電子設備測試的復雜性差異很大，從最簡單的類型（手動測試）到最復雜的大型自動測試設備（ATE）。在簡單的手動測試和大規模ATE之間，是低預算和中等規模的測試，這是本應用筆記的重點。這些類型的測試系統通常專用于在PC的控制下測試特定的組件或電路。PC 的并行或串行端口可在 PC 和成本敏感的小型應用程序之間提供方便的連接。IEEE-488總線可以方便地將PC連接到多個測試儀器，這是并行或串行端口無法完成的。雖然它提高了測試系統的價格，但它提供的將多個儀器一次連接到PC的能力證明了額外的成本是合理的。在 設計 測試 儀器 的 硬件 時， 應 一 長 使用 適當 的 設計 技術， 可 消除 或 最大限度 減少 在 設計 進行 過程中 可能 出現 的 難以 解決 的 問題。分離數字和模擬接地、使用光隔離器、識別高阻抗節點、花時間放置元件、考慮電源和接地走線的壓降以及其他技術都增加了成功設計的機會。

電子設備測試的復雜性差異很大，從最簡單的類型（手動測試）到最復雜的大型自動測試設備（ATE）。手動測試通常需要在特定配置中設置DVM、示波器和其他設備。當要測試的設備類型發生變化時，通常需要更改測試硬件。另一方面，ATE測試儀提供了極大的靈活性，允許在不更改測試硬件的情況下測試許多不同類型的設備。軟件 更改 會 重新 配置 此 類型 的 測試 儀， 以 適應 不同 類型 的 設備。除了該設備提供的多功能性外，它還可以實現非常復雜的電子測試，盡管價格很高：這些測試儀的成本可能超過一百萬美元。

在簡單的手動測試和大規模ATE之間是低預算和中等規模的測試，這是本文的重點。這些類型的測試系統通常專用于在個人計算機的控制下測試特定的組件或電路。與大規模ATE相比，它們缺乏靈活性和測試復雜性。但是，為該設備支付的價格通常證明其使用是合理的;它比大型測試儀便宜得多。參見圖1。

圖1.測試系統的復雜性從（a）勞動密集型手動測試到（d）全自動測試設備不等。本文 重點 介紹 低 預算 和 中等 規模 測試 系統 （b 和 c）。

本文 討論 了 適用于 低 預算 和 中 大規模 測試 的 各種 主題， 包括 用于 將 PC 連接到 測試 設備 的 不同 接口， 以及 硬件 和 軟件 設計。

將 PC 連接到測試設備

電腦并行端口

將測試設備和被測設備 （DUT） 連接到個人計算機的最簡單方法之一是使用 PC 的并行端口。此端口是幾乎所有與 IBM 兼容的 PC 的標準設備。標準并行端口提供 12 個邏輯輸出和 <> 個輸入，可直接連接到 TTL/CMOS 電路。您還可以使用許多現代計算機上的并行端口的增強版本。軟件設計簡單：PC并行端口很容易使用C或Basic進行編程。有關編程詳細信息，請參閱 Jan Axelson 的并行端口完成。

由于 PC 包含操作 PC 并行端口所需的硬件，因此無需打開 PC 即可安裝卡。使用并行端口從而消除了在計算機打開時由于操作程序不當而導致 ESD 損壞的風險。

工程師將并行端口連接到各種類型的接口。并行端口通常驅動2線I2C接口。由于I2C標準規定I2C發送器通過集電極開路輸出提供邏輯信號，因此接口電路可以像單個74HC05集電極開路逆變器IC一樣簡單。圖2所示為與DUT之間發送和接收數據的并行端口至I2C接口。

圖2.此并行端口到 I2C 接口提供與 I2C 規范規定的 I2C 串行端口的集電極開路連接。MAX367電路保護器IC可防止超過供電軌的電壓損壞接口電路以及并行端口本身。

除了通過PC并行端口進行通信的優勢外，它的使用還伴隨著許多小陷阱。例如，當使用為Microsoft Windows編寫的程序時，您可以專用于應用程序的未使用的并行端口輸入引腳的數量將減少到四個。出現此問題的原因是為微軟 Windows 編寫的程序不能可靠地確定并行端口的地址。將并行端口的一個輸出引腳連接到其輸入引腳之一，軟件可以自動確定并行端口地址。但是，這樣做會將可用輸入引腳的數量減少到四個。如果超過電源軌的電壓與連接到并行端口的任何電路接觸，則可能會出現更困難的問題;這些電壓會破壞計算機外部的電路以及并行端口本身。

