[工学]第13章 自动测试系统.ppt

第13章 自动测试系统,13.1 GPIB的自动测试系统 1.GPIB系统的组成及工作原理 (1)GPIB自动测试系统的组成 GPIB是为分立式仪器及系统互连设计的一种开放式通用计算机接口总线， GPIB接口是组建自动测试系统的国际标准接口。所谓自动测试，是指在计算机的管理下，由计算机执行预先编制好的测试程序，对各种物理量进行自动测量、数据采集，并对数据进行分析和处理，或者对原始测量数据进行误差分析和校正，完成测量结果的传输、存储、显示或输出打印等操作。,GPIB自动测试系统通常由测试用计算机或带有GPIB接口卡的通用计算机、程控测量装置、被测物理对象和相应的接口系统等组成。 GPIB是一种位（bit）并行、字节（byte）串行的接口系统，采用异步通信方式，最高数传速率为1Mb/s。总线上最多允许连接15个器件（含控制计算机），该限制是由总线驱动能力（最大48mA驱动电流）决定的。数据通过总线电缆传输路径的总长度规定不超过20m，每两个器件之间电缆一般为2m。,2.GPIB控制器 (1) GPIB系统中的控制器仍然是一台微型计算机或工作站，可以是专用的，也可以是通用的。其主要特点是具有GPIB接口，并至少提供五种GPIB接口功能，即控者（C）功能、听者（L）功能、讲者（T）功能、源方挂钩（SH）功能、受方挂钩（AH）功能。,2.典型的GPIB接口硬件电路,3.GPIB自动测试系统软件构成 软件是实现自动测试的最终手段和直接体现，是测试系统中最重要的环节。按作用层次，自动测试系统软件构成可划分为计算机操作系统、测试编程开发环境以及测试应用软件，如图13.5.1所示。,但是，上述编制方式存在明显的不足： 要求测试人员至少掌握一种测试语言及基本的软件编制方法； 要求测试人员对系统中涉及的各种接口标准、通信规范有足够的了解和认识； 由于测试仪器不断发展、更新，促使编程人员不断熟悉浩繁的仪器手册、查阅千变万化的程控代码； 测试系统稍有变化，不得不全面修改原有软件或编制新的应用程序，测试软件的开放性、可重复性、可扩展性差。,近几年，随着计算机软件技术的不断发展，一个新的概念在各行各业被提出，这就是“软件的自动生成”。其基本思想是为用户提供一个“毋需编程”的环境，用户藉此可以方便地开发自己的应用。其目标就是为测试人员提供一个具有良好的操作界面，包含仪器控制、数据分析与处理、结果报告生成等一系列工具的集成化软件开发环境。,由于这类测试软件自动生成环境基本上都是通过用鼠标器连接图标的方式来实现测试应用程序的，所以常被称为图形化编程软件、图形化编程工具、可视化测试环境等。它们具有如下特点： 良好的用户界面。 具有完善的数字分析、处理、图形显示、结构报告等功能。 具备开放的仪器驱动软件库（IDS）。 有丰富的接口驱动软件。 一般采用以下两种方式生成测试软件： 代码生成方式。 流程框图（Block Diagram）方式。,4.组建GPIB系统的产品 组建GPIB自动测试系统的产品可分为三大类: 程控仪器类。它由带GPIB接口的各类程控仪器组成，近年来推出的稍高档的产品都带有PIB接口，所以这类产品数量最多。 控制系统类，主要包括GPIB控制器及其配套软件或驱动器和测试系统生成平台，这一类是所有组建GPIB自动测试系统所必需的产品。 测试软件开发平台类,13.2 VXIbus仪器模块 1.VXI仪器模块 (1)GPIB-VXI转换器,2.内嵌式VXI总线控制机 典型的内嵌式控制机用现代封装技术将微型计算机装入一个VXI模块中，具有台式PC的全部功能，同时还包括处理VXI总线操作的接口门阵列和定时接口控制器，以及用于GPIB控制的IEEE488.1/ IEEE488.2的专门电路，从而构成一个完整的自带硬盘、软驱的高性能计算机系统。