（电力电子与电力传动专业论文）基于pxi总线虚拟仪器dcdc电源板测试系统的研究和设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed c d cp o w e rb o a r df u n c t i o n a lt e s t i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e d ，w h i c hi s b a s e do nt h ep x ib u st e c h n o l o g yi nt h ee n v i r o n m e n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i cp r o d u c t i o n f i r s to fa l l ，t h ec o n s t i t u t i o na n dt h er e l a t e dp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d i na c c o r d a n c ew i t h t h ea c t u a ld e m a n do fe x i s t i n gp o w e rt e s t i n g ，t h ep r e s e n ta d v a n c e dt e c h n i q u ei nt h ef i e l do f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l l i n ga r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d c o n s i d e rt h ec o s t e f f e c t i v ea n dt h e a c t u a ld e m a n d ，t h ep x ib u st e c h n o l o g ya n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya r eu e s dt os e tu p t h et e s t i n gs y s t e m t h es y s t e mh a r d w a r em a i n l yi n c l u d e sp x is y s t e ma n dt h et e s tf i x t u r e t h es e p a r a t e dt e s tf i x t u r ei sd e s i g n e di nt h et e s t i n gs y s t e mh a r d w a r e t h et e s tf i x t u r e m o t h e r b o a r di n c l u d e st h ee l e c t r o n i cs i m u l a t i o no ft h el o a dc i r c u i t ，t h es w i t c h i n gf r e q u e n c y d e t e c t i o nc i r c u i ta n dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c em o d u l e ，e t c a f t e r f i n i s h i n ga l lt h e p r o c e s s i n go fd a t aa c q u i s i t i o n ，t h es i g n a l ss h a l lb et r a n s f e r r e df r o me a c ht e s t i n gp o i n to nt h e d c d cp o w e rb o a r dt ot h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r do fp x is y s t e m ，a n dt h e nt h ed a t ai sp r o c e s s e d a n da n a l y z e db yt h ep x i s y s t e m i nt h ed e s i g no ft h es o f t w a r ef o rt h et e s t i n gs y s t e m ，t h es o f t w a r eo fu n i t e ds t a t e sn i c o r p o r a t i o n sl a b v i e wp l a t f o r mi su s e dt od e v e l o pt e s t i n gs y s t e m t h ee a c ht e s t i n gp r o j e c t o ft h ed c d cp o w e rb o a r di ss e p a r a t e l yt e s t e d t h em e t h o do fm o d u l a r i t yd e s