第10章現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)

第十章自動(dòng)測(cè)試技術(shù)本章要點(diǎn):·自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的基本組成和發(fā)展概況·智能儀器和虛擬儀器·總線接口、測(cè)試軟件·自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的集成發(fā)展方向自動(dòng)化智能化網(wǎng)絡(luò)化標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ATS---AutomaticTestSystem）：能自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、傳輸，并以適當(dāng)方式顯示或輸出測(cè)試結(jié)果的系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT---ComputerAidedTest）系統(tǒng)10.1自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)控制儀器）

10.1.1自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（CAT平臺(tái)）的基本組成通常，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由下面五個(gè)部分組成：控制計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件總線與接口測(cè)控儀器測(cè)控對(duì)象10.1.2自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展概況自動(dòng)測(cè)試技術(shù)源于二十世紀(jì)70年代，發(fā)展至今大致可分為三代。1.第一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)----專用型第一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)多為專用系統(tǒng)，通常是針對(duì)某項(xiàng)具體任務(wù)而設(shè)計(jì)的。圖10.2早期某型導(dǎo)彈的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)輔助測(cè)試平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.第二代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)----臺(tái)式儀器積木型第二代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖10.3所示。與第一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的主要不同在于：采用了標(biāo)準(zhǔn)化的通用可程控測(cè)量?jī)x器接口總線（IEEE488）及可程序控制的儀器和測(cè)控計(jì)算機(jī)（控制器），從而使得自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用和組裝都比較容易。圖10.3采用IEEE488標(biāo)準(zhǔn)接口總線的第二代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)3.第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)----模塊化儀器集成型在第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，硬件部分大多是通用的，配備不同的軟件可以產(chǎn)生不同的激勵(lì)信號(hào)和測(cè)試功能。第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)目前盡管還處于發(fā)展階段。圖10.5第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖通用硬件合成儀器是一種可以重新配置的系統(tǒng),SIWG的目標(biāo)是試圖通過(guò)分析儀器的基本功能要素,給出一個(gè)通用的儀器結(jié)構(gòu)。x上述自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)多為自成一體的封閉結(jié)構(gòu)，不利于系統(tǒng)之間的交互作用和信息共享。下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的目標(biāo)是構(gòu)建一種開(kāi)放的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中跨軍種、一體化的作戰(zhàn)需要。而合成儀器系統(tǒng)適應(yīng)了這種需求,已公認(rèn)為是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。圖10.6可以看出，由軟件算法可設(shè)計(jì)多種信號(hào)形式，通過(guò)D/A產(chǎn)生模擬信號(hào)，還可經(jīng)上變頻產(chǎn)生射頻（RF）信號(hào)，也可由軟件產(chǎn)生各種數(shù)字信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)多通道激勵(lì)。經(jīng)接口開(kāi)關(guān)加至被測(cè)設(shè)備（DUT）。測(cè)量路徑類(lèi)同，模擬信號(hào)經(jīng)調(diào)理通過(guò)A/D送計(jì)算機(jī)，射頻信號(hào)經(jīng)下變頻、A/D轉(zhuǎn)換后送計(jì)算機(jī)進(jìn)行DSP處理。由此構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)組成測(cè)試系統(tǒng)。用戶在使用時(shí)不需要使用所有的模塊,選擇不同的模塊組合可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。綜上所述第二代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中帶標(biāo)準(zhǔn)接口的程控儀器是其核心，后發(fā)展為既可以獨(dú)立使用又可以組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的智能儀器。第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)和測(cè)試工作站是第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的核心，后發(fā)展為以虛擬儀器模式組建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)或稱CAT平臺(tái)。下面先分別介紹智能儀器和虛擬儀器，然后介紹總線接口、信道和測(cè)試軟件，最后通過(guò)幾個(gè)例子介紹自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的集成。合成儀器代表了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向,開(kāi)展對(duì)合成儀器軟、硬件平臺(tái)的研制具有非常重要的意義。10.2智能儀器（計(jì)算機(jī)進(jìn)入儀器）通常人們把內(nèi)含微處理器和GPIB接口的儀器稱為智能儀器，以區(qū)別于傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器。這種儀器具備通用的測(cè)試功能，可以單獨(dú)使用，也可以通過(guò)GPIB接口，作為可程控儀器組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。本教材前面章節(jié)中介紹的DDS合成信號(hào)源、智能頻率計(jì)和數(shù)字電壓表等都屬于智能儀器。圖10.7智能儀器的硬件結(jié)構(gòu)或信號(hào)源測(cè)試模塊10.3虛擬儀器（儀器融入計(jì)算機(jī)）

