通用嵌入式FCT测试系统设计

朱健民

（霍尼韦尔综合科技（中国）有限公司，上海201203）

0 引言

FCT（Functional Circuit Test），即功能电路测试，是指对被测产品单元（UUT：Unit Under Test）提供激励及负载，使产品工作在它的设计状态下，测量产品在各种状态下的参数值，最终实现验证产品功能是否良好的自动测试设备。如今的生产线上，FCT设备具有比传统的人工测试方式更快速、操作更简单、测试更准确的优点，已经被生产企业越来越多地采用。由于FCT设备的激励点和测量点位于PCBA（带元件印制板）的测试点以及接口上，因此每种产品只能配备唯一的FCT设备，一家大型生产制造企业往往需要大量的FCT设备在生产线上工作。

目前市面上常见的FCT设备大多使用National Instruments公司的PXI平台，每套需要几十万甚至上百万的费用。因此，对于产品的生产制造企业，低成本的FCT设备具有重要的意义。笔者所在部门的职责是，配合本公司生产的诸多种类的产品，研发需要的测试设备。如能开发出一套基于嵌入式系统的FCT设备，就能为大规模电子产品的生产节约大量成本。但同时也要考虑到，嵌入式FCT设备虽然具有诸多优点，但普遍存在定制化和功能较为单一的缺点。因此，如何使基于嵌入式系统的FCT设备能做到标准化和通用，成为亟待研究的问题。

1 系统设计

1.1 硬件设计

1.1.1 总线与模块化

硬件设计遵循总线和模块化的思路，便于自由地增加和裁剪，笔者最终选用了RS-485总线这一方式来实现一主多从的硬件整体结构，当同一个功能模块需要使用多片时，利用8位拨码开关可以将其扩展到同时使用256个。

1.1.2 硬件组成

硬件架构如图1所示。

图1 硬件架构

通用嵌入式FCT测试系统的硬件主要由以下几部分组成。

1.1.2.1 主控单元

主控单元作为整个系统的核心，由微处理器、扩展存储器、I/O、以太网MAC、PHY等部分组成。在本系统中，先后成功使用了基于ARM9EJ-S内核的AT91SAM9G25，以及市面上流行的卡片电脑Raspberry-Pi作为主处理器，并且实现了全部的测试功能。

1.1.2.2 功能测试模块

各功能测试板卡，根据其功能划分，称为继电器板、电压测试板、音频测试板、IO测试板、网络测试板等，分别用于测量电压、电流、脉冲信号、I/O信号、以太网、USB等各种数字接口信号、音频信号、射频信号，同时也可为相关电路的测试提供合适的信号源和激励，满足多种产品测试需求。

1.1.2.3 电源系统

为被测板、控制单元、测试模块提供电源，主控单元和测试模块采用统一电源接口。

1.1.2.4 针板、电缆、和其他附件

提供测试设备与被测板之间的连接，电源线与总线采用统一的电缆进行连接。

1.2 软件设计

1.2.1 处理器及开发环境

ARM，高级精简指令集机器（Advanced RISC Machine），是一种精简指令集（RISC）处理器架构，广泛地使用在许多嵌入式系统设计中。在ARM上使用德国Segger公司的实时操作系统embOS以及emUSB-Host、emUSB-Device、embOS/IP等软件组件，可以搭建出一套功能强大的测试平台。

1.2.2 软件分层

本软件的分层如图2所示。

图2 软件分层

本软件分为硬件抽象层、操作系统、板驱动层、测试库和应用层共5层，进一步细化，得到表1。

表1 软件详细分层

1.2.3 主要软件模块描述

1.2.3.1 硬件抽象层

本层位于系统的最底层，作为底层硬件与操作系统间之间的抽象。本层封装了多种CPU的寄存器访问。

1.2.3.2 操作系统

EmbOS是有优先级控制的实时操作系统，适用于嵌入式实时应用，尤其是ARM芯片的软件开发。它可以优化尺寸以占用最小的存储空间，也可进行速度和功能性的优化。

1.2.3.3 板驱动层

包括本测试系统使用到的所有外设和板卡的驱动，微处理器与各功能测试子板的通信均基于一个自定义的RS-485总线协议。

1.2.3.4 测试库

测试库是一套庞大的常用测试案例的集合，规定了目前所有常用的测试项，如电压测试、电流测试、网络接口测试等等。

1.2.3.5 应用层

1.2.3.5.1 测试序列文件

各种产品有着各自不同的测试流，包括标识号、名称、控制命令、所用到的测试函数和其他辅助信息等。填写表格文件比编写文本脚本文件更容易，而且易于被程序解释，格式也不会被开发者编辑出错。

