现代检测技术自动测试仪器接口系统

2023/2/11自动测试仪器接口系统智能仪器仪器仪表中含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器。2023/2/12现代测试系统主要有三大类：智能仪器、自动测试系统和虚拟仪器

智能仪器和自动测试系统的区别在于它们所用的微机是否与仪器测量部分融合在一起，也即是采用专门设计的微处理器、存储器、接口芯片组成的系统(智能仪器)，还是用现成的PC配以一定的硬件及仪器测量部分组合而成的系统(自动测试系统)。而虚拟仪器与前二者的最大区别在于它将测试仪器软件化成模块化，这些软件化和模块化的仪器具有特定的功能(如滤波器、频谱仪)与计算机结合构成了虚拟仪器。2023/2/13

智能仪器的基本组成2023/2/141、微处理器接收来自键盘或GPIB接口命令，解释并执行这些命令；2、微处理器通过接口发出各种控制信息给测试电路，以规定功能、启动测量、改变工作方式等，3、当测试电路完成一次测量后，微处理器读取测量数据，进行必要的加工、计算、变换等处理，最后以各种方式输出。软件是智能仪器的灵魂。智能仪器的管理程序也称监控程序，分析、接受、执行来自键盘或接口的命令，完成测试和数据处理等任务。软件存于ROM或EPROM.

智能仪器工作过程2023/2/15自动测试系统：

使用具有一定自动化能力的测试系统进行的测量和实验，称为自动测试（Automaticmeasurementandtest）；通常把在人最少参与的情况下，利用计算机执行程序，控制测试过程并进行数据处理直至以适当方式给出测试结果的测试系统称为自动测试系统（AutomatedTestSystem—ATS）或自动测试设备（AutomatedTestEquipment—ATE）。2023/2/162023/2/17一般意义的自动测试系统是对那些能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试结果的一类系统的统称。通常这类系统是在标准的测控系统总线或仪器总线（CAMAC、GPIB、VXI、PXI等）的基础上组建而成的，并且具有高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围等众多特点。工程上的自动测试系统（为ATS）往往针对一定的应用领域和被测对象，并且常以应用对象命名，如飞机自动测试系统，发动机自动测试系统，雷达自动测试系统，印制电路板自动测试系统等，也可以按照应用场合来划分，例如可分为生产过程用自动测试系统，场站维护用自动测试系统等。2023/2/182023/2/192023/2/1102023/2/111二、自动测试系统的发展自动测试技术创始于50年代，从50年代至今大致分为以下三代。1、第一代自动测试系统

采用了计算机技术，主要用来进行逻辑定时控制。主要功能：进行数据自动采集和自动分析，完成大量重复的测试工作，承担繁重的数据运算和分析任务。系统中的仪器采用专用接口，通用性差。复杂的被控对象的所有功能、性能测试若采用专用型ATS，则自动测试系统数目巨大，费用高昂，一旦被控对象退役，则相应自动测试系统报废。2023/2/1122023/2/1132、第二代自动测试系统

采用标准化的通用接口(如IEEE488)及可程序控制的仪器和测控计算机(控制器)，从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。优点：测量速度快、高精度和高分辨力、多功能和多种参数的测量、频带宽、量程宽、自校正、自诊断以及多种显示与输出方式等。2023/2/1142023/2/1153、第三代自动测试系统设计目标：充分发挥计算机的能力，使整个ATS简化到仅由计算机、通用硬件和应用软件三部分组成主要由模块化的仪器/设备所组成。VXI总线（VMEbuseXtensionsforInstrumentation）是VME计算机总线向仪器/测试领域的扩展，具有高达40Mbytes/s的数据传输速率。PXI总线是PCI总线（其中的CompactPCI总线）向仪器/测量领域的扩展，其中数据传输速率为132～264Mbytes/s。以这两种总线为基础，可组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。

二、自动测试系统的发展2023/2/1162023/2/117第三代自动测试系统的基本组成2023/2/1182023/2/1192023/2/1202023/2/1212023/2/122

互联的设备与设备（或系统与系统）之间的用于信息交接的一部分界面，称之为接口。为了在开放式互联设备之间实行数字式信息交换所必须的一整套与设备有关的接口的机械、电气和功能要素，称为数字接口系统。标准数字接口总线系统2023/2/123在测试领域得以广泛流行的有GPIB，RS232C，CAMAC（ComputerAutomatMeasurementAndControl），VXIbus等现代自动测试系统分类如下:基于GPIB数字接口总线(也含RS232、…等):

