超大規(guī)模集成電路：系統(tǒng)和電路的設(shè)計(jì)原理

引言

傳統(tǒng)的電路性能檢測(cè)采用人工檢測(cè)來(lái)檢定電路是否合格，主要存在以下弊端：第一，在測(cè)試過(guò)程中頻繁地更換儀器和被測(cè)對(duì)象的連線，操作儀器不斷地完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程，后續(xù)還需要人工進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和編寫(xiě)檢測(cè)報(bào)告等工作，耗費(fèi)大量的時(shí)間，不能適應(yīng)部隊(duì)武器裝備的快速化保障需求;第二，這種傳統(tǒng)檢測(cè)方法不具備自動(dòng)化操作，在測(cè)試過(guò)程中對(duì)測(cè)試人員的依賴(lài)性較強(qiáng)，要求測(cè)試人員熟練掌握測(cè)試流程，而且在測(cè)試和后續(xù)數(shù)據(jù)處理過(guò)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(gè)項(xiàng)目的測(cè)試，測(cè)試過(guò)程極其繁瑣和枯燥，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且頻繁操作和誤操作容易損壞貴重儀器。

自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)(automatic test system，ATS)是指：測(cè)試儀器在計(jì)算機(jī)的控制下，向被測(cè)對(duì)象按照一定的時(shí)序和順序提供激勵(lì)，同時(shí)對(duì)被測(cè)對(duì)象在該激勵(lì)下的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)。 GPIB，VXI，是目前自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)較常用標(biāo)準(zhǔn)總線，這幾種總線構(gòu)建的測(cè)試平臺(tái)比較如表1所示。1980年代VXI的出現(xiàn)，將高階量測(cè)與測(cè)試應(yīng)用的設(shè)備帶進(jìn)了模塊化的階段。VXI的價(jià)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(shí)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、較快的總線速度，以及較低的價(jià)格，提供量測(cè)與測(cè)試設(shè)備一個(gè)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(chēng)為IEEE2488標(biāo)準(zhǔn)，因其使用簡(jiǎn)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(cè)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(jià)格低廉，適合于組建性?xún)r(jià)比高的自動(dòng)測(cè)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(tái)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(jì)編程方法，又好又快地完成項(xiàng)目任務(wù)，因此虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)測(cè)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(tái)的PXI加GPIB總線的測(cè)試系統(tǒng)。

GPIB總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，即借助LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)方法，通過(guò)GPIB總線接口和相應(yīng)的控制電路，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對(duì)各種測(cè)試儀器的實(shí)時(shí)控制，完成對(duì)被測(cè)電路各項(xiàng)性能指標(biāo)的自動(dòng)化測(cè)試，并充分發(fā)揮工控機(jī)自動(dòng)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(cè)試報(bào)表打印出來(lái)。

1 測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 總體框架設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)工控機(jī)對(duì)各種測(cè)試儀器的實(shí)時(shí)控制。在軟件設(shè)計(jì)上通過(guò) LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)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(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、顯示以及存儲(chǔ)，解決了在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理的技術(shù)問(wèn)題。

測(cè)試過(guò)程要以自動(dòng)測(cè)試的方式完成。

自動(dòng)測(cè)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(cè)工作，設(shè)計(jì)思路是通過(guò)數(shù)字I/O口控制繼電器的打開(kāi)和閉合來(lái)控制測(cè)試設(shè)備的連接。等所需的測(cè)試項(xiàng)目連接好后，再通過(guò)LabVIEW的編寫(xiě)的數(shù)據(jù)采集處理程序獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，在顯示界面顯示測(cè)量結(jié)果，便于用戶(hù)分析處理，得出相應(yīng)的結(jié)論，最后把測(cè)量結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于以后調(diào)出來(lái)進(jìn)行分析和寫(xiě)測(cè)試報(bào)告。

1.2 信號(hào)調(diào)理單元設(shè)計(jì)

被測(cè)電路中有多路差分輸入信號(hào)，使用信號(hào)源產(chǎn)生模擬信號(hào)時(shí)，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(guò)實(shí)踐驗(yàn)證該電路方案是可行的。