防止電壓過高的一種方法是包括電路保護器芯片。圖367所示的MAX2電路保護器IC可防止此類情況發生。（圖中所示電路可在Maxim的接口板上找到。當施加到該IC內任何保護器任一側的電壓超過電源軌時，特定保護器的電阻變得非常高，從而阻止可觀的電流流過它。此外，該芯片將電壓限制在電源軌以內，確保防止無意中放置在SCL、SDA或DUT +5V引腳上的任何高電壓損壞接口電路以及并行端口。

使用PC并行端口時可能會出現其他小問題。由于只能從未使用的并行端口輸出引腳獲取少量功率（不超過10mA，輸出電壓可能低至3V），因此可能需要外部電源。然而，精心設計的微功耗系統可以消除對這種外部電源的需求。另一個可能的問題是并行端口邏輯電平可能因 PC 而異。由于計算機制造商在其計算機中使用 S、TTL、LSTTL 或 CMOS 輸出驅動器，因此某些驅動程序提供的輸出電平接近 5V，而其他驅動程序則接近 3V。

低 預算 測試 系統 通常 共享 一臺 運行 其他 應用 程序 的 計算機， 這 可能 導致 問題。例如，當計算機包含打印驅動程序時，即使未打印任何內容，它也可以保持對并行端口的控制。由于大多數PC僅包含一個并行端口，因此在這些條件下無法通過該端口與測試設備進行通信。可能出現總線爭用的另一個來源是插入并行端口的軟件保護密鑰。

當今的計算機通常包括允許通過并行端口進行雙向通信的增強功能。相對現代的 ECP 和 EPP 標準允許并行端口自動將數據塊傳輸到 PC 和從 PC 傳輸數據塊（即雙向）。有時系統 BIOS 會禁用這些增強功能，有時包含這些增強功能的計算機與其他計算機不兼容。

當 必須 以 精確 的 定 時 進行 與 測試 系統 的 通信 時， 并行 口 可能 不是 正確 的 選擇。主處理器刷新PC動態內存的周期性間隔通常會導致并行端口合成的波形“抖動”。更糟糕的是，在使用Windows時，驅動并行端口的程序可能會定期中斷。盡管所有編程事件都以正確的順序發生，但不能保證這些事件的確切時間。

電腦串行端口 （RS-232）

PC串行端口（有時稱為RS-232端口）提供了另一種將PC連接到被測設備的簡單方法。與并行端口一樣，串行端口在大多數PC上都可用;無需安裝接口卡。但是，與使用邏輯電平電壓的并行端口不同，串行端口的信號電壓呈正向和負向擺動。RS-232規范要求的發射器電壓電平至少為±5V。但實際上，電壓電平可能在±3V至±30V之間變化。使用并行端口時發生的邏輯電平變化不適用于串行端口，因為在接收到RS-232信號后，RS-232接收器提供的邏輯電平輸出接近為接收器供電的電源電壓（如果輸出負載較輕）。

串行端口只允許在每條信號線上使用一個驅動程序，因此一次只能將PC連接到一個設備。某些設備通過使用硬件握手線發出信號來繞過此限制;但是，這是一種非正統的技術，其描述超出了本文的范圍。由于 PC 通常 只 包含 一個 或 兩個 串 口， 而 每 個 儀器 需要 獨 占 一個 口， 因此 基于 串 口 的 測試 系統 的 擴展 能力 有限。

串行端口提供的功率甚至比并行端口還要少，并且電壓電平不受調節。如上所述，這些電壓的范圍可以是3V到30V，信號極性可以是正極或負極。借助一些附加電路，串行端口可以為微功耗電路供電，但大多數應用需要外部電源。

使用串行端口時，發送和接收數據通常需要微控制器。一些微控制器，如68HC11、8051和PIC16C63，包括UART。這些微控制器與MAX3320 RS-232收發器和低成本陶瓷諧振器配合使用，可以從PC上運行的用戶界面程序接收命令。此用戶界面有兩個選項：使用純文本終端程序（例如，超級終端或 Procomm）或自定義圖形界面。