BIOS放在驻留的RAM中，更加快了程序的执行。 内嵌式计算机与VXI总线的接口是用64kb的硬件窗口结合页寄存器来实现的，并可在一种VXI总线地址空间（A16、A24、A32）之间进行切换。,内嵌式控制机通过前面板上的GPIB插座对外部仪器实现全面的GPIB控制，这种GPIB控制与IEEE488.2完全兼容，这对于在工业上采用可编程仪器的标准命令（SCPI）是十分重要的，任何用IEEE488.2编写的软件都可在该内嵌式控制机上运行。 软件方面，内嵌式控制机按结构包含基础软件和系统软件两个层次。基础软件又有两种： 面向VXI总线的接口软件和面向GPIB仪器的IEEE488.2 驱动软件，这两种基础软件都适用于DOS和Windows环境。,VXI总线接口软件包括资源管理器，交互式VXI总线资源编辑程序，用于VXI总线编程的总线接口程序综合库，用于与VXI总线交互作用及学习的控制程序。 VXI总线接口软件还可用来控制多个VXI主机的系统配置，这种配置利用了与VXI总线国际协议主机扩充要求相一致的总线扩充器，如VXI-MXI和VXI-MXI主机扩充器。 VXI总线的基础软件接口通过多种硬件平台和操作系统实现标准化。这种标准化有利于将来的发展。,(3)开关模块 开关模块是组建VXI系统必不可少的、最重要的模块之一。开关提供测试系统与待测件（DUT）间的接口，它将测试信号、电源、控制线送入送出DUT，是测试系统组建中至关重要的部分。 开关使昂贵的仪器做到最小化，当密度增加时，这点尤其重要。例如，一个电压表可以用来测试DUT上的一系列不同的测试点，也可以用在同一测试点上做多种不同的测量。 开关简化了系统的校准、自检和诊断等任务。将源仪器（如脉冲发生器）的输出接回到检测仪器（如计数器）的输入端，可用来检验仪器的开关的操作，也可监测电缆及互连的影响。,由于引入了通道阻抗、热偏置、电感和电容（信号信号和信号地），开关设备减弱了信 号，这可能在高频信号间、电源线和低电平信号间产生不必要的串扰。这种信号减弱在电缆互连中的表现尤为突出。因此，在系统初期设计中就应该考虑到这种因素并使之最小化。 开关和连接器的寿命有限，并可能引入一些错误。开关操作要花费时间，根据开关元件不同，这个时间从几毫秒到几百毫秒不等，它将降低系统的吞吐率。另外还要折中考虑节约其他测试设备、减少系统的数目，以及系统的多样性等因素。,开关的拓扑结构 单刀单掷开关（SPSD）和单刀双掷开关（SPDT）是最基本的开关结构。它们既可以单独使用，也可以构成复杂的开关网络。将多个受同一信号控制的开关元件集成到一个开关包构成多线开关，因为多个开关元件一同封装，可降低因温度引起的误差。 浮地测量中的双线开关、保护测量中的三线开关和四线阻抗测量中的四线开关都属于这种开关。多路器用来将多个信号送给一个器件，多数情况下一次只有一个信号送到器件上，其主要优点是信号通道中开关元件最少，成本低。,二元梯（Binary Ladder）是一种常用的开关组成形式，因为每个时刻只有一个元件被连接，它保证了安全传输，并隔离了电容及所有无用信号通道的反射，是高频应用时的良好选择。 全矩阵开关允许任何两点互连，是开关拓扑中最灵活的一种。但是它也有一些较严重的缺点：首先是信号整体的损耗，随着开关矩阵的增大，电容、串扰反射和阻抗不匹配会显著增加，与多路系统相比，带宽明显降低；第二是它需要更多的继电器，这不仅增大了成本也增加了出错率；第三是安全性，因为矩阵中每个点可与任意其他点相连。,开关元件技术 单个开关元件主要有电磁机械继电器和固态继电器两种。