基于PXI的測試平臺的儀器認證策略

　　牛東嶺（廣州虹科電子有限公司，廣州?510640?）

　　引言

　　模塊化平臺提供與機架和臺式儀器相同的功能，且體積更小，成本更低。因此，當今在軍事、航空和商業(yè)應(yīng)用中，大多數(shù)自動測試系統(tǒng)采用模塊化架構(gòu)。多年來，出現(xiàn)了幾種架構(gòu)，包括Standard Bus，GTXI，SCXI以及其他架構(gòu)等。本文主要針對的是PXI平臺。

　　基于模塊化架構(gòu)的優(yōu)勢和靈活性，同時考慮到PC的性能和成本優(yōu)勢，PXI平臺于1998年推出，并開始迅速發(fā)展如今，全球已部署了超過10 000個PXI系統(tǒng)。圖1顯示了典型的PXI平臺，包括可安裝在機架上的機箱和安裝在單個機箱中的多達19個模塊化儀器。

　　幾乎所有的測試系統(tǒng)都包含系統(tǒng)自檢功能，目的是確保整個系統(tǒng)及其組件正常運行。自檢系統(tǒng)會對一些參數(shù)進行測試限制，這些限制是自檢通過/未通過標準的條件，但系統(tǒng)自檢并非旨在提供測試系統(tǒng)儀器的認證或可追溯性。自檢系統(tǒng)依賴于測試系統(tǒng)一部分的資源以及某些自檢設(shè)備，這些自測設(shè)備通常是無源設(shè)備，提供環(huán)路以及無源負載。由于自檢測試依賴于系統(tǒng)資源實現(xiàn)，所以對特定的系統(tǒng)需要定制自檢測試資源。測試系統(tǒng)的整體精度或參數(shù)性能的驗證歷來依賴于結(jié)合精度驗證測試程序（AVP），需要使用外部標準，精確度驗證測試夾具和測試程序。圖2詳細說明了精度驗證測試程序執(zhí)行相關(guān)的主要組件。

　　雖然精確度測試程序和配置的實施在開發(fā)和資本方面所需一些投入，但是可以為最終用戶提供驗證整體系統(tǒng)準確性的能力。不過這種策略在很大程度上依賴于外部工具或傳輸標準。傳統(tǒng)上，測試工程設(shè)備通過依靠OEM（原廠）方法或第三方本地校準服務(wù)進行單個儀器重新認證的任務(wù)。

　　OEM方法儀器校準方法要求拆卸，運輸返廠，重新安裝每個組件。這個過程要求測試系統(tǒng)暫停工作一段時間，這是測試工程所不能允許的。雖然通過補充庫存樣機可以簡短暫停時間，不過從成本上來說是個不小的開銷（物流）。

　　第三方校準服務(wù)可本地重新認證儀器：這種方法被廣泛采用，并且在系統(tǒng)主要由GPIB（箱式）儀器組成的情況下使用效果良好。然而，對于模塊化儀器，這種策略可能存在問題：服務(wù)提供商不僅需要具有正確的校準硬件，還需要具有正確的儀器控制軟件，然后必須將其加載到系統(tǒng)上。一旦加載了軟件，系統(tǒng)可能需要拆掉部分設(shè)備才能完成儀器的連接。

　　隨著模塊化測試平臺被越來越多地應(yīng)用到各行各業(yè)，許多軍事和商業(yè)新的計劃也均考慮將PXI作為下一代平臺，所以更好的認證策略——模塊化儀器在測試系統(tǒng)中重新認證的方法更顯迫切。在盡量少停機時間的情況下重新驗證 儀器的能力對于處于關(guān)鍵應(yīng)用的測試系統(tǒng)尤為重要。

　　通過將基于集成系統(tǒng)的重新認證方法與特定應(yīng)用的精度要求和適當?shù)臉藴誓K結(jié)合，提出了一種支持針對特定應(yīng)用或應(yīng)用類別的基帶PXI模塊化儀器驗證的改進方法。同時，如果采用的標準模塊包含源和測量等資源，則可以創(chuàng)建一組標準化的系統(tǒng)自測流程，從而加快系統(tǒng)自測開發(fā)速度，并可在后續(xù)系統(tǒng)的自檢工作中重用。

　　2 基于PXI的測試平臺的儀器認證策略

　　基于PXI平臺的測試系統(tǒng)通常包括源和測量儀器、將資源路由到UUT上的測試點的開關(guān)矩陣，以及某些外部“箱式”儀器，例如GPIB、LXI或USB設(shè)備。

