一种适用于环境试验的测试系统的制作方法

1.本发明属于测试领域，具体涉及一种适用于环境试验的测试系统。


背景技术：

2.任何电子产品都受到使用、存储、运输等各个环节的环境条件制约，如：工作环境温湿度、工作海拔高度，产品存储温湿度条件，运输条件等。通常，可靠性试验是检验电子产品是否符合使用、存储及运输条件最常见的方法，主要筛选手段有高温工作、低温工作、湿热试验、随机振动、冲击试验、加速度试验等。
3.以标准gjb150-2009为试验参考对象，其中多个试验项目(如：温度循环、振动、冲击、加速度、湿热等项目)需要在试验前、试验过程中及试验后上电进行功能和性能测试，以检验产品是否满足相应的条件。其中，实验中对被测产品进行性能和功能测试是最具挑战的环节。环境试验场地复杂的电磁干扰会导致通信错误，测试系统与被测产品距离较远会导致供电和通信异常甚至失败。这不仅要求被测产品本身能满足相应的环境应力筛选标准，而且也对测试系统提出了更严苛的要求，只有测试系统及被测产品两者均适应了相应的环境条件，可靠性试验才能合格。
4.常见的测试系统或测试平台主要着手于测试系统软件层面的“测试/试验过程全程无人值守、试验测试自动执行、自动判读参数、数据统计分析、异常和故障自动处理”；或者常规环境下的功能或性能测试，提高测试和维护过程的自动化；也有专用于环境试验的但适应性较为单一的测试设备。
5.国家知识产权局公布的申请号为202111681514.4的“一种批产卫星性能自动化测试系统”，其公开了一种用于卫星批产自动化测试的系统，用于解决“测试软件无法在批产卫星测试中通用，自动化测试效率低下问题”。
6.国家知识产权局公布的申请号为201310368525.6的“一种自动化密码机测试系统及其工作方法”，其公开了针对密码机的自动测试方案。该方案包括密码机、测试工装；测试工装设有测试维护工具、模板库、知识库、固件库；密码机上设置有固件库。其主要用于解决“现有密码机测试和维护管理方式相对单一、不易扩展，不利于自动化、智能化测试和维护。”7.国家知识产权局公布的申请号为201510906021.4的“用于环境测试的测试设备及方法”，其主要针对“验证元器件”的场景，该测试设备的功能是对元器件给出激励信号，采集、显示并分析元器件的输出信号。同时为了解决“环境测试需要在非常规环境下对被测对象进行电测试。测试设备一般电路规模较大，在严酷的目标环境中，难以保证测试设备本身在目标环境中不出现异常”的问题，从而提出了一种测试设备和测试方法用于解决环境测试，及由于被测对象与测试设备距离较远造成驱动力不足等现象的方案。
8.综上所述，传统的测试平台主要集中在实现自动化、提高测试效率、降低测试人员劳动强度等点；也有方案提到了可支持被测对象在试验箱中而测试设备位于试验箱外的环境试验场景。但他们均有以下缺点：
9.1)所有方案均未提及其是否支持振动、冲击和加速度等力学试验；
10.2)没有实测数据和具体量化指标，比如试验量级及对应等级下的试验循环次数，有效通信距离等实测数据；
11.3)有方案提到了支持环境试验，其做法是直接将无任何保护措施的被测对象置于环境试验箱中，某些试验过程中会因凝露造成被测对象短路的风险。


技术实现要素：

12.(一)要解决的技术问题
13.本发明要解决的技术问题是如何提供一种适用于环境试验的测试系统，以解决上述技术问题中的一者或多者。
14.(二)技术方案
15.为了解决上述技术问题，本发明提出一种适用于环境试验的测试系统，该系统包括pc机、测试工装、陪测工装、单端接口板及线缆，测试工装包括主控板和专用接口板，陪测工装包括工装结构和陪测差分板；
16.pc机用于运行测试软件，产生测试数据，发送测试数据，接收被测对象回复数据，对比测试结果；