i g ni su s e dt o d e v e l o pa n dd e s i g nt h es o f t w a r es y s t e m t h em o d u l a r i t yc o n t r o l l i n g ，d a t ac o l l e c t i o n ，d a t a a c q u i s i t i o n ，g e n e r a t i n gr e p o r t ，e t ca r er e a l i z e d a tl a s t ，t h el a b s q la n dm i c r o s o f ta c c e s sa r eu s e dt oe s t a b l i s hc o r r e s p o n d i n gd a t ab a s e o ft e s t i n gd a t a b a s e do nt h ed e s i g no fl a b v i e w ss t a t i s t i c sa n dd a t aa n a l y s i s ，t h ep r o b a b i l i t y t h e o r y , a n dt h em a t h e m a t i cs t a t i s t i c s ，t h eh i s t o r i c a lt e s t i n gd a t ai sa n a l y z e da n ds u g g e s t e dt h e r e s u l t so ft h ea n a l y s i st ob ei nt h ef o r mo ff i g u r e sa n ds t a t e m e n t sa st h ed a t ab a s eo ft h e p r o c e s sa n a l y z ea n dt h ep r o c e s si m p r o v e m e n t i ti se f f e c t i v eo nt h a tt h eq u a l i t yc o n t r o la n d t h ei m p r o v e m e n to ft h ed c d cp o w e rb o a r d t h ea c t u a ld c d cp o w e rb o a r di st e s t e db yt h et e s t i n gs y s t e m t h et e s tr e s u l ts h o w st h a t t h ed c d cp o w e rb o a r df u n c t i o n a lt e s t i n gs y s t e mm e e t st h en e e do fa c t u a lt e s t ，a n di t s h a r d w a r ei ss e tu pp r o p e r l y , t h ec o s t - e f f e c t i v ei sh i g h ，t h eh a r d w a r eh a sg o o dm a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，a n di ti si nt h eh a b i to ft h ea c t u a lo p e r a t e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lt e s t ，i tn o t o n l yg r e a t l yi m p r o v e st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , b u ta l s os a v e sal o to ft i m ea n dm o n e y b e s i d e s ，i th a sag o o da p p l i c a t i o n a lp r o s p e c t k e y w o r d s ：p x i ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；d c d c ；b o a r dl e v e lt e s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 庭刍 日 期： 矽口r 占- f 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：盘兰兰 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 人类要改善生存环境，提高生活质量，就要对现实世界进行改造。测量是揭示客观 世界规律，用数字语言描述周围世界，进而改造世界的重要手段【l 】。钱学森说：“新技术 革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术和通讯技术三部分组成。 测量技术则是关键和基础。 著名科学家门捷列夫用一句话概括了测量对科学的作用： “没有测量，就没有科学。 