（控制理论与控制工程专业论文）智能电子测试系统应用研究.pdf

摘要 智能测试系统是计算机技术与自动测试技术相结合的产物。与计算机技术的结合 成为测试和仪器发展的主潮流。随着无线电电子学的发展及其在各方面的应用日益广 泛，对电子测量技术和电子仪器系统提出愈来愈高的要求，在大规模集成电路的研制 和生产中，使用智能电子测试系统实现人工测试无法解决的工作。智能测试系统正沿 着计算机化、标准化和网络化趋势发展。 本课题来源是国家2 “工程重点实验室建设。本文首先讨论了电子测量技术及智 能测试系统的基本概况、原理和发展趋势。然后，从接口技术、输入输出技术、虚拟 仪器技术等方面具体讨论了智能电子测试系统的组件技术。以h p 8 6 4 8 a 信号发生器 和a g i l e n te 4 4 1 l b 频谱分析仪为基础，就智能信号发生测试系统和智能频谱分析测试 系统的基本特点、内部工作原理和结构、实际使用功能等进行了具体分析和讨论，并 重点研究了此两种测试系统的应用编程和应用设计实现。利用g p i b 标准总线通讯( 或 r s 一2 3 2 串行通讯) 及a g i l e n t 接口卡和软件，实现仪器与p c 机的数据通讯，从而实 现以此两仪器为核心的智能电子测试系统的组建和开发。并为高校电工电子和通讯实 验教学开发和设计了一系列的演示性实验以及电子仪器性能的测试实验。 关键词； 智能屯子测试系统智能仪器频谱分析仪信号发生器g p i br s 。2 3 2 a b s t r a c t i n t e n e c t u a lt e s t i n gs y s t e mi sap r o d u c t i o nc o m b i n i n ga u t ot e s t i n gt c c h n i q u e 、 ，i m c o m p u t e rt e c l l i l i q u e w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n di n c r e a s i n ga n dw i d e 印p l i c a t i o no f 、i r c l e s s e l e c t r o n i c s ，t h er e q u i r c m e n t sa r em o r es e r i o u s ，s u c ha si nv e r yl a r g ei n t c g r a i e dc i r c u i t p r o d u c ea n ds t u dy ，i tc a nn o tb ea c h i e v e db ym a n u a lt h a tu s i n gi n t e l l e c t u a lt e s t i n gs y s t e m i m p l e m e n t st h et e s t c o m p u t e r l i z a t i o n ，、n o r m a l i z a t i o n 、 n e t 、v o r k l i z a t i o na r em et h f e em 勾o r t r e n do f d e v e l o p m e n to f m ei m e l l e c t u a l t e s t i n gs y s t e m t h eq u e s t i o nc o m e s 矗o mt h ec o n s m l c t i o no ft l l em a i nl a b o r a t o r yo fn a t i o n s2 l l p r o j e c t i nt l l i st e x t t 王1 eg e n e r a ls i t u a t i o n 、t h e o r ya n dd e v e l o p i n gt r e n do fi n t e l l e c t u a l i n s t r u m e n t 孤di n t e l i e c t u a it e s ts y s t e m i sn r s t i yt a l k e da b o u t s e c o n d ，t h eg r o u p w a r e t e c h n o l o g yo fi n t e l l e c t u a le l e c t r o nt e s t i n gs y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a nmt h ea s p e c to f i n t e r f 如et e c l l n o l o g y 、1 0t e c h l l o l o g y 、v i r t u a li n s e n tt e c l l f l o l o g y a r e n v a r d s ，i ti s a n a l y s i s e da n dr e s e a r c h e dm i n u t e l yt h a t t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c 、t l l ei n n e rm n m n g p r i