基于虛擬儀器的自動測試系統的研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 器的自動測試系統的研究 10 器系統的功能與規模，所以又有“軟件就是一切”之說。根據虛擬儀器的軟特性 ，與傳統儀器相比，虛擬儀器主要有以下特點 。 (1)傳統儀器的儀 器功能 由 儀器 廠 商定義，以前一經購買，其功能與結構都是固定了的，用戶無法改變，擴展性差，且往往一臺儀器只能實現一種測試功能，對于較復雜的場合，測試參數較多，使用起來很不方便，其局限性非常明顯。而虛擬儀器的功能 由 用戶自己定義，針對性和靈活性很強，并且虛擬儀器系統具有面向應用的系統結構， 可 以方便地與網絡外設、應用等連接，而傳統儀器與其它儀器設備的連接 十 分有限。 (2)傳統儀器圖形界面小，人 工 讀數，信息量小，測量數據一般無法編輯。一方面帶來讀數誤差，另一方面增加后續數據處理的負擔。虛擬儀器一般采用的是 Windows 下的圖形界面，計算機自接讀數并進行數據的分析處理， 可 對測量數據編輯、存儲、打印，方便和易于用戶使用。 (3)對于傳統儀器來說硬件是關鍵部分，因為硬件的精密性和不 可 重復性，因而價格昂貴，開發和維護費用高，且技術更新慢，周期一般為 510 年。對于虛擬儀器來說軟件是關鍵部分，軟件一經開發， 可 重復使用，并 可 根據用戶需求任意修改，因而其價格低廉，僅為傳統儀器的五至 十 分之一。顯而易見，其開發和維護的費用也是比較低的，并利于技術更新，周期為 12 年。 (4)虛擬儀器開發靈活， 可 與計算機同步發展，與 網絡及其它周邊設備互聯。 近些年來， ATS 經歷了許多變化，測試系統的接口己從專用接口逐漸發展成為通用接口。通用性對于一個接口系統是最為重要的 :要把不同國家、不同 廠 家生產的設備互相連接在一起，構成一個 ATS，需要各個 廠 家的產品具有相同的接口協議。通用性同時也使得構成一個完整的 ATS 所需要的附加投入減少到最低程度。從市場發展的角度來講，一個好的測試系統應該具有良好的兼容性、 可 擴展性和開放的結構等特點。這需要國際上 行 業標準的建立和采用。隨著計算機技術和測量儀器技術的發展，在用戶和 廠 商的推動下，一些國際標準 化組織先后提出和推薦了一批總線作為國際標準總線，形成了各種總線 式 的 ATS。 現代軍用測試系統的發展方向是三化 :標準化、模塊化和系列化。標準的總線接口和軟件技術是實現測試系統三化的關鍵技術。其中總線接口是自動測試系統的核心，它的發展推動著自動測試系統的更新換代。世界軍用 ATE 的發展趨勢引言 11 研究表明，設計驗證、生產檢修和診斷維護一體化、標準化將成為軍用 ATE 的基本要求，建立在 VXI， PXI 等各種測試總線標準上的 ATE 將是今后發展的基本方向。 利用虛擬儀器“軟件就是一切”的特性，可以解決自動測試系統彼此不兼容，達到共 享硬件和軟件資源的目的 ， 利用通用的硬件模塊，可以方便快捷的組建自動測試系統。 本文的主要內容 本文共分為五章：第一章，主要介紹自動測試系統 ATS 及虛擬儀器的目前現狀和發展方向。第二章，介紹基于虛擬儀器的自動測試系統的體系結構及 結構設計 。第三章，基于虛擬儀器 ATS 的實現。第四章，講述軟件實現方法。第五章，本文總結及 改進計劃 。 基于虛擬儀器的自動測試系統的研究 8 第二章 基于 虛擬儀器 的 ATS 結構 設計 基于虛擬儀器的 ATS 的體系結構 傳統的測試測量儀器通常由三大部分組成 :信號的采集與控制 。信號 的分析與處理 。結果的表示與輸出。而在以虛擬儀器為代表的新一代 ATS 中，計算機處于核心地位，計算機軟件技術和測試系統更加緊密地結合成為一個有機整體，儀器的結構概念和設計觀點等都發生了突破性的變化，它是計算機硬件資源、儀器測控硬件與用于數據分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件之間的有效結合。虛擬儀器將儀器的三大功能全部放在計算機上來實現，即可在計算機內插入數據采集卡或外置數據采集盒，經 A/D 或 D/A 變換器，用軟件對其信號進行分析與處理，并在計算機屏幕上生成儀器面板，完成儀器的控制和顯示，最終實現傳統測試儀器的所有 功能。 