17.测试工装被置于环境试验箱或者力学平台之外，包括主控板和专用接口板，主控板与专用接口板通过板对板高速连接器互联；主控板为被测对象提供控制信号，协议解析，完成与被测对象和pc机通信；专用接口板将主控板的单端信号转为差分信号，实现与被测对象间的远距离、抗干扰通信；
18.陪测工装会随着被测对象一起进行各种环境试验，包括工装结构和陪测差分板；差分板位于测试工装和被测对象之间，将专用接口板传输过来的差分信号转为单端信号，再传递给被测对象；测试工装与陪测工装通过专用接口板和陪测差分板经差分线缆互联；
19.单端接口板串接在差分板和被测对象之间，用于在不拆陪测工装的前提下将被测对象或测试工装的信号引出，用于测试、调试及排故。
20.进一步地，主控板与专用接口板通过板对板高速连接器互联，板对板高速连接器由两个220pin的连接器组成；主控板以zynq为控制核心，通过千兆以太网口与pc机通信，pc机通过串口实现对主控板的综合控制；专用接口板将主控板的单端控制信号及串口的lvttl信号转为差分信号，一个专用接口板被分成了4组电气上相互独立，且内外隔离的通道,也是外部设备对被测对象实现综合控制、注入销毁关键信息的通道。
21.进一步地，主控板发出或接收的信号均为3.3v单端信号，发出信号时，单端信号从zynq发出后经光耦隔离，再经过单端转差分芯片ds26lv31t转换为差分信号输出。
22.进一步地，专用接口板对外接口包括8个db9连接器，公头母头各4个；还包括2个100pin的高可靠型j30j连接器，一个j30j连接器包含两个相互独立的通道，一个专用接口板有四个独立的通道，各个通道独立供电，每个通道由22对差分对组成，其中包含固定的2个uart接口，用于综合控制及其他功能，其余18对差分线根据实际需求分配，满足22pin及以下所有产品互联。
23.进一步地，专用接口板上的8个串口用于实现对被测对象管理、注入信息以及销毁信息；其有两种实现方式，一是外部直接连接信息注入设备或信息销毁设备；另一种由主控
板模拟uart协议，通过逻辑或软件实现上述功能；其中，串口db9f用于为被测对象注入或者销毁关键信息，串口db9m用于对被测对象的管理。
24.进一步地，两种方式实现过程如下：
25.接外部设备：外部设备采用标准rs-232电平与专用接口板的串口互联，专用接口板上的max232芯片将rs-232电平转换为lvttl电平，经光耦内外隔离后连接到模拟切换开关，fpga控制模拟开关将此lvttl电平再次经光耦隔离后送至差分芯片，经j30j传递至被测对象；
26.主控板模拟：主控板通过zynq中的fpga模拟uart协议，同时控制模拟开关将对外数据链路通道切换至fpga，此信号经光耦隔离后再经单端转差分对外对称输出。
27.进一步地，陪测工装包括2个被测对象工装、1个陪测工装结构件及两个差分板，会随着被测对象一块进行环境试验；陪测工装通过差分板与测试工装互联，差分板与被测对象通过外部线缆互联，陪测工装整体供电接口位于差分板上，即为差分板自身供电，也为被测对象供电；陪测工装结构件是被测对象和差分板的载体，支持被测对象进行高低温工作、振动、冲击和离心力力学试验；一个差分板互联两个被测对象，将测试工装专用接口板传递过来的差分信号转为单端信号，同时为被测对象供电。
28.进一步地，陪测工装结构件由上中下三层组成，包括两个被测对象工装位于上下两层，一个陪测差分工装位于中间，均由铝合金铣制而成，外层经导电氧化处理；陪测差分工装位于两个被测对象工装之间，通过导向销及紧固螺钉可靠组装；一个陪测差分工装装两个差分板，一个被测对象工装装两个被测单板卡，一个陪测工装结构件同时测试4个被测对象；陪测工装结构件正面接口位于陪测差分工装上，与测试工装的专用接口板互联；差分板与被测对象互联接口x1、xa、xb、工装整体供电接口xc及被测对象调试接口均位于工装后面；工装上各个接口处均做了内陷设计，内陷处均为倾斜设计且在垂直方向上开口，方便凝露水流出。
