（通信与信息系统专业论文）mi自动测试系统的开发.pdf

中文摘要阳4 试技术与科学研究密切相关，在这些领域中的作用越来越大本文、7对自动测试技术的作用、自动测试技术的发展历程以及我国自动测试发展的现状进行概述，并详细介绍了自行设计、开发的一套专门用于研究磁性材料薄膜磁阻抗( m i ) 特性的自动测试系统本文按照系统开发过程组织文章，包括系统分析、系统结构设计、系统详细设计和系统实施几部分，对系统开发中的每一部分进行了说明，并且重点对m i 自动测试系统中的关键部件进行详细的分析包括对测试探头部分的硬件设计；对自适应滤波和l m s 算法进行的详细推导，给出了算法步骤和部分源程序；对计算机与仪器之间的通信进行了分析并给出了实现方案：对系统中的同步技术分析了其机制和实现方法。ff 通过对系统调试分析，该m i 自动测试系统的灵敏度达到了l，7 3 4 8 m ，它的线性度非常好，基本上能够满足了科研的需求，系统运行稳定，数据采集准确，用户界面良好为科研工作提供了测试条件，节省了测试时间和费用，取得了一定的经济效益、j- -关键词m i 厂、动测试系统g p i b 标准接口一自适应滤波jl m s一，算法a b s t r a c tt h e r ea r ec l o s er e l a t i o n sb e t w e e nt h et e s t i n gt e c h n o l o g ya n dt h es c i e n t i f i cr e s e a r t h 。t h et e s t i n gt e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c h 。i nt h i sp a p e r ，w eg i v eas u m m a r yo f t e s t i n gt e c h n o l o g ya n dt h ec o u r s eo fi t sd e v e l o p m e n t ，a n dt h e nw ed e s i g naa u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mf o rt h er e s e a r c ho f t h em i ( m a g n e t o i m p e n d e n c ee f f e c t ) o f t h em a g n e t i cf i l m s i nv i e wo ft h es t e po ft h ed e v e l o p m e n to fas y s t e m ，w ed i v i d et h i sp a p e ri n t o4u n i t s ：s y s t e ma n a l y z i n g 、s y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g n i n g 、s y s t e mt h o r o u g hd e s i g n i n g 、s y s t e mi m p l e m e n t i n g 。w eg i v ead e t a i la n a l y s i so fe a c hu n i t s s u c ha st h ed e s i g n i n go ft h eh a r d w a r e 、a d a p t i v ef i l t e r i n ga n dt h el m sa r i t h m e t i ci nt h ep r o c e s s i n go f t h ed a t a 。t h i sp a p e ra l s os u p p l i e st h es t e po f t h el m sa r i t h m e t i ca n ds o m es o u r c eo ft h ep r o g r a m m e 。i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dt h ea p p a r a t u s ，a n da n a l y z et h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yi nt h i ss y s t e m ，a l s og i v et h em e t h o do fr e a l i z i n gt h e m a f t e rd e b u g g i n gt h i ss y s t e ma n da n a l y z i n gt h ed a t a ，t h i ss y s t e mh a st h es e n s i t i v i t yo f7 3 4 8 加a n di t sl i n e a r i t yi sa l s 。