（电路与系统专业论文）基于pSOS的单板智能综合测试系统开发[电路与系统专业优秀论文].pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 光纤通信传输设备由实现各种特定功能的单板组合而成，因此检 测光传输设备中单板的质量具有重要的理论与实际意义。针对中兴通 讯同步传输设备z x m p $ 3 2 5 中的核心交叉单板l p s l 6 a ，采用嵌入 式软件和软硬件协同设计的方法，开发了一款基于p s o s 的单板智能 综合测试系统。 该智能综合测试系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统由两部 分组成，一部分是同步传输设备z x m p $ 3 2 5 中的作为被测板l p s l 6 a 的环境板的各业务单板；另一部分是c p c i 测试平台，它由i o 模块、 c l k 模块、o s 模块和c p u 模块组成。软件测试系统包括上位机程 序和下位机程序，采用c + + 语言，基于v i s u a lc + + 6 0 平台，开发了 上位机程序；采用多任务开发机制的p s o s 和3 2 位的微处理器 m p c 8 5 2 t ，开发了下位机程序，实现了综合测试系统的网络化和实 时性。该智能综合测试系统能对单板上的电路信号、时钟信号和业务 信号进行测试，并将测试结果储存到中心数据库中。 采用上、下位机程序并行开发的方法进行系统开发和调试，使用 u d p 软面板代替上位机程序下达测试命令和接收测试结果，缩减了 综合测试系统的开发周期。运用“模拟故障的方法，检测了综合测 试系统的覆盖率和可靠性性能，并对系统进行了拷机测试。实验结果 表明，所开发的综合测试仪具有操作简单、实时性好和可靠性高等特 点。本文所采用的嵌入式软件测试方法对其它智能仪器仪表的设计和 开发具有借鉴意义。 关键词仪器仪表，光传输设备，单板测试，p s o s 中南大学硕士学位论文摘要 a bs t r a c t o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n tc o n s i s t so f v e n e e r s ，w h i c hh a v es p e c i f i cf u n c t i o n s ，t h e r e f o r ed e t e c t i n gt h eq u a l i t yo f v e n e e r si nt h e e q u i p m e n t h a s g r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，b yu s i n gt h em e t h o do fe m b e d d e ds o f t w a r e a n dd e s i g n i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea tt h es a m et i m e ，ai n t e l l i g e n t i n t e g r a t e dt e s ts y s t e mt od e t e c tt h el p s 16 a sq u a l i t yo fz 舯$ 3 2 5i s e x p l o i t e d ，b a s e do np s o s t h ei n t e l l i g e n ti n t e g r a t e dt e s ts y s t e mi n c l u d e sh a r d w a r es y s t e ma n d s o f t w a r es y s t e m h a r d w a r es y s t e mc o n s i s t so ft w o p a r t s t o n ep a r ti sa uo f t h eb u s i n e s sv e n e e r so fz x 口$ 3 2 5 ，w h i c hw o r k sa se n v i r o m e n tv e n e e r s f o rt e s t i n gl p s16 a t h eo t h e r p a r ti sc p c ip l a t f o r i l l ，w h i c hi n c l u d e s o m o d u l e ，c l km o d u l e ，o sm o d u l e ，a n dc p um o d u l e s o f t w a r et e s t s y s t e mc o n s i s t so ft h el o w e rs o f t w a r ea n dt h eu p p e rs o f t w a r e b a s i n go n t h ev i s u a lc 什6 0p l a t f o r m ，t h el o w e rs o f t w a r ep r o g r a mi sd e v e l o p e db y e m p l o y i n gc 抖l a n g u a g e ，a n dt h eu p p e rs o f t w a r ep r o g r a mi sd e v e l o p e