從用戶界面接收到這些命令后，圖3所示的微處理器無需借助PC即可執行相對復雜的控制功能。

圖3.通過串行總線從PC接收命令后，這些微處理器可以在沒有PC幫助的情況下執行相對復雜的控制功能。

IEEE-488總線

IEEE-488總線是一個更復雜但用途更廣的系統。它也被稱為GPIB或HPIB總線。與串行和并行端口不同，該總線一次可以直接連接到多個儀器。在圖 4 所示的測試系統中，PC 控制烤箱、壓力源、電壓表和壓力傳感器測試儀。使用 IEEE-488 總線，可以通過這些被測儀器和設備通用的總線進行控制。

圖4.該測試系統允許壓力傳感器的自動生產測試和補償。IEEE-488總線有助于PC和測試系統組件之間的通信。

IEEE-488 規范允許多個儀器共享同一總線，因為 IEEE-488 總線使用的輸出驅動結構與所討論的串行和并行端口不同。每個IEEE-488驅動器都包括一個強下拉電阻和一個弱上拉電阻，允許連接到總線的一個或多個器件將每根信號線拉低（或者當沒有器件置位低電平時，允許線路保持高電平）。

使用這種巴士還有其他優點。IEEE-488接口的一個優點是它包括一個硬件握手，有助于防止數據丟失。另一個顯著優勢是它在主要的臺式測試設備供應商（例如，惠普/安捷倫、泰克、福祿克和吉時利）中的受歡迎程度。由于 IEEE-488 總線提供電源、繼電器開關組、環境室、示波器、數字電壓表、函數發生器和其他設備，因此您幾乎可以自動執行任何臺式測試設置。

控制此總線的軟件現成，也可以內部開發。NI 的 Labview 和 安捷倫 的 Labview 和 安捷倫 的 安捷倫 維 儀 是 兩 款 最 流行的 軟件包， 用于 通過 IEEE-488 總 線 控制 儀器。或者，在具有一定水平的專業知識的情況下，可以使用傳統的“C”編程開發控制軟件。然而， 使用 Labview 或 HP-VEE 可 讓 新手 編 程 人員 快速 而 容易 地 設計 復雜 的 程序。Labview 和 HP-VEE 附帶 了 用于 驅動 許多 常見 儀器 的 軟件 模 塊。

一些問題與使用IEEE-488總線有關。由于IEEE-488總線不是大多數PC的標準設備，因此必須添加接口適配器卡，這些卡的價格為500美元或更多。這些接口卡可從NI、IOTech、Measurement Computing、Agilent和Tektronix等公司獲得。除了這張卡的成本外，還有IEEE-488電纜的成本，每根約為20美元。IEEE-488儀器本身很昂貴。此外， 如果 您 的 測試 系統 需要 開發 自 定義 儀器， 則 需要 大量 的 軟件 和 硬件 開發 時間。定制儀器需要微處理器和 IEEE-488 接口控制器，這兩者都意味著大量的開發時間。

圖5所示為MAX145X測試儀，這是圖4所示壓力傳感器測試系統的關鍵部分。該測試儀是Maxim開發的多路復用器/驅動器儀器。使用烘箱、壓力控制器和多路復用器/驅動儀器，購買MAX1457、MAX1458或MAX1459壓力傳感器信號調理芯片的原始設備制造商（OEM）可以輕松測試和校準這些IC。該測試儀在與壓力傳感器結合使用時校準和測試這些信號調理芯片。由于 該 系統 可 訪問 控制 IEEE-488 總 線 的 Labview 程序， 因此 可以 輕松 修改 測試 系統， 以 滿足 特定 生產線 的 獨特 需求。發送給測試儀的簡單文本命令與MAX1457-MAX1459通信，并應用補償算法補償隨附的壓力傳感器。

圖5.圖4測試系統測試器部分的簡化框圖顯示了為測試和補償與MAX1457-MAX1459信號調理IC配合的壓力傳感器而開發的定制硬件。

測試系統設計技術

硬件設計

使用 IEEE-488 總線控制測試儀器可能需要編寫控制接口的軟件的耗時過程。但是，通過使用總線控制器IC（如NI的NAT9914）可以節省軟件開發時間。使用總線控制器還可以使微處理器免于監視IEEE-488總線的耗時活動。

當噪聲水平或測量精度至關重要時，從一開始就解決這些問題非常重要。隨著項目的進展，此類性能問題變得越來越難以解決。在圖5所示的測試儀中，采取了兩種預防措施來達到所需的測量精度。首先，數字和模擬接地保持分離。其次，使用高速光耦合器將微處理器開關噪聲與模擬信號隔離開來。

