一种安全计算机板级测试系统的设计与实现

0 引言
    在基于通信的列车控制(CBTC)系统中，区域控制器(ZC)和数据库存储单元(DSU)采用了基于2取2乘2结构的安全计算机。2乘2结构安全计算机通过硬件的容错、安全结构设计和与其配合的平台软件来实现安全相关功能，主要包括基于商用货架产品(COTS)工控机构成的主处理单元和通信控制器，基于COTS以太网交换机构成的内部通信网络以及自主研发容错和安全管理单元(FTSM)等组成部分。FTSM是安全计算机的核心，主要由安全电源板、输入输出板、通信板、逻辑板、3U组件、继电器组件、AC 220 V-DC 12 V电源组件等组成。
    对电子设备而言，测试是其系统功能、性能、可靠性和安全性等指标的重要保障，也是正常运营过程中维护的重要手段。在各种测试中，板级测试是最基本的，主要完成电路板和组件能否正常工作的基本测试。在很多情形下，系统组成复杂，完整功能需要所有的电路板和组件一起配合才能完成，如果不对电路板和组件进行完善的板级测试，而仅靠整机测试则不可能发现所有的设计、加工、生产等过程所产生的缺陷。
    实现安全计算机的板级测试主要是针对FTSM进行。逻辑板、输入输出板和通信板电路复杂，宜采用计算机全自动测试。而安全电源板、3U组件、继电器组件、AC 220 V-DC 12 V电源组件相对简单，且需要测试电压、电流、指示灯是否点亮、亮度是否一致等指标，宜采用人工参与的计算机辅助半自动测试。

1 安全计算机板级测试系统设计
1．1 系统总体结构
    板级测试可能用于研发、生产、运营维护等过程，安全计算机板级测试系统(以下简称该系统)需要解决两个主要问题：
    (1)只有测试时才向待测电路板或组件提供受控电源，插拔待测电路板或组件之前能够停止向待测电路板供电，以准确对上电时刻的待测电路板或组件进行测试，并消除带电插拔可能对测试结果造成的影响。
    (2)只有测试时才向待测电路板或组件提供测试激励信号，插拔待测电路板或组件时不向待测电路板输出测试激励信号；同时也要确保测试输出信号的采集不会对待测电路板或组件造成不良影响。
    该系统结构如图1所示。其中测试上位机采用配置主流操作系统的普通PC机，内置3块COTS数据采集卡(Data Acquisition Card，DAC)，运行基于高级语言开发的测试软件。

    测试控制器与DAC连接，主要完成测试待测电路板所需的测试激励信号和对测试输出信号进行电平变换，同时提供待测电路板和电平变换电路所需的各种受控电源，测试控制器使用AC 220 V电源。由于测试逻辑板、输入／输出板需要的输入激励信号和测试输出信号较多，因此设置测试控制器1用于对逻辑板、输入／输出板的测试，测试控制器1需要同时与2块DAC连接。另外，设置测试控制器2用于测试其他的电路板和组件，测试控制器2需要与另外1块DAC连接。测试控制器和有源测试插箱背板确保解决前述的两个问题。
    安全计算机FTSM的安全电源板、输入／输出板、通信板及逻辑板安装于标准的欧式插箱中，为了测试方便，在安全计算机板级测试系统设置了同样的测试插箱。但与安全计算机FTSM插箱不同，测试插箱中不同种类的电路板具备不同的插箱背板。其中，安全电源板、输入／输出板、逻辑板的测试插箱背板为只包括连接电路板、电源、测试激励信号和测试输出信号接插件的无源测试插箱背板，通信板的测试插箱背板为有源测试插箱背板，除接插件外还包括总线测试单元和其他逻辑电路。3U组件、继电器组件、AC 220 V-DC 12 V电源组件则直接与测试控制器2连接。
    需要指出，对通信板进行测试时，测试控制器2只控制其供电电源，通信板运行测试程序，与其有源测试插箱背板配合完成测试，测试结果通过以太网发送给上位机测试软件。对逻辑板进行测试时，其FPGA为测试专用版本，通过对特定的测试激励信号产生特定的测试输出来完成对逻辑板的板级测试。[page]