n c i p l ea n dc o n f i g u r a t i o n 、t h ep e r f b r m a n c eg u i d e l i n eo fm ei n t c l i e c t u a ls i g n a lg e n e r a t i o n t e s t i n gs y s t e ma n di n t e l l e c t u a ls p e c 协l ma n a l y s i st e s t i n gs y s t e m ，a n dm ep m g r a m m i n ga n d d e s i g n i n go ft l l e s et w ot e s t i n gs y s t e mi sa i s or e s e a r c h e de s p e c i a l l y u t i l i z i n gg p i bs t a n d a r d b u s ( o rr s 一2 3 2s e r i a lp o 川，a g i l e n ti n t e r f k ec a r da n ds o f t w a r ei m p l e m e n t sm ed a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n di n s t r u m e n t s ，a n dt h a ti s 也eb a s i c 矗a m e w o r ko fa i l i n t e l l e c t u a lt e s t i n gs y s t e m i no r d e rt ot a k ef u l la d v a n t a g eo fm i ss y s t e m ，e x p e r i m e m so f e l e c t r i c s ，e l e c h d n i c s ，a n dc o m m u m c a t i o nc a nb ed e m o n s t r a t e d 姐dd e s i g n e d k e y w o r d s ：i n t e l l e c t u a le l e c t m n i c t e s t i n gs y s 岫 1 l s p e c t r m na n a l ) 咒e r g p i b 2 i m e l l e c t u a li n s n l l l l l e n t s i g n a lg e n e r a t e r r s 一2 3 2 中南大学硕上学位论文 第一章智能电子8 试系统概述 第一章智能电子测试系统概述 1 1 课题研究意义及主要研究内容 本课题来源于国家2 l l 工程重点实验室建设。信息科学与工程学院电工电子基础 教学实验中心，是校级基础教学实验中心，是面向全校文、理、工科本科生的电工电 子基础教学实验基地、电子综合训练基地、全校大学生电子科技活动基地和电类专业 课程教学实验基地。电工电子基础教学及实验，也是国家教育部评选优秀教学学校重 点考核的基础课程之一。学院一直以来非常重视实验室的建设，几年来引进了许多先 进的实验仪器和设备，其中包括安捷伦公司的e 4 4 1 1 b 频谱分析仪和a g i l e n t8 6 4 8 a 信 号发生器。这些先进的智能测试仪器肩负着教学、科研、测试三大任务。如何把这三 者有机的结合起来，尤其是如何把智能仪器运用于教学，是我们面临的最大课题。 现代科技的进步以计算机的进步为代表，正以不可逆转之势从各个层面上影响着 各行各业的技术进步。伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在 电工电子测量技术领域的应用，测量仪器依次经历了指针式仪器、数字化仪器、智能 仪器和虚拟仪器的发展。现代高科技的实验教学实验室应是利用这些先进的智能测试 仪器和虚拟仪器技术培养高质量、较强动手能力、分析能力的新一代大学生。 本课题的研究内容首先研究智能仪器的使用和开发，结合实际的使用编写h p e 4 4 “b 频谱分析仪和a g i l e n t8 6 4 8 a 信号发生器的使用手册和操作指南，以计算机为 中心组建智能电子测试系统、实现系统内数据的通讯和完成实际的测量测试任务，利 用智能仪器系统开发演示性的学生实验、对其它电子仪器的性能测试、研究开发通讯 产品等等，创建一个高精度、宽频带电子系统的测试实验室。 1 2 电子测量技术及测试仪器 由于无线电电子学、微电子学及计算机技术的迅速发展和密切结合，电子测量已 经成为测量学极其重要的组成部分。现代测试技术都将测量数据送入计算机处理，各 种非电参量，如光学参量、力学参量，乃至医学参量、生物学参量都力图先转换成电 参量来测量。因而，电子测量技术是组建各式自动测试系统的基础。 1 2 1 电子测量的特点 电子测量由于测量对象繁杂，测量范围广，因此具有以下的一些特点1 1 】i 【1 6 l ； ( 1 ) 精确度要求不同：电子测量中由于具体测量对象以及测量的频程和量程的不 同，其所能达到的精确度也可能有很大差别。 ( 2 ) 量程和频程范围宽：电子测量包括光频以下从3 i o “h z 到直流的整个电磁频 谱，即使同一电磁参量，在不同频段的测量时，所用的方法和器具往往也有很大的差 别。