测试是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量与试验的综合【2 】。测试技术的发 展促进了科学技术的提高，科学技术的提高又促进了测试技术的发展，二者相辅相成， 共同推动社会生产力不断前进。1 6 6 5 年虎克利用光学显微镜观察软木栓，发现了细胞， 从而促进了生物学的发展。据美国国家标准技术研究院( n i s t ) 的统计，美国为了质量 认证和控制、自动化及流程分析，每天要完成2 5 亿个检测，占国民生产总值( g n p ) 的3 5 。美国商业部国家标准局2 0 世纪9 0 年代初评估仪器仪表工业对美国国民经济 总产值的作用时，在提出的报告中称：仪器仪表工业总产值只占工业总产值的4 ，但 它对国民经济的影响达到6 6 。在诺贝尔物理和化学奖中，大约有1 4 是属于测试方法 和仪器创新的p j 。 由此可见，提高测试水平，降低测试成本，减少测试误差，提高测试效率，对国民 经济各个领域都是至关重要的。随着计算机技术的飞速发展，测试领域发生了根本性的 变革。自动测试系统在航空航天、生产科研、军用武器装备、通信、能源等领域得到了 广泛的应用。虚拟仪器的出现使得自动测试系统的功能获得了很大提高，组建更加灵活 方便，并且降低了自动测试系统的成本。 1 2 仪器技术的发展 仪器是一种信息的工具，起着不可或缺的信息源的作用。如果没有仪器，就不能获 取生产、科研、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的【3 1 。仪 器技术发展到现在，大致经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器四个阶段。 虚拟仪器( v i s u a li n s t r u m e n t ，v i ) 概念是美国n i 公司于1 9 8 6 年首先提出的，其基本 思想是在一定的硬件环境( 或平台) 支持下，通过编制和执行不同的虚拟仪器软件，来 构成各种不同的仪器，实现各种用户定义的仪器或测试功能 4 】。虚拟仪器的出现是计算 机技术与仪器技术高度结合的必然结果。 传统仪器和虚拟仪器的功能基本上都是由三部分组成：信号的采集与控制、信号的 分析与处理、信号的表达与输出。对于传统仪器，这几部分功能是以硬件或固化在仪器 内部的软件来完成的，仪器的功能不易更改。虚拟仪器的杰出贡献在于突破了这种取决 于仪器制造商的“硬件固定 的模式，强调了“软件即仪器的概念，软件成为测试系 统的核心【4 j 。 江南大学硕士学位论文 1 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 是仪器技术与计算机技术深层次的结合的产物， 它是全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破。它的出现是测量仪器与计算机之 间的界限消失，开始了测量仪器的新时代，是仪器领域的一次革命。 第一台虚拟仪器诞生于1 9 8 7 年，第二年就有5 个生产厂家的3 0 多种产品销售，到 1 9 9 4 年，已有9 5 个厂家的1 0 0 0 多种产品销售。虚拟仪器之所以有如此迅猛的发展速度， 是因为：它将传统仪器由硬件实现的数据分析处理与显示功能，改由功能强大的p c 计 算机及其显示器来完成；并配置以获得调理信号为主要目的的i o 接口设备( 如数据采 集卡d a q ，g p i b 总线仪器，v x i 总线仪器模块，串口r s 2 3 2 r s 4 8 5 仪器等) ；再编制不 同测量功能的软件对采集获得的信号数据进行分析处理及显示。以这种方式构成的虚拟 仪器系统实质是计算机仪器系统。从某种意义上来说，软件就是仪器。这意指，当硬件 平台i o 接口设备与计算机确定后，编制某种测量功能的软件就可构成具有该种功能的 测试仪器p j 。 虚拟仪器对测量仪器发展的深刻意义更在于，测量仪器的功能可以由用户根据需要 自行设计软件来定义或扩展，而不是只能由厂家事先定义且固定不可变更。这样，用户 不必购买多台不同功能的传统仪器，不必购买昂贵的集多种功能于一身的传统仪器，也 不必不断购买新的仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互 联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的功能。这就是说，仪器的 设计制造不再是厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代， 这将给仪器使用者带来无尽的收益【6 】。 由于虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，是具有仪器功能的软硬件组合，它并不强 调仪器物理上的实现形式。因此，虚拟仪器相对于传统仪器的优势是显而易见的，表1 1 是虚拟仪器与传统仪器的优势比较。 