d b a s e do nt h ep s o s sm u l t i t a s km e c h a n i s ma n dt h e3 2 b i tm i c r o p r o c e s s o r 口c 8 5 2 t , w h i c hc a nt e s tb yn e t w o r ka n do nr e a l t i m e s i g n a l s s u c ha s c i r c u i ts i g n a l s ，c l o c ks i g n a l s ，b u s i n e s ss i g n a l s ，c a nb ed e t e c t e dc o r r e c t l y , a n dr e s u l t sa r es e n tt oc e n t r a ld a t a b a s et os t o r e i i lm i sp a p e r ，t or e d u c et h ed e v e l o p m e n tc y c l eo ft h ei n t e u i g e n t i n t e r g a t e ds y s t e m ，t h el o w e rs o f t w a r ea n dt h eu p p e rs o f t w a r ea r e d e v e l o p e db yu s i n gp a r a l l e lm e t h o d s ，a n di n s t e a d i n go ft h eu p p e r s o f t w a r ew i t l lu d p s o f t - p a n e lt oi s s u eo r d e r sa n dr e c e i v et e s tr e s u l t so n t h es t a g eo fd e b u g g i n g b ye m p l o y i n gt h em e t h o do f “f a u l ts i m u l a t i o n t e s t s ，t h ec o v e r a g ea n dr e l i a b i l i t yo ft h ei n t e l l i g e n ti n t e g r a t e di sa n a l y z e d ， a n dt h e i n t e l l i g e n ti n t e r g a t e ds y s t e m r u n sf o rs o m e d a y s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e l l i g e n ti n t e r g a t e ds y s t e mh a ss o m e f e a t u r e s ，s u c h a s s i m p l eo p e r a t i o n ，g o o dr e a l t i m e ，a n dh i g h r e l i a b i l i t y t h et e s t i n gm e h t o do fe m b e d d e ds o f t w a r ew h i c hi su s e di nt h i s s y s t e mc o u l db ee x t e n d e dt oo t h e ri n s t r u m e n t sd e s i g n k e y w or d s ：a p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t s ，o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c m i o n t r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t ，v e n e e r t e s t ，p s o s 中南大学硕士学位论文缩略表 术语缩略对照表 a d m a d da n dd r o pm u l t i p l e x e r a ua d m i n i s t r a t i o nu n i t b i t s b u i l d i n gi n t e g r a t e d ，n i i l i n gs u p p l y c p c i c o m p a c tp e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t i o n d c cd a t ac o m m u n i c a t i o n sc h a n n e l d x c d i 蛳a lc r o s sc o n n e c te q u i p m e n t e c ce m b e d d e dc o n t r o lc h a n n e l f p g af i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y h d l c h i g hl e v e ld a t al i n kc o n t r o l h w h i g h w a y l p1v fl i n ep