（系统工程专业论文）基于GPIB的自动测试系统的研究与实现.pdf

南京理工大学硕士学位论文 基于gp ib 的自动测试系统的研究与实现 ab s t r a c t gen e r al 一 u rp o sein t e ri 触 c e b us( gpib ) h asbee n b ro ad lyus edinc o ns t ru c t 1 n g a 川 o m at e d te stsy st em lti d 记 零 a t e s v irt ua l 让 ” tr 叨 m ent te c ho o l o gy， co mpul e r te c hdo l o gy an d the p o w e ri 汕 l te st in g a p p ar at us . gpibh asthe a 山 w an ta g esofhi ghs pe edand hi ghp r e c i si on test ing ， good exp and a b i l ity. inthis p ap er， the m e thodsofco ns t ru c t in g the sp ec ial us eda ut o m a t e d te stsy st em are s t u d l ed . b as ed 朋 g p ib b u s ， an a u t o m 翻 比 dr a d arre ee iv erc allb r at 1 on te sts y st em is r eal i z 曰. in o r d erto ens u r ethe e x p and a b i 1 ity andm a in ta in a b i li ty， v irtua1 cl as sesare dssi gne d for the te stingi n st ru m e ms insoft w 团 陷 . t 为 e s ync hro 苗 zat l onofthe soft w ar e and te st 吨 访 s tu m e n tsisre al iz edt ln o u ghthe ad o ption ofq u e ry l n g m e th o d . d at a p ro ce ss in g 如dd 幽 acces stechoo l o gi e s ar es to d 1 e dinthis p 叩er， t o o . u s ing th e s et e c hno l o g i e s ， v 颐 。 us te st in gsc n p tsare an a 】 y ze dan dth ete st ing da 1 aisd e p o si te de ffi ci ently. f u rthe rmo re ， a us er-伍 elld lygr ap hi c alinte 到 兔 c e isprovi d ed for o 详 r at i on ofthe te sti ng s y s tem. t h j s p a psr fi 址 s hes the s y s t em d e s i g n 1 n g and d e b u g g ing. s e veral e x p e n m e n t s are do n e to te 舰 g th e sy 引 e mperforman ce . 七s ults are gi v enin面s p ap e r， w hi ch indic ates th atth e d e s i 助 i s r e a s o n a b l e and e ffectiv e . k e ywo r d s : g e ne r al 一 u rp o s e lnte ri 油 c e b u s ( gpib) ， ant o m at e d test s y s te m ( afs) ， 巧血以 l hi s t r u m ent， r a d artesti ng 第 n 页 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知，在 本学 位论文中，除了 加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发 表或公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学 位或学 历 而使用过的 材料。 与我一同工作的同事对本学 位论文做出的贡献均 已 在论文中 作了明 确的 说明。 研 究 生 签 名 几解 复 3坠呵年 7 朴日 学位论文使用授权声明 南京理工大学 有权保存本学位论文的电 子和纸质文档，可以 借阅 或上网公布本学 位论文的部分或全部内 容， 可以向 有关部门或机构送 交并 授权其保存、借阅 或上网公布本学位论文的 部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 各- 再韧鱼-叼年 7 月 。 