表1 - 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 仪器功能由用户自己定义，给予计算机技术 仪器功能由仪器厂商定义，系统封闭，功能固定， 开放的功能模块，可构成多种仪器可扩展性低 面向应用的系统结构，可方便地与网络、外设及与其他仪器设备的连接十分有限 其他应用连接 友好的图形界面，计算机读数，可实时、直接地 图形界面小，人工读数，信息量小且容易出现读 对测试数据进行分析 数误差 数据可以编辑、存储、打印数据无法编辑，只能作定性测试 关键是软件 关键是硬件 基于软件系统的结构，大大节省开发维护费用，开发维护费用高，开发更新周期长( 5 1 0 年) 技术更新周期短( 1 2 年) 价格低廉，可复用与可重置性能强 价格昂贵 2 第一章绪论 1 2 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个因素。虚拟仪器中硬件的主要功能是获取真实 世界中的被测信号，而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并 将其集成为仪器操作与运行的命令环境阴。典型虚拟仪器系统的基本框图如图卜1 所示。 一 信号调理卜- 一数据采集卡- - 一g p i b 接口仪器h g p i b 接口卡 - - 测 p c 机 试 - q 传感器l 一 串口仪器p l c 卜_ 一 虚拟仪器 对 象 开发平台 一 v x i 仪器p x i 仪器卜一 一 现场总线设备卜_ 一 图卜1 典型虚拟仪器系统组成框图 f i g 1 1t h eb l o c kd i a g r a mo fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m 虚拟仪器按照接口总线的不同：分为数据采集插卡式( d a q ) 虚拟仪器、r s 2 3 2 4 2 2 虚拟仪器并行接口虚拟仪器、u s b 虚拟仪器、g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟 仪器和最新的i e e e l 3 9 4 虚拟仪器。 虚拟仪器的软件开发环境是虚拟仪器的技术的重要组成部分。一般而言，目前常用 的可视化编程语言v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等都可用作虚拟仪器软件开发环境，但虚拟 仪器软件开发环境主要面向测试工程师而非专业程序员，因此首先其编程必须简单、易 于理解和修改；其次，它必须具有强大的人机交互界面设计能力，易于实现各种复杂的 仪器面板：另外，它还必须具有数据可视化分析能力，提供丰富的仪器和总线接口硬件 驱动程序。目前，以n i 公司的l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 最为流行。本系统选用l a b v i e w 为软件开发环境【7 j 。 1 2 3 虚拟仪器的发展和应用 虚拟仪器技术诞生虽然只有近二十年的历史，但它的发展速度是惊人的，已广泛应 用于科研生产的许多领域，其显著的优势得到了科技界的广泛关注。 从1 9 9 0 年开始便不断有关于虚拟仪器成功应用于电子测量、物理探伤、电力工程、 航空航天、工业自动化控制、振动分析、声学分析、物矿勘探等领域的报道，近年来还 发展到了实验室自动化、运动控制、图像处理、药品加工、统计过程控制处理等领域。 在麻省理工、斯坦福等世界一流大学，虚拟仪器已经成为相关学科学生必须掌握的学习 工具，教师也普遍应用虚拟仪器辅助教学，这些大学都有自己的虚拟仪器实验室，不但 进行虚拟仪器的研究与开发，而且还将虚拟仪器作为一门课程向学生传授，为学生提供 实验条件，让学生亲自动手，学习建立自己的虚拟仪器系统。n i 公司每年在美国各高 校的大学生中举办虚拟仪器设计大赛，鼓励和推广虚拟仪器的使用。 我国从9 0 年代中期开始对虚拟仪器技术进行研究，至今已取得些成就，许多厂 家或科研单位使用虚拟仪器在测试方面作了一系列有益工作，开发了一些虚拟测试仪 器。如清华大学应用虚拟仪器技术构建的用于检测汽车发动机性能的出厂检测系统：西 江南大学硕士学位论文 北工业大学将虚拟仪器技术应用到飞机电源系统的自动测试中，取得了良好的效果：哈 尔滨工业大学推出自己的“仪器王虚拟仪器系统：东方振动和噪声技术研究所研制出 可实现一机多功能、多用途的i n v 系列虚拟仪器，实现了“把实验室拎着走”：浙江大 学、成都电子科技大学、上海同济大学、上海交通大学、河北工业大学、上海仪器仪表 所、中科泛华电子科技公司、陕西海泰电子公司等一批高校和高科技公司也正在不断进 行虚拟仪器研究和应用，也取得了一定成果。 此外，虚拟仪器技术也广泛应用于我国高校的实验室建设中，n i 公司和清华大学， 华中科技大学、北京大学、吉林大学等许多中国高校建立了联合实验室，这些高校都已 构建了基于虚拟仪器技术的虚拟实验室，并通过网络实现了对虚拟实验室的远程访问和 控制，有效解决了学生做实验难的问题。如清华大学电机系利用l a b v i e w 软件开发出 一系列电工实验用虚拟仪器，替代传统的电工实验仪器，成功改造了实验内容，明显提 升了实验教学的水平。 随着计算机技术、网络技术等技术的迅速发展，虚拟仪器技术的优越性将更加明显， 其应用必将在更多的领域得到推广和普及。 1 3 自动测试系统概述 现代科学的迅速发展对测试技术提出的要求越来越高，在航空航天、雷达、通信等 领域，对系统的鉴定、调试、维护，或者大规模集成电路的生产和检验，都远非人工测 试所能胜任，在保证测试可靠性的基础上如何加快测试速度成为一个重要的研究方向。 