r o c e s ss t m 1 l p 4 v fl i n ep r o c e s ss t m 4 l p s16 a o p t i c a l s t m 16a n dc r o s s s w i t c ha n d s y n c h r o n o u sc l o c k m c u m a n a g e m e n ta n dc o n t r o lu n i t n c pn e t c e l lc o n t r o lp r o c e s s o r o c x oo v e nc o n t r o lc r y s t a lo s c i l l a t o r o i s1 o p t i c a li n t e r f a c es t m 1 o l l 6 s f o p t i c a ll i n es t m 1 6o f f p g a p d hp l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y p l lp h a s el o c k e dl o o p r e g r e g e n e r a t o r s a i a s y s t e ma u x i l i a r yi n t e r f a c e s d h s y n c h r o n o u sd i 鲥a lh i e r a r c h y s o hs e c t i o no v e r h e a d s s m s y n c h r o n i z a t i o ns t a t u sm e s s a g e s f ps m a l lf o r mf a c t o rp l u g g a b l e s t ms y n c h r o n o u st r a n s p o r tm o d e p s o sp s o s y s t e m t u t r i b u t a r yu n i t v cv - n t u a lc o n t a i n e r v c x 0 v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r 1 分插复用器 管理单元 通信楼综合定时系统 紧凑型外设互连 数据通信通路 数字交叉连接设备 嵌入控制通路 现场可编程门阵列 高级数据链路控制 高速信号线 s 刚1 线路处理板 s t m 一4 线路处理板 s t m 1 6 线路交叉时钟板 管理控制单元 网元控制板 恒温控制晶体振荡器 s t m 1 光接口板 1 路s t m 1 6 光线路板 准同步数字休系 锁相环路 再生器 a 型系统接口板 同步数字体系 段开销 同步状态信息 小封装可热插拔 同步转移模式 嵌入式实时操作系统 支路单元开 虚容器 压控振荡器 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：彳笼三曼一一一日期：埤年月且日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者躲牡导师躲趟嗍争哇月丝日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 当今高速发展的信息社会要求通信网络能够提供多种多样的电信业务，特别 是计算机通信、办公自动化以及视频通信要求的通信容量迅猛增长，这就要求现 代化的通信网向数字化、综合化、智能化和个人化方向发展0 2 1 。传输系统是通 信网的重要组成部分，传输系统的好坏直接制约着通信网的发展。当前世界各国 大力发展的信息高速公路，其中一个重点就是组建大容量的光纤传输网络，不断 提高传输线路上的信号速率，扩宽传输频带。因为与传统的电通信相比，光通信 有频带宽，传输容量大；损耗小，中继距离长，且误码率小等很多优点，可以说 比电通信有着更加广阔的发展空间。8 0 年代中期以来，光纤通迅以其廉价，优 良的带宽特性成为通信网的主要传输手段f 3 4 l 。在我国，光纤传输网作为国家电 信的基础网，不仅承担着传统电话网的传输任务，还为移动通信网、七号信令网、 时钟同步网、智能网、数据通信网以及各种电信支撑网和业务网提供着大容量、 高质量的透明传输通道。传输网的业务包括从一个交换机到另一个交换机，从一 个接入系统到另一个接入系统1 5 6 1 。 光纤通信在s d h 出现以前，一直使用的是1 9 8 8 年由i t u t 建议提出的q 7 0 2 标准，即p d h 标准。p d h 不是按照高速率设计的传送体系，它基于三种速率标 准( 北美，日本，欧洲) 。p d h 虽然在世界各国电信网中发挥着巨大作用，但是 随着社会的进步、科学技术的发展，它的局限性越来越明显。如它没有统一的标 准光接口，上下支路信号极不灵活方便等【7 1 。与p d h 相比，s d h 则具有很多的 优势。s d h 概念来源于美国贝尔实验室提出的同步光网络( s o n e t ) ，它是在 s o n e t 的基础上定义了速率等级，帧结构和复用过程。s d h 体制对网络节点接 口作了统一的规范。规范的内容有数字信号速率等级、帧结构、复接方法、线路 接口、监控管理等。s d h 设备容易实现多厂家互连，也就是说在同一传输线路 上可以安装不同厂家的设备，体现了横向兼容性。s d h 体制有一套标准的信息 结构等级，即有一套标准的速率等级。