v e r yg o o d s ot h i ss y s t e mc a nm e e tt h en e e do ft h es c i e n t i f i cr e s e a r c hw o r k t h i ss y s t e mh a sav e r yc o n v e n i e n tu s e ri n t e r f a c e ，c a ng a t h e rd a t aw e l la n dt r u l y 。u s i n gt h i ss y s t e m ，u s e rc a ns a v eal o to f t i m ea n dm o n e yi nt h er e s e a r c h k e yw o r d s ：m ia u t o m a t i c 、t e s t i n gs y s t e m 、g p i bs t a n d a r dc o n n e c t o r 、a d a p t i v ef i l t e r i n g 、l m sa r i t h m e t i ci i容绪论本章介绍了自动测试技术的一些基本知识和本课题的主要研究内1 1 测试技术的作用“43科学技术和生产实践与测试技术密切相关。古代有用“立竿见影”来测量时间，今天有各式各样的自动测试系统。可以说没有测试技术就没有今天的科学技术，没有测试技术就没有今天的繁荣昌盛测试技术的作用可以从以下三个方面进行说明：一、测试技术的发展促进科学技术水平的提高科学技术的发展促进测试技术的发展，反之，测试技术的发展又促进科学技术水平的提高，这种相辅相成的关系推动了社会生产力不断前进。中国的秦始皇，罗马的凯撒大帝采用全国统一的度量衡器，推动了社会生产力的发展，这是众所周知的历史事实如果说，这种关系历来存在的话，那么，现代科学技术和现代测试技术的关系比任何时候更为密切诚然，现代测试设备是科学研究的成果，但是，离开测试，科学技术也难发展中国有句古话：“工欲善其事，必先利其器”用这句话来说明测试设备与科学发技术的关系是很恰当的这里，所谓“事”就是科学技术，而“器”则是测试设备翻开科学技术史就会看到，许多重大的科学研究成就几乎与某种新的试验测试仪器的诞生息息相关1 6 6 5 年，虎克利用光学显微镜观察软木拴，首先发现了细胞，促进了生物学的发展；伽利略发明了望远镜，发现了一颗又一颗的新星历史上许多诺贝尔奖金获得者，就是由于发明了重要的科学实验装置而成功的例如1 9 2 7 年威尔逊发明了云雾室，使人们看到了粒子运动的轨迹，从而对物质结构的认识大大前进了一步；1 9 3 7 年劳伦斯发明了回旋加速器，不需要很高的电压就把粒子加速到具有很高的能量，揭示了原子核的秘密，使核物理有了重大发展；格拉色发明了气泡室：卡波尔发明了全息照相，等等第1 贞二、在科学技术高度发达的时代，先进的测试系统所起的作用越来越大7 0 年代中期丁肇中在西德的m a r k - j ( 证实胶子存在的试验) 中，采用了当代最先进的自动测试系统一n i m 系统和c a m a c 系统其中n i m 系统有3 0 0个插件，c a m a c 系统有2 0 0 个插件，仅电缆长度就达万余米三、测试技术应用广泛现代工业、农业、国防、教育、医疗、交通、贸易等等，各行各业都在应用各种各样的测试技术，都急迫需要更先进的测试技术。从产品质量检测到医疗病菌检测，从雷达扫描到环境监测，哪里都离不开测试技术没有现代化测试技术，四个现代化是难以实现的。1 2 什么是自动测试系统随着科学技术的发展，对电子与仪器的要求越来越高测试项目和测试范围与日俱增，测试对象也逐渐复杂，测试参数的逐渐增多，测试速度和测量精度的要求不断提高，这就使得传统单机单参数手工测试已经不能适应科学研究和社会生产的需要，迫切要求测试技术不断改进与完善由于电子计算机的发展，大规模及超大规模集成电路的问世，尤其是2 0 世纪7 0 年代初微处理器的出现，给电子测量带来巨大的冲击和影响仅仅两年左右，就生产出了通用仪器与微处理器相结合的新型仪器，因为它能完成人的一部分智力劳动，故称为智能仪器但是智能仪器并不等于自动测试系统如果在一个系统中，有多个智能仪器并有分工，但是不包含作为中央控制和处理的计算机，则只能称为具有分布式智能的测试系统在系统中包含一台计算机或可编程控制器，用来协调系统中各可程控的测量仪器，才能真正构成一个自动测试系统通常把以计算机为核心，在程控指令的指挥下，能够自动完成某种测试任务而结合起来的测量仪器和其它设备的有机整体称为自动测试系统“”，简称a t s ( a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) 本课题研究的m i 自动测试系统是用于磁性材料薄膜的磁阻抗效应测试的系统即研究磁性材料交流磁阻抗随磁场变化特性的自动测试系统一般自动测试系统应包括五个部分“”：i 控制器，主要是计算机，如小型机、个人计算机、微处理机、单片第2 贝机等，是系统的指挥、控制中心。2 程控仪器、设备，包括各种程控仪器、激励源、程控开关、程控伺服系统、执行元件，以及显示、打印、存储记录等器件，能够完成一定的具体的测试、控制任务。3 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，包括机械接插件、插槽、电缆等。4 测试软件，为了完成测试任务而编制的各种应用软件例如，测试主程序、驱动程序、i o 软件等。