日 南京理工大学硕士学 位论文墓于gpib的自 动测试系 统的研究与实 现 1 引言 “ 没有测量，就没有科学” ，测试技术和仪器是科学研究中获取、处理和显示 信息的重要科学手段，是人类定性、定量认识客观世界的基本方法。随着电子学、 计算机科学的发 展及其广泛应用， 日 益复杂的测 试任务对电 子测量技术及电 子 测量 仪器设备提出了 越来越高的要求。 近二三 十年来， 无论是 航空 和航天系统和导 弹系 统的设计、调试与维护，或者大规模集成电路的生产阶段与交验阶段的测试，都远 非人工测试所能胜任。即使是简单的产品测试， 也需要采用 自 动测试替代效率低下 的 人工测试。 作为军事和民用设 备， 我国 雷达已 经广泛 应用于军事观察、 导航、 火 控、 气象探测、 环境评估、资 源勘探等 领域。 五 十年来，我国己 研制、 生产了 几百 个型号几万部各种陆、海、空军用和民用两用雷达，初步建立了国土防空雷达情报 网、航天测量控制网、对海雷达情报网、防空高炮及地空导弹电子系统、雷达敌我 识别系统以及气象雷达探测网等.为导弹、卫星等尖端武器和飞机、舰艇、坦克等 常 规武器研制配 套了 各种雷达11 。 随着现 代雷达的功能 不断增强， 接收机、发 射机 等雷达分机已 从纯模拟式进化为带 数字式 智能部 件的系统，雷达的复杂性不断提 高。因此雷达自 动测试系统的研究具有十分重要的应用前景。 l l 自动测试系统概述 一般意义的自 动测试系统 ( a ut o m at e d test sys l e m ) 是 指那些采用计算 机控制， 能实现 自 动化测试的系统，也就是对那些能自 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 川 。 这类系统通常是 在标准的测控系统或 仪器总 线 ( c a 材 m a c 、 gpib、 v x i 、 p xl 等) 的基础 上组建而成的。自 动测 试系 统具 有 高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围等众多特点。 l l i 自 动测试系 统的 发展现状121 从四 十年代 初期的扫频测试 技术， 到五十 年代中期美国 军方开始“ s e t e 计划” ， 六十 年代中 期民 用自 动测 试系统 进入商品市场， 七十年 代八十年代和九十 年代致 力 于测 试技术的 标 准化， 到 二十一世纪 注重运用人工智能 方法的 智能 测试系统，自 动 测试经历了三个发展阶段. ( 1) 第一代自 动测 试系统 专用型 早期的自 动 测试系统多为专 用系统， 是针对具 体的 测 试任务而研制的， 主要 用 于测 试工 作量很 大的 重复测 试和高 可靠性的复 杂测试， 也用于在短时间内 完成的 高 速测试，和人员难于进入的恶劣环境下的测试。 第 1页 引言硕 士 论 文 第一代自 动 测试系统的 缺点突出 表现 在接口 的通 信和标准化 方面。 在组建 这类 系统时， 设计者要自 行解决系统中 仪器与仪器， 仪器与计 算机之间的 接口问 题。 当 系统比 较复 杂时， 研制工作量很大， 组建系统的 时间也相 应增长。 另外，由 于这类 系统是针 对特定被测 对象的 ， 系统的适应性不强， 接口 不具备通 用性， 改 变测试内 容时往往需要重新设计电路。 ( 2 ) 第二代自 动测试系统 台 式仪器 第二代自 动测 试系统是 在标准的 接口 总线 gpib ( 通 用接口 总 线) 和 c a m a c (co m p ut er al de 出 a u to lnate d m easilr e m e n t 声 刀 d c 0 n tr o d的 基 础 上 ， 以 积 木 式 方 式 组 建的 系统。 系统中 每台设备 都配有符 合标准的接口 电 路， 组 建系统时， 用标准的 接 口总线电缆将系统所有的设备连在一起构成系统。 这种系统组 建方便， 一般不需要自 己 设计接口电 路，系 统的复 用性好， 针对不 同的 要求， 可以 灵活的更改 、 增减测试内 容。 主要缺点表 现为: 总线的传输 速度不 够高 ( gpib最 大传输速率 为l h 4 b /s ) ， 很 难组建高速、 大数 据吞吐量的自 动 测试系 统。 (3)第三代自动测试系统模块化、集成型 第三代自 动测试系 统基于v ) 3 、 p xl 等测 试总线， 主要由 模块化的 仪器和设 备 所组成。具有数据传输率高、数据吞吐量大、体积小、重量轻、系统组建灵活、易 扩展、资 源复 用性好、 标 准化程度高 等优点 ，是当 前先进的自 动测试 系统， 特别是 军事自动测试系统的主流组建方案。 国防、 军事 领域是自 动测试 系统应用最多， 发展最迅速的 领域， 武器装 备研发、 使用、 维 护过程中 对自 动测 试系统的众多 要求是推动自 动测试 系统和自 动测 试设备 技术发展的强大动力。从国内外军用 at s / a t e的发展过程可看出， 军方的需求不 仅促成了 新的 测 试系统总线 及新一 代自 动测试系统的 诞生， 并促使 ats 阴 lt e的设 计思想、开发策略发生重大变化。 