1.2.3.5.2 测试记录

测试记录文件用于记录各被测产品的参数和测试结果，便于追踪产品质量和问题。

2 实现通用性的方法

2.1“搭积木式”的硬件方法

将接口、供电方式、结构尺寸完全相同的各硬件模块用RS-485总线的方式连接，使本系统易于扩展和裁剪，灵活的硬件搭配和简单的地址区分，构成了一个类似于“搭积木”的硬件结构。由于被测品是多样的，测试台的测试项目、测试方法和参数都不同。当我们使测试台应用于某一种产品的测试时，只需选择要用的测试模块就可以了。

2.2 执行表格文件的软件方法

软件上同样实现了在具体的测试台上只做少量修改。选用表格脚本代替文本脚本对于测试台最为合适，但由于embOS不能直接识别Excel表格，笔者选用了一种易于解析、易于编辑的CSV表格文件格式。CSV文件选用逗号分隔文本的格式，后续研发人员可以先填好Excel表格，再另存为CSV文件。

2.3 CSV文件

表2是某设备测试表格的一部分节选，文件另存后的CSV文件就是测试台的脚本文件。解析这个文件需要循环调用一个strtok函数，程序将每个测试项以及参数按逗号或换行符取出，并将各参数传到一个定义的结构体。

表2 CSV文件

2.4 测试项的执行

程序逐条解析，首先根据测试项名称TESTID，在测试库中找到相应的测试函数，typedef void(*TFUNCTION)(P_TEST p_test)；再在具体的测试函数中使用其他参数信息。

函数*TFUNCTION的参数P_TEST p_test结构体定义为：

typedef struct

{

INT8U test_name[TEST_MSG_SIZE];

INT8U send_command[COMMAND_MSG_SIZE];

INT8U cmd_true[TRUE_MSG_SIZE];

INT8U cmd_false[FALSE_MSG_SIZE];

INT32U limit_low;

INT32U limit_upp;

INT8U test_idx[IDX_MSG_SIZE];

INT16U ch_number;

INT16U parameter;

INT8U test_res;

}TEST_NAME_T,*P_TEST_NAME_T;

结构体的其他各成员分别代表测试名称、与被测板交互的命令、所使用的硬件资源编号、参数阈值以及一个可灵活配置的辅助参数等。

利用这一系列软件、硬件的方法，此测试系统最终实现了通用性。

3 结语

本系统在研发成功后，实现了笔者之前的预期，在后期很多不同的产品测试中，使用了同类型的硬件架构和完全相同的软件，而仅仅在测试脚本文件做了区别，体现了通用性的特点。

新的系统使我们可以使用类似“搭积木”的方式快速构建硬件和软件，把研发并建造一个测试台的周期，由以前3～5个月的时间缩短到2个月左右，并且使设备的标准化程度、可维护性大幅提高。

但是必须承认，系统还存在一些不足之处：目前的系统只实现了近端的维护，而不能通过网络做远程的调试和程序升级，我们将争取在下一个阶段实现。此外，硬件板卡、测试函数库和驱动中也只涵盖了目前产品所涉及的测试项，但笔者相信，随着以后产品的不断出现，这些软硬件资源也会继续扩充下去。

[1]刘思久，张礼勇.自动测试系统与虚拟仪器原理、开发、应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]SLOSS A N,SYMES D,WRIGHT C.ARM嵌入式系统开发——软件设计与优化[M].沈建华，译.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3]LABROSSE J J.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ[M].2版.邵贝贝，译.北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[4]BARR M.C/C++嵌入式系统编程[M].于志宏，译.北京：中国电力出版社，2001.

[5]MCCONNELL S.代码大全[M].2版.北京：电子工业出版社，2016.

[6]CORBET J,RUBINI A,KROAH-HARTMAN G.LINUX设备驱动程序[M].3版.魏永明，耿岳，钟书毅，译.北京：中国电力出版社，2010.

[7]FOWLER M.重构：改善既有代码的设计[M].熊节，译.北京：人民邮电出版社，2015.

[8]HANSON D R.C语言接口与实现：创建可重用软件的技术[M].郭旭，译.北京：人民邮电出版社，2016.