29.进一步地，陪测差分板安装在陪测差分工装里，与测试工装和被测对象互联，是会随着被测对象一道反复进行环境试验和力学试验的电气部件；差分转单端器件均选用国外工业级或以上规格，陶封器件；差分板喷涂三防漆，连接器针脚焊接端涂覆保护胶；陪测差分板包括差分转单端接收或单端转差分驱动电路及供电电路。
30.进一步地，单端接口板位于测试工装外部，串接在差分板和被测对象之间，由拨码开关、信号测试点及j63a连接器组成；使用时，将差分板和被测对象与单端接口板互联，即能将被测对象或差分板信号引出，实现信号测试、质量观测、问题排故。
31.(三)有益效果
32.本发明提出一种适用于环境试验的测试系统，本发明具有以下优点：
33.本发明在多被测对象情况下实现远距离可靠传输，目前试验线缆长度为3.5米，以最高30mbps速率正确通信；
34.本发明应用范围广，已多次参与高低温工作试验(-45℃～65℃)、高低温存储(-50℃～70℃)试验、振动、冲击及离心力(加速度)试验；
35.本发明的陪测工装可靠性高，无论是力学试验测试(最高加速度为30g，最大振动频率为2000hz)，还是高温工作、低温工作、高温存储、低温存储等环境试验，差分板均无问题，以gjb1032《电子产品环境应力筛选方法》为参考标准，统计得出经实际试验10次后有一
块陪测差分板出现了故障(共六块)，其它正常；工装结构未出现任何的损伤或者外观形态异常。
附图说明
36.图1为测试系统组成框图；
37.图2为测试工装组成框图；
38.图3为专用接口板原理框图；
39.图4为管理综控接口两种实现方案；
40.图5为陪测工装组成示意图；
41.图6为工装侧视图；
42.图7为工装俯视图；
43.图8为工装接口正视图；
44.图9为工装接口后视图；
45.图10为工装细节展示；
46.图11为差分板原理框图；
47.图12为线缆连接器信号分配；
48.图13为单端接口板实际使用时的互联示意图；
49.图14为单端接口板示意图。
具体实施方式
50.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
51.本发明实施例的目的是提供一种适用于环境试验的测试系统，用于解决上述技术问题中的一者或多者。
52.本发明提供一种适用于环境试验的测试系统，包括pc机、测试工装、陪测工装、单端接口板及线缆，测试工装包括主控板和专用接口板，陪测工装包括工装结构和陪测差分板。组成示意图如图1所示。
53.pc机用于运行测试软件，产生测试数据，发送测试数据，接收被测对象回复数据，对比测试结果等功能。
54.测试工装被置于环境试验箱或者力学平台之外，包括主控板和专用接口板，主控板与专用接口板通过板对板高速连接器互联。主控板主要为被测对象提供控制信号，协议解析，完成与被测对象和pc机通信；专用接口板将主控板的单端信号转为差分信号，实现与被测对象间的远距离、抗干扰通信。
55.陪测工装会随着被测对象一起进行各种环境试验，包括工装结构和陪测差分板(以下简称差分板)。差分板位于测试工装和被测对象之间，将专用接口板传输过来的差分信号转为单端信号，再传递给被测对象。
56.测试工装与陪测工装通过专用接口板和陪测差分板经差分线缆互联。
57.单端接口板串接在差分板和被测对象之间，主要实现在不拆陪测工装的前提下将被测对象或测试工装的信号引出，用于测试、调试及排故等。