早期的军 用自 动测试系 统是针对具体 武器型号和系列的， 不同 系统间互 不兼 容， 不具有互 操作性。 随着 装备的规模 和种类的不断 扩大， 专用 测试系统的维 护保 障费 用高昂 ， 美国 仅在2 0 世纪80年代用于军 用自 动测试系 统的开 支就超过510 亿 美元。同 时， 庞大、 种类繁 多的测试 设备也无法 适应现代化 机动作战的需 要12 . 因 此从 80 年代中 期，美国 军方就开 始研制针 对多武器平台 和系 统，由 可重 用的 公共 测试资 源组成的 通用自 动测试 系统。 目 前在美国， 军种内 部通 用的 系列 化自 动测 试 系统已经形成，如海军的综合 自 动支持系统 ( c a s s ) ，陆军的集成测试设备系列 ( 正 t e ) ，空军的电 子战综合 测试系统 ( js ecs t ) ， 海军陆战队 的第三梯队测 试系 统 ( t s t s ) 。 其中以 洛克希 德 马丁公 司为主 承包商的 海 军c a s s 系统 最为成功， 现己 生产装备了15套全配置 开发型系统、 18 5 套生产型系 统， 其中14 5 套己 经 装备 第 2页 南京理工大学硕士学位论文基于gp ib 的自动测试系统的研究与实现 在 38 个军工厂、基地和航空母舰上，到2 0 00 年已开发出相应的测试程序集 ( 仰 5) 2 3 8 8 套。 目 前美军通 用测试系统多采 用模块化组合配置， 根据 不同的 测试要求，以 核心 测试系统为基础进行扩展。测试仪器总线以v ) j和 g p ib 为主。随着 p c机性能的 不断 提高，以p c机为测控计算 机， 采用w in d o w s /nt 操作系统的测 试系统逐渐普 及。 在 开 5 开发方面， 普遍采用面向信号的测试语言川几a 名为测试程序设计语言， 以 保 证 测 试 程 序 的 可 移 植 性 11 。 在国内，由于众多的需求推动，自 动测试系统技术也有极大发展，目前正处于 从专用测试系统向 通用测试系统的 转变过程中。 在 通用a 】 ，e 技术方面， 按照模块化、 系列化、标准化的 要求，基于v ) a 、 p ) j 和g p ib总线的 在一 定范围内 通用的各类 自 动测试系统正陆续推出，通用 a l ， e平台技术的研究也正在开展。 l l z 自 动测试 系统的 结构和特点 自 动测试系 统是计算机技 术和仪器技术相结 合的 产物， 它把计算机、 测量仪器、 固 件和测试软 件组合起来， 除了 实 现了 传统仪器的测量 功能外， 还增加了 许多传统 仪器无法实现的分析和处理功能。 图1 . 1 自 动测试系统的 基本结构 第 3页 引言硕士论文 自 动测 试系 统的 基本机 构如图1 . 1 所示，由 计算 机、 应用软件 和测量仪器硬 件 组 成。 通过应用 程序将 通用计算机 和测量 仪器结合 起来， 用户可以 通过友好的图 形 界 面来操作 计算机， 完成对 被测对象的数据采 集、 分 析、 判断、 显 示、 存储等 任务。 其中计算机 与测量 仪器称为自 动测 试系统的 硬件平台， 测量 人员 不再直接操 作仪 器 本身， 通过计算 机屏 幕、 键盘、 鼠 标代替实际的 仪器面 板按钮， 来控制仪器的 启动、 运行、 关闭 ，完 成对 被测信号的 数据采集、 信号 分析、 波形图 和频谱显示、故障 诊 断、数据存储、数据回放及控制输出等功能。 自 动测试最大 的 优点 就在于它的 灵活 性， 用户可以 根据需要改 变仪器功能， 完 成各 种不同 的测 试任务。 传统仪器的功能是由 仪器的 硬件决定的， 用户 在购买仪器 后，能 实现的功能 也 是固 定不 变的。 而自 动测试能 够 突破仪器制造商的 硬件限制， 用户 可以 根据实际 需 求， 选用不同 的仪器软 件， 达 到在同一台 仪器上， 实现不同 测 试功能的目 的。当 硬 件平台、 f o接口 设备与计 算机 确定后，编 制某种测量功能的 软件就能实现具备该种功能的测试仪器。因为自 动测试可与计算机技术同步发展， 与网 络及其 他周边设 备互联， 用户只需改变软 件程序 就可以 不断 扩展和增强它的 测 量功能。例如， 在满足测量精度的实时性要求的前提下，借助一块通用的数据采集 卡( d ataacq ul s iti on， da q ) 和 一 台 计 算 机 ， 用 户 可 以 通 过 软 件 构 造出 多 功 能 的 测 量 仪器，当 运行示 波器软 件时 ，它就构成了 存储式 示波器， 基于同 样的硬 件资 源， 运行数字式电压表软件，则构成了数字电压表。 1 .2 自 动测试 系统的 分类 自 动测 试系统一 般是按照仪器的接口 总线类型 分类，主要有: d a q 、 gpib、 串 行口 、 并 行口 、 u s b 、 i eee 一 1394、 v ) 3 和p xi 等 多种， 其中g p ib 总 线是目 前 使 用 最 为 广 泛的 总 线 形 式 冈 . ( 1) 基于数 据采 集卡的自 动 测试系统 这种方式 借助 于插入计算机内的数据采集卡与专 用的软 件如 l a b v i e w 相结 合， 通过a /d 转换将模拟信号转换为数字信号传输到计算机，进行分析、 处理、显 示， 并 可通过d /a 转 换实现反 馈控制， 根据需 要还 可加入信号 调理和实时d sp 等 硬 件 模 块 121 。 (2) 基于串 / 并 行口 或其他 工业标准总线的自 动 测试系统 将某些串 行口 仪 器和工 业控制模块连接 起来， 组 成实时监 控系统. 将带有串 行 接口 ( rs 一 2 32 或 rs一85接口)的仪器作为f o接口设备，通过 r s 一 32 或 rs 礴 85 串口 总线与p c 计 算机组 成自 动测 试系 统， 计算 机串口 、 并口 测试仪 器， 不是主流， 较少 采用。 目 前， p c计 算机已 更多 采用了u s b总 线和珑ee一 1394总 线。 u s b总 线 仪器正 在起步，以 后可能 成为低端应 用领域内 一 种较 好的 选择。 正e e 一 1 3 94 总 线主 第 4页 南京理工大学硕士学位论文墓于opib 的自动测试系统的研究与实现 要 应用在动态图 像传输领域， 在仪器方 面的 应用正处于 研究阶段，它比u s b总线 的 速度要快得多， 但同 u s b总 线一样， 不能实 现不同 仪器间 的同步， 不便于组 建 复 杂的自 动测试 系统。 (3)基于 通用接口 总线g p ib 的自 动测试系统 gp ib 测试系统是迈向自 动测试的第一步， 利用 gp ib 接口 卡将若干 g p ib 仪器 连 接起来， 用计算机 增强 仪器的功能， 组建 大型自 动 测试系统。 它可 高效灵活 地完 成 各种不同规模的 测试和测量 任务。 gpib 测试系统结构简单、测 量精度高， 在组 建小型测试系统或考虑与以往测试系统兼容时，可以优先考虑这种总线方案。 (4) 利 用v x i 总线实 现的自 动测 试系统 v ) 3( v n eb use x t 。 拐 i on for li ” t n 刀 刀 .切 t i o n )总线为自动测试系统提供了一个 更为 广阔的发展空间. v 刀 总线是一种高速计算机总线 一v n 田( 、 乞 r s a m o dule e uro c ar d )总线在仪器领域的扩展。具有标准开放、传输速率高、数据吞吐量大、 定时和同步精确、 模块化设计、 结构紧凑、 使用方便灵活等优点， 适合组建大规模、 集成 化自 动测 试系统， 是 虚拟仪器发 展的 一个方向。 但v ) a 系统造 价较高，目 前只 是 在高 端 领 域 内 应 用 较 多 13 . (5) 基 于p 刀 总 线的自 动测试系 统 p xi 总线出现于 1997 年， 是计算机 p ci 总线面向测试应用的扩展， 吸收了v x i 总线的 一些优点 和设计思 路， 发 展而成。 该总线内 核是基于p cl总线的， 不 适合组 建一些高性能的仪器模块。 1 3自 动测试系统的发展方向 加世纪80年 代中 期，美国国 家仪器公司 ( nl) 首先提出了 “ 虚拟仪器” 这一 概念， 其基本思 想就是在同 一硬件环 境下，通过 编写和运行不同的 虚拟仪 器软件， 来构 成不同的仪 器， 实 现多 种不同的 测试功能。 在当今的声 丁 e 中， 仪器硬 件更多的 是面向 通用性目 的， 在仪器硬件的 基础上， 利用日 益完善的虚拟仪 器软件， 完成各 种不同的 测试任 务5 。 虚拟仪器的 精髓是虚 拟仪器库技 术。 传统的自 动测试系统为 每一个仪 器功能开 发一 个软件， 每个软 件都具有独 立的 数据采 集功能， 但多个软件不能同 时使 用。 虚 拟仪 器库技术解 决了 这个矛 盾， 多个软件 可以 共享 虚拟仪器的硬 件资 源。 它由 一 个 通用 模块来实现 基本的数 据采集以 及高 精度的频 谱分析、 频率校准、 幅 值校准和阻 尼校 准等数据分 析功能， 多 个虚拟 仪器软件共 享通用模块 提供的 测量数 据和经过 分 析处理 后的数据资 源， 并在此基 础上实 现各自 仪 器的 不同 功能( 如 频率计、 阻尼 计、 转速表、 压力表、 温 度计、 应变 计、 应力 仪、 示 波器、 频谱仪、 信号发生 器、 数 据 多用表 等) 。 它的 特点 是在一 个平台 软 件上， 多 个虚拟仪器软 件可以 高 速并行运 行， 第 5页 引言硕 士 论文 操作非常 方便，就 像p c与w i n d o ws、 o ffi ce的 发展依 存关系一样。 另 外、自 动测试系统 还可以 利 用互联网 传输数据， 实现远距离 测量、 计算和分 析， 利用互 联网的 强大功能 和无线 通信技术， 实现 远距离控制仪器设 备。 不久的 将 来， 还可以 把数据发布到web 网 页上甚 至把数据 传输到手机上，实 现在不同 地点、 不 同 国 家 的 测 试 人 员 合 作 完 成 一 个 科 研 项目 133 1， 这 就 是网 络 化 仪 器 与 远 程 测 控技 术。 