随着新技术的发展，电子测量仪器正在向宽量程、宽频程方向发展。 中南大学硕士学位论文 第一章智能电子测试系统概述 ( 3 ) 影响量众多，影响特性复杂：测量系统外部干扰如电源电压波动、外部温度变 化、电磁波、噪声等都会影响测量结果。此外系统本身的某个工作特性的变化也可能 会对另一工作特性发生作用，从而影响测量结果。所以在电子测量中必须严格控制测 量环境及其条件，并根据不同测量要求采用正确的测量和连接手段。 ( 4 ) 自动化、智能化：计算机技术进入测量领域后大大提高了电子测量的智能化和 自动化程度。测量仪器智能化能充分利用计算机的计算、存储功能实现间接测量的目 的，从为数不多的直接测量结果中求得其他有关参数的量值，从而实现多功能测量。 另外智能化仪器具有很强的数据处理、自动校准、自动故障诊断的功能，还可进行程 控操作。测量自动化不仅可以极大的提高测量速度，完成人工难以胜任的测量任务， 而且也可以避免因漂移温升等不良影响引起的系统误差，易于进行大量重复的测量， 因此能大大提高测量精度。 1 2 ，2 电子测量技术的分类 在一个电子测量系统中，使用刁i 同的信号作为激励信号，就应该有不同的分析方 法来讨论系统内诸量之问的关系，并建立测量的根据。在电子技术中，最基本的电信 号有五个类型：直流电信号，正弦电信号，脉冲电信号，随机电信号和数字电信号。 如果把直流电信号视为零频率正弦电信号，则能作为电子测量系统激励的电信号还有 四个类型。为此，根据激励信号的不i 司，电子测量技术可分为正弦测试技术，脉冲测 试技术，随机测试技术，数字测试技术。本论文中主要讨论正弦测试技术和随机测试 技术。 正弦测试技术是用幅值随时间按正弦规律变化的电信号作激励，从频率变化的观 点对被认为是线性系统的被测系统进行测试。也即是在频域内研究被测系统的传递特 性。所以正弦测试技术又称为频域测试技术【2 】。 7 1 2 3 通信测量及其特点 作为电子测量的一个重要分支通信测量技术和仪器也随着现代通信技术的飞 速发展而快速发展，目前全世界用于通信测量的仪器占电子仪器的5 0 以上。通信测 量技术和仪器的发展将直接影响到现代通信技术的发展及通信质量的提高。通信测量 手段的现代化已成为通信技术现代化的重要条件和明显标志。 当前新的通信方式和手段不断出现，整个通信系统和通信网向数字化、宽带化、 智能化和个人化方向发展，这都给通信测量提出了新的要求，使通讯测量技术和手段 不断的更新。所以除了具有电子测量的一些共有特点之外，通信测量还具有以下特 点： ( 1 ) 频率范围宽，包括从直流至光波的全部信号，其需要测量的频率范围涵盖整个 电磁频谱。 中南大学硕士学位论文 第一章智能电予测试系统概述 ( 2 ) 灵敏度高，动态范围宽，精度高。在通信网中，信号经过长距离传输后，信号 电平变得很低。而信号电平与噪声电平之间，要求相差1 0 4 以上，所以要有高精度、 高灵敏度、多量程、宽动态范围的测量技术。 ( 3 ) 按照有关标准和规范进行测量。为了保证通信的畅通，必须从全程全网的角度 来考虑，要有统一的标准和规范。在通信设备的安装、开通、运行、检修过程中，技 术人员要通过测量来保证设备在规定指标下正常运行。 ( 4 ) 测量速度快，有实时检测手段。通信网中很多通信设备以及电源系统都是不间 断连续运行的。除了在安装、验收以及故障检修后要进行中断业务的测量外，日常维 护的主要手段是在线监测。另外通信系统中信息传输速率不断提高，设备中广泛使用 均衡、补偿等电路，所以通信测量要能实现快速、自动的在线测量。 1 2 4 电子测量仪器 信号发生器、示波器、电压表、频谱分析仪等电子测量中所用的通用仪器都可以 用于通信系统的测量。常用的专用通信测量仪器有光谱分析仪、光万用表、数字传输 分析仪、噪声干扰测试仪、移动通信综合铡试仪、g s 6 f i 移动台和基站测试仪、网络测 试仪等等。 下面介绍几种常用的通信测量仪器： 信号发生器：能对普通信号源输出的正弦波信号具有调制功能。信号发生器输出 的信号是带信息的。添加信息的方法有很多种。基本的信号发生器有调幅删、调频f m 、 调相p m 的功能。更高级的信号发生器有脉冲调制和i q 调制能力。现代信号发生器能产 生模拟和数字调制信号来测试现代通讯接受器及设备。 频谱分析仪：频谱分析仪是在频城内研究信号各频率分量的振幅分布情况。能对 信号通过系统产生的非线性失真、调制信号的参数及信号的频谱纯度等进行测量。是 一种图形显示仪器，直观、清晰。现代的频谱分析仪，能和计算机相联网，接受计算 机控制，输出高精度的数字测量结果，便于计算机对测量数据进行处理和计算。因此， 现代频谱分析仪是一种直观、形象、高精度的频域测试仪器【7 1 。 网络分析仪：是研究线性系统的一种重要仪器，用来测量一个线性系统的振幅传 递特性和相移特性。工作频率低于1 0 兆赫兹的低频网络分析仪，实际上是个相位 仪表和电压表的组合测量装置。网络测试仪正在向多功能、小型化发展，以便现场施 工和运行维修使用。如h p j 2 3 0 0 di n t e r e n ta d v i s o rw a n 和j 3 4 6 6 di n t e r e n ta d v i s o r l a n 允许选择不同接口与模块，捕捉与分析各种网络数据流。在网络的研制开发、工 程安装和日常维护检测中部需要用到网络测试仪。主要的网络测试仪有局域网测试 仪、广域网测试仪以及协议分析仪。