电磁机械继电器是靠电流通过电磁线圈产生引力让两片金属接触，从而在物理上实现开和关的；固态继电器则是利用半导体器件，通过控制栅极和漏极间的电压让两者间的电阻达到最小或最大，从而起到开关作用的模拟加法总线：为相加总线，任何模块都能驱动或接收它的信息，也可使各模块输出叠加，合成复杂的波形信号。,电磁机械开关在闭合时有电流流过金属接点，而断开的瞬间会有小火花，长期开闭会磨损金属触片。固态开关利用半导体原理让电流在PN结上流动，它没有物理接触，因此寿命较长。 在热漂移方面两种开关元件也有较大的差别。电磁机械开关的两片金属一般很难具有完全相同的金属特性，因此热电势较高。而固态开关的开闭不靠金属接触，除了没有噪声外，热电势也较小。对于测量温度的开关，选择固态开关较好，因为开关元件的热电势越低，温度测量越准确。,电磁机械开关由于开关和线圈是分开的，因此比较容易抗静电泄放，而固态开关则相反，因此在设计固态开关时一定要加金属氧化物电阻来保护其免受静电破坏。 电磁机械开关在断开时完全没有电流通过，不会有渗漏电流，而固态开关无法做到完全和机械式断开一样，这是其主要缺点之一。但是先进的固态开关可以做到只有数纳安（nA）渗漏电流。固态开关的栅、源极（G、S）之间会有一个较大的电容，电流大时会产生串扰。在精确的高速自动测试中，消除串扰是很关键的，固态开关在克服高频串扰方面比电磁机械开关困难，尤其在1MHz以上工作更是如此。,在开关网络设计中降低电子噪声 开关网络可能产生或放大噪声。噪声可能是因为开关网络内部的驱动电路、开关间的温度不平衡、或信号通道间的耦合而产生的，也可能是由外部网络传入或耦合进来的。尽管所有的系统都存在噪声，但对开关网络显得特别严重，因为开关网络中信号高度集中，出错的可能性更大。减小噪声的方法和措施是多种多样的，接地和屏蔽是最主要的方式之一。,对频率低于1MHz或低电平信号，一般采用单点接地。并行的单点接地结构更好但也更复杂和更难布线；如采用串行的单点接地结构，临界点应该放在主接地点附近。对频率超过10MHz的信号采用多点接地系统，对110MHz之间的信号，如果最长的地线返回路径小于波长的1/20，则也可以采用单点接地系统。在上述所有接地系统中，应保证尽量小的返回路径阻抗和电感。,多数系统至少应该有三个独立的地。第一是信号地，它又可进一步细分成低电平信号地和数字信号地；第二是噪声性硬件（诸如继电器、马达和大功率设备）的地；第三是机壳地，交流地通常也接到该地上。,噪声屏蔽涉及电容性耦合和电感性耦合，在导线周围增加一个附加的屏蔽装置可以有效防止电容性耦合，如使用同轴电缆和连接器，在印制板上设计微波条状线，以及使用特殊的同轴继电器。减小环绕区域是防止电感性耦合最有效的方法，对低于几千赫兹的信号，采用双绞线方法就能获得良好的效果。对电磁信号采用非屏蔽双绞线，对电磁敏感和电容敏感信号则应采用屏蔽双绞线。,高电平信号和低电平信号要尽可能地分开。应该仔细检查包括电缆、连接器的引脚，甚至开关模块内部连线在内的整个信号路径，所有没有使用的线都要接地并布置在敏感信号路径之间。 开关网络一般是电缆和连接器的总和。电缆电容的大小随着其长度的增加而增大，因此在满足维修和工作空间要求的前堤下，电缆应尽可能短。也可以用无源补偿网络减小总的电缆电容的大小，匹配的电缆长度要在实际中严格测试。为减小噪声，高电平信号和低电平信号不要公用电缆，不用的连接器要接地，电缆屏蔽点要控制在自己的连接器引脚上。,13.3 LXI总线技术简介 目前，有三个发展趋势在推动测试行业的进程：第一，要有系统就绪的硬件，即模块化的产品，可以很快构建一个系统。第二，要有基于标准的与PC兼容的输入输出接口，以及输入输出驱动程序，局域网及互联网等。