1.3 測(cè)控設(shè)備硬件

自動(dòng)測(cè)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(shí)現(xiàn)測(cè)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(gè)USB 2.0連接端口、一個(gè)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(kāi)發(fā)的應(yīng)用環(huán)境，例如ATE、軍事/航天、通信、工業(yè)及消費(fèi)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(shí)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(hào)，給被測(cè)試的各個(gè)信號(hào)通道提供正弦、方波等信號(hào)。PXI-5152有2個(gè)單端輸入的通道，每個(gè)通道具有1 GS/s實(shí)時(shí)采樣率。動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀選用NI公司的PXI-4461，具有2個(gè)差分輸通道，2個(gè)模擬輸入通道;通道的實(shí)時(shí)采樣率是204. 8 KS/s，應(yīng)用該卡制作一個(gè)通用的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀界面，用以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)測(cè)量。

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控軟件設(shè)計(jì)工具

該系統(tǒng)的測(cè)控軟件系統(tǒng)是在Visual Basic和LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，測(cè)量的結(jié)果數(shù)據(jù)保存在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。其軟件體系構(gòu)如圖2所示。

在PXI測(cè)控計(jì)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(duì)被測(cè)電路的進(jìn)行測(cè)量;利用GPIB接口與各臺(tái)式儀表通信，可以獲得自動(dòng)或手動(dòng)的測(cè)量結(jié)果;利用ADO接口訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，把各種用戶(hù)需要的數(shù)據(jù)在測(cè)量過(guò)程中不斷地提交給數(shù)據(jù)庫(kù)，便于后續(xù)的測(cè)試信息管理工作。值得一提的是，各測(cè)量?jī)x器操作能否實(shí)現(xiàn)同步，儀器收發(fā)命令、讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)和執(zhí)行指令的先后順序和時(shí)間能否協(xié)調(diào)，將直接影響到系統(tǒng)的可靠性、測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和測(cè)試系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)同步該系統(tǒng)中主要由軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)用戶(hù)的服務(wù)要求和儀器特性設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某绦蛄鞒獭?/p>

為了實(shí)現(xiàn)程序的通用性，選用Visual Basic/SQL作為測(cè)試程序與數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的工具把測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)試流程分開(kāi)，測(cè)試流程的任務(wù)就是根據(jù)測(cè)試需求讀取配置數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，配置測(cè)試儀器，進(jìn)行相應(yīng)地?cái)?shù)據(jù)采集、分析計(jì)算，并把結(jié)果寫(xiě)回到測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中。在計(jì)算機(jī)中，安裝了數(shù)據(jù)庫(kù)，另外還附加了數(shù)據(jù)管理查詢(xún)軟件，以及提供給用戶(hù)安裝其他軟件的選擇。這樣，PXI測(cè)控計(jì)算機(jī)不會(huì)因?yàn)樾枰獢?shù)據(jù)庫(kù)管理而占用資源;另外當(dāng)沒(méi)有啟用PXI測(cè)控計(jì)算機(jī)時(shí)，只啟用了通用計(jì)算機(jī)，也可以對(duì)已經(jīng)測(cè)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(kù)進(jìn)行對(duì)接，對(duì)用戶(hù)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)，管理等操作，在計(jì)算機(jī)中應(yīng)用Visual Basic編寫(xiě)了方便用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)的數(shù)據(jù)管理查詢(xún)軟件。

2.2 測(cè)控軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的測(cè)控軟件是運(yùn)行在PXI測(cè)控計(jì)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(shí)現(xiàn)功能測(cè)試的同時(shí)，還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)回放功能，具有良好的實(shí)用性和操作性。

3 結(jié)語(yǔ)

該課題的研究和開(kāi)發(fā)，對(duì)電路的檢測(cè)具有重要意義。首先，采用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)大大提高了測(cè)試效率，節(jié)省了寶貴的時(shí)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(cè)試人員從繁瑣的檢測(cè)任務(wù)中解放出來(lái)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，大大節(jié)省了人力消耗;最后，整個(gè)測(cè)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(cè)試的項(xiàng)目和填寫(xiě)一些基本數(shù)據(jù)即可開(kāi)始檢測(cè)，非專(zhuān)業(yè)人員也可完成測(cè)試過(guò)程，基本上排除了人為誤操作產(chǎn)生的差錯(cuò)，提高測(cè)試結(jié)果的可信度，保證了系統(tǒng)的安全使用。

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