0 引言
随着电子技术及数字电路板制造技术的飞速发展，电路功能和结构日益复杂，电路板测试工作量与日俱增，对测试速度和测试精度的要求不断提高，传统的电路板人工测试方法已不能满足实际测试需求[1-3]。
针对具体行业的应用要求，研究有效的电路板自动测试方法和技术有着重要的意义与实际应用价值。文献[4]针对某军用模块提出了自动测试方案，文献[5]针对某医疗设备的电路板组件设计了准自动测试设备，文献[6]开发了多功能机载火控雷达伺服控制组件地面测试设备，可以对常用的多种机载火控雷达伺服系统进行测试。上述电路板自动测试设备极大地提高了测试效率，但都是针对具体PCB的测试任务研制的，设备利用效率和灵活性低，可扩展性、通用性相对较差[7-8]。
为了满足不同电路板的测试需求，自动测试系统正在从专用型向通用型方向转变[9-11]。本文设计了基于虚拟仪器的电路板通用自动测试平台，该平台采用了虚拟仪器测试技术、扫码技术、网络技术，可实现不同类型电路板的自动测试，测试结果与电路板序列号绑定并自动保存到服务器数据库中，并可通过Web浏览方式查询电路板测试结果。
1 测试平台硬件设计
印制电路板的测试过程可简单归纳为信号激励和响应测试的过程，即在印制电路板的测试过程中，在指定节点施加激励信号,在所需节点检测响应并作出判断，判断此响应是否与预期响应一致，若一致则为合格，若不一致则为不合格。
硬件设计遵循“通用化、模块化、系列化”的设计原则[12]。测试信号的种类、幅度、数量、响应速度及测试精度等覆盖绝大部分电路板测试需求，并支持扩展功能，以满足部分电路板的特殊测试需求。
1.1 硬件结构设计
基于虚拟仪器的电路板通用自动测试平台主要由主控计算机、测试仪器、连接器、通用适配器及针盘治具等组成，如图1所示。
图1 测试平台架构
Fig.1 Architecture of test platform
主控计算机主要完成测试仪器端口配置、测试流程编制、测试控制、界面显示等功能。
测试仪器通过USB或串口等通信接口与主控计算机连接。从功能看，测试仪器主要包括信号激励模块、信号采集模块、辅助测试模块、供电模块4个部分；从硬件看，测试仪器主要包括电子负载、程控示波器、信号发生器、多功能数据采集卡、通信板卡及二维码扫描枪等。信号发生器、电子负载主要提供激励及模拟负载信号。程控示波器用于测量被测信号幅值及周期频率等参数。多功能数据采集卡主要完成被测电路板的模拟量、频率量、开关量等信号的激励与采集。为有效追溯、跟踪各电路板的测试数据，在电路板上添加二维码标识,赋予其唯一ID号，测试前通过条码扫描枪进行扫描识别。
不同的被测电路板所需的供电路数、供电电压的大小各不相同，平台供电模块采用程控电源调节输出电压，配合选通开关满足不同电路板对测试电源的需求。
针盘治具、通用适配器、连接器用于将被测电路板的信号转换成标准信号格式后接入测试平台。
1.2 信号连接设计
信号连接设计是实现测试平台通用性、方便性和测试灵活性的关键[13-14]，本文中所有与被测电路板的连接均通过通用适配器来完成。
连接器是测试资源连接被测信号和向被测电路板输出激励的统一接口, 是为了实现接口的通用性而设计的。连接器一端连接适配器, 另一端连接测试资源。连接器与适配器之间通过4个设计有防插错措施的快速接插件连接，以保证连接器与适配器的信号正确连接。
适配器实现对被测电路板信号和测试资源信号的连接、变换、分配等功能。被测电路板通过针盘与适配器信号调理电路连接, 最后这些经调理的信号通过统一的接口与连接器相连。
在连接器-适配器结构中，连接器是标准的、通用的；适配器针对具体的被测电路板，是非标准的、专用的。适配器设计有信号调理接口板，对于不同类型的被测对象而言，通过信号调理接口板可以将非标信号调理转换为标准信号后再与连接器连接，提高了测试平台的灵活性。
要实现对多种类型电路板的测试，需对各种被测电路板配置相应的针盘治具，即电路板与针盘治具一一对应。将电路板放置到针盘治具上，通过针盘治具上的探针实现电路板上的测试点与通用适配器的连接。对于不同类型的被测电路板，只要更换对应的针盘治具并选择对应的测试流程即可完成测试。
2 测试平台软件设计
软件是通用测试平台实现通用性的基础。在虚拟仪器系统中，硬件是基础，软件则是其最核心、最关键的部分，其主要功能是对硬件进行控制，对获得的数据进行分析和处理，以及对结果进行保存或者输出等。
测试平台选择Windows 7为操作系统，LabVIEW 2017作为软件开发环境。LabVIEW是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发平台，有功能强大的函数模块库，具有二次开发周期短、人机界面友好、可持续性开发、可维护性强、可靠性高、测试结果自动存储等优点，可大大提高平台的测试效率与测试精度。
2.1 通用测试流程配置设计
测试平台采用测试流程开发与运行分开的方式来灵活支持电路板的二次开发，测试流程的配置与执行可在不同的主控计算机上完成。软件平台的配置模块主要完成电路板测试流程的编制功能，定义测试的类型、测试选用的方法、合格判定标准及测试激励信号端口的选择。通过修改相应的测试流程配置便可实现对不同电路板的功能测试。