这些仪器都能对网络进行监测和管理，测试网络 任何点的流量数据，测试各种网络设备如路由器、交换机、工作站的性能。但局域网 中南大学硕士学位论文第一章智能电子测试系统概述 测试仪只能测试以太网和atm 嘲，而协议分析仪有不同的接口适配器和支持包括 帧中继、x 25 、is dn 、atm 、dxt 等各种广域网协议，既可用于测试局 域网，又可用于“域网和atm 等多种网络测试。 1 2 5 电子测试技术的发展趋势 电子测试及通信测试面广量大，信号复杂，指标各异，但其共同点和发展趋势 是： ( 1 ) 不管什么通信系统，其测量要求总是包括系统内发送部分，接收部分，通道及 其部件的测试以及系统测试等内容，所要测试的各种指标大部分是以频率( 波长) 及 电平( 功率) 为主进行定义的。 ( 2 ) 测试设备的智能化程度正在提高，由于测试参数的分析性要有智能分析软件， 从原始数据直接得出各种测量参数，并且要考虑与网络系统相结合，有局域网接口 以方便将测试数据下载到数据库、电子数据表和质量分析包中，使测试数据得到充分 利用。 ( 3 ) 由于通信技术发展迅速，往往一种新技术刚付之实用，更新的技术就已经推 出，而通信测试仪器相对比较昂贵，考虑投资费用问题，仪器开发商必须考虑测试 设备软件化，测试软件能升级以适应技术上的平滑过渡，若干种通信设备兼容并存 的状态。 ( 4 ) 许多通信技术还在发展之中，有的标准尚未成熟，相应的狈4 试技术也在不断地 发展，新的测试方法有待研究开发。 1 3 智能电子测试系统及其发展 在人工参与情况下能自动进行测量、数据处理并以所需方式输出测试结果的系统 称为智能测试系统。智能测试系统是计算机技术与自动测试技术相结合的产物。由于 计算机有高速的数据处理能力、控制能力和大信息存储功能，它与测量技术相结合便 开拓了测量科学和测量技术崭新的领域，促进了测量技术的大发展和大革新1o 】l n j 。 带微处理器或微机的各种测量装置及智能仪器均具有智能测试系统的基本特征， 故它们都属于智能测试系统范畴。 一、 1 3 1 智能化仪器仪表! 仪器的功能在于用物理、化学或生物的方法，获取被检测对象运动或变化的信息， 通过信息转换和处理，使其成为易于人们阅读和识别表达的量化形式，或通过显示系 统进一步信号化、图像化，以利观测、入库存档，或直接进入自动化、智能化运转控 制系统。仪器是一种信息工具，起着不可或缺的信息源的作用。仪器技术是属于信息 技术领域的，仪器工业是信息工业的重要组成部分【4 j 【6 】口 1 3 1 1 仪器仪表及其发展历程 中南大学硕士学位论文第一章智能电子测试系统概述 第一代仪器仪表是指针式的，如实验室中至今还在使用的指针式万用表、电压表、 电流表、功率表等。这些仪表是基于电磁测量原理并用指针来指示侧得值。 第二代仪器仪表是数字式的，这类仪器仪表适应于快速响应和高精度的要求。目 前这类仪器仪表已很普及，如数字电压表、数字功率计、数字频率计等。这类仪表的 基本原理是将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字显示或者打印最终结 果。 第三代仪器仪表：智能化仪器仪表。2 0 世纪7 0 年代初期，随着大规模集成电路 制造技术的发展，人们发明了微处理器芯片。3 年之后，美国便开始出售安装有微型 计算机的分析仪器，例如h p 5 8 3 0 a 色谱仪。从此仪器仪表的设计中几乎没有不考虑采 用微型计算机的。又可细分为两个阶段。第l 阶段：利用计算机增强传统仪器的功能。 由于g p i b 总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过 g p i b 和r s 23 2 同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统 性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器已成为一种趋势。第2 阶段：开放式 仪器的构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡( p l u g i n p c d a q ) ；二是v 仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放， 消除了第1 阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别【3 】。 第四代仪器仪表：虚拟仪器( v i ：v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 框架得到了广泛认 同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起 来。许多行业标准在硬件和软件领域产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可，并逐渐 成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们已认识到虚拟仪器软件框架才 是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。 1 3 1 2 智能化仪器仪表的基本组成 微处理器是智能仪器的核心，它和测试电路组成一个有机的整体。