自动测试系统的出现极大地提高了测试的速度。一般意义的自动测试系统( a u t o m a t e d t e s ts y s t e m ，a t s ) 是指那些采用计算机控制，能实现自动化测试的系统，也就是对那 些能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试结果的一类系统的统称1 4 。自动 测试系统具有测试精度高、测试速度快、系统功能强等优点，适合于对速度、效率要求 较高的功能、性能测试。 综合了测量技术、电子技术、自动化技术、计算机技术等多种技术于一体的自动测 试技术的水平对国民经济和国防建设都具有重要的意义，各国对此都非常重视。美国自 2 0 世纪8 0 年代开始投入大量的人力和资金，研发各军兵种使用的多种自动测试系统， 并陆续投入使用，通过多次局部战争的考验，产品正在走向成熟【4 j 。相对于一些发达国 家，我国对自动测试技术的研究还有一定的差距。 自动测试系统( a t s ) 一般由自动测试设备( a u t o m a t e d t e s te q u i p m e n t ，a t e ) 、测 试程序集、软件开发工具三部分组成【4 】。自动测试设备主要由控制器、信号源、开关网 络、信号调理电路等组成。控制器在自动测试设备中处于核心地位，它以打印机、显示 器、键盘作为人一机接口，向信号源、开关网络、测量仪器发布控制命令并接收测量仪 器发送的数字信号；信号源在自动测试系统中的作用是向被测对象( u n i tu n d e rt e s t ， u u t ) 提供各种激励信号；开关网络的作用是按照控制器的命令提供信号传输的路径。 自动测试设备的基本组成如图1 - 2 所示。 4 第一章绪论 局 域 网 或 互 联 网 图1 - 2 自动测试设备的基本组成 f i g 1 2 t h eb a s i cc o m p o n e n to fa u t o m a t e dt e s te q u i p m e n t 1 4p x i 总线系统 1 4 1p x i 总线系统概述 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 是由美国n i 公司于1 9 9 7 推出的测控仪器总线 标准。它将c o m p a c tp c i 规范定义的p c i 总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集 场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制订p x i 规范 的目的是为了将台式p c 的性能价格比优势与p c i 总线面向仪器领域的必要扩展完美地 结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台1 5 j 。 1 4 2p x i 规范的电气性能 许多仪器应用场合需要而i s a 总线、p c i 总线或c o m p a c tp c i 背板总线所没有的系 统定时能力，p x i 总线通过增加专门的系统参考时钟、触发总线、星形触发线和模块间 的局部总线来满足高精度定时、同步与数据通信要求【8 】。p x i 不仅在保持p c i 总线所有 优点的前提下增加了这些仪器特性，而且可以比台式p c i 计算机多提供二个仪器插槽， 使单个p x i 总线机箱的仪器模块插槽总数达到7 个【9 儿1 0 】。 1 4 3p x i 总线优点 p x i 总线具有如下优点：物理尺寸比v x i 和g p i b 等传统总线都小；总线带宽 1 3 2 m b s ( 最高可达5 2 8 m b s ) 远高于v x i 或g p i b ；开放的软件架构，与p c i 兼容；牢固的 结构，适合于放在工作台上，上架安装以及便携式使用；比g p i b 或v x i 有价格优势；有 多个厂商可以提供多种机箱、背板、模拟、数字以及开关模块儿比】。 时至今日，p x i 己经成为当今自动化应用、测试和测量的标准平台，它的开放式构 架、灵活性和p c 技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。而 从产品发展趋势和用户接受程度来看，在同一个时间跨度内，它已经远远超越了当年 v x i 的发展。它是一个开放的标准平台，其突出优势就是有多个厂商参与p x i 系统联盟， 提供超过1 0 0 0 种的产品，共同支持和推动这一标准的发展【l z j 【l 3 。 江南大学硕士学位论文 1 5 本文的研究内容及其意义 近年来，随着人类生活水平的大大提高，在一定程度上促进了医疗器械的高速发展。 本课题的来源是，g e 医疗系统的监护仪的d c d c 电源板功能测试( f v t ) ，由于监护仪 设备要求长时间不问断工作，监护病人的各种体征特性，因此对供电要求很高，所以需 要开发一种新的板级功能测试系统，来对监护设备的d c d c 电源板的整体性能指标进 行系统测试，以确保产品的可靠性。课题的意义就显得尤为重要。 