对于一块待测的电路板，进行测试前需先完成测试流程的配置工作。首先，将电路板的总体测试需求分解成数个乃至数十个测试项目；然后根据测试激励信号和采集信号的需求，为每个测试项目分配所需的仪器测试资源；最后，根据电路板对各项目测试顺序需求将各个测试项目整合到一起，编写测试步骤序列并形成测试流程文件。配置完成的电路板测试流程文件可上传到服务器存盘，供联网的所有测试工装平台使用。
在流程配置过程中，用户可以方便地添加、编辑和删除测试步骤。对于电压、电流、频率、纹波、过压、短路等常用测试项，编制了测试子程序集，流程配置时直接调用即可，大大减少了流程配置的工作量。
测试流程配置界面如图2所示。
2.2 测试任务单配置设计
测试任务单的配置包含测试的任务单号、电路板型号名称、序列号、数量等基本信息。测试任务单配置界面如图3所示。
2.3 测试执行设计
图2 测试流程配置界面
Fig.2 Configuration interface of test process
图3 测试任务单配置界面
Fig.3 Configuration interface of test task list
图4 电路板自动测试操作流程
Fig.4 Flow of automatic test operation of circuit board
电路板自动测试操作流程如图4所示。测试员根据账号、密码登录，进入测试界面；扫描生产任务单号二维码，选择需要测试的电路板测试流程，再用扫描枪扫描被测电路板的序列号标志码。开始执行自动测试，通过对比电路板测试项目的理论值和实测值是否存在差异来判定该电路板是否正确。测试结束后，保存测试结果，同时将测试数据发送到服务器保存，供联网追溯查询。
2.4 信息交互模式设计
为满足生产现场的测试需求，测试平台设计为可支持在线联网测试及离线单机测试2种方式。
在线联网测试：测试平台与服务器之间网络连接正常，测试平台启动登录时，从服务器数据库获取测试流程、测试任务单等最新的配置信息；测试平台运行过程中产生的配置数据信息及测试数据记录上传服务器数据库存盘。上传的测试数据包括任务单号、电路板序列号、测试员姓名、测试日期、测试结果、测试用时等信息。
离线单机测试：测试平台与服务器联网异常，测试平台启用先前联网时下载的有效版本的测试流程进行测试，测试完成的数据暂时保存在本机，待与服务器联网成功后自动将测试数据上传服务器数据库保存。
3 设备自诊断设计
测试平台自身的可靠性、准确性对于被测设备的测试、诊断质量至关重要。除了对相关仪器进行定期计量校准外，日常正常使用过程中的设备自检也是保障测试平台可靠运行的重要手段。
本文采用基于仪器比对的系统自检方式，设计了自检适配器工装，将测试平台配置的激励仪器与测量仪器的相关信号通道进行匹配连接，采用自身闭环检查或同类仪器交叉闭环检查的方法完成功能和性能检查。
自检适配器可视为一种特殊的针盘治具，设计的对外接口与针盘治具相同，实施自检操作时，需先将电路板的针盘治具卸下，换上自检适配器，通过快速接插件将测试平台与自检适配器连接，确保硬件连接无误后，测试平台启动预先配置好的自检测试流程，可自动完成测试平台包含的程控电源、程控电子负载、程控示波器、信号发生器、多功能数据采集卡及通信板卡等测试仪器的自检，自检完成的记录数据信息可上传到服务器自动保存。
4 测试验证
以某仪表板为测试对象，在测试平台上根据编制好的测试流程对各测试项目进行测试，结果见表1。
表1 某仪表板测试结果
Table 1 Test result of a dashboard
采用对比验证的方式对测试平台性能进行测试验证，分别采用传统手动测试方式和自动测试方式对电路板进行测试，并记录测试结果和测试用时。表2给出了2种测试方式的测试用时，表3给出了序列号为B2180500001的电路板端口1的6组电压对比测试数据。
表2 测试时间对比
Table 2 Comparison of test time
表3 端口1电压测试值
Table 3 Voltage test value of port 1
由表2可见，传统手工测试方式用时在120 s以上，而自动测试方式用时不足40 s，自动测试方式极大地提高了测试效率，降低了劳动强度。从表3可见，2种方式测试结果基本相同，自动测试方式的测试精度更高。测试结果表明，自动测试平台不仅能够快速高效地完成测试任务，而且能够保证测试结果的准确性，提高了测试精度。
5 结语
针对传统电路板测试的局限性与单一性及日趋灵活的电路板测试需求，采用虚拟仪器技术，以LabVIEW作为软件系统开发平台，设计了电路板通用自动测试平台。该测试平台可对多种类型电路板进行自动测试，具有通用性好、测试项目可灵活编程配置、易扩展、测试记录可联网追溯查询等特点。测试结果表明，该测试平台可满足产品快速更新换代带来的测试需求，提高了劳动效率，降低了劳动成本。
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