基于虚拟仪器的自动测试系统的研究

基于虚拟仪器的自动测试系统的研究内容摘要：

器的自动测试系统的研究 10 器系统的功能与规模，所以又有“软件就是一切”之说。 根据虚拟仪器的软特性 ，与传统仪器相比，虚拟仪器主要有以下特点。 (1)传统仪器的仪 器功能 由 仪器 厂 商定义，以前一经购买，其功能与结构都是固定了的，用户无法改变，扩展性差，且往往一台仪器只能实现一种测试功能，对于较复杂的场合，测试参数较多，使用起来很不方便，其局限性非常明显。 而虚拟仪器的功能 由 用户自己定义，针对性和灵活性很强，并且虚拟仪器系统具有面向应用的系统结构， 可 以方便地与网络外设、应用等连接，而传统仪器与其它仪器设备的连接 十 分有限。 (2)传统仪器图形界面小，人 工 读数，信息量小，测量数据一般无法编辑。 一方面带来读数误差，另一方面增加后续数据处理的负担。 虚拟仪器一般采用的是 Windows 下的图形界面，计算机自接读数并进行数据的分析处理， 可 对测量数据编辑、存储、打印，方便和易于用户使用。 (3)对于传统仪器来说硬件是关键部分，因为硬件的精密性和不 可 重复性，因而价格昂贵，开发和维护费用高，且技术更新慢，周期一般为 510 年。 对于虚拟仪器来说软件是关键部分，软件一经开发， 可 重复使用，并 可 根据用户需求任意修改，因而其价格低廉，仅为传统仪器的五至 十 分之一。 显而易见，其开发和维护的费用也是比较低的，并利于技术更新，周期为 12 年。 (4)虚拟仪器开发灵活， 可 与计算机同步发展，与 网络及其它周边设备互联。 近些年来， ATS 经历了许多变化，测试系统的接口己从专用接口逐渐发展成为通用接口。 通用性对于一个接口系统是最为重要的 :要把不同国家、不同 厂 家生产的设备互相连接在一起，构成一个 ATS，需要各个 厂 家的产品具有相同的接口协议。 通用性同时也使得构成一个完整的 ATS 所需要的附加投入减少到最低程度。 从市场发展的角度来讲，一个好的测试系统应该具有良好的兼容性、 可 扩展性和开放的结构等特点。 这需要国际上 行 业标准的建立和采用。 随着计算机技术和测量仪器技术的发展，在用户和 厂 商的推动下，一些国际标准 化组织先后提出和推荐了一批总线作为国际标准总线，形成了各种总线 式 的 ATS。 现代军用测试系统的发展方向是三化 :标准化、模块化和系列化。 标准的总线接口和软件技术是实现测试系统三化的关键技术。 其中总线接口是自动测试系统的核心，它的发展推动着自动测试系统的更新换代。 世界军用 ATE 的发展趋势引言 11 研究表明，设计验证、生产检修和诊断维护一体化、标准化将成为军用 ATE 的基本要求，建立在 VXI， PXI 等各种测试总线标准上的 ATE 将是今后发展的基本方向。 利用虚拟仪器“软件就是一切”的特性，可以解决自动测试系统彼此不兼容，达到共 享硬件和软件资源的目的 ， 利用通用的硬件模块，可以方便快捷的组建自动测试系统。 本文的主要内容 本文共分为五章：第一章，主要介绍自动测试系统 ATS 及虚拟仪器的目前现状和发展方向。 第二章，介绍基于虚拟仪器的自动测试系统的体系结构及 结构设计。 第三章，基于虚拟仪器 ATS 的实现。 第四章，讲述软件实现方法。 第五章，本文总结及 改进计划。 基于虚拟仪器的自动测试系统的研究 8 第二章 基于 虚拟仪器 的 ATS 结构 设计 基于虚拟仪器的 ATS 的体系结构 传统的测试测量仪器通常由三大部分组成 :信号的采集与控制。 信号 的分析与处理。 结果的表示与输出。 而在以虚拟仪器为代表的新一代 ATS 中，计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更加紧密地结合成为一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，它是计算机硬件资源、仪器测控硬件与用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。 虚拟仪器将仪器的三大功能全部放在计算机上来实现，即可在计算机内插入数据采集卡或外置数据采集盒，经 A/D 或 D/A 变换器，用软件对其信号进行分析与处理，并在计算机屏幕上生成仪器面板，完成仪器的控制和显示，最终实现传统测试仪器的所有 功能。 测试对象图 象 采 集 卡信 号 调 理 数 据 采 集 卡G P I B 接 口 仪 器 G P I B 接 口 卡串 口 仪 器V X I 仪 器P X I 仪 器现 场 总 线 仪 器P C 机 / 工 作 站虚 拟 仪 器 软件 （ 设 备 驱动 、 测 试 控制 、 输 出 显示 等 ） 图 21 虚拟仪器系统结构 虚拟仪器通常由硬件设备与接 口 、设备驱动软件、测试功能软件和虚拟仪器面板等组成，虚拟仪器自动测试系统构成框图如图 2I 所示。 