58.1、测试工装设计实现
59.测试工装包括主控板和专用接口板，主控板与专用接口板通过板对板高速连接器互联，整体示意图如图2所示。板对板高速连接器由两个220pin的连接器组成，总共440pin的数量保证了足够的通道资源。主控板以zynq为控制核心，通过千兆以太网口与pc机通信，pc机通过串口实现对主控板的综合控制。专用接口板主要将主控板的单端控制信号及串口的lvttl信号转为差分信号，一个专用接口板被分成了4组电气上相互独立，且内外隔离的通道；也是外部设备对被测对象实现综合控制、注入销毁关键信息的通道。
60.测试工装供电接口位于设备后面，ac供电，测试工装内部的ac/dc电源转换器将ac 220v转为12v dc供给主控板，主控板通过板对板连接器为专用接口板供电，专用接口板上二次转换为各通道的功能电路提供满足要求的电源。
61.测试工装的正面接口有两个100针的高可靠j30j连接器，一个j30j包括两个独立通道；8个db9连接器，4个公头、4个母头，防误插。
62.1.1专用接口板
63.专用接口板是该测试系统能适应环境试验和力学试验的最重要的支撑部件之一，它从电气上被分为4个通道，每个通道独立供电，独立的参考地，通道间彼此独立，而且每个通道的对外接口内外隔离，每个信号经单端转差分后可实现远距离、高可靠性数据传输，其原理框图如图3所示。
64.1.1.1通用接口设计
65.如图3所示，通用接口均通过板对板高速连接器与主控板互联，主控板发出或接收的信号均为3.3v单端信号，以发出信号为例：单端信号从zynq发出后经光耦隔离，再经过单端转差分芯片(驱动芯片ds26lv31t)转换为差分信号输出。ds26lv31t是一款4路输出的差分驱动器，具备抗干扰性能好，驱动能力强，断电时输出保持高阻抗安全态；兼容tia/eia-422-b标准；速率高，最大转换时间只需10ns。链路采用光耦隔离，可以避免zynq等核心器件遭受外部干扰或者致命性的损伤，有利的保护了核心器件，提高了测试工装的可靠性。
66.1.1.2管理综控接口设计
67.专用接口板对外接口有8个db9连接器，公头母头各4个(每个通道需用2个串口，一个公头，一个母头，物理防错插)；2个100pin的高可靠型j30j连接器，一个j30j连接器包含两个相互独立的通道，所以一个专用接口板有四个独立的通道，各个通道独立供电，iso1_3v3及iso_gnd1对应1通道，以此类推；每个通道由22对差分对组成，其中包含固定的2个uart接口，用于综合控制及其他功能(由被测对象特点决定，也可以当成普通差分线使用)，其余18对差分线根据实际需求分配，可满足22pin及以下所有产品互联。
68.专用接口板上的8个串口主要功能是实现对被测对象管理、综合控制(注入信息、销毁信息等)等功能。其有两种实现方式，一是外部直接连接信息注入设备或信息销毁设备；另一种由主控板模拟uart协议，通过逻辑或软件实现上述功能，该部分原理设计如图4所示。
69.如图4所示，db9f用于为被测对象注入或者销毁关键信息，db9m用于对被测对象的管理；图中虚线表示通过外部设备实现注入、销毁或管理等功能；实线表示由主控板实现该功能。两种方式实现过程如下：
70.1)接外部设备：外部设备采用标准rs-232电平与专用接口板的串口互联，接口板
上的max232芯片将rs-232电平转换为lvttl电平，经光耦内外隔离后连接到模拟切换开关，fpga控制模拟开关将此信号(lvttl电平)再次经光耦隔离后送至差分芯片，经j30j传递至被测对象；
71.2)主控板模拟：主控板通过zynq中的fpga模拟uart协议(lvttl电平)，同时控制模拟开关将对外数据链路通道切换至fpga，此信号经光耦隔离后再经单端转差分对外对称输出。