积木式自动测试系统。基于VXI、CAMAC、PXI数字接口总线：模块式自动测试系统。基于嵌入式μp内总线：智能化仪器系统。基于多数字接口总线：多总线融合式自动测试系统2023/2/124GPIB接口1965年,Hewlett-Packard设计了惠普接口总线(HP-IB,

用于连接惠普的计算机和可编程仪器.由于其高转换速率(通常可达1Mbytes/s),

这种接口总线得到普遍认可,并被接收为IEEE标准488-1975和ANSI/IEEE标准488.1-1987。后来,

GPIB(General-PurposeInterfaceBus)比HP-IB的名称用得更广泛。

ANSI/IEEE

488.2-1987加强了原来的标准,精确定义了控制器和仪器的通讯方式.

StandardCommandsforProgrammableInstruments（SCPI)采纳了IEEE488.2定义的命令结构,创建了一整套编程命令。

IEEE488标准（GPIB），是一种在ATE系统中用来连接计算机和仪器的总线接口。一般来讲，IEEE488.1定义了硬件标准，而IEEE488.2定义了软件标准。IEEE488标准被仪器厂商广泛接受。今天，GPIB已经成为计算机与仪器间最通用的总线标准。2023/2/1252023/2/126GPIB标准接口包括接口与总线两部分。接口部分由各种逻辑电路组成，与各仪器装置安装在一起，用于对传送的信息进行发送、接收、编码和译码。总线部分是一条无源多芯电缆，用于传输各种消息，消息指的是总线上传递的各种信息。图(a)为具有GPIB接口的仪器通过GPIB总线连接起来的标准接口总线系统，GPIB标准接口系统的概述2023/2/127接口部分控/讲/听者（计算机）接口部分听/讲者（测量仪器）接口部分听者（信号源）接口部分听者（记录仪）用户编程DUT硬拷贝IFCATNEQIRENSRQDAVNRFDNDACDIO1DIO8～接口管理控制线数据挂钩联络线数据总线通用接口总线(a）1121324(b）图：GPIB标准接口总线系统及GPIB24线总线插座仪器装置接口仪器装置本身图(b)为GPIB24线总线插座外形结构。（DeviceUnderTest）为被测器件。2023/2/128在一个GPIB标准接口总线系统中，要进行有效的通信联络，至少有“讲者”、“听者”、“控者”三类仪器装置。讲者是通过总线发送仪器消息的仪器装置，如测量仪器、数据采集器、计算机等。听者是通过总线接收由讲者发出消息的装置，如打印机等。控者是数据传输过程中的组织者和控制者，通常由计算机担任。一个GPIB系统中，可以设置多个讲者、听者和控者，不允许有两个或两个以上的讲者或控者同时起作用，但允许多个听者同时工作。控者、听者、讲者被称为系统功能的三要素，系统中的某一个装置可以具有三要素中的一个、两个或全部功功能。2023/2/129基于GPIB可程控测试设备数字接口总线组建的自动测试系统，称为积木式自动测试系统,或称“迭叠式自动测试系统”。主要特点是：（1）系统组建灵活、方便，GPIB设备利用率高。（2）测试系统规模较小，如：最多不能超过15台设备，总线长度小于20米。（3）总线型连接方式，组建方便、可靠性好。（4）数据（比特）并行传输，速率较低，小于1MB/S。（5）组建成测试系统的设备资源冗余量较大。GPIB自动测试系统是小型实验室试验研究测试系统。GPIB主要特点2023/2/130总线是一条24芯电缆，其中16条被用作信号线，其余则被用作逻辑地线及屏蔽线。电缆两端是与图(b)相似的双列24芯叠式结构插头。GPIB标准接口总线中的16条信号线按功能可分为以下三组：①8条双向数据总线（DIO1～DIO8），用于传递包括数据、命令和地址等的仪器或接口消息，所传递消息的类型由其余两组信号线加以区分。GPIB标准接口的总线结构2023/2/131②3条数据挂钩联络线（DAV、NRFD和NDAC），用于控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有节奏地传输信息，这种传输技术称为三线挂钩技术。三线挂钩指的是讲者、控者、听者之间的逻辑联接与接续关系。定义如下：