另一個重要的預防措施是確保識別高阻抗節點，例如在運算放大器輸入端發現的節點。由于這些節點對噪聲敏感，因此請使它們遠離嘈雜的信號線。嘈雜線路是那些攜帶快速上升和下降時間信號的線路，它們通常來自數字或視頻源。

這種高速信號可能需要通過傳輸線進行路由，具體取決于它們傳播的距離。使用特殊的受控阻抗布局技術將這些傳輸線整合到印刷電路板中。這些線路需要精確計算的尺寸，并且通常在沒有過孔的情況下布線。

同時測試多個設備時，請確保一個故障設備不會阻止對其余設備的測試。當被測器件的電源引線短路至地時，可能會出現此問題;此短路可以充分加載電源，以防止對其余設備進行準確測試。鎮流電阻與每個被測器件的電源引線串聯，可防止此問題發生。

在對大量設備進行聯派測試時，最好使用獨立于軟件運行的硬件來識別并快速斷開任何短路的 DUT，從而防止進一步損壞。軟件可能增加的延遲可能會增加過電流造成的損壞。此外，如果這種過大的電流負載了為微處理器供電的電源，則軟件命令的操作可能不會發生。圖 6 顯示了此類硬件的示例;該電路說明了測試儀（圖5）如何檢測過流故障。當控制軟件要求時，設置該電路的上電觸發器，接通功率MOSFET Q2。MAX472電流檢測器件檢測通過0.5歐姆電阻（R4）進入DUT的電源電流。如果流經R4的電流超過160mA，電阻R11兩端的電壓激活U2的兩個比較器之一。如果這種過流條件持續超過約30毫秒，C1的充電足以使U2的第二個比較器跳閘，該比較器設置過流觸發器。此條件會立即禁用 Q2。控制軟件檢測過流報警并識別故障設備，同時繼續測試其他設備。控制軟件必須移除然后重新設置上電信號，然后Q2才能再次上電。

圖6.該電路檢測流入被測器件的過大電流，隨后斷開器件電源，并通過故障信號向測試儀的微處理器識別故障器件。

在布局電路板之前，對電路的各個部分進行原型設計并手動測試它們很有幫助。這樣做可確保這些電路在將附加電路放在單個板上并在IEEE-488總線的控制下正常運行。

在考慮電路板布局時，檢查電路板接地電流的流動非常重要。電路板設計人員有時會錯誤地假設所有接地返回路徑都保持在零伏。相反，電流流過接地走線的電阻會產生不必要的壓降。特別麻煩的是流經接地回路的數字電路的瞬態開關電流。圖7顯示了不僅接地路徑的未指定走線電阻以及電源路徑的走線電阻引入的誤差。當接地回路電流流動時，它會升高V黨衛軍根據歐姆定律（該電壓等于接地回路電流乘以走線電阻）。此外，由于DUT的負載電流，電源走線會遭受壓降。圖7中的運算放大器檢測這些電壓損耗，并調整電源以補償這些損耗。請注意，檢測引線必須直接連接到 V 處DD和 V黨衛軍被測物的引腳。以這種方式連接引線通常稱為“開爾文連接”。

圖7.開爾文力檢測配置可確保電壓精度和電壓穩定性抄送和 V黨衛軍被測設備的端子。

預算兩倍于您認為需要的元件放置時間。做一個初步的路由，也許用自動路由器，尋找擁擠的區域，調整組件放置以減少擁塞。如前所述，突出顯示所有高阻抗信號線，最小化其長度，并使其遠離噪聲信號。在開始布局之前確定設計約束的優先級。即使是最好的布局設計師也無法將 100mil 走線饋入 0.65mm 細間距引線。

軟件設計

在測試設置中控制儀器時，需要定義啟動此控制的命令。控制并行端口的命令以“位撞擊”格式發送數據。RS-232串行總線和IEEE-488總線都傳輸字符數據的串行字符串。

IEEE-488標準管理總線本身，而不是通過總線發送的消息類型。盡管如此，對于發送的消息類型還是有一些共識。例如，現代 DVM 使用幾乎相同的命令集，從而節省了客戶的開發時間。但是，對于較舊或非標準儀器，很少或根本沒有協議。可編程儀器的標準命令 （SCPI） 試圖增加命令集內的一致性。查看 SCPI 以查看其任何命令是否適合您的儀器，否則您將不得不發明部分或全部特定于您的儀器的命令語言。然而，使用SCPI是首選，因為它使使用該工具的人能夠更快地了解其操作。