72.zynq通过控制模拟开关切换数据来源，实现两种信号链路切换，优点如下：
73.1)若通过zynq处理被测对象，可以实现全自动化测试；
74.2)若通过外部设备处理被测对象，可以实现真实场景或真实应用测试。
75.2、陪测工装设计实现
76.陪测工装可以同时测试4个被测对象，包括2个被测对象工装、1个陪测工装结构件及两个差分板，会随着被测对象一块进行环境试验，其组成示意图如图5所示。陪测工装通过差分板与测试工装互联，差分板与被测对象通过外部线缆互联，陪测工装整体供电接口位于差分板上，即为差分板自身供电，也为被测对象供电。
77.陪测工装结构件是被测对象和差分板的载体，可以支持被测对象进行高低温工作、振动、冲击和离心力(加速度)等力学试验。
78.一个差分板可以互联两个被测对象，主要将测试工装专用接口板传递过来的差分信号转为单端信号，同时为被测对象供电。
79.2.1结构件设计实现
80.陪测工装结构件的强度是被测对象能顺利完成gjb150、gjb367a、gjb1032等标准中力学试验的重要保证。本方案的陪测工装结构件由三部分组成(上中下三层)，包括两个被测对象工装(上下两层)，一个陪测差分工装(中间)，如图7、图6、图8所示，均由铝合金铣制而成，外层经导电氧化处理，具备尺寸小，强度高，环境适应好的特点。陪测差分工装位于两个被测对象工装之间，他们之间通过导向销及紧固螺钉可靠组装。一个陪测差分工装可以装两个差分板，一个被测对象工装可以装两个被测单板卡(支持两种尺寸)，所以一个陪测工装可以同时测试4个被测对象。陪测工装正面接口位于陪测差分工装上，与测试工装的专用接口板互联，如图8所示；差分板与被测对象互联接口(x1、xa、xb)、工装整体供电接口(xc)及被测对象调试接口(jtag，做环境试验时将该口密封，以防凝露水进入)均位于工装后面，如图9所示。工装上各个接口处均做了内陷设计，避免了凝露水直接在pcba板卡的接口处累积；内陷处均为倾斜设计且在垂直(y)方向上开口，让凝露水流出，进一步提高了环境适应性，如图10所示。
81.2.1.1陪测差分工装
82.如图10所示，陪测差分工装位于两个被测对象工装之间，陪测差分工装上下均有导向销，相应的，被测对象工装有导向销定位孔，他们之间通过导向销及紧固螺钉可靠组装。它主要承载的是差分板，通过pcba固定螺钉将差分板紧固在工装结构上，最后上工装盖板，完成安装；拆卸过程相反。陪测差分工装的两端，在z方向和y方向均设计有与振动台固定孔位置对应的通孔，实现y、z轴安装；x轴方向测试时采用固定辅助夹具固定即可。陪测差分工装正面有差分信号接口开孔(xd)，后面有电源(xc)及与被测对象接口的开孔(xa、xb)。
83.2.1.2被测对象工装
84.如图10所示，被测对象工装位于工装三层结构的上下两层，在工装的左右两端均设计有导向销定位孔及工装固定孔。它主要承载的是被测对象(支持两种尺寸)，pcba通过螺钉固定，最后上工装盖板，完成安装；拆卸过程相反。被测对象工装正面没有开孔，后面有信号及电源接口、调试接口开孔。
85.2.2差分板设计实现
86.陪测差分板安装在陪测差分工装里，与测试工装和被测对象互联，会随着被测对象一道反复进行环境试验和力学试验的电气部件，所以差分板的可靠性对整个测试系统来说至关重要。设计时，重点考虑板上器件选型，本方案中差分转单端器件(接收芯片ds26lv32at或驱动芯片ds26lv31t)均选用国外工业级或以上规格，陶封器件；ltm4644选用工业加强级(-55℃～125℃)；阻容选用国产普军级，从而保证了器件本身对严苛环境的适应性；其次，通过差分板喷涂三防漆，连接器针脚焊接端涂覆保护胶等手段保证了整体板卡的可靠性。差分板原理框图如图11所示。