測試對象圖 象 采 集 卡信 號 調 理 數 據 采 集 卡G P I B 接 口 儀 器 G P I B 接 口 卡串 口 儀 器V X I 儀 器P X I 儀 器現 場 總 線 儀 器P C 機 / 工 作 站虛 擬 儀 器 軟件 （ 設 備 驅動 、 測 試 控制 、 輸 出 顯示 等 ） 圖 21 虛擬儀器系統結構 虛擬儀器通常由硬件設備與接 口 、設備驅動軟件、測試功能軟件和虛擬儀器面板等組成，虛擬儀器自動測試系統構成框圖如圖 2I 所示。其中，硬件設基于虛擬儀器的 ATS 結構設計 9 備與接 口 可以是各種以 PC 總線為基礎的內置數據采集卡 (PCDAQ )、通用接口總線 (如 GPIB)接口卡、串行口、 VXI 總線儀器、 PXI 總線儀器等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備 。設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的 I/O驅動程序，虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器模 塊系統進行通訊 。并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。在這些控件中集成了對應儀器的程控信息，所以用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。 構建基于計算機的虛擬儀器自動測試系統，需要有相應的硬件來支持。虛擬儀器的硬件一般分為基礎硬件平臺和儀器硬件設備。基礎硬件平臺目前可以選擇各種類型的計算機 。而儀器硬件設備則主要包括 :各種計算機內置插卡和外置測試設備。根據所用儀器硬件的不同 (見圖 21)，虛擬儀器可分為GPIB(IEEE488)總線式、以計算機數 據采集卡和信號調理為儀器硬件而組成的PCI 總線式、 VXI總線式、 PXI 總線式、并行總線式、串行總線式、現場總線式等不同的硬件體系結構， 目 前虛擬儀器的發展主流是 GPIB, PCI, VXI 和 PXI 四種標準體系結構。 總線 式的虛擬儀器 ATS GPIB 技術是 IEEE488 標準的虛擬儀器早期的發展階段。它的出現使電子測量由獨立的單臺手工操作向 大 規模自動測試系統發展。典型的 GPIB 系統由一臺PC 機、一塊 GPIB 接口卡 和 若干臺 GPIB 形式的儀器通過 GPIB 電纜連接而成。在標準情況下，一塊 GPIB的接口 卡可帶多達 14 臺的儀器，電纜長度可達 20m。 GPIB 技術可用計算機實現對儀器的操作和控制，替代傳統的人工操作方式，可以很方便地把多臺儀器組合起來，形成大的自動測試系統。 GPIB 測試系統的結構和命令簡單，主要市場在臺式儀器市場。但是它與 PC 機相連需要專用接口以及 GPIB 儀器，結構復雜，傳遞速率較低，逐漸被其他形式的儀器所代替。 GPIB測試系統適合于精確度要求高、但不要求對計算機進行高速數據傳輸的應用，成本也較高。 基于虛擬儀器的自動測試系統的研究 10 PCI 總線式的虛擬儀器 ATS 這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的軟件， 完成測試任務。它充分利用計算機的總線、系統內存、機箱、電源以及軟件的便利，具有良好的開放式軟、硬件平臺。接口總線簡化了系統構成，擴充、變更容易，構建自動測試系統靈活，系統的總體性能優于 GPIB。其關鍵在于 A/D 轉換技術，借助于高級定時功能，能完成儀器級的高精度測量。但這種方式受 PC 機機箱和總線限制，且存在電源功率不足、機箱內部的噪聲電平較高、機箱內無屏蔽等缺點。插卡式儀器價格最便宜，性價比較高，靈活性較好，個人計算機數量非常龐大，因此其用途廣泛，在國內勢必迅速發展，特別適合于教學部門和各種實驗室使用。 VXI 總線式的虛擬儀器 ATS VXI 總線是高速計算機總線 VME 在儀器領域的擴展，它具有穩定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的標準開放，且具有結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優點，很快得到廣泛的應用。經過 10多年的發展， VXI 系統的組建和使用越來越方便，有其他儀器無法比擬的優勢，尤其適用于組建大、中規模自動測量系統以及對速度、精度要求高的場合。然而，組建 VXI 總線要求有機箱、零槽管理器以及嵌入式控制器，造價比較高，硬件設計復雜，面市 的品種也較少。 