固化在只读存 储器内的程序是仪器的灵魂。系统采用总线结构，所有外围设备，包括测试电路和r o m 、 r a m 都挂在总线上，微处理器按地址对它们进行访问。当测试电路完成一次测量后， 微处理器读取测量数据，存入读写存储器中并进行数据处理。最后以各种方式输出， 如显示、打印或送给系统的主控制器等。、 1 3 1 3 智能仪器的发展现状 量程的自动选择：智能化仪器不同于常规的仪器，其量程选择是通过软件来完成 的。所以具有元件少、可靠性高、转换速度快、灵活方便，能实现更为复杂的控制等 优点。 增益的自动转换；传统的仪器仪表在被测参数变化范围较大时，山于采用了固定 增益，可能是信号溢出或是电路过载，降低了测量精度。而智能化仪器中放大的增益 中南大学硕士学位论文 第一章智能电子澳j 试系统概述 可以自动切换和调节，从而保证了系统始终工作在最佳电平区域内。 零点漂移自校正：测量中最常见的问题就是长期工作时的不稳定性和零点漂移。 这主要是由于传感器和放大器的零漂造成的。在智能仪器中，利用计算机对由于这种 零漂而造成的误差进行自动补偿和修正，或对放大器的增益进行自动调整。从而可在 不采用高成本的电子元器件的情况上解决零点漂移问题1 8 j 。 提高信噪比：利用计算机强大的计算和数据处理功能，用软件的方法去除噪声。 控制测量过程及对测量数据的自动和实时的处理和分析：通过在智能仪器上的计 算机来实现 自诊断和容错技术：能及时处理所发生的故障和问题。从丽提高了仪器的稳定性 和可靠性，降低了对使用环境的要求，提高了抗干扰能力。 测量过程的自动化和实时控制。 将人工智能与仪器的智能化相结合：虽然还处于初级阶段，但随着人工智能的发 展，这必将推动仪器的智能化向更高的阶段发展【9 】。 实现i n t e r n e t 接入：是当前智能仪器仪表系统发展的热点领域和重要方向。i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) 在系统可编程技术对于实现智能仪器仪表系统基于 t c p i p 协议的i n t e r n e t 接入具有重要的意义。利用i s p 技术，能够使得仪器仪表的 硬件系统不再是纯粹的固定结构，而是具备某些软件特性的灵活结构，甚至可以在运 行状态下根据需要重新配置功能【l m 。 1 3 1 4 智能仪器的一般特点 微处理机化：智能仪器几乎都带有微处理机及其相应的微程序。微处理器在测 量仪器中的使用可以说是测量技术上的一个飞跃，是赋予仪器智能特性的核心。由于 使用了微处理器，一台仪器便可在不增加或仅需少量的硬件的条件下大大的增强其功 能。 接口的标准化和可拨动地址开关：各国生产的智能仪器大多带有标准的接口系 统，采用i e e e 4 8 标准。智能仪器的后面板上配置了一组可拨动的地址开关。使用者 可以方便的将仪器听讲地址设置为任何希望的数字( o 3 1 ) 记忆功能：由于配置了存储器，大多数智能仪器都具有记忆功能。操作者不仅可 以很方便的通过面板控制或程序将仪器的工作状态，甚至测试数据存贮在指定的存储 器中，而且在需要时还可以方便的调用存储器的内容。 数据处理功能：具备数据处理功能是智能仪器最突出的特点。智能仪器不再是简 单的获取数据，而是可以对数据进行某些处理，以给使用者提供更多关于被测事件的 信息，还能改善测量的准确度和对测量结果进行再加工。智能仪器对测量结果进行在 线处理，不仅方便、快速，而且可避免主观因素干扰；再则，软件方式的数据处理可 6 中南人学硕士学位论文第一章智能电了测试系统概述 执行多种算法，即可实现各种误差的计算与补偿，且能校准测量仪器的非线性。从而 降低测量误差，明显提高测量准确度。智能仪器对测量结果进行再加工，从而又提供 出若干表征被测划象各种特性的信息参数1 2 j 。 测量过程控制的软件化：引入微机或微处理器时测量过程改由软件控制后，仪器 的硬件结构变得简单，体积与功耗均减小，可靠性提高、灵活性增加，而且自动化程 度更高。在软件控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，仅改变软件即可。这 是传统的纯硬件式仪器所不及的。 多功能化：上述特点大大增加了智能仪器的测量功能。 1 ，3 2 智能仪器组成的智能测试系统 为了完成更为复杂的测量任务，常采用由r s 2 3 2 通信接口总线和i e e e 一4 8 8 接口 总线将多台不同智能仪器连在一起形成智能测试系统。r s 一2 3 2 通信接口总线和 i e e e 4 8 8 接口总线的特点和功能将在第二章中详细介绍。 但是，在这类测试系统中，往往有多个重复的部件或功能单元。例如，在一个 i e e e 一4 8 8 仪器系统中可能包含微机、逻辑分析仪、数字示波器、智能数字多用表、频 谱分析仪和网络分析仪等多台带g p i b 接口的独立式智能仪器。它们都有c i h 、键盘 和存储器等部件。因此，在利用台式、便携式甚至机架叠层式智能仪器组成测试系统 时，势必造成资源浪费、成本过高【2 “。 1 ，3 3p c 仪器系统 将传统式独立仪器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器卡，而仪器所 需的键盘、g r t 和存储器等均借助p c 机的资源，就构成了p c 仪器，又称模块式仪 器。p c 仪器智能测试系统则是由多块不同功能的仪器卡、插卡机箱和一台微机的有 机组合。