　　測試系統(tǒng)的認證過程僅涉及需要可追溯性的組件。如果儀器未通過認證，則需要重新校準。典型的核心PXI儀器可能包括數(shù)字萬用表，1個或多個數(shù)字化儀，交流和/或直流電源等，如直流電源或任意波形發(fā)生器，以及計數(shù)器/定時器，所有這些都需要定期重新認證到可追溯的標準。PXI設(shè)備所有儀器都包含在機箱內(nèi)，由軟件驅(qū)動程序和某種類型的軟件語言控制。這些模塊化儀器板卡的重新認證可以通過將所有儀器安裝在機箱中，來實現(xiàn)對測試系統(tǒng)/配置的完整性影響最小的目的。通過利用系統(tǒng)的硬件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施，將某種類型的傳輸標準作為整體測試系統(tǒng)的一部分——提供可追溯性和重新認證與傳輸標準相兼容的能力。PXI系統(tǒng)的整體認證策略基于以下要點：

　　1）重新認證過程的儀器精度要求可以基于應(yīng)用特定要求，而不是基于“公布的”單個儀器規(guī)范。 例如，如果應(yīng)用程序僅需要5?位數(shù)字萬用表的準確度，驗證系統(tǒng)采用的儀器是一個6?位數(shù)的儀器，則將儀器校準為具有與5?位儀器相關(guān)的精度即可。這種實現(xiàn)方法對標準模塊（以及整個系統(tǒng)）的精度要求變得不那么苛刻，從而降低了標準模塊的成本，提高了測試余量和測試穩(wěn)定性，并減少了系統(tǒng)的重新認證的頻率。

　　2）傳輸標準模塊由支持自動測試系統(tǒng)中包含的所有PXI儀器的相同軟件環(huán)境支持和控制。

　　3）標準模塊可能不是提供驗證和可追溯性的系統(tǒng)中的唯一資源。在整體方案中可以加入二級和三級標準的組合作為認證自檢計劃的一部分。

　　4）使用基于軟件的標準校準方法與板載非易失性存儲器一起使用，可實現(xiàn)模塊上所有的高精度標準，并提供校正時間和溫度變化的能力。

　　3 標準模塊要求和實施

　　該模塊的實施和性能提供了實施重新認證許多基帶源和測量PXI儀器的策略的機會，這些儀器是測試系統(tǒng)的一部分。為滿足測試系統(tǒng)基帶儀器和系統(tǒng)自測功能的重新認證需求，該模塊需要提供以下核心功能：

　　● 交流和直流電壓參考標準；

　　● 電阻標準；

　　● 頻率參考標準；

　　● 通用DC源資源；

　　● 通用DC測量資源；

　　● 多路復(fù)用切換資源。

　　圖3中詳述的標準模塊的功能和特性主要用于滿足以下類型儀器的重新認證需求：

　　● 數(shù)字萬用表；

　　● 頻率計數(shù)器；

　　● A-D和數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊。

　　另外，模塊包括通用源和測量資源，以及內(nèi)置模塊自測功能，可提供用于支持系統(tǒng)自測實現(xiàn)的資源。

　　所有參考標準都是從國家標準與技術(shù)研究所（NIST）可追溯標準的外部集合中獲得的可追溯性。但是，為了避免與創(chuàng)建精度標準相關(guān)的復(fù)雜性，硬件設(shè)計更側(cè)重于可提供出色穩(wěn)定性且具有良好指定溫度特性的組件。

　　通過記錄標準的實際值并隨后將這些值存儲在模塊的板載非易失性存儲器中，在制造時建立電壓和電阻參考的絕對校準精度。對于頻率參考，10 MHz恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）經(jīng)過電子調(diào)整，以達到所需的精度。一旦將測量的標準值加載到模塊的EEROM中，這些值就可用作各種測量儀器的重新認證程序的一部分。

　　PXI標準模塊還包括一個內(nèi)置溫度傳感器，允許模塊驅(qū)動程序根據(jù)每個參考溫度特性校正基線校準值。由于所有測量的標準值都加載到模塊的EEROM中，因此加載磁盤或其他介質(zhì)上的錯誤校準文件不會影響模塊的性能。

　　4 將PXI標準模塊作為系統(tǒng)內(nèi)認證策略的一部分

　　標準模塊為重新認證測試系統(tǒng)的各種儀器提供了基準。標準模塊主要是源模塊，支持測量儀器的認證。但是，對于作為系統(tǒng)一部分的源儀器，例如DC或AC源，還需要一組采集資源。在這種情況下，使用二級標準或儀器——測試系統(tǒng)自身的資源來提供認證這些源儀器的方法。例如，標準模塊可以優(yōu)先認證DMM。一旦DMM通過認證，該模塊可用作二級標準，驗證系統(tǒng)中DC或AC源。由于主要和次要標準都經(jīng)過認證，因此可以在整個過程中保持可追溯性。確保該策略成功的關(guān)鍵因素是保證儀器精度與測量設(shè)備兼容，并嚴格遵守認證流程。假設(shè)規(guī)格和測量裝置的不確定性表現(xiàn)出95％置信度的高斯分布，那么4：1或更高（工業(yè)標準）的測試不確定度的比率（TUR）將提供大于99％的置信水平。圖4詳細說明了整體校準過程，包括使用主要和次要標準。