5 被测对象，随测试任务不同，被测试对象往往是千差万别的，由操作人员采用非标准方式通过电缆、接插件、开关等与程控仪器、设备连接1 3 自动测试系统的发展历程“4 1自动测试系统的研究工作，从20 世纪50 年代中期就开始了。从其发展过程来看大致经过了4 个阶段。第一代自动测试系统，采用了计算机或者其它逻辑、定时电路进行控制常见的有数据采集系统、自动分析系统等等第一代自动测试系统的特点是各种设备及其接口是非标准化的，各种仪器采用自己的专用接口，系统的通用性和互换性非常差第二代自动测试系统，采用标准接口、总线系统，将测试系统中各种器件之间按规定的形式连接在一起。具有代表性的是c a m a c 标准接口系统和i e e e 4 8 8 标准接口系统。第二代自动测试系统的优点是按照标准接口设计的仪器很容易组建成一个测试系统，并且互换性和通用性比较好但是出现了一些部件的冗余，比如计算机、频谱仪、示波器、网络分析仪都有显示器部分，这是一种资源浪费，并且它们之间的容错性不是很好第三代自动测试系统，又称之为个人仪器系统将各种仪器微型化，做成插件形式，以通用计算机为核心，再配以应用软件来完成测试任务。最初的插卡式仪器是把卡直接插入微机上的总线插槽内，这种个人仪器系统虽然结构简单、方便，但是难于满足重载仪器对散热和电源的要求，解第3 贞决屏蔽和地电流引起的噪声也较难，还不能同时连接较多的个人仪器插件19 8 4 年左右出现的插卡式仪器系统，是从个人计算机向外引出扩展箱或者扩展底扳，在它上面插入多个仪器插件扩展箱提供与地隔离的电源，还常设有总线驱动器、接收器，以满足电源要求和使仪器部分避开了个人计算机的噪声环境像现在的v i x 总线系统、以及现场总线系统都属于这一代自动测试系统这种个人仪器系统的功能虽然与以前的测试系统相比有很多优越性，但是这种方式的缺点是仪器插卡部分受到计算机类型的束缚，系统性能和功能取决于p c 仪器模块的功能，比如仪器模块的存储和传输功能等同样也存在资源浪费问题，各种仪器模块中有一些功能模块是相同的，比如，串并转换、a d 转换等等这些都是一种浪费第四代自动测试系统，叉称之为虚拟仪器系统“3 】，它利用计算机的强大功能，结合相应的硬件，用软件来实现仪器的功能。虚拟仪器系统有很高的灵活性，用户可以通过软件来定制仪器的功能，对仪器的功能和性能进行升级。虚拟仪器的性能价格比很高虚拟仪器中硬件是虚拟仪器工作的基础，主要功能是完成对被测试信号的采集、传输和显示测量的结果等软件在虚拟仪器中非常重要，虚拟仪器能否成功地运行，仪器的功能和性能好坏，在很大程度上依赖于虚拟仪器的软件虚拟仪器系统是当前自动测试系统比较热门的话题，国内外有不少厂家和科研单位在研究和生产虚拟仪器的产品，比如a g il e n t 、n i 等国外公司，国内有重庆大学都推出了自己的产品1 4 我国自动测试系统的发展现状“2 3国内自动测试系统起步较晚，但是发展迅速6 0 年代停留在多点巡回检测阶段，1 9 73 年开始研制以小型机为中心的数据采集、处理系统，1 9 7 7年后在风洞、发动机研究单位使用，取得良好效果1 9 7 8 年底，我国第一台计算机控制f f t 实时信号分析系统诞生，这一成果标志着我国仪器系统走上数字化、自动化、多参数化、多量程、多功能和快测速的道路，跨进了7 0 年代初期的国际水平。8 0 年代，由于微型计算机在我国得到广泛应用，各类型号的自动测试系统相继出现19 9 0 年4 月，长征运载火箭把同步卫第4 页星准确无误地送到预定位置，宣布我国西安卫星测控中心进入世界先进行列最近几年，国内很多大学和厂家在研究现场总线系统和开发相关的产品；在虚拟仪器上进步也很大，重庆大学已经推出了相关的产品1 5 磁性材料m i 特性测试现状一2 2 1国内外很多科研机构和高等院校都在研究磁性材料的阻抗特性从文献知道这些科研单位对磁性材料阻抗的测试基本上是使用a g il e n t ( 原来的h p 公司) 的阻抗分析仪或者是网络分析仪，再加上专用的测试探头( 夹具)和相应的测试软件，比如h p4 i9 4 a 、h p 4 2 9 4 a 、h p 4 3 9 5 b 和h p 4 3 9 6 a 等这些仪器固然很好，也能够完成磁性材料的阻抗特性的测试，但是这些仪器的价格非常昂贵，比如8 p 4 2 9 4 a 在美国的大约价格$ 3 5 0 0 0 ，这还不包括购买专门的测试夹具计算机接口板和开发应用软件的费用1 6 课题来源与主要研究内容本课题是一个国家自然科学基金资助课题的子课题根据实际研究情况，本课题主要研究在利用现有设备的基础上开发一套交流磁阻抗自动测试系统，以满足科研需要，包括部分硬件的设计和应用软件的开发第5 贝第二章i i 自动测试系统分析与结构设计本课题的内容是利用现有资源，自己设计部分电路搭建一套m l 自动测试系统首先将分析这个测试系统需要哪些功能，然后根据要求设计出该系统的硬件结构、软件结构并介绍其功能及该系统的_ t - 作过程。2 1 系统功能需求分析对磁性薄膜磁阻抗的测试一般是先不加磁场测出膜片的阻抗z 。，然后给膜片加匀强磁场再测出它的阻抗z 。，计算出掣。