基本的信号传输结构等级是同步传输模块 一s 刑1 ，相应的速率是1 5 5 m b i t s ，高等级的数字信号等级有：6 2 2m b i t s ( s 聊_ 4 ) 、2 5 g b i t s ( s 刑1 6 ) 等，可将低速率等级的信息模块( s t m 1 ) 通 过字节间插同步复接而成【8 l 。光口采用世界性统一标准规范，s d h 线路信号只 进行扰码，不再进行冗余码的插入。扰码的标准是世界统一的，这样对端设备仅 需通过标准的解码器就可与不同厂家的s d h 设备进行光口互连。扰码的目的是 抑制线路码中的长连“0 和长连“l ，便于从线路信号中提取时钟信号。由于 中南大学硕士学位论文第一章绪论 线路信号仅通过扰码，所以s d h 的线路信号速率与s d h 电口标准信号速率相一 致，这样就不会增加发端激光器的光功率代价【9 1 。此外，由于低速s d h 信号是 以字节间插方式复用进高速s d h 信号的帧结构中的，这样就使低速s d h 信号在 高速s d h 信号的帧中的位置是固定的、有规律性的，也就是说是可预见的。这 样就能从高速s d h 信号例如2 5 g b i f f s ( s t m 1 6 ) 6 p 直接分插出低速s d h 信号例 如1 5 5 m b i t s ( s t m 1 ) ，简化了信号的复接和分接，使s d h 体制特别适合于高 速大容量的光纤通讯传输系统【1 们。 仪器仪表是对物质世界的信息进行测量与控制的基础手段和设备，在当今社 会的各行各业中都起着极其重要的作用 1 1 1 2 。在现代化的大生产中，如果没有只 占公司固定资产1 0 - 1 5 的各种测量与控制仪器仪表的正常运行，汽车公司、通 信设备生产商、手机公司将都不能维持稳定的生产，不能保证产品的质量，严重 影响人们的生活质量，更不会为国家创造巨额的产值【1 3 1 。在军事上，仪器仪表 则被称为“战斗力，现代的武器装备，几乎无一不配备相关的测量与控制仪器 仪表。在产品质量评估与评证计量等有关国家法制实施中，仪器仪表发挥着技术 监督的作用。在可持续发展战略的诸多方面如防灾减灾、资源利用、国土利用、 国土管理、人口控制、环境改善、文化教育、保键方面等仪器仪表都有至关重要 的作用 i s l 。 可见现代仪器仪表的发展水平是国家科技水平和综合国家实力的重要体现， 与人们的生活息息相关 1 6 i v l 。在通信技术行业，通过智能仪器仪表来确保同步传 输系统中各单板的质量也是非常重要和必须的。本课题利用嵌入式实时操作系统 研制开发了一款综合智能仪器仪表，它用来测试中兴通讯同步传输系统z x m p $ 3 2 5 中的同步传输交叉单板l p s l 6 a 。 1 2 仪器仪表的研究现状 仪器仪表的发展过程可划分为三代【l 引。第一代为传统仪器仪表，包括指针式 仪器仪表和数字式仪器仪表。指针式仪器仪表的基本结构是电磁式的，基于电磁 测量原理，采用指针来显示最终的测量结果，如指针式万用表、功率表等。数字 式仪器仪表的基本结构采用模数转换，并以数字方式显示或打印测量结果，如 数字电压表、数字功率计、数字频率计等。数字式仪器仪表比指针式仪器仪表响 应速度快，测量准确度高。第二代就是智能仪器仪表。这类仪器仪表的主要特征 是内含微处理器，因此，通常具有信息采集、数据处理和测试结果显示、记录等 功能【1 9 l 。随着时代的发展和被检测对象系统的日益复杂，仪器仪表正朝着网络 化、综合化、智能化的方向发展，第三代智能综合仪器仪表将引领下一代仪器仪 表发展的潮流。每一代仪器仪表的优缺点如图1 - 1 所示，本文将开发一款集多种 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 功能于一身的综合仪器仪表。 仪 器 仪 表 传统仪器仪表 智能仪器仪表 综合仪器仪表 点：历史悠久，在某些领域起着不可替代的作用 缺点：仪表功能一般由厂家确定，用户无法升级换代 优点：操作自动化，智能化，易于升级换代 缺点：功能相对单一，适用范围较窄 点：集成了多种功能，实现了智能化、网络化、实时 缺点：开发周期长，难度大，投资成本大 图1 - 1 仪器仪表发展过程及其优缺点 1 2 1 传统仪器仪表 传统仪器仪表的发展经历了漫长的年代，它涉及社会生活的各个方面。它对 改善人类生活、促进社会发展和科技进步起到了无法估量的作用，直到现在在很 多领域还继续发挥着作用。传统仪表主要结构由硬件构成，以相对固定的形式确 定下来，所实现的功能较单一，用户在使用过程中无法对其功能进行改变。它一 般具有输入信号接口、内部处理电路和实时显示三个部分。对于一些仪表功能如 自调零、自校准、自动调节量程等的设置是由用户在仪表设备面板上手工完成的。 它的主要特点就是自成体系，用户无法更改。传统仪表所有的功能，如：信号输 入输出范围、界面功能( 开关、旋钮、显示面板等) ，以及使用场合都事先由厂 家确定了下来，用户无法改变其功能或应用场合。同时，一台普通传统仪表具有 相对独立性，不能与其他仪表设备进行通信，而只能用于现场测量，测量结果不 能处理、存储、显示，局限性很大。另外，传统仪表无法升级换代，而且开发周 期长、经费投入大。如常用的示波器，只能在它的量程内测试正弦信号、方波信 号或三角波信号，而不能超出它的量程，其测量结果也不能进行保存，如果你想 测量更高频率的信号，那你只能重新购买具有更大量程的示波器，而不能在原有 示波器的基础上通过简单的软件升级来完成。 