网 络化仪器是计 算机技 术、 网 络通信技 术与仪表 技术相结合所 产生的 一种新型 仪 器， 通过g pi b ， e n e t 转换 器或rs2 32 /r5 4 85 一 tcp 八 p 转 换器， 将 测量数据转换为 遵 循tcp 八 p 协 议 的 数 据 形 式 ， 然 后 上 传 到址 tr an e 袱 山 te m e t 网 1司 ， 而 基 于t c p 皿 的 网络化智能仪器则通过嵌入式 t c p 八 p软件，使现场变送器或测量仪器直接具有 b t r ane 班 n t e m e t 功能， 它们与 计算机一 样， 成了网 络中 的独立节点， 能很方 便的 与 就近的互 联网直接 连接， 将现 场测试数据传 输到网上， 用户 通过 浏览器可以 实时浏 览到这些 信息 ( 包括处理 后的 数据、仪器 仪表的 面板图像等) 。 虚拟仪器把传统仪 器的 前面 板移植到 web页面上， 通过 w 七 b服务器处理相关的测试需求， 通过 玩 t r ane 叭 n l e me t 实时的发布和共享测试数据。 通过网络，用户能够远程监控测试过程和实验数据，实时性非常好。一旦测试 过程中发生问题， 也能立即显示在用户面前，以 便采取相应措施， 可靠性大为增强. 也可以 实现一 个用户 远程监控多 个测试过 程， 或多个 用户同 时对同 一个测试 过程进 行监控， 这样大大增强了用户的工作能力。 用户可以利用普通的测试仪器采集数据， 然 后使用另 一台功能 强大的计 算机分析 数据，并 在网 络上实时发 布测试结果。 l 4 课题背景 脉冲多 普勒雷 达的角误 差是通过 对和差通 道幅相比 较而 得到的， 因 此雷达 通道 在动态范围内的幅相特性应该保持一致，雷达接收机通道间的一致性成了测角稳 定 、 可 靠 的 关 键 ll u 。 但 实 际 上 ， 通 道 失 真 及 通 道间 不 一 致 性 很 难 避 免 。 因 此 ， 为 得 到 稳定可 靠的 测角结果， 必须对 通道幅相失 真及通道间 不一致性 进行补偿。 单 脉冲雷 达的 幅相一 致性问 题是高精 度角跟踪雷 达的一个 关键难题， 接收 系统 通道间的 幅相 误差来源 于天馈系 统所引 入的高 频幅 相误差， 及 接收机通 道间 不平衡 所引 入的中 频 幅相误差， 这 些幅相误 差与信号 频率、 信号强 度等因 素密切 相关l2 一 14 . 通道间的 幅 相误差如不 进行校正， 将会产生 较大的角 跟踪误差， 使系统的 角跟 踪性 能 大为降 低， 不 平衡时甚 至会导致 角跟踪失 效，因 此通 道间的 幅度相 位误差需 要仔 细地分 析与 测试，并 加以 校正， 使其幅 相误差 保持在允 许的范 围内。 点 频工 作方式下， 通 道的 幅相 一致性是 一个常 数， 比较容 易校正， 幅 度误 差可 以 通过 接收 机手动增 益调整， 相位误 差通过中 频移相 器来校正。 步进 跳频工作方 式的宽带 系统， 在 不同 的频 率位置， 系统产 生的 幅 度相位误差 第 6页 南京理工大学硕士学位论文荃于g p ib的自 动测试系统的研究与实现 不同 ， 因 此 无 法 利 用 手 动 增 益 控 制 及中 频 移 相 器 来 实 现 幅 相 不 平 衡 的 调 整 【12 。 宽 带 系统要在整个宽带内 有良 好的幅 频特性和 相频特性， 就 需要对不同的 频点进行不同 的 幅相校正， 用相同 的校正系数对整个带宽内回 波信号进行校正 将产生 较大的 误 差。 从掌握的 资料 来看， 国 外对雷 达自 动测试技术的 研究 较为 成熟， 但是没有公 开 技术细节。国内生产研制雷达的部分单位和科研院所开发了 针对雷达分系统和装备 的自 动测试系统1 明 ， 譬如南 京电 子技术 研究 所研究的 “ 现代雷达接收 机的c 人 丁技 术” ， 分 析了 现 代 雷 达 接 收 机 运 用 计 算 机 辅 助 测 试 ( c o m p uter ai d edte st ， c at) 技 术的重要性，以 及 c at 系统的 测试范围 及测 试精度; 石家庄军械 工程学院集成 开 发了 通用雷达装备 检测与诊断系 统， 将 故障隔 离到元 件、 器件或整件， 故障诊断的 覆盖率和符合率 ( 均值) )80 %， 并能 安装在通用雷 达装备 检修车 或方舱内 使用。 但是还没有出 现专门的 用于雷 达接收机通 道幅 相一致性 标校的自 动 测试系统。 设 计 并实现用于雷达接收机通道幅相一致性标校的自 动测试系统对雷 达测试具有 现实 的意义。 l j本课题的任务和论文结构 本课题涉及的 某雷达接收单 元采用5 通道工 作体 制， 每 个通道的 工作频率范 围 覆盖0. 05一 o g f 比 ， 如 此宽 的工作频带 很难保证通 道之间的 一致性， 必 须在系统使 用 之前进行通道幅相 一致性 标校， 需要 对雷达接收单 元进行 先验测试， 得到各个频 率 点的补偿信号量。由于带宽大、频点多，人工测试已不能满足系统的需求，因此需 要一个自 动测试系 统来完成 测试 工作。 本课题的任务是对组建这类中小型的专用 自 动测试系统进行研究和实现. 对于 这种专门的 自 动测试系统如何进行设计，使其拥有良好的通用性与扩展性，且易于 使用和维护， 造价低 廉是 本文考虑的 重点。 在此基础 上设计并实 现雷达接收机 通道 幅相一致性标校自 动测试系统。 论文一共分为六部分: 第一章引 言， 概 述了自 动测试 系统的 发展历史 和现状， 并分 析了自 动测 试系统 的 特点，给出了 本 课题的背景. 