实际薄膜的直流厶o电阻一般是几个欧姆，给薄膜加栽的交流信号的频率一般从几百k h z 到十m h z 左右从文献还知道一般磁性薄膜的磁阻抗随加载信号频率的变化是缓慢的由此提出该系统的性能指标如下：1 系统可产生1 0 0 k h z 到1 0 m h z 左右的正弦波信号，输出幅度在5 0 m v p p 到1 0 0 m v p p 之间，输出阻抗5 0 欧姆。2 能够检测出磁性薄膜两端交流电压的微弱变化，这种微弱的变化是磁性薄膜阻抗随磁场变化而产生的3 能够进行自动采集所加载正弦波信号的频率从1 0 0 k h z 到1 0 m h z ，需要采集的数据很多，并且需要多次测试，手动采集和记录很费时间，也不太现实4 有一定的数据处理能力包括数据的计算和保存两个方面的能力同时还对系统提出了如下基本要求：1 、系统要求运行稳定可靠2 、要求实现计算机和仪器之间的同步，由计算机控制整个系统中软硬件之间的同步第6 贝2 2 现有资源分析该系统的设计和开发是在现有的硬件资源的基础上进行的。要做到最大程度地利用现有资源现对已有的硬件设备进行分析。i 、函数信号发生器”1h p3 3 12 0 a ，是美国h p 公司生产的15 m 合成函数信号发生器，它能够产生任意波形。配有g p i b 接口和r s2 3 2 接口，其中g p i b 符合i e e e4 8 2 标准，并且支持s c p i ( 可程控仪器标准命令) 能够产生1 0 种标准波形，正弦波的频率范围是10 0 h z 到15 m h z ，在5 0 q 负载的情况下幅度从5 0 m v p p 到1o v p p h p3 3 12 0 a 能够用来产生10 0 k h z 到1 0 m h z 的正弦信号2 、数字万用表“1k e i t h l e y2 0 0 0 ，这是美国吉时利公司生产的高性能6 位半数字乃- ) l l 表，有l3 种测量功能。配有g p i b 接口和r s 2 3 2 接口，其中g p i b 符合i e e e4 8 2 标准，并且支持s c p i ( 可程控仪器标准命令) 数据采集快，通过g p i b 接口，在6 位半模式下，可达每秒读取5 0 个数据。在4 位半的模式下每秒最多可读取2 0 0 0 个数据。频率响应范围3 h z 至5 0 0 h z k e i t h l e y2 0 0 0 不能直接用来测试薄膜上的电压幅度信号，因为其频率响应范围不够宽3 、直流电源n p s10 0 1 0 直流电源，北京大华电源厂生产能够输出0 到1 0 0 v 之间的直流电，它的直流电流输出范围是0 到1 0 a n p s1 0 0 1 0 可以用来驱动准亥姆赫兹线圈，产生匀强磁场4 、i n t e l 兼容计算机一台c p ui n t e lp 1 6 6 ，内存6 4 m b ，外部存储器容量1 2 g b + 2 i g b ，有i s a 插槽。不选用更高级计算机的原因是现在计算机主板上都不带i s a 插槽，并且对于这样一个系统来说这种配置的计算机已经足够了5 、g p i b 接口卡及电缆“22 1a t - g p i b t n t ( p l u ga n dp l a y ) 是美国n i 公司生产的，符合i e e e4 8 8 2 标准，与计算机的接口标准是i s a e i s a ，有即插即用功能，g p i b 接1 ：7 卡及电缆是该系统的纽带，是仪器之间以及计算机与仪器之间进行数据交换的通道a t g p i b t n t ( p l u ga n dp l a y ) 的最大传输速率是1 6m b y t e s s ( 在4 8 8 2 标准下) 、或1 5m b y t e s s ( 在4 8 8 1第7 页标准下) g p i b 接口系统是该系统中一个非常关键的部件，在下面将进行比较详细的介绍6 、亥姆赫兹线圈能够产生匀强磁场2 3g p i b 标准接i = 介绍自动测试技术将计算机、软件技术、智能仪器、总线与接口等技术有机结合起来，其中接口技术是非常关键的。在这个系统中涉及g p i b 标准接口，下面对其进行介绍g p i b 技术的实质是自动测试系统中设备互相通讯的一个协议，最初由美国h p 公司研制，已经成为一个国际化标准协议，并被广泛应用至今有许多名称，如i e c - 6 2 5 ( 国际电工委员会公告) 、i e e e4 8 8 1 ( 美国电子电器工程师协会) 、g p i b ( 通用接口母线) 、h p i b ( h e w l e t tp a c k a r d 公司) 等等。习质上称为g p i b 标准接口，故本文也采用此名称1 、g p i b 接口总线的基本概述下图是一个典型的g p i b 自动测试系统图中方框表示器件，器件的属性有控者、讲者、听者3 种，实际上器件可以有一种或几种属性方框右边的信号线是g p i b 接口总线g p i b标准规定了1 6 根信号线，根据信号线在消息传递过程中所起的作用不同，可以把它们分成输入输出线、管理线和挂钩线三组图中数据线为o l o l d 1 0 8 ，用于传送系统的数据和信息该组线上传送数据方式是字节串行，位并行，双向异步三条挂钩线是指d a v ( 数据有效线) 、n r f d ( 未准备好线) 、n d a c ( 数据未接收线) ，系统中数据的发送方和接收方通过三条挂钩线进行联系，控制数据线中传送数据的节奏，保证数据的准确传输过第8 贞程5 