其中，硬件设基于虚拟仪器的 ATS 结构设计 9 备与接 口 可以是各种以 PC 总线为基础的内置数据采集卡 (PCDAQ )、通用接口总线 (如 GPIB)接口卡、串行口、 VXI 总线仪器、 PXI 总线仪器等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备。 设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的 I/O驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器模 块系统进行通讯。 并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。 在这些控件中集成了对应仪器的程控信息，所以用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。 构建基于计算机的虚拟仪器自动测试系统，需要有相应的硬件来支持。 虚拟仪器的硬件一般分为基础硬件平台和仪器硬件设备。 基础硬件平台目前可以选择各种类型的计算机。 而仪器硬件设备则主要包括 :各种计算机内置插卡和外置测试设备。 根据所用仪器硬件的不同 (见图 21)，虚拟仪器可分为GPIB(IEEE488)总线式、以计算机数 据采集卡和信号调理为仪器硬件而组成的PCI 总线式、 VXI总线式、 PXI 总线式、并行总线式、串行总线式、现场总线式等不同的硬件体系结构， 目 前虚拟仪器的发展主流是 GPIB, PCI, VXI 和 PXI 四种标准体系结构。 总线 式的虚拟仪器 ATS GPIB 技术是 IEEE488 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。 它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向 大 规模自动测试系统发展。 典型的 GPIB 系统由一台PC 机、一块 GPIB 接口卡 和 若干台 GPIB 形式的仪器通过 GPIB 电缆连接而成。 在标准情况下，一块 GPIB的接口 卡可带多达 14 台的仪器，电缆长度可达 20m。 GPIB 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动测试系统。 GPIB 测试系统的结构和命令简单，主要市场在台式仪器市场。 但是它与 PC 机相连需要专用接口以及 GPIB 仪器，结构复杂，传递速率较低，逐渐被其他形式的仪器所代替。 GPIB测试系统适合于精确度要求高、但不要求对计算机进行高速数据传输的应用，成本也较高。 基于虚拟仪器的自动测试系统的研究 10 PCI 总线式的虚拟仪器 ATS 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件， 完成测试任务。 它充分利用计算机的总线、系统内存、机箱、电源以及软件的便利，具有良好的开放式软、硬件平台。 接口总线简化了系统构成，扩充、变更容易，构建自动测试系统灵活，系统的总体性能优于 GPIB。 其关键在于 A/D 转换技术，借助于高级定时功能，能完成仪器级的高精度测量。 但这种方式受 PC 机机箱和总线限制，且存在电源功率不足、机箱内部的噪声电平较高、机箱内无屏蔽等缺点。 插卡式仪器价格最便宜，性价比较高，灵活性较好，个人计算机数量非常庞大，因此其用途广泛，在国内势必迅速发展，特别适合于教学部门和各种实验室使用。 VXI 总线式的虚拟仪器 ATS VXI 总线是高速计算机总线 VME 在仪器领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的 RFI/EMI 屏蔽。 由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。 经过 10多年的发展， VXI 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，尤其适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。 然而，组建 VXI 总线要求有机箱、零槽管理器以及嵌入式控制器，造价比较高，硬件设计复杂，面市 的品种也较少。 