87.因为陪测差分板会随着被测对象进行可靠性试验，所以应该在满足功能和性能的前提下同时尽量简化板上电路，提高可靠性。如图11所示，陪测差分板主要由差分转单端接收或单端转差分驱动电路、供电电路组成，满足了必要的功能——即将来自测试工装的差分信号转为单端信号，以接收信号为例：专用接口板的差分信号经线缆传递至陪测差分板后，差分板上的差分接收芯片(ds26lv32at)后转为单端信号然后给到被测对象，完成数据从pc机到被测对象的传递；同样，被测对象将数据通过同样的方式回传给pc机，pc机完成数据对比判定等。ds26lv32at是四通道的差分接收芯片，兼容tia/eia-422-b标准，接收端具备真安全态，保证了在前端控制器处于不稳定状态时以安全态输出，不影响后续被测设备，确保了测试数据真实有效性。
88.3、测试线缆
89.为了实现在恶劣的电磁环境和环境测试试验场高可靠、远距离通信，完成产品的性能和功能测试，这时通信线缆的抗干扰能力就显得尤为关键。专用接口板、陪测差分板、互联线缆的j30j连接器信号分配如图12所示，一个100针的j30j连接器被分成了两个通道，每个通道各有22个差分对，各有4个gnd信号，两个通道间通过4个无任何电气连接的针脚隔离开。同理，测试工装与陪测工装间通过差分信号互联，也要遵循上述分配规则。制作线缆时一对差分线双绞在一起，正负信号的两根导线尽量等长；一个通道的所有信号线为一组，与另一个通道相互隔离开，外部再整体包裹防水胶套。本方案所选j30j为螺钉紧固型高可靠连接器，但没有尾附件，线缆有可能长时间因自身重力导致部分线缆损伤或者断裂，基于此，线缆制作时在尾部打胶密封，不仅有助于线缆保护也能起到防水作用。
90.4、单端接口板
91.工装内部包括2块差分板和4块被测对象，1个差分板接2个被测对象。但由于板卡都在工装内部，这导致了差分板与被测对象之间的信号测量、调试、排故均不方便，为了便于软件调试和问题排故，避免拆开工装，本测试平台专门设计了一个单端接口板来解决上述问题。
92.单端接口板位于测试工装外部，串接在差分板和被测对象之间，如图13所示。其主要由拨码开关、信号测试点及连接器(均为j63a)组成；使用时，将差分板和被测对象与单端接口板互联(不区分方向)，便可将被测对象或差分板信号引出，实现信号测试、质量观测、
问题排故。单端接口板原理框图如图14所示。
93.其技术要点如下：
94.每个信号丝印名称，方便测试人员测试；
95.设计两个2.54*2接地脚，放置于板卡两对角，方便示波器接地；
96.位于top层的拨码开关既可以实现两边信号隔离，信号独立测试，也可将陪测差分板和被测对象互联，实现信息互通；
97.测试孔top面开窗，不塞孔，孔径1mm，方便示波器探针放置。
98.本发明在多被测对象情况下实现远距离可靠传输，目前试验线缆长度为3.5米，以最高30mbps速率正确通信；
99.本发明应用范围广，已多次参与高低温工作试验(-45℃～65℃)、高低温存储(-50℃～70℃)试验、振动、冲击及离心力(加速度)试验；
100.本发明的陪测工装可靠性高，无论是力学试验测试(最高加速度为30g，最大振动频率为2000hz)，还是高温工作、低温工作、高温存储、低温存储等环境试验，差分板均无问题，以gjb1032《电子产品环境应力筛选方法》为参考标准，统计得出经实际试验10次后有一块陪测差分板出现了故障(共六块)，其它正常；而工装结构未出现任何的损伤或者外观形态异常。
101.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。