与智能仪器系统相比，此系统具有体积小、重量轻、价格低和便于携带等优 点。但是，这种模块式仪器系统因各生产厂家自己定义总线而无统一标准，因此不同 厂家的产品兼容性差，结果是用户在组建测试系统是难以在不同厂家中进行配套选 择。加之着众多总线系统的电性能不能满足军事、航天等部门的更高要求，故改善p c 仪器系统的性能并使其标准化势在必行。 1 3 4v x ib u s 仪器系统虚拟仪器系统 v x i b u s 仪器系统是一种标准总线式模块仪器系统，一般由微机、v x i b u s 模块和 v x i b u s 机箱组成。若干仪器模块插入v x i b u s 机箱，便构成了v x i b u s 仪器系统。v b u s 仪器系统是个微机、软件技术和测量系统的有机结合体，在v x i b u s 仪器系统中， 高性能的微机处于核心地位，传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代 替，为指挥微机化仪器及其系统工作。虚拟仪器的出现，彻底突破了过去仪器由生产 厂家定义、制造而用户无法按自己意愿改变的传统模式。用户可以完全根据自己的需 中南大学硕七学位论文第一章智能电子测试系统概述 求设计仪器系统，以满足多种多样的引用需求。借助利用微机资源形成的虚拟仪器， 可大大突破传统仪器在数据的处理、表达、传送、存储等方面的限制，获得传统仪器 无法比拟的效果。 v x i b u s 仪器及其系统和p c 仪器、i e e e 一4 8 8 仪器及测试系统一起，已在超大规 模集成电路测试、通信及测试、模拟电路数字电路测试、现代家用电器测试、印制板 电路混合信号电路测试、电子元件电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、 t j 测试、电工技术领域等的可移动式现场测试工作中得到广泛的应用口】。 1 3 5 智能测试系统作为先进的测量手段，具有以下特点 高速度：由于整个测量过程是在事先编制的程序管理下自动完成的，测量速度一 般比人工块5 0 1 0 0 倍。 高精确度：由于采用自动校准技术，可对测量结果进行误差修正。测量速度高， 还可进行多次重复测试，用统计平均的方法提高测量的可信度。测量速度快，诸如环 境变化，温度漂移等剥钡0 量结果的影响也降低到很小的程度。 多功能和多参数测量：由于由计算机，因面能计算出很多二次型参数。 高重复性：由于进行的每一次测量都是按同一程序控制进行，避免了人为操作的 误差，重复性一致性高。 自适应处理能力：测量数据经过一定的自适应算法处理，给出被测系统的控制信 号，能实现对一些过程的自适应处理。 自校准和自诊断：般智能测试系统都有自校准和自诊断能力。利用标准元器件 实行机上校准，自动给出误差因子修正测量误差。 操作简便：由于测量过程是程序操作，测试人员只需接入被测件和按电键，无需 测试员具备高深的理论和熟练的测试技巧。测试设计主要是编制测试程序。 在智能测试系统中，为要完成各式各样的测试任务，要求被选作系统部件的各种 设备能做到标准化和规格化。智能测试系统的标准化反映在两个方面：其一是系统内 传递的消息类型及表达方式应该规范化：其二是系统部件的接口部件必须标准化。这 些标准都要已正式文本的形式加以确认，使之成为国际化的专业标准。 8 中南大学硕士学位论文第二章智能电子测试系统组建技术 第二章智能电子测试系统组件技术 2 1 接口技术 近些年来，智能测试系统经历了许多变化，而系统中接口系统已从专用的逐渐发 展成为通用的接口系统，通用性对于一个接口系统来说是最为重要的，要把不同国家， 不同厂家生产的设备( 包括仪器、仪表、计算机) 互相连接在一起，构成一个自动测 试系统，就需要各个厂家的产品具有相同的接口协议，即对接口的电气性能、机械尺 寸、信号传输形式以及功能四个方面都需要有统一的规定，实现标准化【5 l 。从而使通 过这种办法定义的接口适用于范围广泛的测试仪器，同时也使构成一个完整的自动测 试系统所需要的附加工程减少到最低限度，下面是几种典型的接口总线。 2 1 1 s 一1 0 0 标准总线 s 1 0 0 标准总线是微处理机系统内部的标准总线，由1 0 0 条电源线和信号线组 成，其中7 5 个引脚的名称和功能有明确定义。9 个有名称而没有详细规定，1 6 个未 定义，用户可以自定义。s 1 0 0 总线原来是为使用8 0 8 0 微处理器的c p u 而设计，现 已为其它微处理机所采用，这种标准总线原来叫做a l t a i r b u s ，1 9 7 6 年命名为“s 一1 0 0 b u s ”，被称为“工业中最有用的标准总线”，早已被美国电子与电气工程师协会( i e e e ) 所采纳，并规定为i e e e 69 6 标准。s 一1 0 0 总线的信道长度小于l 米。 2 1 2 c a m a c 接口总线 随着自动测试系统的迅速发展，插件仪器开始普及，但控制和连接方式五花八门， 达不到标准化。唯一有影响的插件仪器总线是c a m a c 接口总线，它是专门为核子 测量仪器而设计的，当时只对机箱、插件和连接器的尺寸，以及插件底板的互连引脚 和引线的作用作出规定【2 0 l 。因此，c a m a c 是一般的仪器互连总线，7 0 年代后逐渐被 其他总线所取代。 