条管理线分别是a t n ( 注意线) 、i f c ( 接口清除线) 、r e n ( 远控使能线) 、s r q ( 服务请求线) 、e q i ( 结束或识别线) g p i b 总线上传递的消息( 数据) 可以分成两类，一类是为完成测试任务所需要的实质性信息，如测量仪器的控制命令以及测量得到的数据等，称之为仪器消息；另一类是为了完成上述仪器消息的传递，而使总线上各器件处于适当状态的接口管理消息，称之为接口消息由于仪器消息和接口消息都是利用数据线来传递的，故专门用一根单线a t n 来区分，当a t n = i时，数据线上传递的是接口消息，当a t n = o 时，数据线上传递的是仪器消息g p i b 接口通常有三种工作方式：控者、讲者和听者三种方式而控者又被分为系统控者和责任控者两种只要责任控者才能控制a t n 线并发出接口消息来控制总线上各个部件的接口状态在同一时刻，总线上只能有一个部件进入责任控者状态，但是责任控这是可以放弃责任控者地位，把控制权交给系统的其它器件与此同时，系统只能有一个部件具有系统控者的功能，其作用是控制单线消息i f c 和r e n 当i f c = i 时，就初始化总线上所有器件的接口状态，称之为接口清除。若发单线消息r e n = i ，则允许系统中的有关器件进入远端控制工作方式，称之为远端使能这里远端控制是指仪器受来自总线的控制消息的控制，而本地控制是指仪器受仪器面板上控制按钮的控制一般来说，当仪器处于远端控制状态时，除了面板上的p o w e r 按钮以及r e m o t e l o c a l ( 远端控制本地控制) 切换按钮起作用外，其它的按钮都不起作用g p i b 接口的讲者和听者方式在a t n = o 的情况下，发送和接收仪器消息的能力g p i b 系统工作的典型过程是由系统控制器的系统控者和责任控者初始化系统中的所有部件，并使它们处于远端控制状态，然后在a n t = i的情况下，利用多线接口消息任命总线上的一个部件为讲者，一个或者多个部件为听者，然后在a n t = o 的情况下，让讲者和听者利用三线挂起原理，准确地传榆仪器消息同时讲者可以发单线消息e o i 来向控者报告消息传送结束，也可以发单线消息s r q 来请求控制器中断现行工作来为其服务。g p i b 接口系统的性能：“1第9 负系统器件容量，规定为少于或等于i5 台。这是因为接收门灌电流最大负载能力为4 8 m a ，而每一个发送门高电平输出电流为3 2 m a ，所以4 8 3 2 = 15 ，最多只能连接15 台设备电缆长度，规定总长度不大于2 0 米，当电缆总长度为2 0 米时，数据传输速率为5 0 0 k b s 。另一种规定是每一根电缆长度x 器件数2 0 米数据传榆速率，最高数据传输速率为1 6 m b s ，一般情况下为几百k b s 地址容量，单地址方式为3 1 个，双地址方式为3 1 3 1 = 9 6 1 个母线上信号逻辑电平，母线上传递消息的逻辑电平为负逻辑的t t l 电平，即逻辑1 是低电平( 0 8 v ) ，逻辑0 是高电平( 2 v ) ，电源额定电压为5 v ，最大值为5 2 5 v 控制方式，在一个自动测试系统中可以有一个或多个控者器件，但是在运行的某个时刻内只允许一个控者起作用，称为现行控者在各控者中允许有一个系统控者，它有权通过发送接口清除命令，终止现行控者的工作，自己掌握控制权。数据传输方式，g p i b 标准接1 ：7 系统的数据传输方式为：字节串行位并行，双向异步传输，三线挂起方式2 、三线挂钩原理”g p i b 接口系统在数据传输过程中没有同步时钟，要保证发送数据方所发送的每一个字节，都能被接收速度不同的器件可靠地接收到，就需要采用另外的信号线进行联络挂钩三线挂钩是指数据发送方和接收方通过三条挂钩线进行联系，控制总线上数据传输的节奏，保证数据的正确传输三线挂起的基本思想是：对于数据发送方来说只有听者全部准备好，才能够发送数据；对于接收数据方来说只有确认母线上的消息是发送给自己的，并且被数据发送方指定为有效时才可以接收当数据发送方要发送一个字节时，首先检查所有的数据接收方是否准备好，也就是看n r f d 是否为0 ，当n r f d 为i 时，系统就处于等待状态，一直到n r f d 为0 才将数据发送到母线上，但是此时d a v = 0 接收数据方不能接收数据，需要延时一段时阍让数据建立稳定，歇据发送方令d a v = i ，这样数据接收方井始接收数据，一直到全部接收方按收完数据，此时n d a c = o ，数据发送方令d a v = o ，宣布数据无效，莠擞捧d i o 上鳇数据。如袋发送裁戆字节，砖重复上述过壤。三线挂钩过程流程图如下：3 、g p i b 系统的同步机制通过g p i b 接嚣连接起来秘仪器一般比较多，必然毒纛各议器慧蠲聪同步问题。如果仪嚣之间不问步将会导致测量数据不准确，甚至是系统不能运行。g p i b 系统的离步机制“”可以从下萄姆个方瓣来说明：( 1 )状态和事件报告体系状态和事件赧告体系席来记录相关事件和反映设备内部状态，它是其它同步机制的基础g p i b 设备的状态系统由多组8 位或1 6 位毒存器构成典型的如标准事件寄存器( s e s r ) 及蒜屏蔽字( e s e r ) 、状态字寄存器( s b r ) 及服务跨求暴蔽宰( s r e r ) 等。