最好以小步驟和邏輯進展開發軟件。例如，在為圖5所示的信號調理器/壓力傳感器測試儀開發軟件時，其設計人員首先開發了命令處理器，這是一個軟件例程的集合，用于解釋文本命令并相應地控制硬件。在早期階段，命令處理器僅接受來自測試儀微處理器內置RS-232串行端口的命令。一旦測試儀的設計者使用此端口構建了命令處理器，他就開發了許多低級子例程，使用命令處理器來測試它們。漸漸地，他為每個子系統（例如，IEEE-488控制器、模數轉換器和數字I/O）添加了設備驅動程序，始終具有已知的工作代碼，以便在出現問題時回退。

這種模塊化的軟件設計方法有助于其初始開發以及未來的軟件更改，特別是如果創建更改的人不是初始開發人員。測試儀完成后，一位經理要求它支持附加IC的測試。測試儀的設計者能夠在幾周內支持新設備，因為他已經將軟件組織成獨立的設備驅動程序。對軟件一部分的更改并沒有改變其他不相關的部分，因為設計人員積極地對代碼進行分區，始終預測未來的更改。

在調試您開發的軟件時，您會發現RS-232端口是一個方便的診斷工具。除了在軟件開發開始時可能有用（如上所述）之外，在調試軟件時，您可能還會發現它在項目的最后階段是必不可少的。即使測試儀的最終設計不提供客戶對RS-232端口的訪問，它仍然可以作為一個有效且廉價的門戶，用于對現場技術人員有用的狀態消息。

編寫軟件時，保留一個內存位置作為診斷啟用，另一個作為診斷狀態指示器。將這些內存位置保留在軟件的最終版本中;如果客戶遇到問題，這些診斷工具可以提供有價值的信息。

看門狗定時器是一種有用的設備，如果微處理器陷入無限循環，則會重置微處理器。軟件必須定期為看門狗定時器提供服務，以防止其定時器過期。當看門狗定時器到期時，表明微處理器陷入無限循環，它會重置儀器的微處理器，將其恢復到已知的工作狀態。看門狗定時器復位可以啟動診斷狀態指示器內容的打印，顯示軟件的哪個部分可能導致崩潰。

只有輸入、輸出和延遲子例程需要為看門狗提供服務，從而防止其計時器過期。作為一般規則，軟件將大部分時間花在輸入或輸出子例程中，因此這些子例程是維護看門狗定時器的最佳位置。

也許這是顯而易見的，但仍然值得一提：經常制作源代碼的備份副本。每次對新ROM映像進行編程時，僅復制更改的文件以節省時間。另外，請確保您有修補ROM代碼的方法。即使可用于修補程序的內存量有限，您編寫、編譯和測試代碼的每個實例所節省的時間也非常長，尤其是在馬拉松式開發會話期間。

結論

PC 的并行端口可在 PC 和成本敏感的小型應用程序之間提供便捷的連接。在快速對電路進行原型設計時，它也是一個有用的工具。RS-232串行端口通常用于與并行端口相同類型的應用，但它通常需要添加微處理器。并行端口和串行端口都存在潛在問題，盡管大多數通常是次要的。

IEEE-488總線可以方便地將PC連接到多個測試儀器。對于 這里 討論 的 測試 系統 類型 ， 該 線 是 明確 的 選擇。雖然它提高了測試系統的價格，但它提供的將多個儀器一次連接到PC的能力證明了額外的成本是合理的。

在 設計 測試 儀器 的 硬件 時， 應 一 長 使用 適當 的 設計 技術， 可 消除 或 最大限度 減少 在 設計 進行 過程中 可能 出現 的 難以 解決 的 問題。分離數字和模擬接地、使用光隔離器、識別高阻抗節點、花時間放置元件、考慮電源和接地走線的壓降以及其他技術都增加了成功設計的機會。

開發測試儀器的軟件還需要仔細設計。以小步驟編寫軟件，確保對軟件進行分區，以便將來可以輕松進行更改。如果可能，請在使用 IEEE-488 總線時使用 SCPI 命令。調試軟件時，PC的RS-232串行端口提供了與測試儀微處理器通信的便捷方式。在軟件的最終版本中保持用于診斷目的的內存位置可用，因為客戶和現場技術人員可以從中受益。此外，使用看門狗定時器，因為這些器件提供了一種將微處理器從無限循環中解救出來的便捷方法。

審核編輯：郭婷