传统仪器仪表的测试方法就是将被测试信号用导线与仪表连接起来，观察仪 表所显示的数字或波形进而来判断被测试信号的正确性，这就是后面将要讲到的 直接检测法。或者通过无线的方式接收待测试信号，经计算机数据处理后显示判 断，也就是非接触检测法。这类测试方法有很大的局限性，一是仪器仪表所测试 信号的类型一般都是单一的，当被测试电路板上有多种信号时不可能使用众多的 测试仪表，即使使用也极难全部覆盖，覆盖率很差。二是这类测试方法所测试的 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 大部分都是电路信号，文献【2 0 】所讲的外部接口输入测试矢量的方法和文献【2 l 】 所介绍的边界扫描测试技术虽然都可以检测电路故障，但对电路板的功能测试却 是束手无策。因此，采用传统的仪器仪表的测试方法根本无法满足对同步传输交 叉单板l p s l 6 a 的电路测试和功能性测试的要求。 1 2 2 智能仪器仪表 随着科技水平的不断发展，人们对测量仪表提出了更高的要求，如测量精度 要高、功能要强、可靠性要好，测量全程要自动化、智能化，微型化、使用灵活 方便，并且易升级更新，同时还要能对测量的数据进行处理、存储和显示。这些 新要求促使着传统仪器仪表不断地改进和发展，也孕育了智能仪器仪表的产生 1 2 2 。 随着计算机、微电子等技术的发展，为仪器仪表的结构带来了巨大变革。集 成了处理器、存储器、定时器计数器、并行和串行接口、看门狗甚至a d 、d a 转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片单片机出现了。以单片 机为主体，结合计算机技术与测量控制技术，组成了“智能化测量控制系统 ， 这也就是最初最常见的智能仪器仪表f 2 3 1 。与传统的仪器仪表相比，文献【2 4 】描述 的以单片机为核心的常规智能仪器仪表，其优良特点如下。 1 ) 操作自动化。仪表的整个测量过程如量程选择、键盘扫描、开关启动闭 合、数据采集、处理、存储、传输以及显示、打印等都由微控制器，也就是常用 的单片机来完成，实现了传统仪器仪表所不能实现的测试自动化。 2 ) 具有自动检测功能。包括自动调零、自动校准、自诊断、自动故障与状 态检验及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因， 极大地方便了仪表的维护，这也优于传统仪表的人工校准方法。 3 ) 具有数据处理功能。智能仪表由于采用了微控制器，使得许多原来用硬 件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在用软件可以非常灵活地解决，而且 还有效地提高了仪表的测量精度。 4 ) 具有友好的人机对话能力。智能仪表使用键盘代替传统仪表的切换开关， 操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现各种功能。同时，智能仪表还可以通 过显示屏将仪表的运行状况、工作状态、工作参数、历史数据以及数据处理结果 等以非常直观的数字或图像来告诉操作人员。 5 ) 具有程序控制操作能力。通常情况下，智能仪表都配有r s 2 3 2 c 、r s 4 8 5 等标准的通信接口，可以很方便地与p c 机和其他仪表设备组成用户所需要的多 种功能的自动测量系统，来完成更复杂的任务。 常规智能仪表虽然引入了微处理器，采用了计算机技术，在测量功能、测量 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 精度、数据处理能力、自校准、自诊断、人机交互、操作自动化、控制策略、可 维修性等方面比传统仪表有了大幅度提高，有些功能甚至是传统仪表所不具有 的，在文献【2 5 】中讲到了常规智能仪表在不少方面还是存在很多不足之处，简列 如下： 1 ) 功能单一化。目前大部分的常规智能仪表的功能都比较单一，例如：数 显仪表只有显示的功能，记录仪表只有记录的功能。这些常规智能仪表只有一种 功能或者两种功能的组合，往往在工业现场只能承担极小的一部分功能，总体而 言功能趋向单一化，在多种功能一起使用的场合，往往就力不从心了。 2 ) 适用范围窄。决大部分常规智能仪表只具有非常有限的使用环境，只针 对于一种或两种被测信号，例如：温度仪表只测温度、流量仪表只测流量、压力 仪表只测量压力等等，往往只有单一的使用环境，因此常规智能仪表的适用性较 差。 3 ) i o 硬件资源不可配置。绝大多数情况下，智能仪表的i o 硬件资源是固 定的，有多少输入、输出通道是固定的，是数字通道还是模拟通道也是固定的。 假如使用的通道少于固有的通道数，就造成了硬件资源的浪费，多于固有的通道 数，i o 通道便不够用，那么就无法实现需要的功能，因此就显得不够灵活，非 常死板。 4 ) 显示画面单一、固定。目前的数显仪表大多采用l e d 显示，只能显示单 一的数字，如果用来显示英文字母就比较吃力更不用说是中文了。还有一些虽然 采用字符或点阵液晶屏，能够显示数字、英文字母、中文、甚至是曲线，但是这 些显示画面是固定的，用户无法根据自身的需求来更改画面。 5 ) 实时性不够。很多常规智能仪表一般都能在实时性要求不高的场合使用， 但一旦到了有一定实时性要求的场合就无法发挥它的作用。 