10.3.1虛擬儀器的基本概念和特點(diǎn)虛擬儀器通俗的定義：就是在通用計(jì)算機(jī)上加上一組軟件和少量硬件，使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就象是在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專用的傳統(tǒng)電子儀器。這種看似計(jì)算機(jī)卻是儀器的“儀器”被稱為“虛擬儀器”。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件較簡(jiǎn)單的通用平臺(tái)，是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵．任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說(shuō)。虛擬儀器受益和依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)。面板及相應(yīng)的控件和指示器等，是由計(jì)算機(jī)內(nèi)部強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能建立起來(lái)的虛擬面板所替代，人們稱之為“軟面板”；可共享計(jì)算機(jī)內(nèi)部的軟、硬件資源，并借助其完善的數(shù)據(jù)分析和處理能力，實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器所需的全部測(cè)試功能。1.虛擬儀器的一般結(jié)構(gòu)圖10.8虛擬儀器的一般結(jié)構(gòu)2虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較表10.1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器功能定義儀器廠家用戶技術(shù)關(guān)鍵硬件軟件功能升級(jí)固定通過(guò)修改軟件進(jìn)行增減開(kāi)放性封閉基于計(jì)算機(jī)開(kāi)放系統(tǒng)技術(shù)更新較慢較方便、快開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)相對(duì)快工作頻率可達(dá)較高受限于A/D或D/A的速度應(yīng)用領(lǐng)域通用測(cè)量、計(jì)量大多為測(cè)控系統(tǒng)價(jià)格較高價(jià)格較低且可重復(fù)利用使虛擬儀器不僅是圖10.8這種一般結(jié)構(gòu)形式。歸納起來(lái)當(dāng)前虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有七種類(lèi)型，如圖所示。圖10.9虛擬儀器的構(gòu)成方式信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡GPIB接口儀器VXI儀器PXI儀器串口（USB、RS232、單總線）儀器現(xiàn)場(chǎng)總線儀器（或設(shè)備）GPIB接口卡測(cè)控對(duì)象LabVIEWLabWindows/CVI其它軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)PC機(jī)/工作站LXI儀器10.4接口總線及信道1.PC機(jī)系統(tǒng)并行I/O接口總線