•DAV(DadaValid)数据有效线：当数据线上出现有效数据时，讲者置该线为低（负逻辑），示意听者从数据线上接收数据。GPIB标准接口的总线结构2023/2/132

•NRFD(NotReadyForData)数据未就绪线：只要听者中有一个尚未准备好接收数据，该线就为低，示意讲者暂不要发出信息。

•NDAC(NotDataAccepted)数据未收到线：只要听者中有一个尚未从数据总线上接收完数据，该线就为低，示意讲者暂不要撤掉数据总线上的信息。

③5条接口管理控制线（ATN、IFC、REN、EOI和SRQ），用于控制GPIB总线接口的状态。定义如下：GPIB标准接口的总线结构2023/2/133

•ATN(Attention)注意线：该线由控者使用，用来指明数据线上数据的类型。当它为1时，数据总线上的信息是由控者发出的、用于管理接口部分工作的消息（命令、设备地址等），这时，一切设备均要接收这些信息。当它为0时，数据总线上的信息是由讲者发出的、用于完成仪器自身工作的仪器消息（数据、设备的控制命令等），所有听者都必须听。

•IFC(InterfaceClear)接口清除线：该线由控者使用，当它为1时，整个接口系统恢复到初始状态。GPIB标准接口的总线结构2023/2/134•REN(RemoteEnable)远程控制线：该线由控者使用，当它为1时，仪器可能处于远程控制状态，从而封锁设备面板上的手工操作。当它为0时，仪器处于本地工作方式。

•SRQ(ServiceRequest)服务请求线：所有设备都与这条线“线或”在一起，任意设备将此线变为低态（SRQ为1）时，就表示向控者提出服务请求，然后控者通过依次查询确定提出请求的设备。

•EQI(EndOrIdentify)结束或识别线：此线与ATN配合使用，当EOI为1、ATN为0时，表示讲者已传递完一组数据；当EOI为1、ATN为1时，表示控者要进行识别操作，要求设备把它们的状态放在数据线上。2023/2/1352023/2/136开关器开关器可程控信号发生器被测件可程控电压表可程控计数器可程控直流电源打印机绘图仪

计算机

GPIB,RS232,……

测量频率响应的自动测试系统2023/2/137美国VenableInstruments公司FREQUENCYRESPONSEANALYZER测试频率范围：0.01Hz-2.2MHz输出电压：10mVac-10Vac,±10Vdc,产生波德图(Bodeplot),尼奎士图(Nyquistplot),阻抗图测试电源设备的开环响应(OpenLoop)，观察整个系统的频域特性，并由Phasemargin、Gainmargin了解稳定性。测量元件的频域特性。2023/2/138主机：含一个可送出频率变化的扫描信号，有两个频道测量信号的变化量。控制及分析软件通过GPIB，控制主机的输出信号，并采集测量信号。2.信号处理，画出波德图，了解稳定性。信号输入变压器，扫描信号进入不同电压档位2023/2/139基于GPIB总线的GSM手机测试系统

模拟基站的综合测试仪

工控机

手机夹具电源系统中测试仪工作在信号发生模式下，模拟基站产生各种测试信号，用于对位于手机夹具上的手机的多项性能指标进行测试（1）TXpowerlevel(5～19)发射功率等级。（2）frequency频率误差。