第二章对系统 进行了 需求 分析， 进行了系统的 总体 设计， 重点讨论了总 线选 择 以及硬件的选择。 第三章了 为自 动测试系统的 软件开发， 主要 包括各 种通信， 仪器操作 类的 实 现 以及数据处理等内容。 第四 章介绍了自 动测 试系统的 实现内 容， 给出了 系统 的主要界面， 测 试的 操 作 流程等。 第 7页 引言硕士论文 第五章是对系 统的 测试以 及通 过本系统测试 所获得的 数据的分 析。 最后， 本文对开 发过程进 行了 总结， 指出了已 取得的 研究成果 和需要改进的环 节 第 8页 南京理工大学硕士学位论文基于c p ib的自动测试系统的研究与实现 2 测试系统的需求分析与总体设计 1 1 系统的功能与要求 本自动测试系统用于某雷达接收机通道的幅相一致性标校。 接收通道幅相一致 性标校控制用于完成雷达系统各通道幅度和相位的性能参数测试， 并提供该参数用 于系统的各频段、增益、带宽条件下的幅相一致性补偿，实现通道间幅相校准。该 自 动测试系统利 用 gpib 总线将多台 测量仪器与控制计 算机 相连， 作为基于 gpib 的 下层网， 控制 计算机通过局域网 与接收机相 连， 作为基于 tcp 八 p的上层网 ，组 成一个完整的自 动测试系统。 自动测试系统的功能包括: ( 1) 控制计算机通过局域网向 接收机发送各种工作方式 指令及工 作参数，实 现对被测试设备的各种工作方式的控制; (2) 控制计算机 通过gpib接口 ， 实现信号 源、 频谱分析 仪、 示波器、 网络 分 析仪等仪表的自 动控制与测试; (3) 系统具 有记录功能， 可将测试参 数和测量结果记 录在数据库中: ( 4 ) 系统根据幅度和相 位补偿算法，计算出 相应的幅 度和相位校正因子， 存 入数据库。 工作时，控制计算机一方面通过局域网 通知接收 机设置被测试设备的工 作状 态， 另一 方面设 置仪表的工 作状态， 使系统工作 在指定方式下， 输出指定频率 和幅 度的信号，在接收单元的各通道输出端测量信号的幅度和相位。 测试系统的测试参数要求: 对于五个不同 通道，分别 包含1 支路通道或者q支路: ( 1) 控制 信号 输出 频率范围: 0 .05碎o g hz， 频率间 隔10 0 k h 之 ; ( 2 ) 测量输出 信号的幅 度; ( 3 )测量输出信号的相位. ( 4 ) 各测量 值能实时显 示并存 入数据 库. 2. 2 系统总线选择 测试总线的目 的是使系统 设计者只 需根据总线的 规则去设 计， 将各测试部件 按 照 总线接口 标准与 总线连接， 而无 须单独设计 连接， 从而简化了系 统软硬件的 设计， 方 便了 系统组建， 且可靠性提高 ，也 使系统更易于 扩充和升级 阴。 为八 j s 系统选 择合适的 平台( 或平台组 合) 不仅能 节约人 力财力， 还可改 进 测 量结果。 但构建测试系统的方法有多种，几乎不可能全部基于总线或独立平台来实 第 ，页 2测试系统的需求分析与总体设计硕 士 论 文 现一个完整系统。 一种方法是采用机架堆叠式( r a c k and s 往 k ) 独立平台， 经由通用接口总线口 ib ( 也 称 为ie ee碎 88总 线) 与 计 算 机 连 接 1切 。 这 种 方 法 使 仪 器 更 换 更 为 简 单 ， 引 入 新的设备配置 又快 又易。 另 一种方法是采 用基于v m e总线的 仪器扩展平台 ( v xi) 或 基 于p cl总 线 的 仪 器 扩 展 平 台(p xl) ， 利 用 插 件 卡 连 接 背 板 ，刀 。 这 样 的 解 决 方 案 似乎很完美， 在同 一 个插件箱中可由计 算机与扩 展仪器控制一 切。 当然， 并不是 所 有的仪器都能使用插件板。 实验证明 ， 几乎 不可能 全部 基于总 线或独立的 平台来 实现一个完整系 统。 通常 情况下，一 个 完整系统需 要用到上述两 种方法。 2 . 2 . i g p i b总线 在过去的 某段时间， 所有的电 子设备都 是建立 在独立平台里。 当进入 把这些设 备连接到计算机的时代后，自 然是选择计算机的 r s 一 2 犯 端口。但事实证明，这即 使是对最简单的任务也是不合适的。 6 0 年代中期发展起来的惠普接口总线 ( hp 一 ib)总线很快变成了最受欢迎的设 备 总 线 ， 被 称 为gpibi ，gj . 美国k ei 田 ey仪 器 公 司 进 行的 第 六 次 测 量 技 术 趋 势 调 查 (20 02年9 月) 发 现， 53%的回 复者通常使用g p ib， 42% 的 人计划在 将来使 用g p ib。 gpib是一 个国际 标准， 在美国 属于正 e e 一 4 88. 1和iee e -4 88.2 标准， 在国际 上 属于iec6 0 6 2 5 一 1 和 i e c6 0 6 2 5 一 2 标准。 l l 1 l l 1 8 数据线 3握手线 6 p ib 总线 5 接口管理线 地 线 图2 . i g p ib总线的总 线信号 第 10 页 南京理工大学硕士学位论文基于 gpib 的自动测试系统的研究与实现 g p ib 是一种字节串行的位平行总线，采用三线制信号握手协议，并能够把 15 台 仪器( 或设备 ) 连接到一台 计算机 ( 或控 制器) 上 ( 图2 . 