英孛状态字毒舞器各位建砖应葵它毒存器孛信息的总结( 即某些状态位的“或”) 获态事寄存器定义知下：s b r注：r q s 请求服务：e s b 一一标准事件；姒v 一漕息可用。标准拳件寄存器定义如下：s e s r注：p o n 一一上电；c m e 一一嗣 令错 芙；e x e 一拽行错误：d d e 一一设备错误：q y e 一一查询错谈；o p c - - 一操作完成。第1 1 负这些状态消息正是实现同步的基础( 2 ) 服务请求和串行查询在向设备发出程控指令后，由于设备速度较慢，主控计算机可能转去处理其它事件，而当设备完成指定操作后，要求主控计算机及时回到原先的指令序列读取数据或进行其它处理另外，设备在超量程或输出缓冲溢出时，也需要主控计算机中断当前的工作为其服务。服务请求( s r ) 接口功能就是适应这种需要而产生的。要求服务的设备拉低总线的“服务请求”信号线逻辑电平发出“服务请求( s q r ) ”消息，引发主控计算机的g p i b 中断为了弄清具体是哪台( 些)设备请求服务，主控计算机一般要发起串行查询，按各设备服务请求可能性大小逐台询问这些设备被查询设备利用g p i b 的数据总线传回状态字的各位，其中b i t 6 ( r q s ) 回答是否请求服务，其它位则说明可以得到具体的信息主控计算机然后根据查询结果进行相应处理。( 3 ) 并行查询除了串行查询，我们还可以使用并行查询对多台设备进行询问并行查询分为组态和查询两个阶段进行：在纽态阶段，控者分别对不大于8 个器件分配回答查询时所用数据线及检测位的逻辑值( 0 或1 ) ：组态完成后，程序就可以进行实际查询阶段，在查询阶段每一个设备将用分配的数据线来回答是否请求服务并行查询尽管有速度快的优点，但由于每一个设备只能用一条数据线来回答查询，有时会嫌它给出的信息量不够，还需要辅助串行查询，这样会导致设备译码量和接口电路复杂程度增加，因此在一般系统中较少使用并不是所有的仪器带有并行查询的功能。并行查询在g p i b 系统是一个可选的功能子集，生产厂商可以根据自己的要求不配这种功能。( 4 ) 顺序执行命令一般情况下，设备可以同时进行多个操作，以提高工作效率但g p i b系统也提供了w i 等命令强迫设备顺序执行输入缓冲区中的指令当某一指令的执行依赖于先前指令的执行结果时，就可以使用该功能实现同步g p i b 系统同步机制的具体工作过程尽管较为复杂，但i e e e4 8 8 及稍第1 2 负后发布的可程控仪器标准命令( s c p i ) 将这些工作封装成许多标准命令，屏蔽了底层的操作，使我4 r l 刖x 在不直接与底层打交道的情况下实现测试程序的同步正是有了上面的四种同步机制，才提供了实现仪器之间同步的可能性4 、g p i b 系统的同步方法g p i b 的同步方法一般来说有四种：( 1 ) 状态查询这种方法是利用g p i b 状态寄存器中数据来实现同步可以使用串行查询接口功能和其他s c p i 来查询设备状态，并根据查询结果来决定操作步骤，实现其同步操作可以使用的命令和查询有：b u s y ? 、i b r s p 、o p c ? 、( 2 ) 顺序执行这种方法是使用g p i b4 8 8 2 协议中的必备命令* w a i强迫设备顺序执行指令，即在处理新指令前必须完成当前操作这种方法中的同步任务其实由仪器本身来负责使用* w a i 命令时，程序每一次只能处理一个指令，降低了效率另外，由于在等待期间程序仍可以向设备写命令( 但不会被执行) ，当输入环充满后，将引起指令丢失或超时错。这是使用* w a i 命令的一大隐患，编程时应加以注意( 3 ) 延时的方法这种方法是在程序向设备发出指令后，如果估计到这些操作可能需要较长的时间，我们可以在执行下一条指令之前加入一定的延时延时时间可以根据设备的有关参数进行简单估算，如：数字万用表完成测量所需要时间= 功能设置时间+ 触发信号周期+ 触发延时+ 积分时间( a d 转换时间) + 裕量( 注：在设备手册中，a d 转换时间常以电源周期( p l c ) 为单位给出( 通常1 p l c = i 5 0 h z = 2 0 m s ) 。延时的大致时间确定后，可隧采用如下三种方法来实现软件延时软件延时是利用执行空操作指令来延时，循环执行空操作指令加大延时长度是最常见的软件延时方法软件延是的主要缺点是循环次数或用于延时的语句数量需要反复试验才能确定，并且随运算环境的变化，指令执行时间也会发生变化，必须针对具体的软、硬件条件加以调整使用w i n d o w s 的定时器由于w i n d o w s 定时器建立在计算机硬第1 3 负件和r o mb i o s 中定时器的简单扩充基础之上，最小定时精度只能达到55 m s ；另外，由于w i n 3 2 是抢占式多任务操作系统，而定时器消息w m t i m e r 优先级很低，可能得不到及时处理，也会造成延时不准确第三种延时方法是把一些像数学计算、屏幕刷新等非g p i b 操作放在等待时间内完成，以提高程序效率。