1．2 系统硬件设计
    测试控制器1的原理框图如2所示，对应于输入／输出板测试，主要包括电源控制、按钮输入信号转换、动态信号转换、输出通道激励信号转换、输入通道测试反馈、输出通道测试反馈等模块。对应于逻辑板测试，主要包括电源控制、测试激励信号转换、测试反馈信号转换和双向数据信号防护等模块。

    双向数据信号防护模块的原理框图如图3所示。逻辑板为ISA总线从设备，ISA总线的8位数据总线为双向总线，其读、写信号不能同时为低。而对于数据采集卡而言，其输入数据和输出数据只能分开设置，因此设置该模块完成读、写信号同时为低保护逻辑。当数据采集卡输出的读、写信号同时为低时，该单元输出的ISA总线读信号强制为高，只要读、写信号不同时为低，该单元输出的ISA总线读信号为直通逻辑。同时通过设置输入缓冲和输出缓冲单元，8位测试激励数据只有在该单元输出的ISA总线读信号为低时由输入缓冲单元输出到ISA总线上，否则输出缓冲单元将其输出置成三态而不影响对写信号的测试。

    测试控制器2的原理框图如图4所示，对应于3U组件测试，主要包括电源控制、输入信号转换、输出信号转换等模块。对应于AC 220 V-DC 12 V电源组件和通信板测试，主要包括电源控制模块。对应于安全电源板和继电器组件测试，主要包括电源控制、输入信号转换等模块。

    需要指出的是DAC输入、输出信号(即测试激励信号、测试输出信号，TTL／CMOS电平信号)首先需要进行电平缓冲，其电源优选来自于数据采集卡输出电源。该电路也可用于测试控制器和待测电路板之间的电平缓冲。[page]

    电源控制电路包括AC-DC电源、电子开关和电源保护等功能单元。AC-DC电源单元提供测试控制器、测试插箱背板和待测电路板的工作电源。电子开关单元负责控制上述工作电源的导通与断开。电源保护单元用于当测试插箱背板和待测电路板出现故障而导致过压、过流、过热等异常情况时，保护AC-DC电源、电子开关免于损害。
    测试激励信号控制单元包括光电隔离子单元以及电平缓冲与变换子单元，其电源为所述电源控制单元提供的受控电源。
    测试输出信号控制电路包括光电隔离和光电隔离驱动模块。光电隔离模块使用光电耦合器或光电继电器实现，用于数据采集卡及其输出缓冲与测试控制器之间的隔离控制。通过调整光电隔离驱动模块路参数来适应不同电平的输出信号。
1．3 系统软件结构
    测试软件结构框图如图5所示，测试软件采用可视化操作界面，操作者只需选择所要测的板卡，然后开始一系列的测试内容，显示测试结果，同时具备数据记录功能，将需要记录的测试结果保存。

    数据采集卡及电路板选择界面部分：根据测试需要选择相应的测试数据采集卡以及测试电路板或组件选择，从而打开相应的测试标签。
    测试案例选择及操作界面部分：不同的电路板或组件测试对应不同的案例选择及操作，如输入／输出板测试分为输入测试及输出测试，如图6所示，3U组件测试分为按钮测试及指示灯测试，并且在相应的测试中设计人工参与的部分对应有测试人员操作界面。

    测试界面部分：包含运行状态显示，如3U面板的指示灯动态显示；测试状态动态显示测试结果，输入／输出板的测试界面显示如图7所示；产品序列号输入界面，保存测试结果。

2 结语
    该测试系统已成功应用于实际工程项目中的安全计算机的研发和定型生产过程，通过使用该系统，准确、高效地测试了安全计算机FTSM的各种电路板和组件。在测试过程中成功发现了设计问题及产品生产、加工问题，比如在逻辑板测试中，测试结果中出现两对测试端口出现交叉错误，从而成功发现原理设计图中端口命名的错误，为修正电路设计提供依据。该测试系统不仅能够帮助研发人员更好地开展研发工作，也能进行工厂测试和出厂检验，同时能提供给用户进行日常维修测试之用，也能供其他控制系统借鉴，具有很广泛的实际意义。