（3）Phase相位误差。（4）RFSpectrum射频频谱。

（5）SwitchSpectrum开关谱。（6）RXSensitivity接收灵敏度。2023/2/140基于GPIB总线的温湿度综合实验系统的设计工业控制计算机通过GPIB卡与高精度数字万用表等仪器设备进行数据通信，间接完成对被试验件的数据采集；信号发生器用于提供试验件所需激励信号；频谱分析仪用于对某些试验件的输出信号或测量结果进行相关的频谱分析；I/O板和可程控开关组件完成仪器设备的通道切换和试验件的加电工作；工控机通过RS-232接口完成对试验箱内的温度、湿度控制。2023/2/141程控仪器＋标准外总线＋测控计算机=积木式自动测试系统测试功能件＋内总线＋嵌入式μP系统=智能化仪器系统将仪器中的测试功能电路板模块（插件）化，插入计算机内总线槽上，组建计算机辅助测试系统。1980年某些仪器厂家研制单卡仪器（IAC—Instruments—on—a—card），就是最早的模块式计算机内总线仪器系统。1989国际上VXIbus联合体推出“VMEbusExtensionsforInstrumentationVXIbussystemSpecification.Revision1.3”,电子测量领域内的模块式仪器自动测试系统标准总线规约VXI模块化测试系统2023/2/142VXI总线(VMEbusextensionforinstrumentation)。该总线是VME计算机总线在仪器领域中的扩展,其中VME总线是一种工业微机的总线标准,主要用于微机和数字系统领域。优点：ＶＸＩ系统具有小型便携、高速数据传输、模块式结构、系统组建灵活等特点。1998年修订的ＶＸＩ2.0版本规范提供了64位扩展能力,使数据传输率最高进一步提高到80ＭＢy/ｓ。缺点：组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。VXI总线特点2023/2/143VXI系统的组成如图所示，一个典型的VXI系统主要由VXI机箱、VXI模块（插件）、计算机及显示器等三部分组成。VXI总线测试系统的最小物理单元是组件模块(AssemblyModule)2023/2/144VXI主机箱组件模块的机械载体是主机箱(Mainframe)。与模块尺寸类型相适应，主机箱也有A、B、C、D四种尺寸可选择。

模块互连载体是主机箱的背板(Backplake)，背板与模块之间通过总线连接器衔接：三个96芯的连接器J1、J2、J3，模块上的连接器对应为P1、P2、P3。

VXI规定，一个主机箱最多有13个(0～12号)槽位，其中0号槽比较特殊，位于机箱的最左边或最底部,放置用于控制VXI总线系统的内嵌式控制器及用于连接外部计算机的翻译器和接口。VXI主机箱还为系统提供适合仪器工作要求的公用电源、冷却和电磁屏蔽环境条件。

VXI模块与主机箱2023/2/145VXI总线信号线VXI总线的组成

VXI总线是模块间信号的载体。在VME总线基础上扩展了一些适应仪器特殊要求的信号线后形成的，从功能上看，VXI总线定义的信号可分为以下几类：*VME计算机总线*仪器要求的信号线2023/2/146VME计算机总线

1．数据传输总线（DTB）

DTB由总线主模块控制，用于主、从模块之间传递数据和状态/识别信息。分为寻址线、数据线和控制线。2．DTB仲裁总线

VME总线支持多处理器的分布式系统。仲裁总线用来解决多个主模块争夺DTB总线使用权的问题，防止总线冲突。3．优先中断总线供VME总线系统的中断器（Interrupter）和中断处理器（InterruptHandler）之间进行中断请求和中断认可使用。4．公用总线为系统提供时钟、系统初始化及故障检测等功能。VXI总线信号线2023/2/147VXI增加的信号线

为适应高速、高性能仪器组件模块的需要，VXI在保留VME系统总线的基础上，新定义了一些面向仪器应用的信号线。包括：*模块识别线：检测特定位置上的模块的是否存在*时钟和同步线：CLK10和CLK100、SYN100*仪器触发线：TTL、ECL和STARX和STARY星形触发线。*模拟相加线：

SUMBUS是VXI背板上的模拟相加结点。*局部总线：用于两者之间高速通信，

LBUS数据传输率高达250Mbps和1Gbps。*电源线：+5V，+12V是VME标准；

+24V是为模拟电路设计的，-5V、2V和-2VVXI总线信号线2023/2/148VXI总线是一个开放式结构，它对所有仪器生产厂家和用户都是公开的，即允许不同生产厂家生产的卡式仪器都可在同一机箱中工作，从而使VXI总线很快就成为测试系统的主导结构。

VXI总线是面向模块式结构的仪器的总线，与GP-IB总线相比较其性能有了较大幅度提高。下图显示出典型的VXI总线仪器的构成形式。VXI测试系统构成形式2023/2/149VXI典型系统结构

0号槽：放置用于控制VXI总线系统的内嵌式控制器及用于连接外部计算机的翻译器和接口常称为0槽控制器。2023/2/1502023/2/1512023/2/152VXI系统的控制计算机及接口