2 1 3e i ar s 一2 3 2 c 串行接口总线 e i ar s 一2 3 2 c 标准的全称是e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s 0 c l a t i o n r e c o m m e n ds t a n d a r d 2 3 2 c ，即电子工业协会推荐标准。r s 一2 3 2 c 是连接c r t 终端和调制解调器时的一种串行接口总线，其信道长度小于1 5 米。与现在常用的 i e e e 4 8 8 接口比较，其串行信息传输慢，但距离较远，而且传输信号线少，结构简单。 然而，它实际上并不是仪器总线。虽然大多数微机都装有r s 2 3 2 通信接口，因而也 可以作为仪器控制器使用。但是，它不能区分识别仪器，亦即不能构成仪器系统。r s 2 32 最突出的优点是作为通信接口，它能够通过调制解调器在电话网络上长距离( 最 长2 0 0 米) 传输数据。 r s 一2 3 2 c 实质上是个2 5 脚的标准连接器，其所有连脚的规定和对各种信号的电 9 中南大学硕士学位论文 第二章智能电子测试系统组建技术 平规定都是标准的，因而便于与微机或其他外部仪器连接：它适用于两台仪器设备间 作一对一的双向或单向、同步或异步串行通信，是一种当今常用的串行通信接口总线 标准。一般的微机化仪器均带有r s 2 3 2 c 接口。 2 1 4 i e e e 一4 8 8 接口总线 美国电子与电气工程师协会( i n s t i t u t i o no fe l e c t r o na n d e l e c t r j c a le n g i n e e r s l 简称i e e e 。 i e e e 一4 8 8 接口是i e e e 规定的一种仪器标准接口，信道总长度不超过2om ，最 高传输速率不超过lm b ”e s s ，连接仪器不超过15 台。美国h p 公司最先研究这个 接口，最初用于可程控的台式仪器间互相连接，所以又叫“ i p 标准接口”，1 9 7 5 年被 美国国家标准局( a n s i ) 采纳，定为美国国家标准，后被国际电工委员会 f i n t e r n a t l 0 n a le l e c t r o n t e c h n i c a lc o m m i s s l 0 n ) 采纳，定为i e c 一625 标准。因其使用和传输广泛，故又叫g p i b 接口( g e n e r a lp u r p 0 s ei n t e r f a c e b u s l 。 4 8 8 总线由载有t t l 电平信号的16 条信号线组成，其中8 条为数据总线，用 于双向传输数据和总线命令；8 条用于控制和建立同步交换信息操作，包括数据有效、 未准备好接收数据、未收到数据等指令，它们用于协调不同工作速度的仪器间的信息 传输：管理总线共5 根，分别用于传送接口消除、注意、服务请求、远地工作、结束 或识别等管理信息，以完成对连接在外部总线上的仪器的控制。g p i b 有收、发、控、 源呼叫、受者应答、服务请求、并行点名、远地，本地、仪器触发和仪器清除等l o 种 接口功能，它们相互配合，用以完成总线系统内各种信息的传送。g p i b 接口总线标 准要求智能仪器间只采用专用的总线互连，这样使智能测试系统构成灵活、方便、兼 容性好，且费用较低；并可进行双向、异步、互锁式数据传送，并广泛兼容不同速度 的仪器设备。最核心的信息交换技术叫做“三线挂钩”，能确保收发双方信息高速传输 而不丢失。数据传输控制总线i e e e 一4 8 8 接口总线的通用性大大促进了测量仪器和测 试系统的发展，迄今为止，国际上许多仪器公司已生产出大量带有i e e e 4 8 8 接口总 线的测试仪器。这些测试仪器被广泛使用，并且在今后相当长的一段时间内，还会继 续使用【1 8 。 2 1 5v x i 系统总线 所谓v x i 总线( v m eb u s e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n 融盯1 0 n ) 是指 v m e 总线对于仪器的扩展，其定义基于已在数字计算机环境中广为适用的v m e 总线， 它把计算机总线与仪器总线合为一体。v m e 总线提供的高速数据率，对高性能仪器 而言是非常理想的。同时它为诸如挂钩、总线仲裁、触发、中断等功能提供了必要的 背板结构。 l o 中南大学硕士学位论文 第二章智能电子测试系统组建技术 v x i 总线仪器系统颇具p c 结构特色和v m e 总线特色，与在电子仪器领域经受 了多年实践考验的g p i b 紧密地结合起来，实现了计算机控制模块化仪器系统的新构 想，因此，v x i 总线系统的确切叫法应是“计算机控制模块化仪器系统”。 v x i 总线仪器引来了自动测试系统a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ) 划时 代的变化，它符合信息时代的大潮流，虽不属于技术上的重大突破，但却是观念上的 一大飞跃。它全面、深刻的影响并且改造了传统a t e ( 不管是“专用”的还是“通用” 的a t e ) 。在接口与总线方面，v x i 总线综合了p c 机总线速度高的特点和g p i b 总 线精度高的特点，优势互补，提高了总线总体性能。