PXI 总线式的虚拟仪器 ATS PXI 总线方式是在 PCI总线内核技术上增加成熟的技术规范和要求形成的，所增加的多板同步触发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线，以便用于相邻模块的高速通信的局部总线。 PXI 有高度的可扩展性，它有 8 个扩展槽，而台式 PCI 系统只有 3～ 4个扩展槽 ,通过使用 PCI～ PCI桥接器 ,可扩展到 256 个扩展槽 ,但成本比较高 ,硬件设计复杂 ,目前面市的品种比较少。 由以上分析可知 ,GPIB 方式控制的虚拟仪器主要针对单一的专用仪器 ,数据传输速度有限 ,通用性不强。 VXI、 PXI 仪器结构复杂，需要专用的 VXI 机箱、 VXI基于虚拟仪器的 ATS 结构设计 11 控制卡和 PXI 机箱、 PXI 控制卡等价格昂贵的设备，研制开发比较困难；由数据采集卡构成的虚拟仪器性能价格比较高，设计手段灵活，通用性强，应用前景广阔。 本课题采用 PCI 总线式 体系结构，构建模块化、开放式的高性能虚拟仪器自动测试系统。 PCI 总线 式虚拟仪器 ATS 结构 设计 今天，已有大量的科技和工程人员对计算机进行总线扩展以便将其用于实验室研究、工业控制、测试和测量。 这些都要用到基于计算机的数据采集技术(PCbased Data Acquisition)，再加上适当的软件，可以构成价格低廉、灵活性较好的虚拟仪器自动测试系统。 一个数据采集系统的基本任务就是测量和产生现实世界的物理信号。 以计算机数据采集系统为基础的虚拟仪器测试系统结构如图 22所示，该系统由传感器、信号调理、数据采集 (DAQ)硬件、个人计算机、软件等基本要素构成。 传感器信号调理数据采集硬件个人计算机软件 图 22 基于计算机的数据采集系统结构 传感器是把物理信号转换成电信号 (电压或电流 )的装置，例如热电偶 (温度 /电压 )、 RTD(温度 /电阻 )、应变片 (拉或压力 /应 变 (电流或电压 ))、微音器 (压强 /电压 )。 信号调理能够对微弱信号进行放大、滤波、光电隔离等处理，以便更精确和更安全地测量，同时它还能够激发某些传感器和线性化其信号。 当输入信号被适当调理后，即可输给插入式数据采集板进行数字化 (ADC)，同时它也能产生控制信号。 数据采集板的程序设计依靠驱动软件进行了简化和易于移植，因而用户能够用传统的编程语言和应用软件开发工具来设计虚拟仪器面板、自基于虚拟仪器的自动测试系统的研究 12 动测试程序。 当然，计算机的性能决定了整个过程的速度。 在实时系统中，需要高速的处理器和协处理器，或插入式辅助处理器，如 DSP 芯片。 在某 些场合，一台计算机也能实现要求。 数据采集技术介绍 数据采集技术是电子测量仪器的基础，当然也是虚拟仪器的基础。 只有当数据采集部分正确工作时，整个虚拟仪器系统才可能正确工作，自动测试系统也才能进行工作。 因此，计算机数据采集设计的好坏，对虚拟仪器 ATS 是非常重要的。 数据采集的基本理论 1． Nyquist 采样定理 Nyquist 采样定理：设有一个频率带限信号 x(t)，其频带限制在（ 0， fH）内，如果以不小于 fs=2fH的采样速率对 x(t)进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号 x(n)=x(nTs)（其中 Ts=1/fs 称为采样间隔），则原信号 x(t)将被所得到的采样值 x(n)完全地确定。 上述 Nyquist 采样定理告诉我们，如果以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样，那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。 下面从数学上来进一步证明 Nyquist 采样定理，也就是推导用离散采样值 x(n)表示带限信号 x(t)的数学表达式。 引入单位冲激函数 δ (t)，构成冲激函数 p(t)：   n snTttp )()(  这是一个抽样函数，每隔 Ts 时间便采样一个值。 把 p(t)用傅立 叶级数展开可得：  n lT nin seCtp 2)( 其中 sTTlT nisTTlT nisn TdtetTdtetpTC ss sss s 1)(1)(1 222222      基于虚拟仪器的 ATS 结构设计 13 所以抽样后的信号 xs(t)可表示为：    n lT niss txeTtxtptx s )]([1)()()( 2  设 x(t)的傅立叶变换为 X(ω)，则 xs(t)的傅立叶变换 Xs(ω)可表示为：    n ssn sss nXTT nXTX )(1)2(1)( 。