需要测试控制计算机来运行用户测试应用程序、控制系统的总线操作、测试操作和数据处理。测试控制计算机可分为内嵌式和外接式两种。

1.内嵌式测试控制计算机

内嵌式测控计算机是按VXI总线规范设计的计算机模块，插入主机箱的０～４个槽位的空间。对内嵌式测控控制器(计算机)的要求是：(1)与VME总线和高性能的VXI仪器总线相容；(2)支持VME周期操作和VXI总线字串行通信协议；(3)具有０号槽服务和VXI总线系统资源管理能力；(4)还需提供通用计算机的能力。VXI测试系统构成形式2023/2/1532．外接测试控制计算机接口

外接一台通用计算机作为VXI系统的测试控制控制计算机是多数用户的选择。但通用计算机不能直接和VXI系统总线相连，因此必须设计专用的接口转换模块，如图3.20所示。通过设计这样的接口转换模块，计算机原则上可以使用任何通信或仪器总线实现与VXI总线的信息交换，如GPIB、RS232、USB、IEEE1394、LAN等。在目前VXI测试系统应用中，广泛采用的外计算机接口有以下几种：

GPIB-VXI接口,VXI-MXI接口,1394-VXI接口VXI测试系统构成形式2023/2/154

图3-20外接测试控制计算机与VXI系统的连接MXIbus(MultisystemExtensionInterfacebus)即多系统扩展接口总线,主要用于多个VXI系统间的高速通信2023/2/155表1国外的几种通用测试系统系统名称CASSJSATSCTSIFTETETSATEC6主承包商Lockheed-

MartinDMECorp.HughesNorthropGrummanMan-TecEADS用户海军(美)陆军空军(美)海军空军(美)陆军（美）海军陆战队(美)商业航空测试对象舰载航空电子系统、其它电子系统预警飞机电子系统测试制导武器导弹、鱼雷陆军所有电子系统测试维修战场前沿电子系统/板级测试波音、空中客车飞机测控计算机DECALPHAIntelPentiumProDECSableDEC工作站IntelPentiumSun工作站系统结构VXI+台式

设备柜式VXI+台式

设备柜式VXI+台式设备柜式VXI+台式设备柜式VXI箱式便携结构VXI+台式设备柜式使用年代1994年1995年1996年1995年1998年1993年2023/2/156美国国防部自动测试系统研究、开发和集成组（ARI）规划出下一代自动测试系统的体系结构即NxTestATS，作为美国国防部系统的下一代自动测试系统的标准结构，该标准的ATS结构建立在开放系统概念的基础之上，称为自动测试系统的开放式结构。该结构主要由“系统接口（SystemInterfaces）”和“信息框架（InformationFramework）”两部分组成，分别受两个主要的工业标准：IEEEP1226（ABBET，广域测试环境）和VXIPlug&Play（VPP，即插即用）的支持，在诊断信息系统方面遵循IEEEP1232（AI-ESTATE，适用于所有测试环境的人工智能交换和服务）标准。在构成分布式综合诊断系统时，则遵循TCP/IP网络传输协议。2023/2/1572023/2/1582023/2/1592023/2/1602023/2/1612023/2/1622023/2/1632023/2/1642023/2/1652023/2/1662023/2/1672023/2/168

利用计算机强大的图形工具和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板，以完成对仪器功能的控制、数据处理和分析、显示结果；则这种包含实际仪器操作、使用信息的软件与PC机结合构成的仪器，就称为虚拟仪器。虚拟仪器基本要素为：测试功能模块硬件集合体（或称是硬件平台），虚拟仪器软件包（或称操作软件平台）、计算机系统和计算机与硬件集合体的互联总线，如图所示。虚拟仪器系统2023/2/169输出信号信号输入总线操作软件平台应用软件包应用软件开发环境C、VB、LabViewLabwindows/CVI计算机系统仪器硬件平台DACDSPADCMEM仪器驱动器VXIbus、GPIB接口驱动软件虚拟仪器基本要素示意图2023/2/170

被测信号GPIB仪器串口仪器VXI模块PXI模块PC-DAQ计算机

虚拟仪器的构成方式I/O接口设备2023/2/1712023/2/172软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用开发软件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以LabVIEW为例，这是基于图形化编程语言G的开发环境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力。2023/2/173虚拟仪器（VI）是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器——模拟式仪表、第二代仪器——分立元件式仪表、第三代仪器——数字式仪表、第四代仪器——智能化仪器之后的新一代仪器。2023/2/174虚拟仪器的分类:从技术发展的角度来看，虚拟仪器走的是两条技术路