PC機(jī)內(nèi)的主板上通常都提供有好幾個(gè)插槽，這就是PC機(jī)的系統(tǒng)總線接口。這種總線種類(lèi)和性能如表10.3所示。表10.3幾種總線性能總線PC/XTISA(AT)EISAPCIAGP推出時(shí)間1981年1984年1988年1993年1996年帶寬/b88/163232/6464總線類(lèi)型系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線局部總線管線最高時(shí)鐘頻率/MHz88.33366以上蜂值數(shù)據(jù)傳輸率/Mbs-1533132264或更高帶外設(shè)能力>12>12101個(gè)圖形控制器2.PC機(jī)的串行接口總線表10.4四種串行接口總線的性能總線名稱線纜傳輸速率傳輸距離技術(shù)規(guī)范主要應(yīng)用RS232(串行異步通信總線)內(nèi)含9線至25線（據(jù)用途選用部分線）0.01至19kbps(50-9600波特)15m左右，RS485可擴(kuò)至千米以上EIARS232CCCITTV.24串行數(shù)據(jù)通信和PC外設(shè)終端1-WIRE(單總線)內(nèi)含2線（一根信號(hào)線，一根地線）16.3kbps142kbps200m(可擴(kuò)展至1000m)單總線協(xié)議低速測(cè)控、監(jiān)測(cè)、監(jiān)管及收費(fèi)系統(tǒng)USB(通用串行總線)內(nèi)含4線(一對(duì)信號(hào)線，一對(duì)電源線)1.5Mbps和12Mbps(可升級(jí)到380-480Mbps)可拓?fù)鋽U(kuò)展低速設(shè)備間距離3m,高速設(shè)備5mUSB1.1USB2.0PC機(jī)通用外設(shè)、數(shù)字音響、數(shù)碼相機(jī)、電話IEEE1394(火線)內(nèi)含6線(兩對(duì)信號(hào)線，一對(duì)電源線)100、200、400Mbps(可升至1.2-3.2Gbps)4.5m（若用光纜可擴(kuò)至100m）IEEE1394-1995(或IEC1883)硬盤(pán)、光驅(qū)、數(shù)字音像、數(shù)碼攝像、局域網(wǎng)絡(luò)3.標(biāo)準(zhǔn)儀器總線目前專門(mén)為儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)總線主要有6種，如表10.5所示。表10.5標(biāo)準(zhǔn)儀器總線基于以太網(wǎng)的模塊儀器LANXtensionsforInstrumentLXI以先進(jìn)電信運(yùn)算架構(gòu)為基礎(chǔ)的擴(kuò)展AdancedTCAExtensionAXIa計(jì)算機(jī)總線PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展PCIExtensionforInstrumentationPXIVME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展VMEbusextensionsforInstrumentationVXI計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量和控制ComputerAidedMeasurementAndControlCAMAC通用接口總線GeneralPurposeInterfaceBusGPIB（IEEE488)中文含義英文含義英文縮寫(xiě)名稱標(biāo)準(zhǔn)儀器總線的發(fā)展歷程獨(dú)立于制造商的測(cè)量?jī)x器標(biāo)準(zhǔn)比VXI價(jià)廉，主要民用，速率更高VXIbus計(jì)算機(jī)背板總線基于LAN的測(cè)試總線適合于遠(yuǎn)程測(cè)量與控制主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，靈活易用比GPIB性能更好，主要用于軍方基于PCI總線的現(xiàn)代版VXI融合了VXI和以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)70年代GPIB80年代VXI90年代PXI2004年LXI2009年AXIa以先進(jìn)電信運(yùn)算架構(gòu)規(guī)范為基礎(chǔ)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)提供可擴(kuò)展性滔足各種平臺(tái)4.現(xiàn)場(chǎng)總線表10.6幾種比較有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線性能對(duì)照表FFProfibusHARTCANLonWorksOSI網(wǎng)絡(luò)層次1,2,3,81,2,3,1,2,71,2,71~7通信介質(zhì)雙絞線、光纖、電纜等雙絞線、光纖電纜雙絞線、光纖雙絞線、電纜、電力線、光纖、無(wú)線等介質(zhì)訪問(wèn)方式令牌(集中)令牌(分散)查詢位仲裁P-PCSMA糾錯(cuò)方式CRCCRCCRCCRCCRC通信速率/(h/s)31.25k31.25k/12M96001M780k最大節(jié)點(diǎn)數(shù)/網(wǎng)段3212715110248優(yōu)先級(jí)有有有有有保密性……………………身份認(rèn)證本安性是是是是是開(kāi)發(fā)工具有有……有有5.信道測(cè)控系統(tǒng)的服務(wù)范圍也越來(lái)越大，局限于一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測(cè)試系統(tǒng)已不能滿足實(shí)用要求，這就要求將各種通信技術(shù)應(yīng)用到測(cè)控領(lǐng)域來(lái)。通常用于測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳遞的信道：有線信道RS485：1200m電話線電力線互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線信道小電臺(tái)手機(jī)短信紅外蘭牙無(wú)線局域無(wú)線上網(wǎng)10.4.2GPIB接口總線GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）通用標(biāo)準(zhǔn)接口總線。1972年由美國(guó)HP公司首先提出的，定名為HP―IB。之后這套總線相繼為IEEE和IEC認(rèn)可，并正式頒布了IEEE488和IEC625標(biāo)準(zhǔn)文本。我國(guó)也制定了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