在软件方面，v x i 总线仪器系统 既充分利用了p c 机的通用软件、操作系统、高级语言和软件工具，并同步升级，又 充分吸收继承了g p i b 沿用的4 8 8 1 、4 8 8 2 和程控仪器标准命令s c p i ，创造了一个 从程控仪器标准命令、仪器之间信息交换到系统操作运行程序高度统一的软件环境。 为了充分利用已有资源，v x i 总线仪器系统开发了与其它总线体系连接和转换模 块，这就使得v x i 总线系统具有巨大的包容性，可与任何总线系统的仪器或系统联合 工作。v x i 总线仪器系统的成功之处在于：最大限度的标准化，涉及到a t e 的各关 键环节；开放式结构，体现在硬件和软件上。总之，v x i 确实给我们带来了i e e e 4 8 8 不能提供的优点及特点，高速模块到模块通信和同步，并允许v x i 应用在诸如高速 数传和数字测试的场合。而且，经过一段时间的努力，v x i 总线系统已成功地利用于 微波频段。 2 1 6 p x i 系统总线 p x i 模块仪器系统( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n n 盯1 0 n ) 提供了和台式 p c 机联系的简便的使用方法，融合了仪器和计算机的系统，把实际的仪器水平提高 了。它为用户在数据采集、测试和测量的高效率方面创造了更多的机会。强大的p 模块系统仪器，直接受益于台式p c 机硬件和软件发展。简而言之：它具有和p c 机 同样的软件。p x i 模块仪器系统的心脏是高速p c i 计算机结构和微软视窗软件，它是 当今主流桌面计算机的事实上的标准。 p x i 总线是p c i 计算机总线的仪器扩展，而v x i 总线是v m e 计算机总线的仪 器扩展，p x i 总线与v 总线有不少相似之处，例如均为开放式规范，均采用标准机 箱并可形成多机箱系统，均可使用嵌入式控制器，都能利用多种优秀的操作系统和开 发工具等等。同v x i 系统比较而言，p x i 系统的优势在于机箱和模块体积更小、数 传速度更快，但p x i 机箱插槽数目、电源品种和提供的最大功率均低于v x i 系统相 应指标的上限值，且尚未被l e e e 定为正式标准，缺乏仪器领域最有影响厂家的充分 支持，因此其发展和应用受到一定的影响【2 0 j 。 2 1 7 e e e l 3 9 4 总线及u s b 串行总线 中南大学硕士学位论文第二章智能电子测试系统组建技术 l e e e l 3 9 4 总线是由苹果电脑公司在1 9 8 9 年设计的高性能串行接口总线，后被 i e e e 接受，目前标准为i e e e l39 4 1 9 9 5 ，i e e e l39 4 总线目前的传输速率为l0o 、2 oo 和4 0o m b i t s ，s 。将来可以到3 2 g b i t s ，s 。它具有两对信号线和一对电源线，可 以用任意方式连接63 个装置。由于采用非归零的低电平差分信号传输司。以得到很高 的数传率，可以等步或异步传递，特别适用于动态画面等视频信号的传输。这种专门 用于大量数据传输的串行接口是专为诸如数字相机、硬盘等设计的。 u s b 总线与i e e e l39 4 总线的工作原理大致相同，能连接l27 个装置。它的 电缆更加简单，只有一对信号线和一对电源线，工作于最高i2mb i t s s 的中等速度。 它轻巧简便、价格便宜，比较适用于传递文件数据和音响信号，目前不少新生产的p c 机已装配了这种接口，它与i e e e l39 4 总线工作于不同频率范围，可相互配合，相 得益彰。以上两种总线的突出优点是具有热插拔性，可以自动识别、自动组态，实现 即插即用，与并行总线比较，更适合于连接多外设的需要。已被p c 业界接受为以后 p c 机必各的接口总线。 综上所述，v x i 总线仪器系统的思路符合信息时代的要求，它通过标准化的开放 结构，把单机与系统、硬件与软件、制造厂与用户的关系规范化。它的思想已被数十 个国家、众多的制造商所接受。目前已有了千余种v x i 产品。v 将全面冲击并逐 步取代g p i b 仪器。v 将迅速冲击传统的通用a t e ，也将对传统的集成电路测试系 统提出挑战! 当然这种“冲击”、“取代”有一个发展过程。这是因为v x i 总线最 初的软件未作规定，而控制方式完全与i e e e 4 8 8 兼容，因此，目前还是两者共同构 成自动测试系统。 2 2 输入输出技术 2 2 1 模拟输入 多路 转换 开关 m u x 图2 一l 模拟输入通道的工作方式 模拟输入通道的作用是将由传感器送来的模拟量进行电平转换、滤波、采样保持、 中南大学硕士学位论文 第二章智能电予测试系统组建技术 放大、模数转换之后，输入微处理器中。模拟输入通道由滤波器、放大器、采样保 持器、模数转换器等组成。在智能仪器系统中设置滤波器及放大电路的作用是将由 传感器检测出的信号经滤波、放大之后，使其最终能产生标准电压或标准电流输出。 ( 1 ) 滤波器 在采集系统的前端设置硬件的滤波器，目的有两个：其一是为了在前置放大器之 前，预先抑制部分信号干扰，以免和信号一起被放大，可以有效的提高信噪比，其二 是压缩频带，限制到小于o f s ( 采样频率) 的范围内，以免引起频率折叠的“假象信 号”。由于信号和干扰噪声在时域上混合在一起，但是在频域上二者各自有不同的特 性。一般的讲，有用信号的频谱总是有限的，而噪声频率要宽的多，甚至在高频端仍 有很大值。如白噪声，其频谱几乎占有整