1 2 3 综合仪器仪表 智能仪器仪表在国外得到很多新技术的应用，普遍采用了e d a ( 电子设计自 动化) 、c a m ( 计算机输助设计) 、c a t ( 计算机输助测试) 、d s p ( 数字信号处理) 、 a s i c ( 专用集成电路) 及s m t ( 表面贴装技术) 等1 2 6 1 。解决了上述常规智能仪器仪 表存在的一些缺陷和不足，新一代智能仪器仪表一综合仪器仪表应运而生。综合 仪器仪表具有多样化的功能，它集记录仪表、数显仪表、积算仪表多种功能于一 身，可以用于温度测量和流量测量等多种应用环境。综合仪器仪表的i o 硬件资 源是可配置的，可以根据用户的需求来决定使用多少个i o 通道，非常的灵活。 综合仪器仪表的画面可以进行动态组态，用户可以根据自己的习惯、想法来定义 画面。很多综合仪器仪表内部使用了嵌入式实时操作系统，在需要一定实时性要 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 求的场合也能正常发挥功能。为了满足快速发展的社会对仪器仪表的要求，综合 仪器仪表的主要设计特点如下： 1 采用新的设计方法。 为了适应综合仪器仪表发展的新特点，新型的设计工具和设计方法不断涌 现。文献 2 7 】中讲到目前具有代表性的技术主要有虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 和 i s p 在系统可编程技术。 1 ) 虚拟仪器。电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器 模式：虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件 和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器 一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器 的概念。它是电 子测试与仪器领域中发展方兴未艾的技术，特别适用于现代越来越复杂的测试系 统【2 引。n i 公司的l a b v i e w 就是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数 据表达而设计的图形化编程软件。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济 的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。将l a b v i e w 与一般的数据采集以及 仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，如文献 2 9 】 中将l a b v i e w 应用到了信号产生与分析系统方面，文献 3 0 l 中将l a b v i e w 应用 到了曲线拟合技术方面，文献 3 1 中将l a b v i e w 应用到了高校实验室，文献 3 2 】 中利用l a b v i e w 开发了便携式清洗机。虚拟仪器不像传统的仪器那样受生产商 所设计功能的限制，l a b v i e w 能提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要 连接各个逻辑框即可构成程序，它的基本程序单位是v i 。l a b v i e w 通过图形编 程的方法，建立一系列的v i ，来完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任 务，可由一个v i 完成；对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一 项复杂的测试任务变成一系列的子任务。设计时，先设计各种v i 以完成每项子 任务，然后把这些v i 组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚拟仪器就 成为一个包括众多功能子虚拟仪器的集合【3 3 1 。使用传统的程序设计语言开发仪 器系统存在许多困难，开发者不仅要关心程序流程方面的问题，还必须考虑用户 界面、数据同步、数据表达等复杂的问题，这些问题在l a b v i e w 中都迎刃而解 了。l a b v i e w 还带有多种基本的v i 库，其中包括采用g p i b 、v i s a 、v 和 串行接口的仪器的驱动程序。l a b v l e w 还拥有功能超强且庞大的分析函数库， 其涵盖了统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成、时域频域分析及数字滤 波等众多科学领域1 3 4 , 3 5 1 。 2 ) 在系统可编程技术。文献 3 6 】中提到的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 统可编程技术是指在用户自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑器件进 行编程或反复编程的能力。这种重构可以在实验开发过程中、制造过程中甚至在 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 交付用户使用后在现场进行或通过i n t e m e t 进行。