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1、1,现代电子测量技术,第9章,第9章现代电子测量技术,9.1 自动测试系统 9.2 虚拟仪器 9.3 接口总线,9.1 自动测试系统,自动测试系统的基本组成,自动测试系统包括五部分组成： 控制器主要是由计算机组成，实现智能控制处理 程控仪器与设备能完成一定的具体的测试、控制任务。 总线与接口是连接控制器与各程控仪器、设备的通路,完成消息、命令、数据的传输与交换。 测试软件是为了完成系统测试任务而编制的各种应用软件。 被测单元往往是各不相同的，需通过电缆、接插件、开关等与控制仪器和设备相连。,自动测试系统,图9-1所示为计算机辅助测试平台的系统结构，它由待测件(DUT)、控制器(计算机)、测试仪
2、器及测试软件等几部分组成。,图9-1 CAT平台的系统结构,自动测试系统的发展,第一代自动测试系统 专用自动测试系统阶段 第二代自动测试系统 采用标准通用接口总线阶段 典型结构如图9-2所示 第三代自动测试系统 虚拟化测试系统阶段 第三代自动测试系统由微型计算机、通用硬件和应用软件组成，如图9-3所示。,图9-2 第二代自动测试系统典型结构图,图9-3 第三代自动测试系统组成示意图,9.2 虚拟仪器,虚拟仪器,虚拟仪器是一种由用户在计算机等通用设备组件的基础上自行定义设计的仪器。实际上,它是以通用计算机为核心的系统,配合一定的标准电子测量功能组件，利用专门编制的计算机应用软件实现信号的采集和后
3、期数据处理等工作,并以一个如普通仪器面板一样的操作界面呈现出来。 在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个仪器系统的关键。 任何一个使用者都可以通过修改软件的方法,很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模,所以有“软件就是仪器”之说。,虚拟仪器所构成的系统方案,虚拟仪器所构成的系统方案应具备如下主要的要素和特征： 以通用计算机为核心，具有足够的仪器硬件模块功能。 以强大的仪器操作和测试等软件为支撑。 突出在通用计算机平台上采用虚拟软面板，实现仪器的测试和控制功能。,虚拟仪器的特点,虚拟仪器的特点为： 强调“软件就是仪器”的新概念。 具有模块化及开放性和互换性的特点和良好的
4、资源的复用性。 打破了传统仪器小而全且各仪器资源不能共享的现状。 可自定义仪器功能。,虚拟仪器的组成及关键技术,虚拟仪器的构成方式主要有以下几种类型,如下图,虚拟仪器的的构成方式,计算机数据采集测试系统 将具有数据采集、信号调理电路的硬件模块插卡,内置计算机的ISA或PCI标准总线的槽口上,配上相应功能的软件，则可构成具有电压表、频率计、示波器、频谱仪等功能的虚拟仪器系统,组建方便且性价比较高。 GPIB测试系统 GPIB仪器具备GPIB通信总线，以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器测试系统,利用计算机替代人工操作完成测试工作,这样可提高测试效率，排除人为因素造成的误差,提高
5、了测试质量。,虚拟仪器的的构成方式,VXI测试系统 将一个测试系统内的所有VXI仪器模块都插入一个或几个机箱内,因而结构紧凑且可靠。以VXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器测试系统,适合高质量的大型自动测试系统。 PXI测试系统： PXI总线是PCI总线在仪器领域的扩展。PCI是目前计算机的主流总线,有大量功能强且广泛流行的基于PCI平台的硬件和软件可供使用。以PXI并行系统总线仪器与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。,虚拟仪器的的构成方式,串行接口测试系统 以RS232、USB等串口总线仪器与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。适用于测试速度要求不高的情况，是一种普及型