　　標準模塊需要定期重新認證，通常每2~4年重新認證一次。由于所有硬件和軟件都已經(jīng)成為測試系統(tǒng)的一部分，因此重新認證系統(tǒng)中的模塊非常簡單。NIST可跟蹤系統(tǒng)中的DMM和頻率計數(shù)器，標準模塊驅(qū)動程序附帶的圖形用戶界面（GUI）可用于完成重新認證。

　　5 GX1034：基于PXI平臺的標準模塊

　　廣州虹科電子有限公司與美國MTS合作提供一款基于PXI平臺的標準模塊儀器——GX1034。GX1034為PXI系統(tǒng)設(shè)計人員提供了開發(fā)系統(tǒng)重新認證策略的能力，該策略僅使用內(nèi)部系統(tǒng)資源。 通過將GX1034作為系統(tǒng)配置的一部分，可以開發(fā)一種系統(tǒng)精度驗證策略，重新認證系統(tǒng)的來源并測量基帶儀器——簡化支持/維護后勤并提高系統(tǒng)可用性。

　　GX1034標準具有出色的長期穩(wěn)定性，通過采用板載EEROM實現(xiàn)絕對精度，EEROM中包含源和電阻標準的NIST可溯源校準值。模塊還包括源和測量資源，用于支持系統(tǒng)自測功能，可進行連續(xù)性驗證和儀器功能驗證。

　　GX1034提供直流參考電壓源，交流參考電壓源，8個低漂移參考電阻和精確的10 MHz參考頻率。直流和交流電源提供高達±9 V的電壓，包含一個 3個量級的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)，用于衰減輸出電平。 參考電阻包括四線1、10和100 Ω電阻以及雙線1 kΩ、10kΩ、100 kΩ、1 MΩ和10 MΩ電阻值。10 MHz參考頻率采用高穩(wěn)定性，恒溫控制晶體振蕩器，也可通過24 位分頻器提供更低的頻率。

　　10 MHz輸出和分頻器輸出均可驅(qū)動50 Ω負載。此外，當模塊安裝在PXI機箱的插槽2中時，它可以是PXI 10 MHz背板時鐘源。

　　附加功能包括一個0~20 mA電流源；一個用于測量高達±10 V的電壓的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及設(shè)備工作環(huán)境溫度的板載監(jiān)控器件。模塊還包括一個信號多路復(fù)用器，可以將兩線和四線資源連接到卡輸出連接器上。所有電壓資源、電阻標準、時鐘分頻器輸出和A/D輸入均與PXI總線隔離并懸空，確保低噪聲環(huán)境，最大限度地降低接地環(huán)路的可能性，不會影響整體精度和性能。

　　6 結(jié)論

　　模塊化的測試系統(tǒng)的采用和部署，為負責測試系統(tǒng)的維護、校準和認證的測試工程部門帶來了獨特的挑戰(zhàn)?；赑XI的系統(tǒng)平臺為測試系統(tǒng)供應(yīng)商提供了開發(fā)全新認證策略的機會，該策略利用硬件和軟件組合的方法，為系統(tǒng)提供一種卓越且經(jīng)濟高效的認證解決方案。圖5重新討論了圖2中描述的精度驗證設(shè)置如何根據(jù)整體標準模塊的使用而改變。通過添加該模塊，消除了外部傳輸標準的使用。此外，該模塊可以提供中央資源以支持系統(tǒng)自測功能，例如信號連續(xù)性和矩陣/多路復(fù)用器功能的驗證。

　　系統(tǒng)內(nèi)認證策略采用系統(tǒng)級認證過程視圖，并以模塊化系統(tǒng)固有的軟件和硬件基礎(chǔ)架構(gòu)為基礎(chǔ)。通過系統(tǒng)內(nèi)認證策略，可以顯著改善測試系統(tǒng)中的認證過程。 通過在測試系統(tǒng)中專用一個PXI插槽用于標準模塊，很大程度上消除需拆除多個用于重新認證的模塊的可能性; 且僅有一個模塊需要送出年度重新認證。

　　這種解決方案充分利用系統(tǒng)的功能和組件，實現(xiàn)更高的系統(tǒng)可用性，更低的維護成本。

　　作者簡介：

　　牛東嶺，半導體測試技術(shù)工程師。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第33頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。