PXI 總線式的虛擬儀器 ATS PXI 總線方式是在 PCI總線內核技術上增加成熟的技術規范和要求形成的，所增加的多板同步觸發總線的參考時鐘，適合于精確定時的星形觸發總線，以便用于相鄰模塊的高速通信的局部總線。 PXI 有高度的可擴展性，它有 8 個擴展槽，而臺式 PCI 系統只有 3～ 4個擴展槽 ,通過使用 PCI～ PCI橋接器 ,可擴展到 256 個擴展槽 ,但成本比較高 ,硬件設計復雜 ,目前面市的品種比較少 。 由以上分析可知 ,GPIB 方式控制的虛擬儀器主要針對單一的專用儀器 ,數據傳輸速度有限 ,通用性不強 。VXI、 PXI 儀器結構復雜，需要專用的 VXI 機箱、 VXI基于虛擬儀器的 ATS 結構設計 11 控制卡和 PXI 機箱、 PXI 控制卡等價格昂貴的設備，研制開發比較困難；由數據采集卡構成的虛擬儀器性能價格比較高，設計手段靈活，通用性強，應用前景廣闊。 本課題采用 PCI 總線式 體系結構，構建模塊化、開放式的高性能虛擬儀器自動測試系統。 PCI 總線 式虛擬儀器 ATS 結構 設計 今天，已有大量的科技和工程人員對計算機進行總線擴展以便將其用于實驗室研究、工業控制、測試和測量。這些都要用到基于計算機的數據采集技術(PCbased Data Acquisition)，再加上適當的軟件，可以構成價格低廉、靈活性較好的虛擬儀器自動測試系統。一個數據采集系統的基本任務就是測量和產生現實世界的物理信號。以計算機數據采集系統為基礎的虛擬儀器測試系統結構如圖 22所示，該系統由傳感器、信號調理、數據采集 (DAQ)硬件、個人計算機、軟件等基本要素構成。 傳感器信號調理數據采集硬件個人計算機軟件 圖 22 基于計算機的數據采集系統結構 傳感器是把物理信號轉換成電信號 (電壓或電流 )的裝置，例如熱電偶 (溫度 /電壓 )、 RTD(溫度 /電阻 )、應變片 (拉或壓力 /應 變 (電流或電壓 ))、微音器 (壓強 /電壓 )。信號調理能夠對微弱信號進行放大、濾波、光電隔離等處理，以便更精確和更安全地測量，同時它還能夠激發某些傳感器和線性化其信號。當輸入信號被適當調理后，即可輸給插入式數據采集板進行數字化 (ADC)，同時它也能產生控制信號。數據采集板的程序設計依靠驅動軟件進行了簡化和易于移植，因而用戶能夠用傳統的編程語言和應用軟件開發工具來設計虛擬儀器面板、自基于虛擬儀器的自動測試系統的研究 12 動測試程序。當然，計算機的性能決定了整個過程的速度。在實時系統中，需要高速的處理器和協處理器，或插入式輔助處理器，如 DSP 芯片。在某 些場合，一臺計算機也能實現要求。 數據采集技術介紹 數據采集技術是電子測量儀器的基礎，當然也是虛擬儀器的基礎。只有當數據采集部分正確工作時，整個虛擬儀器系統才可能正確工作，自動測試系統也才能進行工作。因此，計算機數據采集設計的好壞，對虛擬儀器 ATS 是非常重要的。 數據采集的基本理論 1． Nyquist 采樣定理 Nyquist 采樣定理：設有一個頻率帶限信號 x(t)，其頻帶限制在（ 0， fH）內，如果以不小于 fs=2fH的采樣速率對 x(t)進行等間隔采樣，得到時間離散的采樣信號 x(n)=x(nTs)（其中 Ts=1/fs 稱為采樣間隔），則原信號 x(t)將被所得到的采樣值 x(n)完全地確定。 上述 Nyquist 采樣定理告訴我們，如果以不低于信號最高頻率兩倍的采樣速率對帶限信號進行采樣，那么所得到的離散采樣值就能準確地確定原信號。下面從數學上來進一步證明 Nyquist 采樣定理，也就是推導用離散采樣值 x(n)表示帶限信號 x(t)的數學表達式。 引入單位沖激函數 δ (t)，構成沖激函數 p(t)： ?????? ?? n snTttp )()( ? 這是一個抽樣函數，每隔 Ts 時間便采樣一個值。把 p(t)用傅立 葉級數展開可得： ??????? n lT nin seCtp ?2)( 其中 sTTlT nisTTlT nisn TdtetTdtetpTC ss sss s 1)(1)(1 222222 ????? ?? ?????? ?? ? 基于虛擬儀器的 ATS 結構設計 13 所以抽樣后的信號 xs(t)可表示為： ??? ??? ???? n lT niss txeTtxtptx s )]([1)()()( 2 ? 設 x(t)的傅立葉變換為 X(ω)，則 xs(t)的傅立葉變換 Xs(ω)可表示為： ?? ?????????? ???? n ssn sss nXTT nXTX )(1)2(1)( ?????