第三，要有灵活的软件解决方案，不论客户需要的是Excel界面、还是文字界面都可以给客户灵活的选择。国际LXI（LAN eXtension for Instrument）联盟就是迎合了这个变化而产生的。,自动测试系统一般包括用于测试的一台或多台仪器、主控计算机和测试软件、测试夹具及系统总线。系统总线就像是中枢神经系统，负责控制指令和测试数据的传送。在自动测试领域，总线技术经历了从GPIB、VXI、PXI，直至目前的LXI这几个阶段。 LXI的出现以成熟的以太网技术为基础，是在测试自动化领域中应用的拓展。其具体的设想是将非常成熟的以太网技术用到自动测试系统中，以替代传统的测试总线技术。 LXI为高效能的仪器提供了一个自动测试系统的LAN模块式平台，无论是相对GPIB、VXI还是PXI 、LXI都将是未来总线技术的发展趋势。,从客户的角度出发，首先需要降低系统集成的成本和复杂性，采用容易使用的人机界面；在保证系统紧凑的同时保证仪器的性能和兼容性，减少复杂的连线；希望有多种高速的触发方式和高速的I/O，还要非常容易地发现系统故障；在编程的时候使用自己最熟悉的软件，利用通用的PC接口和总线，而不是昂贵的测试测量专用接口和总线。,与传统的卡式仪器相比，LXI模块化仪器具有许多优点： 集成更为方便，不需要专用的机箱和0槽计算机； 可以利用网络界面精心操作，无须编程和其他虚拟面板； 连接和使用更为方便，可以利用通用的软件进行系统编程； 非常容易实现校准计量和故障诊断； 灵活性强，可以作为系统仪器，也可以单独使用。,另外，由于LXI模块本身配备有处理器、局域网（LAN）连接器、电源供应器和触发输入，因此它不必像模块式卡槽那样必须使用昂贵的电源供应器、背板、控制器及MXI插卡和接线。 LXI标准要求LXI单元支持IEEE802.3和TCP/IP标准，提供一个一致的应用方式以便于用户使用。这样， LXI就提供了一个新的自动测试系统的架构，从而克服了传统架构的复杂低效的控制方式。 LXI仪器能够有更快的速度和更为简单的编程方式。,作为开放的PC标准的中央部分，LAN成为未来发展的基础。由于LAN取代了GPIB，其他接口要通过简单的I/O转换器才能实现相互连接。现在可以提供LAN到GPIB和USB到GPIB的转换器，有很多产品已经拥有内置的LAN接口。新的LXI规格提供的控制功能将进一步强化这些功能。 LXI能提供三种触发方式：LAN触发（网络触发）、IEEE1588触发和LXI触发总线。 LXI仪器的结构特点是LAN的新型网络化仪器模块， LXI仪器模块基本结构由虚拟仪器和高速LAN组成。,13.4 USB 仪器简介 1.概述 USB接口在测量仪器中确实是简单方便和低成本的互连技术，它特别适用于较高速率的数据采集和传输场合。传统的和PC平台的数据采集系统卡需要占用ISA或PCI插槽，以及从插卡引出至传感器的大量线缆，数据采集量增加时会受PC插槽数目、地址、中断等硬件和软件资源的限制，导致可扩展性较差，抗电磁干扰性能低，安装拆卸困难，成本高等。随着PC配置USB接口和数据率的提高，以及USB接口芯片价格的下降，使USB接插件和电缆比较便宜，由于大量USB数据采集系统的出现，一定会促进USB接口更大的发展。,2. USB测量仪器 在USB 2.0发布后， USB测量仪器从数据采集向数字多用表、数字示波器、逻辑分析仪、任意波形发生器、数字化仪器、协议分析仪等方面发展，形成多种多样的体积小、移动轻便、价格实惠、性能适中的一类测量仪器。 目前， USB仪器在中低档测量仪器中最受用户欢迎，形成一类USB仪器而进入测量仪器主流。 USB仪器属于普及型的产品，它以即插即用和经济实惠而进入测量仪器市场，它的机械构件（如连接器、线缆）和