6、自动测试系统。 现场总线测试系统 由于当前由现场总线组建的自动测试系统越来越注重发挥软件的作用，其设计思想和实施方法可以归属虚拟仪器的结构模式。,虚拟仪器中的关键技术,虚拟仪器在进行实际测试过程中,需在数据采集、存储和信号分析之间以二进制的数据形式进行高速数据传输,以完成相应的数据分析和显示的功能,为此要加强其实时性,但目前在速度方面受到诸多因素的限制,如高速、线性、大动态的A-D或D-A转换、高速数据发生、快速数据分析与处理等。,在虚拟仪器中数字信号处理(DSP)是十分重要的,它可提高测量的重复性和稳定性。解决了各类分析及处理软件的编制及最优的算法,使其在计算能力方面实现以算法为基础的多种仪
7、器功能。同时,采用DSP可方便地完成时域到频域的转换,提高虚拟仪器的测试速度。,虚拟仪器软件结构,虚拟仪器软件体系结构 (Virtual Instrumentation Software Architecture,简称VISA)是标准的IO函数库及其相关规范的总称。 一般称IO函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能,是计算机与仪器之间的软件层连接,以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。它是随着VXI总线技术虚拟仪器的发展而产生的,是VXI即插即用联盟制定的新一代的I/O程序规范。VISA的任务是统一VXI虚拟仪器模块的软、硬件标准
8、,进而达到统一I/O软件的目的。,虚拟仪器的软件,虚拟仪器的软件采用层次化结构,所有软件建立在计算机操作系统基础上,从底层到顶层分别为虚拟仪器软件结构VISA、仪器驱动器和应用软件,如图9-5所示。,图9-5 VISA方案示意图,VISA,VISA具有与仪器硬件接口无关的特性。 在编写VXI虚拟仪器驱动程序时所公用的底层函数集,遵循VISA标准,可使得系统用户所写的应用程序,不仅可用于VXI总线系统,也可用于GPIB总线或带RS232接口设备的系统中。 VISA的出现,不仅大大缩短了应用程序的开发周期,而且使得测试软件的开发从此走上了一个新的台阶,是理想的仪器I/O软件。,VISA,VISA的
9、基本模块如图9-6所示。,图9-6 VISA的基本模块,VISA软件模块是资源集合,每个资源级是指一台设备的特有能力。其中设备资源的独立性是用于VISA内部定义和创建资源的基础,资源管理器是一个附着于VISA资源模板的资源,用户可以通过打开到达资源管理器的连接装置,访问资源管理函数。,VISA,VISA定义了3个资源级： I/O级资源 设备级资源 用户定义资源 这3级资源反映了高级资源使用或继承低级资源的能力。 结构的顶层是用户应用程序，这些应用程序简单地使用一个或多个VISA资源来完成某些任务，或集合一些资源来形成自己的虚拟工具。,虚拟仪器编程环境,虚拟仪器系统基本硬件确定后，就可以通过不同
10、的软件实现不同的功能。 软件是虚拟仪器系统的关键，这样可利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。 目前，虚拟仪器系统中最具有代表性的三个虚拟仪器开发平台为： 美国NI公司的Lab VIEW 美国NI公司的Lab windows/CVI 惠普公司的HP VEE,LabVlEW,虚拟仪器开发平台编程语言(Laboratory Virtual Instrument Engineering，简称LabVlEW)是一种图形化的编程语言,它作为一个标准的数据采集和仪器控制软件应用广泛。 LabVIEW集成与满足了GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能。它还内置了
11、便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件,利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及使用过程都非常方便和迅速。,LabVlEW的主要特点,(1)图形化编程软件 (2)开放式环境 (3)支持多平台 (4)分布式开发环境 (5)分析功能 (6)可视化功能,9.2 接口总线,接口总线,自动测试系统起到使主控计算机和测试仪器设备能互连互通的作用，以保证各种命令和测试数据相互间准确无误地传递。 在20世纪70年代后相继出现过多种供自动测试系统使用的标准接口总线，包括 GPIB接口总线 VXI接口总线 PXI接口总线 LXI总线,GPIB接口总
