先后順序和時間能否協(xié)調(diào)，將直接影響到系統(tǒng)的可靠性、測試數(shù)據(jù)的實時性和測試系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)同步該系統(tǒng)中主要由軟件實現(xiàn)，根據(jù)用戶的服務(wù)要求和儀器特性設(shè)計適當(dāng)?shù)某绦蛄鞒獭?/p>

為了實現(xiàn)程序的通用性，選用Visual Basic/SQL作為測試程序與數(shù)據(jù)庫之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的工具把測量數(shù)據(jù)和測試流程分開，測試流程的任務(wù)就是根據(jù)測試需求讀取配置數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，配置測試儀器，進(jìn)行相應(yīng)地數(shù)據(jù)采集、分析計算，并把結(jié)果寫回到測試結(jié)果數(shù)據(jù)庫中。在計算機(jī)中，安裝了數(shù)據(jù)庫，另外還附加了數(shù)據(jù)管理查詢軟件，以及提供給用戶安裝其他軟件的選擇。這樣，PXI測控計算機(jī)不會因為需要數(shù)據(jù)庫管理而占用資源;另外當(dāng)沒有啟用PXI測控計算機(jī)時，只啟用了通用計算機(jī)，也可以對已經(jīng)測量板卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，Visual Basic可以更好地與SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對接，對用戶的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢，管理等操作，在計算機(jī)中應(yīng)用Visual Basic編寫了方便用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的數(shù)據(jù)管理查詢軟件。

2.2 測控軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的測控軟件是運行在PXI測控計算機(jī)上的軟件，其主要軟件層次框圖如圖3所示。軟件采用層次結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)功能測試的同時，還具有數(shù)據(jù)存儲、查詢回放功能，具有良好的實用性和操作性。

3 結(jié)語

該課題的研究和開發(fā)，對電路的檢測具有重要意義。首先，采用自動化測試系統(tǒng)大大提高了測試效率，節(jié)省了寶貴的時間，能夠適應(yīng)信息化條件下裝備快速化保障的需要;其次，把測試人員從繁瑣的檢測任務(wù)中解放出來，減輕了勞動強(qiáng)度，大大節(jié)省了人力消耗;最后，整個測試系統(tǒng)一次性連接好后不需要人為干預(yù)，只需在電腦上選擇測試的項目和填寫一些基本數(shù)據(jù)即可開始檢測，非專業(yè)人員也可完成測試過程，基本上排除了人為誤操作產(chǎn)生的差錯，提高測試結(jié)果的可信度，保證了系統(tǒng)的安全使用。

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