i s p 技术的应用给仪器仪表系 统的设计带来了革命性的变化，它使得仪器仪表的硬件系统不再是固定结构，而 是具有了软件的灵活性，在调试过程中不断更改“软件”就可达到硬件功能的改 进，这种“软”硬件的全新设计概念，使系统具有了极强的灵活性和适应性。传统 上，在系统可编程技术主要用于数字系统设计中，如美国x i l i n x 公司的f p g a 现 场可编程门阵列和c p l d 复杂可编程逻辑器件等均支持i s p 技术。1 9 9 9 年1 1 月， 美国l a t t i c 公司推出了i s p p a c 在系统可编程模拟电路，文献 3 6 1 提到了i s p 技术 在模拟系统中的一种应用。由于本课题用到的是前者，对于后者不再加以详细介 绍。 2 采用软硬件协同设计的方法 传统的仪器仪表设计中，先进行系统的硬件设计，再进行软件阶段的设计， 后进行系统的集成测试，这时，如果发现系统硬件的错误或者系统结构的缺陷， 要修正相当困难，可能导致系统的重新设计，这不仅延长了开发周期，增加了开 发的成本，而且难以满足快速变化的市场需求。在把嵌入式技术应用到综合仪器 仪表开发过程中后，人们认识到软件与硬件的开发不应是独立的、分离的，而应 利用文献 3 9 1 中所讲的协同设计的方法，即在软件和硬件实现之前，就对软硬件 所实现的功能进行划分，以便产生一个最佳的分解方案，同时在硬件开发之前， 应对包含软件、硬件的嵌入式系统所实现的功能进行验证，以确保系统的实现与 最初的功能规格说明相一致【柏l 。采用协同设计的新方法，不仅能够降低设计成 本，缩短设计周期，而且避免了重复设计，提高了设计的合理性和成功率。 3 引入了嵌入式实时操作系统 常规智能仪器仪表虽然采用8 位或者1 6 位的微控制器( 单片机) ，在一定程 度上做到了智能化，但是随着需要实现的功能越来越多，越来越复杂，已经有些 力不从心。同时，微电子技术、芯片技术、集成电路工艺的飞速发展，使得高性 能的嵌入式处理器的价格、体积、功耗都不断降低，文献【4 1 、4 2 、4 3 、4 4 1 就表 明综合仪表中使用高性能的嵌入处理器已成为可能。嵌入式微处理器目前主要有 i n t e l 、a m d ，m o t o r o l a 的6 8 0 0 0 ，i b m 和m o t o r o l a 的p o w e rp c ，日立公司的s h ， s g i 公司的m i p s ，以及在嵌入式r i s c 处理器市场占绝对优势的a r m 系列等p 川。 实现智能仪器仪表与i n t e m e t 联接的想法其实很早以前就有了，主要的困难在于 i n t e m e t 上的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，而仪 器仪表大多使用的是8 位和1 6 位m c u ，支持t c p i p 等i n t e m e t 协议将占用大 量系统资源，或根本不可能m 1 。由于采用了高性能的3 2 位处理器，满足了这种 专用的需求，实现了综合仪器仪表的网络化【4 7 拈4 9 】。本课题所用的便是m o t o r o l a 公司p o w e r p c 系列中的m p c 8 5 2 t ，m p c 8 5 2 t 芯片是多功能单片集成通信微处 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 理器，配以合适外设，可适用于多种控制应用，尤其适合于通信和网络系统。它 是一个性价比较好的单片嵌入式通讯处理器，内部集成了m p c 8 x x 核、系统接 口单元( s i l j ) 和通讯处理器( c p m ) 三大模块，每个模块内部都有自己的3 2 位总线 唧l 。采用高性能的3 2 位处理器，综合仪器仪表与计算机一样，成为网络中的独 立节点，实现了基于i n t e m e t 的远程控制、自动报警、上传下载数据文件i5 1 】等 功能。 在常规智能仪器仪表中由于处理器功能、存储器容量等限制，实时操作系统 也难以实现应用。随着仪器仪表硬件功能的增强，成本的降低，功能要求的增加 和复杂化，需要实时操作系统对多个任务进行合理协调调度，管理系统资源的要 求越来越迫切。同时，各种嵌入式实时操作系统不断出现，对硬件配置的要求不 再苛刻，实时性不断增强，效率不断提高，有些还提供了对网络协议的支持，使 得在综合仪器仪表中使用嵌入式实时操作系统成为可能【5 2 1 。嵌入式实时操作系 统r t o s 支持多任务，应用程序被分解成多个任务，程序开发变得更加容易，便 于维护，易读易懂，提高了开发效率，缩短了开发周期，还提高了系统的稳定性 和可靠性。目前，国外开发商提供的嵌入式操作系统为数众多，主要有v x w o r k s 、 p s o s 、q n x 、w i n c e 等；国内主要有h o p e n 、桑夏2 0 0 0 等【5 3 1 。此外，还有相 当多的基于l i n u x 的嵌入式操作系统。用户可以根据应用的需要，从任务调度、 内存管理、内存开销、任务切换时间、最大中断禁止时间等几个方面来衡量和选 择适当的实时操作系统，本课题所采用的是p s o s 嵌入式实时操作系统。 在功能强大的嵌入式处理器及其硬件平台的支持下，凭借实时操作系统的高 效调度和管理。在基于嵌入式的新型综合仪器仪表中，软件具有了突出的地位。 软件不再附属于硬件，能够完成测量、计算、显示等功能而成为处理能力很强的 智能模块。采用人工智能的方法使综合仪器仪表实现了复杂的信号处理算法，软 件成为仪器智能化程度高低的决定性因素。