總線由24芯無(wú)源電纜組成，其中16條為信號(hào)線，其余為屏蔽線和地線。16條信號(hào)線中有8條數(shù)據(jù)總線，3條掛鉤總線和5條管理總線。總線上最多可掛15臺(tái)儀器系統(tǒng)各器件采用總線方式連接，總線連接器包括插頭和插座10.4.3VXI總線VXI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許不同生產(chǎn)廠家的各種儀器、接口插板或計(jì)算機(jī)，以模塊形式共存于同一VXI總線主機(jī)箱中。有ABCD四種尺寸模塊，C尺寸模塊應(yīng)用最廣。對(duì)VXI總線系統(tǒng)的控制可以通過(guò)主機(jī)箱外的外部控制器（微型計(jì)算機(jī)），也可以通過(guò)嵌入主機(jī)箱內(nèi)的內(nèi)部控制器。內(nèi)嵌式控制器及用于連接外部計(jì)算機(jī)的翻譯器和接口都是放置在VXI主機(jī)箱的零號(hào)槽位置。因此，也常稱為零槽模塊或零槽控制器。VXI

VMEbusextensionsforInstrumentationVME（計(jì)算機(jī)通用背板總線）總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展10.4.4LXI總線圖10.22LXI與現(xiàn)有儀器組成混合系統(tǒng)LAN（LocalAreaNetwork）是局域網(wǎng)的英文縮寫(xiě)。LAN是建立在以太網(wǎng)(Ethernet)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)上，故有時(shí)也稱以太網(wǎng)。LXI(LANextensionsforinstrumentation)是指LAN局域網(wǎng)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。GPIB、VXI等總線技術(shù)在測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域推行多年，但應(yīng)用面不廣，除了儀器界少數(shù)專業(yè)技術(shù)人員掌握使用外，沒(méi)有LAN那樣廣泛。

產(chǎn)生的過(guò)程2004年9月美國(guó)安捷倫科技公司和VXI科技公司聯(lián)合推出LXI總線2005年6月成立了LXI聯(lián)盟。2005年8月正式發(fā)布了LXI總線標(biāo)準(zhǔn)1.0版，標(biāo)志著LXI正式誕生。2006年8月又推出了LXI標(biāo)準(zhǔn)1.1版本2006年9月中國(guó)成立了LXI總線聯(lián)合體推出超過(guò)300種支持LXI的儀器產(chǎn)品10.5測(cè)試軟件在以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）中，

硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。

常用軟件工具：BASICVBVCLabVIEW（美國(guó)NI公司產(chǎn)品，圖形化編程方式）HPVEE（美國(guó)HP公司產(chǎn)品，圖形化編程方式）Labwindows／CVI（美國(guó)NI公司產(chǎn)品，C語(yǔ)言及交互式編程）10.6自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的集成10.6.1自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)集成的步驟以VXI總線系統(tǒng)的集成為例：1.需要確定測(cè)試任務(wù)，根據(jù)要求確定自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架和測(cè)試思路；2.根據(jù)總體設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)要求，選擇主機(jī)箱，明確電源功率和冷卻的要求；3.根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用要求選擇主控計(jì)算機(jī)和主控計(jì)算機(jī)的控制方式。4.進(jìn)行VXI總線儀器模塊的選擇，根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案選擇測(cè)試所需的功能模塊；5.進(jìn)行開(kāi)關(guān)及測(cè)試接口的選擇和設(shè)計(jì)，以及專用接口的設(shè)計(jì)等；6.選擇合適的系統(tǒng)軟件和工具軟件，以提高應(yīng)用程序編寫(xiě)的效率；7.編