由于虚拟仪器的诸多优点，加之p x i 总线所具有的大吞吐量、高数据传输、高可靠 性、良好的电磁兼容和抗干扰能力等优点，将基于p x i 总线的虚拟仪器技术引入d c d c 电源板功能自动化测试领域，开发一套完整的d c d c 电源板级参数功能测试系统，必 将为工业化生产提供有效、高效的技术解决途径。基于此，本文对组建p x i 总线虚拟仪 器测试系统进行了研究。 本文的主要工作内容有： 1 ) 对d c d c 电源板的原理进行分析，尤其对其各测试参数如：要求输入与输出电 压、电流，开关频率，功率，效率，输出纹波和噪声等，在次基础上确定测试项目，应 用环境，并且提出了d c d c 电源板级自动测试系统的要求。 2 ) 根据d c d c 电源板的检测要求，从组建系统的角度，分析p x i 测试系统的需求， 分别从硬件和软件两方面提出技术方案，硬件上由p x i 系统和测试夹具组成，软件上主 要用l a b v i e w 编写测试程序。 3 ) 在d c d c 电源板级测试的具体特点的基础上，以及可扩展性提出数据采集系统 中的机箱、控制模块、数据采集卡等各项性能指标，选择对应的n i 硬件测试系统模块， 板卡等。测试夹具中的硬件电路设计，根据d c d c 电源的特性，设计了模拟电子负载 电路，开关频率测试电路，通信接口电路等，以满足对d c d c 电源板测试信号的采集， 并且将相应的采集数据传送给p x i 系统进行相应的处理。 4 ) 在d c d c 电源板测试系统硬件平台设计的基础上，运用l a b v i e w 8 2 的软件平 台，编写测试程序，着重介绍关键测试数据的子程序，如：模拟负载设定子程序，开关 频率测试子程序，纹波测试子程序，通信子模块程序等进行设计。在设计完成各测试子 程序的基础上，设计了测试人机界面，方便测试人员操作完成测试任务。 5 ) 对测试完的d c d c 电源板的测试数据，运用l a b s q l 和m i c r o s o f ta c c e s s 建立 相应的测试数据库，方便查阅。在次基础上，运用了数理统计，工序能力指数，统计过 程控制等理论，应用于d c d c 电源测试数据的分析，运用l a b v i e w 强大的软件平台和 图形化功能，设计了相应程序，生成对应的分析图表，更加直观的分析测试数据，在此 基础上对d c d c 产品质量进行控制和改进具有很强的现实意义。 6 ) 最后将所设计的d c d c 电源板测试系统的测试数据与常规的测试进行对比，可 见测试结果符合要求，测试精度达到预期目标。同时对本测试系统的问题和不足进行总 结，为以后改进工作提出了建议。 6 第二章d c d c 电源板测试系统的总体分析研究 第二章d o d o 电源板测试系统的总体分析研究 2 1 概述 当前对d c d c 电源板的功能测试要求不是很高，简单的使用示波器，万用表基本 上可以完成功能测试的要求。但是如何满足工业化生产的要求，以及对于监护设备生产 过程中对板级产品设备的性能的保证，急需测试工程师解决这一难题。单纯靠大量的操 作人员使用测量设备检测d c d c 电源板很难有效的保证测试的有效性和可靠性。因此 需要设计一个合理的有效的方案来实现测试的自动化，保证测试有效性和可靠性【1 4 儿1 5 】。 2 1 系统设计要求 根据直流电源相关标准，以及通用电气医疗系统的监护产品对d c d c 电源所提出 的测试要求，以及生产线大规模生产的需要，本测试系统的测试对象是生产线上d c d c 电源板产品，因此在本系统的总体分析设计过程中充分考虑系统的准确性、可靠性、易 操作性、可扩展性，并且同时保证系统的可靠性、稳定性和扩展性。 1 、准确性：测试系统的准确性是指测试系统的测量值与实际值之间的吻合程度。 基于虚拟仪器技术的自动测试系统的准确性取决于两个方面：系统底层的检测设备或仪 器的准确性和数据处理的精度。 检测设备或仪器的准确性对测试系统准确性的影响最为重要，若检测设备的准确性 差，则说明测量值与实际值偏差较大，这样的测量难以满足实际需要，甚至失去实际意 义，而数据处理环节是很难消除因检测设备造成的测量偏差的。因此，检测设备必须要 有足够高的测量精度以满足实际的测试需要。 2 、可靠性：测试系统的可靠性是指系统在规定的条件下，规定的时间内完成规定 功能测试的能力。对于自动测试系统而言，系统的可靠性包括检测设备或仪器的可靠性 和测试软件的可靠性两个方面。同时，系统设计时应考虑如何避免人为因素引起的误操 作，提高系统的可靠性。 课题中对主要涉及的测试模块，如数据采集卡，数字编程电源板卡等都采用的是世 界一线的品牌产品，在测试的精度和准度都很高。在软件方面，将应用美国n i 公司的 l a b v i e w 测试平台开发软件，以保证软件运行的可靠性和稳定性。 3 、易操作性：一般的自动测试系统所使用的设备或仪器较多，其测试软件的功能 也比较多且复杂，因此要求系统的使用和维护要比较方便，软件要能简单易学，这样才 能最大发挥自动测试系统的优越性。 4 、可扩展性：对于工业化生产上的测试设备而言必须在设计阶段就要考虑后续产 品可能增加的测试需求，在选定测试系统硬件组成时必须考虑系统的可扩展性。在本系 统研究设计中，在选择模块化仪器后，还可以利用p x i 机箱的扩展插槽来增加或调整数 据采集模块和信号产生模块等来扩展系统的测试功能，本系统采用的通用的p x i 测试平 台，可以通过更换测试夹具来进行其他测试系统的开发，大大解决了开发成本【1 6 j 。 