1 ) 。 它采用24针数据线， 每两个设备间距 2米，在星型结构 ( 图 2. 2 a)、线型结构 ( 图2. 2 b) 或混合拓扑型 结构下总长 20 米。最高数据传输速率为 i mb /s ，但随着导线长度的增加，传输速 率会降 到 2 50一s ookb / 512 刀 。通常 情况 下，所有数 据传输速率是由 总线 上的 设备决 定的。 设备c ( a ) 图2. 2 g p ib 总线的连接结构 gpib系统的 程序设计语言 为可编 程仪器的 标准命令 ( s c p d ， 它 保证了 任何仪 器都能 执行 相同 的命令。 例如， “ m e a s u re :v o i j a g e: d c ? ” 的意思 是 “ 读取一 个 直流电 压” ， 任何仪器都能 执行这个 命令。 s c pi还包含了一 些特殊的命 令，只适 用 于 某 些 特 定 设 备 1周 . s c pi 的 主要优点是它允许用相同 的代 码来控制许多不同的 仪器。 此外，它 在 gpib 与v x i 中都能使用。 s c pi 唯 一的 缺点 是命令过于 详细，比 较 难掌握。s c pi 程 序 语 言 由s c pi协会 制 定 ( www.s 印 ic onso rt i侧 rn .o rg ) 【 1叹 g p ib的 关键优势还包括， 许多仪器 供应商提 供了 大量带有gpib接口 的 各种仪 器。 因此， 它 有着极好的 安装基础。 这种使 用广泛的标 准连接平台 采用标 准编程语 言， 能够连 接任何 类型的仪器。 此外，在 相同的 性能 水平上，gpib 通常 要比v x i 第 n 页 2侧试系统的需求分析与总体设计硕士论文 便宜。 gpib的 主要局限 在于它的带宽。 由于 存在一 定数量的附 加 位且仅有i m b p s 的 最高 传输 速率 ( 还会受到 总线上低速 仪器的 限制) ， gp扭下载大的数 据文件 需要较 长的 时间。 当然， 在大多数 应用中， g p ib能都 提供足 够的带宽。 最 近几年， gpib 的 快速版本 有了 很大发 展。 h s 4 88 有意通过改 变发 送端和接 收端的 信号 交换 协议，把正e e-4 88 的数据 传输速率 提高到s m b 厄 。 支持者 声称这 是 gp ib 的向后兼容。来 自 许多地区的反对者也时常关注这个兼容性版本。h s 4 88 在 90 年代初期 被提出， 经过 iee e十来年的争论 后， 最近被接受 为一 种标准。 从 199 3 年就有部分厂商供应h s 4 88 的产品。 g p ib可以被映 射到其 他网 络。 例如， l a n / g p ib网关允 许gpm设备 经由以 太 网访问。正e e 目 1 3 9 4 贸易协会的 i i c p方法在 ieee一 1 3 9 4( f ire认 七 e )上模仿 gpib。 桥接 产品 让g p ib可以 连接到 计算机u s b端口， 这 样它就能在新的p c 机上广 泛使 用12 习 。 为了 降 低成本， iee e 一 1 1 74把gpib协议映 射到连续的rs一 犯总线。 这只 是 提供到一台仪器的连通性，并非整个网络的连通性。 一些人 认为 iee e 一 4 88 时 代已 经过去了 ，它将 被新的 总线 ( 例如以 太网 、 u s b 或f irew ir e ) 所取代。 但是， g p ib安 装基数非常 大， 有许多 精通gpib 的 使 用者以 及大量供应商 提供的 各种各样的 产品. 一些大型测试和测量公司， 例如安捷伦、 kei 创ey仪器、 rohde 提供硬件 环境描 述能力;较强的 运算、 数据处理、 逻辑判断、 通信 和管理能力; 强的事 务调 度和 处理能力:能 用于 多任务 处理， 在系统较 庞大时 能 用 于多 重处 理; 较强的环境 适应能 力，较高的 可移 植性。 目 前自 动测试系统的开 发工 具， 大致可以 分为两 类: 第一 类是采 用专业的 图 形 化 编程软 件， 比 如h e w l ett-p a c k ar d 公司的iip ve e 和l abv 丙 n d o w s / c 砚以及n atio nal h 巧 仕 切 叮 e n ts公司的l abv 正w等。 第二类是采用通用软件开发工具， 主要有 珑cro s oft 公司的v 油 u ab as ic 、碗回 c 升和b o rl an d 公司的d el phi 等。 第一类软件开发工具现今己 经相当完善，而且还在不断的升级和提高。以 l abv ie w为例，它 是基于图 形化编程 语言的 开发环境 19 ， 可 用于开发基于gpib、 第 巧 页 2侧试系统的需求分析与总体设计硕士论文 v x i 、 p xi、 p ci仪 器及数据 采集卡等硬 件的 测试系 统， 用 户界面友 好、简 单直观、 采用可视化图 形语言， 具 有测试软件自 动生 成功能， 程序开发 和执行一体的 集成开 发环境， 拥有丰富的 仪 器驱 动库和大 量的 通用仪 器的 驱动 程序。 可提供功能 齐全的 应用程序开发工 具和丰富的 测量分析库。