( 4 ) 利用多线程实现服务请求”“”随着计算机操作系统由d o s 转向w i n d o w s ，以及计算机和程控设备的速度和可靠性的大幅度提高，很多情况下都可以用状态查询来代替复杂的服务请求编程，因此目前的g p i b 接口卡及驱动软件很多已经不再提供中断功能然而服务请求毕竟是一种最有效的同步方法，它同时可以及时反映设备方面的错误和其他附加信息( 如指出某测量结果可疑等) ，这些都有助于进一步提高系统的可靠性但是多线程编程相对比较复杂，有的开发工具对多线程的支持不是很完善，实现起来就更加困难了5 、i e e e4 8 8 2 标准和s c p l 1在上面对h p3 3 1 2 0 a 函数信号发生器和k e i t h l e y2 0 0 0 数字万用表进行介绍的时候提到了它们的g p i b 接口符合i e e e4 8 8 2 标准，并且支持s c p i ( 可程控仪器标准命令) ，并能够简化编程，下面对i e e e4 8 8 2 标准和s c p i 进行简单介绍i e e e4 8 8 2 标准是在i e e e4 8 8 1 标准上发展起来的。i e e e4 8 8 1 标准主要规定了仪器的电气上、机械上和功能上相容性的要求，没有对运行相容性的要求，即代码、格式，通讯协议和公用命令方面未作规定这样系统开发人员带来很大的困难。1 9 8 7 年颁布的i e e e4 8 8 2 标准规定了一套代码和格式，还定义了与具体的器件无关的信息交换通讯协议，并进一步定义了仪器使用的公用命令关于t e e e4 8 8 2 标准的细节和公用命令可以参见i e e e4 8 8 2 ( ( 1 e e e 标准代码、格式、协议和公用命令。i e e e4 8 8 2 标准在很大程度上解决了使用i e e e4 8 8 1 时所遇到的问题，使自动测试标准化程度得到很大的提高。但是i e e e4 8 8 2 主要涉及仪器的内务管理功能而并不涉及仪器消息本身，因此，仪器消息的非标准化给编程带来了大困难针对这种情况，1 9 9 0 年4 月，颁布了在i e e e4 8 8 2基础上的可程控仪器标准命令( s c p i ) s c p i 主要侧重解决仪器程控和仪器响应中仪器消息的标准化问题，使得仪器的程控指令有最大的兼容性2 4m i 自动测试系统的硬件结构根据用户的需求和前面对现有资源的分析，提出系统的硬件结构图如下在这个系统中计算机是整个系统的核心，是主控者，负责整个系统中各个部件之间的控制协调和数据处理等工作函数信号发生器在主控者的控制下根据测试要求向磁性薄膜输出正弦电压信号数字万用表负责测试磁性薄膜两端的电压变化，也就是从测试探头上得到磁性薄膜上由于磁性薄膜本身的交流阻抗的缓慢变化引起的电压缓慢的变化测试探头部分是自己设计的，用于磁性薄膜上微弱信号的检测和放大，并且要求能够将磁性薄膜两端电压的缓慢变化从频率是几兆的信号中检测出来，让数字万用表能够测量磁性薄膜交流阻抗的缓慢变化引起电压的缓慢变化直流电源是向亥姆赫兹线圈提供电流，产生不同的匀强磁场，这样可以研究磁性薄膜在不同的匀强磁场下的阻抗特性2 5m i 自动测试系统的软件结构美国的n i 公司曾经提出“软件就是仪器的口号”，可见在现代测试系第15 负统中软件的重要性在本课题中，软件也是非常重要的部分，系统的绝大部分工作是在软件的控制下工作的为了配合硬件结构的工作，提出了下面的软件结构图：l 系统初始化模块数据采集模块数据显示和打印一数据处理模块模块在这样一个结构下，主控模块负责这个应用程序的协调工作系统初始化模块负责系统的初始化工作，其中包括两部分初始化内容一个部分是对所有的仪器部件进行初始化，如数字万用表选择直流电压档，函数信号发生器选择输出的是正弦波电压，同时也对万用表的量程等进行初始化另一部分工作就是根据材料和科研要求的不同，初始化测试条件，比如是均匀频率间隔采集数据，还是自适应地采集数据等等。数据采集功能模块负责将加栽磁性薄膜上的信号、测试探头输出的信号采集进来，并存储在计算机中数据处理功能模块有三部分功能，一是如果选择自适应数据采集就根据已经采集到的数据计算出频率间隔，确定下一次给薄膜加载信号的频率，也就是下次采集的频率：二是对采集的数据进行滤波，在这里采用的是自适应滤波；三是对采集的数据进行计算，得出磁性薄膜阻抗随着加载信号频率的变化率数据显示打印模块，可以显示由最原始的数据画 7出来的图像，也可先显示经过计算后得出的警( ，) 的变化曲线，同样能将z 0这些显示的结果打印出来2 6 系统的工作过程接通各仪器设备的电源，先在初始化模块中对仪器和测试条件进行初始化，既对g p i b 卡和仪器等硬件的进行初始化，又根据用户的要求对系统测试条件进行初始化然后数据采集模块根据初始化条件，让函数信号发生器给磁性薄膜加载信号，经过测试探头处理后从数字万用表读出数据存入计算机中，数据处理模块同时在屏幕上能够显示原始数据和曲线，根据已经采集了的数据计算下一次应该加载在磁性薄膜上信号的频率，循环进行一直到数据采集完毕；数据处理模块对存储在计算机中的数据进行滤波处理和计算等( ) ，并显示测试结果的特性曲线。可以根据用户的要求打印。o测试结果第三章m i 自动测试系统的详细设计本章根据上一章的分析结果，对硬件部分一测试探头，和软件中的几个功能模块进行详细设计并对本系统中的同步技术、计算机与仪器通信以及自适应滤波进行讨论。