7 江南大学硕士学位论文 2 2d c d c 电源板系统介绍 d c d c 电源板系统是监护设备上电能变换、输送与分配的主要组成部分，其有三 个主要的输入源，分别为a c d c 电源，外部d c 电源，以及智能电池。由于监护设备 各个系统所需要的电源各不相同，因此d c d c 电源板要将所输入的d c 直流电源，分 别转换为相应要求的d c 电源。如图2 1 所示为d c d c 电源板的系统结构框图。整个 d c d c 电源板由电源管理控制器p m c ( p o w e rm a n a g e m e n tc o n t r o l l e r ) 来管理控制，通过 控制电源通路开关来选择d c d c 电源的输入源，当其中一个输入源被选中时，另外两 个输入源被禁用，输入源之间采用无缝切换从而有效的保证电源的稳定。所选择输入 源经过一个过压过流保护电路后，作为二级b o o s t 变换电路的输入源，经过b o o s t 升压 变换后作为系统各部分的供电源如监护设备i o 模块电源，l e d 驱动电源，另外一路通 过一个双路的同步b u c k 变换器，分别经过降压变换后，作为主板各个c p u 的供电电源 ! z l j + 3 3 v 和+ 5 v ，以及+ 5 v 的输入电源。 2 1 1d c d c 板组成电路 d c d c 电源板主要由，电源管理控制器( p m c ) 电路，a d 转换电路，电源通路选 择电路，b o o s t 变换电路，双路同步b u c k 电路，电池充电电路，保护电路等电路组 成。 1 ) p m c 电路：p m c 是d c d c 电源板的控制核心，它包括上电复位电路、m c u 、 数据总线驱动电路、地址总线锁存电路、程序存储器、数据存储器、数字量的i o 口等 电路。p m c 采用飞思卡尔8 位高性能单片机m c 6 8 h c 9 0 8 a w 6 0 ，p m c 管理d c d c 电 源板的工作。 第二章d c d c 电源板测试系统的总体分析研究 2 ) a d 采集电路：a d 采集电路用于采集d c d c 电源板上各个信号的电压，电流， 以及温度值，将这些模拟量信号和数字量信号进行调理和电平变换，由p m c 读取响应 的值。 3 ) 电源通路选择电路：电源通路选择电路用来选择d c d c 电源板的输入源，从三 种输入源a c d c ，外部d c ，电池中选择一种作为d c d c 的输入源。选用电源管理芯片 l t c l 4 7 9 c g 作为主控制芯片。 4 ) b o o s t 电路：b o o s t 电路选用b o o s t 变换器控制芯片u c 3 8 4 3 d 作为主控制 器，b o o s t 变换器设置两种不同的输入级别。在d c d c 板输入源来自外部d c 时，高 级别时b o o s t 变换器是用于给电池充电器提供输入电压。在a c d c 作为输入源时， 低级别保证b o o s t 变换器有效，通过旁路二极管将输入电压直接转换为输出，从而减 小功率损失。这两个级别都是通过p m c 的b o o s th i 信号来控制。 5 ) 双路同步b u c k 电路：使用b u c k 变换器控制芯片l t c 3 8 5 0 作为双路b u c k 电路的主控制芯片。输出+ 5 v 和+ 3 3 v 6 ) 电池充电器：电池充电器为二级智能充电器，它通过s m b u s 总线和电池和p m c 的c p u 进行通信。充电器作为s m b u s 的主机设备将对应的充电电流和电压值发送给 智能电池，在二级充电中，智能电池完全负责充电算法，这样就使充电器和电池化学物 质相隔离。 7 ) 电流保护电路：主要有对+ 5 v 输出，v s y s ，v m o d 和i ov m o d 的输出电流 保护，在+ 5 v 输出电路保护使用m i c r e l 公司的m i c 2 5 4 5 a 芯片作为控制芯片，可以 通过设定对应的电流上限电阻的阻值，来保护+ 5 v 输出的电流。 2 1 2d c d c 板性能参数 主要性能参数如下： 1 、系统输入： 1 ) a c d c ：15 9 v + - 2 ，6 0 w r m s ，7 5 w p e a k 2 ) 外部d c ：1 0 1 6 5 v , 6 0 w r m s ，7 5 w p e a k 3 ) 电池：9 1 4 v 2 + 1 ，最大输出电流4 a ，输出电流3 a 效率三9 4 2 、系统输出： 1 ) v s y so u t ：9 1 6 2 v , 最大输出电流2 a 2 ) 3 3 v 输出：+ 3 3 v + 3 ，纹波和噪声： 9 2 3 ) + 5 v 输出：+ 5 0 v + 一3 ，纹波和噪声： 1 0 0 m v ( 峰峰值) ， 输出电流：0 5 0 a ，效率：三9 5 4 ) vb o o s t 输出电压：1 4 6 v + 3 ，输出电流 3 a ，效率三9 2 5 ) v m o d - 输出电压：1 3 1 6 v 2 + 1 ，输出电流 1 8 v ( 典型值) ，低电平 c ， 5 4 2 工序能力指数与成品率 根据工艺参数分布和规范要求，正态分布情况下，工艺成品率 可以由下式计算： q = 。