基于PXI的測試平臺的儀器認(rèn)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(dāng)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(dá)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(jìn)行測試限制，這些限制是自檢通過/未通過標(biāo)準(zhǔn)的條件，但系統(tǒng)自檢并非旨在提供測試系統(tǒng)儀器的認(rèn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)，精確度驗證測試夾具和測試程序。圖2詳細(xì)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。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(zhǔn)服務(wù)進(jìn)行單個儀器重新認(rèn)證的任務(wù)。

　　OEM方法儀器校準(zhǔn)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(zhǔn)服務(wù)可本地重新認(rèn)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(zhǔn)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(rèn)證策略——模塊化儀器在測試系統(tǒng)中重新認(rèn)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(rèn)證方法與特定應(yīng)用的精度要求和適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)模塊結(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(jìn)方法。同時，如果采用的標(biāo)準(zhǔn)模塊包含源和測量等資源，則可以創(chuàng)建一組標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(rèn)證過程僅涉及需要可追溯性的組件。如果儀器未通過認(rèn)證，則需要重新校準(zhǔn)。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(rèn)證到可追溯的標(biāo)準(zhǔn)。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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)作為整體測試系統(tǒng)的一部分——提供可追溯性和重新認(rèn)證與傳輸標(biāo)準(zhǔn)相兼容的能力。PXI系統(tǒng)的整體認(rèn)證策略基于以下要點：

　　1）重新認(rèn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)證的頻率。

　　2）傳輸標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的組合作為認(rèn)證自檢計劃的一部分。

　　4）使用基于軟件的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，并提供校正時間和溫度變化的能力。

　　3 標(biāo)準(zhǔn)模塊要求和實施

　　該模塊的實施和性能提供了實施重新認(rèn)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)；

　　● 電阻標(biāo)準(zhǔn)；

　　● 頻率參考標(biāo)準(zhǔn)；

　　● 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(biāo)準(zhǔn)模塊的功能和特性主要用于滿足以下類型儀器的重新認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)都是從國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）可追溯標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)到所需的精度。一旦將測量的標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)證程序的一部分。

　　PXI標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)值。由于所有測量的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)文件不會影響模塊的性能。

　　4 將PXI標(biāo)準(zhǔn)模塊作為系統(tǒng)內(nèi)認(rèn)證策略的一部分

　　標(biāo)準(zhǔn)模塊為重新認(rèn)證測試系統(tǒng)的各種儀器提供了基準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)模塊主要是源模塊，支持測量儀器的認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)或儀器——測試系統(tǒng)自身的資源來提供認(rèn)證這些源儀器的方法。例如，標(biāo)準(zhǔn)模塊可以優(yōu)先認(rèn)證DMM。一旦DMM通過認(rèn)證，該模塊可用作二級標(biāo)準(zhǔn)，驗證系統(tǒng)中DC或AC源。由于主要和次要標(biāo)準(zhǔn)都經(jīng)過認(rèn)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(yán)格遵守認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)）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(xì)說明了整體校準(zhǔn)過程，包括使用主要和次要標(biāo)準(zhǔn)。

　　標(biāo)準(zhǔn)模塊需要定期重新認(rèn)證，通常每2~4年重新認(rèn)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)證。

　　5 GX1034：基于PXI平臺的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(rèn)證系統(tǒng)的來源并測量基帶儀器——簡化支持/維護(hù)后勤并提高系統(tǒng)可用性。

　　GX1034標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的NIST可溯源校準(zhǔn)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(jìn)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(dá)±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(fù)載。此外，當(dāng)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(dá)±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(biāo)準(zhǔn)、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(fù)責(zé)測試系統(tǒng)的維護(hù)、校準(zhǔn)和認(rèn)證的測試工程部門帶來了獨特的挑戰(zhàn)。基于PXI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(rèn)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)模塊的使用而改變。通過添加該模塊，消除了外部傳輸標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)證策略采用系統(tǒng)級認(rèn)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(rèn)證策略，可以顯著改善測試系統(tǒng)中的認(rèn)證過程。 通過在測試系統(tǒng)中專用一個PXI插槽用于標(biāo)準(zhǔn)模塊，很大程度上消除需拆除多個用于重新認(rèn)證的模塊的可能性; 且僅有一個模塊需要送出年度重新認(rèn)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(hù)成本。

　　作者簡介：

　　牛東嶺，半導(dǎo)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。