3 1 测试探头的设计根据前一章的分析，知道测试探头是这个系统中非常关键的硬件部件，它既要将微弱的信号从磁性薄膜上取出来进行放大，又要进行检波把薄膜上电压的缓慢变化从几兆赫兹的信号分解出来。测试探头如下几部分构成：前置放大电路主要是将磁性薄膜上的微弱信号进行预放大，该放大器与探针做在一块p c b 板上，利于提高检测信号的信噪比，压制传输中的干扰为了加强系统的抗共模干扰能力，前置放大级采用对称输入主放大电路的功能是提供足够的放大倍数，这里采用了两级放大这里的前置放大电路和主放大电路均应是宽带放大器检波电路的目的是将随磁场变化而变化的慢变信号从高频信号中分离出来，这里选用的是二极管包络检波电路低频放大电路将检波的输出信号进行放大，然后送到数字万用表进行测量。3 2 数据打印显示模块详细设计在这个系统中要显示的是一维函数的图像，在屏幕上绘图必须准确指定每一个点在屏幕上的位置，每一个点用( x ，y ) 来表示，关键问题是坐标系建立在v b 中坐标原点一般位于容器( c o n t a i n e r ) 的左上角。1 当点水平向右移动时x 坐标增加，而当点垂直向下移动时y 坐标增加但是在这个系统中希望坐标原点( 0 ，o ) 是容器的左下角，当点水平向右移动时x 坐标第1 8 负增加，而当点垂直向上移动时y 坐标增加。两者的关系如下图y( 0 ，0 )v b 默认的坐标系为此必须建立自己的坐标系关部分将进行介绍y( 0 ，0 )所期望的坐标系在v b 中提供了两种方法。在第四章有3 3 数据处理模块详细设计在数据处理模块中主要是对采集到计算机中的数据进行滤波，和根据已经采集了的数据计算下次加载在薄膜上信号的频率，也就是采集数据的频率数据滤波采用自适应数字滤波的方法，具体算法是l m s 算法对一般的磁 生薄膜来说进行等频率间隔采集数据就可以了，但是如果遇到有双峰或者多峰结构的模片，再进行等频率间隔采集就可能分辨不出这些峰值。( 如下图所示)丛若频率间隔太小采集的数据量会太大。在系统中，可以根据用户的要求进行自适应滤波，当两个点之间变化很大时，会将采集频率的间隔缩小一些，缩小值参照相邻两点的具体数据计算后得到，计算方法是先比较相邻两个数据的大小，超过设定的阈值就根据两个数据的相对大小改变频率间隔当两个点的数据变化不大，没有超过设定的阈值时，采样间隔保持不变这样系统就可以自己调整频率间隔，保证较高的分辨率和较快的测试速度3 4 计算机与仪器间的通信过程设计”在这个系统中，仪器是通过g p i b 接口卡和计算机连接起来的这样计算机和仪器的通信方法有两种：一种是利用仪器的驱动程序和计算通信，另一种是通过g p i b 卡的驱动程序直接发送i e e e4 8 8 2 公用命令和s c p i 命令第一种方法的工作原理是仪器生产厂家直接将对g p i b 卡的操作封装在仪器的驱动程序中，g p i b 卡的操作对用户来说是不可见的。可以同下图来说明：l 用户接口fo程序开发者接口仪器驱动函数主体仪器驱动库i o 窿ji o 接口第二种方法通过g p i b 的操作给仪器发送命令，这样g p i b 卡对程序员来说就不是透明的了，必须详细了解g p i b 卡的特性和它的驱动程序这种方法中就不需要详细了解仪器的驱动程序，只要知道仪器的一些命令就可以了第一种方法对于编程人员来说更为简单但是由于函数信号发生器和数字万用表的驱动程序都没有找到，只能使用第二种方法。3 5m i 系统中同步问题分析膳”1在这样一个系统中，所有的操作是在测试程序的统一指挥下，通过各智能设备的相互配合，从而完成自动测量、数据处理、结果输出等一系列工作，因此从系统角度考虑，要使系统工作可靠、测试迅速、结果准确，首先要解决的就是系统的同步问题第2 0 贝这样一个g p i b 系统的同步包括两个方面的内容：( 1 ) 通讯同步主要是保证智能设备闻能双向、异步、准确可靠地传递消息。这种同步层次较低，主要是由计算机系统中扩展的g p i b 接口卡和智能设备的通讯模块从硬件中加以解决g p i b 为此设置了三条“挂钩总线”分别传递“数据有效( d a c ) ”，“准备好接收数据( r f d ) ”和“数据已接受( d a v ) ”消息，用于在数据发送方和数据接收方之间进行联络。三线挂钩的工作过程在第二章已经介绍过了( 2 ) 操作同步操作同步是指各智能设备进行收发命令、读写数据、执行指令等各种操作的先后顺序和时间配合这个问题直接关系到系统是否能可靠运行，测试数据是否可信以及测试效率如何，操作同步主要依靠在测试软件编程中根据任务要求和仪器特性设计适当的流程来解决。g p i b 系统的同步机制和同步方法在第二章已经介绍过。在这个系统中选择延时方法。在实现上，采用软件延时和w i n d o w s 的定时器是不好的，因为软件延时是利用执行控操作来延时，比较常见，但是它的主要缺点是循环次数或用于延时的语句数量需要反复试验才能确定，并且随运算环境的变化，指令执行时间也会发生变化，必须针对具体的软、硬件条件加以调整而w i n d o w s 的定时器是建立在计算机硬件和r o mb i o s 中定时器的简单扩充基础之上，最小定时精度只能达到5 5 m s ；另外，由于w i n 3 2 是抢占式多任务操作系统，而定时器消息w m t i m e r 优先级很低，可能得不到及时处理，也会造成延时不准确。本来可以将复杂的科学计算和屏幕刷