12、线,GPIB的设计目标 在有限距离内,利用通用标准接口总线,可以把按本总线接口标准制造出来的任何仪器,连接成一个测试系统； 通过本总线接口标准实现系统内各仪器之间可靠通信； 可以使被连接的各仪器之间进行直接通信,而不一定要通过中央控制器； 数据速度可容许在较宽的范围内变化,自动适应系统中不同仪器的数据速率； 系统使用方便、性价比高。,GPIB接口总线,GPIB总线的应用方式如图9-7所示,这是GPIB总线连接4个独立设备的例子。每个设备都应基本下列三个基本功能中的一个或多个。 听者(收听器)： 当总线寻址寻到它时,能够接收总线上的数据。 讲者(发话器)： 当总线寻址寻到它时,能把数据发送到总线
13、上。 控者(控制器)： 能寻址其他设备,使其成为听者或讲者,能发送接口命令,使其他设备做特定动作。,图9-7 GPIB的应用方式,GPIB接口总线,信号线分类与定义 数据输入/输出线(简称DIO线,一共8条)。 用来传送系统内的数据和总线命令信息。DIO线上传递信息的方式为位并行，字节串行，双向异步。 控制线： 命令/数据信号线ATN由控者专用,用以指明DIO上数据的类型是命令还是数据。ATN=0,表示DIO线上的信息为命令,其它设备只能接收该命令并解释。当ATN=l时,表示DIO上的信息为数据。 握手线： 又叫做字节传送控制线,是指在数据传送过程中,确保每个字节的信息都能准确可靠地传送。握手
14、线一共三条。,图9-8 三线握手程序流程图,系统各器件采用总线方式连接。 总线由24芯无源电缆组成,其中16条为信号线,其余为屏蔽线和地线。 总线上最多可挂15台仪器,如果希望扩大容量,可在控制器上增加GPIB接口,每增加一个接口,就可以多连14台仪器。 最大传输电缆总长度不超过20m,过长的传输距离会使信噪比下降,而不能保证可靠的通信。 总线以位并行字串行,并采用三线挂钩技术,传递多线消息,实现双向、异步通信,最大传输速率为1MB/s。,GPIB接口总线的基本特性,GPIB接口总线的基本特性,系统内的讲地址和听地址各有31个,如果采用扩展的副地址,则讲地址和听地址均可扩大至961个。 总线上
15、采用正电压负逻辑,逻辑1为低电平,不高于+0.8V;逻辑0为高电平,不低于+2.0V。 由于系统中允许存在多个控者,但在任何时刻只准许一个控者起作用并称此控者为责任控者。,GPIB总线在线自动测试系统,图9-9表示GPIB总线和仪器与计算机连接成在线测试系统。 对于带GPIB接口的仪器,要把它同计算机连接起来,构成一个自动测试系统,需要采用专用GPIB接口卡插在PC机上,之后就可以编程构建自己的系统了。 开发GPIB总线虚拟仪器的硬件插卡,则需要设计专门的插件扩展箱和计算机连接起来。 对于使用NI公司的LabView用户,编程工作会大大减少,因为NI公司免费提供大量GPIB仪器的源码级驱动程序
16、,节省了用户在编程上的时间。,图9-9 GPIB与计算机连接成在线测试系统,VXI 接口总线,VXl(VME Extensions for Instrumentation)总线是“用于仪器的VME总线扩展”的简称,它是继GPIB第二代自动测试系统之后,于1987年推出的一种开放的新一代自动测试系统工业总线标准。 VXI具有互操作性好、数据传输速率高、可靠性强、体积小、重量轻、可移动性好等优点,其应用范围越来越广,VXI 接口总线,VXI总线规范的目标是一种基于VME总线的开放、兼容和模块化仪器标准,其特点为: VXI总线是完全的开放式总线,这使仪器组合灵活和容易； 采用统一的公共接口,降低系统集成时间的软件开发成本； 模块化、坚固的设计提高了可靠性； 系统吞吐量大,测试时间缩短或性能提高； 标准化VXI即插即用软件简化了系统设定、编程及集成,能容易地扩展测试系统的功能； 使VXI标准比机架堆叠式系统具有更小的体积。,VIXbus的系统结构,从物理结构来看,一个VXI总线系统由一个能为嵌入式模块提供安装环境与背板连接的主机箱组成。 V总线仪器的主机架可插放多