n ( u ，口2 ) 出 ( 5 _ 3 ) 由正态分布函数的性质，结合式( 5 1 ) 及式( 5 3 ) ，可得工序能力指数c ，与工艺成品 率”之问的关系为： o ：= 1 0 芸) ( 5 4 ) j z 式中为标准f 态分布函数。 因此，工序能力指数q 与不合格品率”之间存在着一一对应的关系，当q ，值越大 时，不合格品率就越小说明工艺水平越高：反之，c 。值越小，不合格品率则越大，二l 艺水甲就越低i “i 。 5 4 2 测试数据正态分布判断 如前所述，工序能力指数计算的前提是产品的质量特性值服从正态分布或近似正态 分布，因此，进行工序能力指数计算及评价时，必须首先判断产品的测试数据是否服从 正态分布或近似f 态分布，若不是服从正态分布，应该改进工序能力指数的计算方法。 第五章d c d c 电源板数据分析统计功能设计 根据概率统计理论，可以使用直方图、概率密度函数以及概率纸的方式来判断数据服从 的分布类型。 l 、直方图 直方图( h i s t o g r a m ) 是用一系列等宽不等高的长方形表示数据，宽度表示数据的间隔 范围，高度表示在给定的间隔内数据的数目即频数，变化的高度形态表示数据的分布情 况。 直方图中的样本是从总体中随机抽取的样本，可以根据样本提供的信息，推算出数 据分布的各种特征值，判断工序能力是否足够和合理，是否存在常值系统误差，当发生 异常现象时可以分析其产生的原因，以便及时采取相应措施予以改进。直方图的绘制步 骤如下： 将从总体中随意抽取的n 个样本，按照从小到大的顺序排序，同时得到样本的取 值范围： 根据样本的取值范围，将样本分成等间隔的k 个区间，一般取1 0 5 7 ； 统计每个区间的样本个数形，k 称为该区间频数； 计算每个区间的样本个数所占的比例z = k n ； 以样本数据为横坐标，对每一分组，以区间为底，以频数形，或频率z 为纵坐标， 绘制直方图。 根据以上绘制步骤，利用l a b v i e w 丰富的图形显示控制可以编程实现直方图的自 动绘制，如图5 5 所示。 2 、正态分布概率密度函数 正态分布概率密度函数的数学表达式为： f ( x ) 2 丽le x p ( 一寺( 卜p ) 2 ) 正态分布概率密度函数包括和仃两个参数，所以通常记为n ( p ，仃2 ) ，若参数x 服 从正态分布n ( p ，仃2 ) ，可记为x n ( p ，仃2 ) 。 参数j l l 是全部数据的均值，若有n 个工艺参数数据，可用下式计算均值： x ：三x j 刀智 参数仃是全部数据的标准偏差，反映了不同数据之间的分散程度。若有n 个工艺参 数数据，通常用下式计算的s 作为标准偏差： 广了百_ 趾击i = l ( 置爿) 2 在实际生产中，正态分布均值j l l 反映工艺参数与规范中心的偏离程度，而标准偏差 仃的大小反映了工艺参数的分散性，即标准偏差盯直接反映了工艺水平的高低。因此， 控制工艺的目标就是使工艺参数的均值a 尽量等于工艺参数规范中心t o ，同时，降低工 艺参数分布的分散程度。 4 3 江南人学硕士学位论文 按照上述原理，利用l a b v i e w 的概率统计工具包可以求出正态分布概率密度函数， 如图5 - 5 中的曲线所示。 3 、概率纸 常见的分布函数，如正态分布函数在直角坐标系l 】是一条曲线，如果通过坐标变 换，使分布函数在新的坐标系中成为一条直线，则印有新坐标系的专用坐标纸就称为概 率坐标纸，简称概率纸。判断一组数据是否月从某种分布，h 要观察这组数据在相应的 概率纸l 是否可阻连成一条直线，若数据在概率纸上町以连成一直线，则说明数据服从 该类型分布，此外，还可以从概率纸上得到描述该分布的参数。因此，概率纸在试验数 据的处理分析中得到广泛应用，其中以正态概率纸的应用最为广泛。正态概率纸的基本 原理如下： 若随机变量x 服从正态分布n ( u ，a2 ) ，则_ i i = ! 态分布的分布晒数f ( x ) 为： 0二 e ( x ) ； n ( u ，a 。) 出= i 妒( z ) 靠= ( z ) ( 5 - 5 ) 式中 z = 0 一, u ) o = ( 一芦o ) + ( 1 d h( 5 - 6 ) 妒( z ) 为标准正态分布概率密度函数，廿( z ) 为标准正态分布的累计分布函数。 显然，在纵坐标为z 、横坐标为x 的坐标系中，式( 5 6 ) 表示的z x 关系是一条直线 关系。在纵坐标上，对每一个z 值，按式( 5 - 5 ) 关系f ( 砷= 中( z ) 标出对应的f ( x ) 值，横 坐标仍采用均匀刻度的g ，则采用这种f ( x ) 和x 刻度的坐标系就构成了正态概率纸。 根据概率纸的基本原理，l a b v i e w 环境下实现概率纸自动生成的程序 图5 - 6 为d c d c 电源板十5 v 输出电压的检测数据的正态概率纸自动生成界面，从 图中可以看出，检测数据在正态概率纸上近似为一直线，可以判定该检测数据服从正态 分布，因此，可以利用这一组输出电压的检测数据进行工序能力指数计算和工序能力分 析。 惑曩骚曙酽舞，_ _ _ - _ _ _ - 暖嚣。、。 止。 图5 - 6 正态概率纸自动生成 f i g5 - 6h o m a lp r o b a b i l i t yp a p e ra u t o