采用LabVIEW和National Instruments DAQ开发的低成本多功能测试系统

挑战: 构造一种具有在线测试与功能测试的高速测试系统, 要求电阻测试精度高于常规ICT 一个数量级,功能测试适应多品种, 快速切换被测产品以满足多品种大批量生产的需要. 
使用的产品: SCXI-1000; SCXI-1160; PCI-DIO-24; PCI-MIO-16E-1; AT-MIO-16E-1; PCI-4060;LabVIEW5.0/5.1; Application Builder for LabVIEW.
摘要: 一种采用National Instruments 的LabVIEW 和DAQ 板集成的多功能测试系统, 其设计思想是基于解决SLIC 电路（用户接口电路）测试的基础上尽可能兼容其它电路的测试, 如常规音频放大器、脉冲电路、混合电路模块、阻容网络等等. 经过两年多的开发和不断改进,该系统已成为集在线测试与功能测试为一体、功能强大的工业化生产设备. 现已有超过50 个以上的厚膜电路产品可容易地用该系统进行生产测试。
    位于深圳市*工业圆区的深圳市振华微电子有限公司是一家生产混合集成电路为主的高技术企业，年生产能力1500万块。该行业的特点是产品品种多、开发周期短、在短时间内产品将从样品转为大批量生产。对测试方法、测试系统的软硬件的兼容性、可持续开发性、易维护管理性提出了挑战。 
    我公司于1992 年就开发了基于PC机和单片机的混合电路测试系统。但功能简单，测试精度低，速度慢，虽对公司产品开发、生产发挥了极重要的作用，但不能适应用户越来越高的产品品质要求。我们也曾经购买了国内外的多套测试系统，由于存在速度低、可靠性、可维护性、可持续开发性差等问题。使得我们不断去寻找新的技术解决存在的问题。LabVIEW 及其技术在中国的推广为我们这些问题提供了强有力的支持。1998 年初我们开始购买LabVIEW 和DAQ 板，投入了较强的力量并结合已有的技术基础于1998 年5 月构造了*台测试系统样机，于1998 年11 月开发成功了5 台自动测试系统并担负了公司80%产品的生产测试。1999 年6 月开发了5 台功能强大的T2000 型多功能测试系统，之后，又将1998 年开发的全部进行升级改造 ,共制造了10 台多功能测试系统。两年来T2000 的软件在不断完善，硬件的投资得到充分的利用。到目前为止，我公司95%的产品用T2000 测试，累计测试产品超过2000 万片次。NI 的DAQ 硬件无一次故障。下面将进一步介绍系统的设计、实现的功能及效益分析。
一.系统集成的考虑 
    该系统是为厚膜集成电路的大批量生产测试设计的 ，也可适用于小型模块 ，PCB 电路等的生产测试，产品的故障分析。数据采样率为1.25MHz/S, 静态参数zui快20ms/项, 动态参数zui快20ms/项。电压精度为12位ADC/DAC. 为提高生产效率，测试工位设计为双工位交替测试 ,当其中一个工位工作时，另一工位可更换被测产品，每工位可任意编程的引脚数为32。功能测试时+5V、-5V、12V、-12V、-53V、-96V等电源和信号源、数据采样点可通过软件编程连接到被定义的引脚。NI的多个DAQ部件是由多块系统集成板将电源、测试电路、保护电路、被测器件、PC等有机地结合在一起。除显示器外所有部件全部安装在屏蔽的机柜中。由于生产测试中产品的故障是多种多样的，测试系统的设计要考虑到zui坏的情况。特别是不允许高压加到DAQ卡的I/O PIN。因此良好可靠的保护电路是系统能否高可靠运行的关键。软件的设计既要满足生产工人、质检人员、产品开发人员的需要，亦要配合硬件对各种故障作迅速的反应，包括迅速切断电源和信号源并显示故障提示信息。软件系统在WindowsNT和Windows98组成的局域网下运行，测试数据和测试结果由服务器集中管理。图2.是T2000测试系统的用户界面，它可选择被测产品、系统校验、单片/连续测试、工位状态显示、测试时间、结果记录/打印、统计分析、参数显示、波形显示、遇错停止/遇错不停等开关、以及供产品开发人员使用的参数编辑和各种测试子模块的调用按纽。

图1.T2000测试系统的用户界面
二.静态测试
    T2000测试系统可测试电阻,电容,LC/RC/LRC网络,二极管,三极管,恒流源等具有常规ICT的功能，但测试精度远高于ICT，电阻,电容的测试速度远高于常规仪器。用LabVIEW开发的图形化友好界面,易用易学.用软件构造的电阻,电容,二极管,LC/RC/LRC网络,漏电流测试仪（如图3所示）可方便的对任一工位的任意两个PIN之间进行分析, 通过测试仪的示波器窗口可观察被测点的波形变化、充放电的瞬态、通过调整延迟时间等测试条件，使每一步测试zui快、zui稳定。在纯电阻（或无电容/低的RC）条件下系统的测试速度可达到20mS/步。将调试过程的测试条件填入参数表中,就可完成自动化测试的编程工作 .
三．动态（功能）测试
    功能测试模块的界面如图3“上图”所示，主要针对SLIC电路的馈电、摘挂机检测、平衡度、传输等参数进行测试。通过不断的扩充、增加新的功能。使该摸快的功能越来越强大，可以通过外部测试文件填写测试条件、测试电路构造控制码、选择测试方法、选择测试点等实现所期望的测试或等效的功能测试。如：精密的工作点测试：可同时对一个或多个测试点进行精密的电压测量；瞬态测试：可同时对一个或多个测试点进行加电过程的瞬态采样，显示出瞬态波形，输出上升/下降时间、Vop-p、等等参数；传输特性测试：可同时对一个或多个测试点进行单频率点的传输特性测试，也可以进行音频范围内的多频率扫频测试；含有PCM编译码电路的测试：可对数字/模拟混合电路进行测试等。 
四．快速构造一个新产品测试的能力
    利用静态和功能测试模块的若干子程序逐项调试并将测试项目和测试条件填入一个表格式的控制文件中就可完成产品的生产性测试编程。该文件是标准的TXT文件，用任何文本编辑器或EXCEL可完成编程工作。当你用EXCEL打开这一文件时，您看到的好象是产品的技术规范书或者是产品的电参数表，其实除了电参数外还包含了测试所需的控制代码，这一点得益于LabVIEW强大的文本文件处理能力，它将这些控制代码和数据方便快捷地转换为若干子程序的控制。当编写完测试文件并保存在规定的目录下，在测试系统用户界面“选择产品型号”下拉菜单中就可找到被测产品型号。一个50个元器件SIP20的厚膜电路zui快一天可完成构造产品的测试，在同一网络中运行的多台相同测试系统也立即具备该产品的测试能力。这一优势是传统测试无法实现的。
五．效益分析 
    我公司在1997年底技术改造规划时，计划用40万US$进行测试设备改造，实现年产1500万片的测试能力。经过认真的调研，当时国内有的同行虽拥有高达80万US$的成套进口测试设备，但存在测试成本高、资源浪费、维护和二次开发的难度大、有的产品测试软件还需大专院校的。在测试速度方面，虽然单片测试速度很快，但测试工位少，因此总的生产效率不高。根据这些问题，我们决定采用NI公司的DAQ部件自行集成适合自己所需的测试系统，用了不到10万US$的投资，实现了要花100万US$进口成套设备或者花费250万￥RMB购买国内的测试系统才能达到的产能，其*性、可靠性则远远高于国内购买的测试设备；易维护性、可持续开发性优于进口设备。