l a b v ie w 还具 有很强的 数据分析能力， 可完成 信号生 成、时 域和 频域分析、 滤波等数 字信号处 理功能 和曲 线拟合、 线性 代 数等数值分析计算、 图形化显示报告等功能， 可提供诸如测试运行、 统计过程控制、 p id 控 制、 综合时 域分析等 工具及图形 控制工具 箱， 可完 成大型测 试系统的 流程设 计，能与 本地和远 程数据库 直接进行数 据交 换. l abv 正w 拥有强大的 功能，正因 为如此，它的 价格也比 较昂 贵，其拥有 用户 程序发 布功能 的专 业版的 价格达到了3 6 5 20 元人民币。 另外， l ab v i e w 并不 是拥 有所有仪器的驱动程序。肠b vie w 的开放性和可调性不如通用软件开发工具。 第二类通用软件开发工具具有易学易用的特点， 其图形控件工具能自动生成多 窗口 用户界面， 而不必 编写复 杂的 代码， 并且可以 创建自 己的a c t i v e x控件。 表2 . 1 是自 动测试系统几种软件开发工具的比较. 表2 . 1几种开发工具的特点 vc十 十、 vb 通用性好，开放性强， 通用编程环境好。但 直接的硬件驱动接 口、 计 算函 数控件资 源较少。 支持多种操作系统，包 括 w铂d o ws 2 000 了 nr例子z g b 等 应用于测控系统、 数据采集、图 形程 序、操作系统等 agi l e n t v e e 图形化编程，逻辑简 单， 大量a gilent 仪器 驱动提供仪器通信驱 动。 支持多种操作系统，包 括v 叮 n d o ws、 p o 叭 吧 且 讨 a c 加l o s h 、 a 创e n t . u x 、 u 阴 x等 仪表开发、单台测 试设备、集中式侧 控系统 图形化编程，逻辑简 单，大量通用仪器驱 动提供仪器通信驱动 支持多种操作系统，包 括v 石 n d ow东 p o we r m那i n l o s h 、 a gi le n t- i j x 、 l ln ux等 测试设备、仪表开 发、 集中测控系统、 实时控制和仿真 图形化编程与 c语言 编程共存，逻辑简单， 大 量通用仪 器驱动， 网络功能强 支持多种操作系统包括 v 沂们 d o w s 、n 臼c os 、 工 州 x等 测试设备、仪表开 发、集中式测控系 统、中小规 模侧控 系统 第 16 页 南京理工大学硕士学位论文基于6 p ib 的自动测试系统的研究与实现 通过对以上几种开发工具技术特点、系统支持、应用范围的分析、比较，针对 雷达幅相一致性自动测试系统的特点， 采用 珑cro soft 珑s ual c 料作为系统的软件开 发工具。 2. 4 系统结构图 图2. 4 是雷达 接收机幅相 一致性标校自 动测试系统 的体系结 构， 它由 雷达 接收 机、 控制计 算机和多台测 量仪器组成. 控制计算 机使用 一个a gile nt公司的8 2 3 5 7 a 型u s b 一 g p ib接口 与仪 器通过gpib总线 进行通信。 接口 配有 专门 的驱动程 序， 符 合 正e e-4 88.2通信标准，可以进行字符串和整形数组以及 a s cn 字符文件等多种 数据传输。测试 仪器使用a gi l ent l 力 fi n i i um 5 4 8 53a型示波器、 a gilent e 8 2 67 dp s g 型 信号 源、 a gi l ent p s a e 4 440a 型频谱 分析仪三台 程控测量仪 器， 与控制计 算机组 成一个完整的自 动测试系统。 lan 、1气才姗机 执一ij尹蜷收 膺阶l匕翰接 滩俐c弧达 /溉雷 、攫嘴介蕊机 、仲莎淞算 、飞卜蕊定舔计 .价峨交嚷湘 办嗽爷控 产生信号 示波器频谱分析仪信号源 测试信号 图2 .4自动测试系统的结构 由于测试系统的侧量数据都取自于测量仪器，仪器采集到的测量数据在专用寄 存器中 保存，系 统定时 读取寄 存器中 的 数据。 在g p ib总线数据 传输速率允许的 范 围内， 根 据仪器的 数据采 集周期，定 时读 取测量仪器的 测量数 据， 可以 使测试 系统 与 测量仪 器同步。 因此系 统的测 量精 度和实时 性完全取决于 测量仪器， 能满足 工程 第 17 页 2测试系统的需求分析与总体设计硕 士 论 文 的要求。 2. 5 系统硬件的选择 要使 一台测 试仪器能在自 动测 试系统中 按照控 者的 要求 工作， 这台仪 器必须能 够接受 控者的程 控指令，并能按照 指令的 要求改 变相应的 测量状态，如工 作模式、 功能、量程和输出方式等，这种仪器称为可程控测量仪器。 本系统程控仪器可程控的内容包括以下几项: ( 1) 设定仪 器的 工作方式、 状态、 参数等。 例如， 设置示波器的采样频率、 幅度量程等; (2)随时启动或停止仪器的工作: ( 3) 控 制仪器的 工作过程，例如 控 制频谱仪的 采样、保持、 转换等过 程; (4) 选择和控制仪 器的输入和输出 ， 例如 选择示波 器的 输沁输出通道以 及输 入输出信号的种类、幅值和频率等; ( 5) 测量数 据的 保存。 下面简单介绍一下本系统使用的gpib 接口和程控仪器。 2. 5. i g p ib 转换接口 gpib转换接口 采