综上所述，采用嵌入式的设计模式， 选择高性能的嵌入式微处理器，在实时操作系统的强大支持下，设计和开发高级 智能化网络化的新型综合仪器仪表，必将成为行业发展的趋势。本课题把嵌入式 实时操作系统和i s p 在系统可编程技术结合起来，把嵌入式技术应用到了综合仪 器仪表的开发过程中，以同步传输交叉单板l p s l 6 a 为测试对象，开发了一台多 功能综合仪器仪表。 1 3 检测方法的研究现状 检测是将被测量与标准量进行比较的过程，得出被测量为标准量的倍数即为 检测结果值。这里所说的标准量应该是与被检测量具有同类性质的法定计量单位 或导出单位。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 检测方法是实施检测所采用的具体方法。检测方法对检测工作非常重要，它 关系到检测任务是否能完成。因此，需针对不同检测任务，进行认真而具体地分 析，确定切实可行的检测方法并选择合适的检测工具。如果检测方法不当，即使 选择检测工具再高级，也不会得到满意的检测结果。对于检测方法，从不同的角 度，有各种不同的分类方法，如图1 2 所示。本文所采用的嵌入式软件测试方法 按不同分类方法可归为间接检测法、接触式检测法、动态检测法和主动式检测法。 检 测 方 法 的 分 类 1 3 1 检测方法的分类 按检测手续分类 按获取检测数据方式分类 按是否与被测数据接触分类 按被测量变化快慢分类 是否向被测量施加能量分 图1 - 2 检测方法的分类 直接检测法 被动式 1 按检测手续分类，文献 5 4 、5 5 将检测法分为直接检测法、间接检测法 和组合检测法。 1 ) 直接检测法 在使用仪表进行检测时，对仪表读数不需要经过任何运算，就能直接表示出 所需要的结果，称为直接检测法。例如，用电压表测量交流电源电压，利用频率 计测量信号的频率等。直接检测的优点是简单而迅速，缺点是检测精度不容易达 到很高，这种方法是工程上广泛采用的方法。 2 ) 间接检测法 在使用仪表进行检测时，首先对与被测量有确定函数关系的几个量进行检 测，然后将检测值代入函数关系式，经过计算得到所需要的结果，这种方法称为 9 一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一 中南大学硕士学位论文第一章绪论 间接法。 3 ) 联立检测法( 也称组合检测法) 在应用仪表进行检测时，若被测的量必须经过求解联立方程组，才能得到最 后结果，则称这样的方法为联立法。在进行联立测量时，一般需要改变测试条件， 才能获得一组联立方程所需要的数据。 2 按获取检测数据的方式分类，文献 5 6 、5 7 将检测法分为偏差式、零位 式和微差式。 1 ) 偏差式 在检测过程中，用仪表指针的位移( 即偏差) 决定被测量的方法称为偏差式 检测法。应用这种方法进行检测时，标准量具不装在仪表内，而是事先用标准量 具对仪表刻度进行校准。在检测时，输入被测量，按照仪表指针在标尺上的示值 来决定被测量的数值。 2 ) 零位式 在检测过程中，用指零仪表的零位指示检测系统的平衡状态；在检测系统达 到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的方法，称为零位式检测法。应用这 种方法进行测量时，标准量具装在仪表内，在测量过程中，标准量直接与被测量 相比较；调整标准量直到被测量与标准量相等，使指零仪表回零。用平衡电桥检 测电阻、电容、电感就是典型的应用实例。 3 ) 微差式 微差式检测法是综合了偏差式与零位式的优点而提出的检测方法。这种方法 将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值后，用偏差法测得此差值。 应用这种方法进行检测时，标准量具装在仪表内，并且在检测过程中，标准量直 接与被测量进行比较。由于两者的值很接近，因此，检测过程中不需要调整标准 量，而只需要检测二者的差值。 3 按检测敏感元件是否与被测量介质接触分类1 5 8 l ，将检测系统分为接触式 和非接触式两种。 1 ) 接触式 接触式检测法是将仪表的敏感元件与被测量相接触。敏感元件从被测物体得 到能量或被带动产生运动，使得敏感元件产生转换作用。如用热电偶检测物体的 温度、电感式测厚仪都是接触式检测。接触式检测法适用静态或运动速度缓慢的 物质参数检测。 2 ) 非接触式 非接触式检测仪表的敏感元件不与被测物质进行有机械接触。它是通过仪表 辐射能量随被测参数( 如x 射线测厚仪中x 射线强度随厚度衰减) 变化或被测 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 量的能量( 如红外测温仪中仪表接受的红外线随被测温度变化) 变化。这种检测 方法适用于高速运动或环境恶劣的场合。 4 按被测量的变化快慢分类，分为静态检测和动态检测两类【5 4 1 。 1 ) 静态检测 静态检测是指对于被测信号相对于仪表的动态特性变化缓慢。检测系统的输 入输出关系用代数方程描述即可，被测量的检测数值是一个稳定的值。这种检测 系统的响应速度( 时间) 远快于被测信号的变化速度。它适用于被测值不变化( 如 成品的尺寸) 或变化缓慢( 如室内温度) 信号的检测。 2 ) 动态检测 对于变化速度快或需要观察变化过程的被测信号，为了保证结果真实可靠， 需要检测系统具有足够的快速反应能力。被测信号和检测系统的输入输出关系一 般都需要用含时间变量的微分方程描述；在检测系统的采样周期内保证被测量保