测试设备主流技术简介.docx

1 测控设备类型目前主流工业测试设备平台有：专业分析仪器、过程控制PLC及仪表、工业数据采集与控制（DAQ）设备等主要三类设备。1.1 专业分析仪器专业分析仪器主要是指为不同行业领域的提供的标准专业仪器，例如：生命科学与化学分析类仪器，包括：色谱仪、光谱仪 质谱仪 元素分析仪等专业仪器；标准电子测量仪器，包括：示波器、频谱分析仪、网络分析仪以及信号发生器、信号源等专业电子测量仪器。如图所示是安捷伦标准的频谱分析仪：目前安捷伦的专业分析仪器基本采用了LXI总线技术。1.2 LXI 总线传统测试仪器往往是一些功能单一的专用仪器，近年来出现了以软件控制的、以功能组合方式实现的合成仪器技术，美国安捷伦科技公司与美国VXI科技公司推出的新一代模块化平台标准LXI(LAN eXtension for Instrumentation)，将局域网(LAN)技术应用于自动测试领域，提出了解决测试平台和测试设备之问接口总线定时、同步、控制和数据传输等问题的新方法，易于实现测试对分布式被测设备的测试，成本低、互操作性好，是构建新一代自动测试系统的体系结构。随着测试总线的应用和不断发展，LXI总线技术在自动测试系统应用中将发挥越来越重要的作用，成为未来测试总线的发展趋势。所谓LXI 就是一种基于以太网技术等、由中小型总线模块组成的新型仪器平台。LXI 仪器是严格基于IEEE802.3、TCPIP 、网络总线、网络浏览器、IVI_COM 驱动程序、时钟同步协议（IEEE 1588）和标准模块尺寸的新型仪器与带有昂贵电源、背板、控制器、MXI 卡和电缆的模块化插卡框架不同，LXI 模块本身已带有自己的处理器、LAN 连接、电源和触发输入。LXI模块的高度为个或个机架单位，宽度为全宽或半宽，因而能容易混装各种功能的模块信号输入和输出在LXI 模块的前面，LAN 和电网输入则在模块的后面。LXI 模块由计算机控制，不需要传统台式仪器的显示、按键和旋钮，同时由LXI 模块组成的LXI 系统也不需要如VXI或PXI 系统中的零槽控制器和系统机箱一般情况下，在测试过程中LXI 模块由 台主机或网络连接器来控制和操作，等到测试结束后，再把测试结果传输到主机上显示出来。LXI 模块借助于标准网络浏览器进行浏览，并依靠IVI_COM 驱动程序通信，从而方便了系统集成。LXI 标准定义了三种类型的仪器，这三种类型能在测试系统中混用： C 类仪器：这是独立型仪器或台式仪器，它们用 LAN 代替 GPIB，具有 LAN 的所有有益能力，并且把 Web 接口（具有 XML）用于仪器设置和数据访问。为简化编程，C类仪器提供 IVI 驱动程序 API（应用程序接口）。 B 类仪器：这类仪器可用于分布式测量系统。它们符合 C 类仪器的要求，并包括 IEEE 1588 同步。 A类仪器：这类装置除满足 C类和B 类仪器要求外，还另外增加了两项属性：快硬件触发总线和合成仪器工作模型代表厂商：安捷伦、泰克等优点：精度高、专业分析算法、独立工作缺点：通道少，价格高应用场景：专业研发环境1.3 工业PLC及仪表PLC可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC 系统，即可编程控制器，适用于工业现场的测量控制，现场测控功能强，性能稳定，可靠性高，技术成熟，使用广泛，价格合理。DCS 系统，即集散工控制系统，属90年代国际先进水平大规模控制系统。它适用于测控点数多、测控精度高、测控速度快的工业现场，其特点是分散控制和集中监视，具有组网通讯能力、测控功能强、运行可靠、易于扩展、组态方便、操作维护简便，但系统的价格昂贵。SCADA系统，即分布式数据采集和监控系统，属中小规模的测控系统。它集中了PLC系统的现场测控功能强和DCS系统的组网通讯能力的两大优点，性能价格比高。代表厂商：西门子 SIMATIC、ABB、美国等优点：可靠性高、环境适应性好、缺点：独立工作仪表、应用场景：生产过程控制专业控制仪表：电工仪表、温度仪表、压力仪表、显示仪表等仪表。代表厂商：日本导电等优点：可靠性高、环境适应性好、缺点：独立工作仪表、应用场景：生产过程控制1.4 DAQ设备计算机数据采集DAQ（Data Acquisition）是使用计算机测量电压、电流、温度、压力或声音等电子、物理现象的过程。DAQ系统由传感器、DAQ测量硬件和带有可编程软件的计算机组成。与传统的测量系统相比，基于PC的DAQ系统利用行业标准计算机的处理、生产、显示和连通能力，提供更强大、灵活且具有成本效益的测量解决方案。1.4.1 组成DAQ硬件是计算机和外部信号之间的接口。它的主要功能是将输入的模拟信号数字化，使计算机可以进行解析。DAQ设备用于测量信号的三个主要组成部分为信号调理电路、模数转换器 (ADC)与计算机总线。很多DAQ设备还拥有实现测量系统和过程自动化的其他功能。例如，数模转换器(DAC)输出模拟信号，数字I/O线输入和输出数字信号，计数器/定时器计量并生成数字脉冲。1) 信号调理直接测量传感器信号或外部信号可能过于嘈杂或危险。信号调理电路将信号处理成可以输入至ADC一种形式。电路包括放大、衰减、滤波和隔离。一些DAQ设备含有内置信号调理，用于测量特定的传感器类型。2) 模数转换器(ADC)在经计算机等数字设备处理之前，传感器的模拟信号必须转换为数字信号。 模数转换器(ADC)是提供瞬时模拟信号的数字显示的一种芯片。实际操作中，模拟信号随着时间不断发生改变，ADC以预定的速率收集信号周期性的“采样”。这些采样通过计算机总线传输到计算机上，在总线上从软件采样重构原始信号。3) 计算机总线DAQ设备通过插槽或端口连接至计算机。作为DAQ设备和计算机之间的通信接口，计算机总线用于传输指令和已测量数据。DAQ设备可用于最常用的计算机总线，包括USB、PCI、PCI Express和以太网。最近， DAQ设备已可用于802.11无线网络进行无线通信。总线有多种类型，对于不同类型的应用，各类总线都能提供各自不同的优势。代表厂商：研华Advantech、凌华、国家仪器NI等优点：可靠性高、环境适应性好、1.4.2 DAQ设备总线分类Data-Acquisition-(DAQ)-Control 数据采集与控制设备按照计算机总线可分为以下几类：1.4.2.1 PCI简介1.4.2.1.1 概述PCI是Peripheral Component Interconnect(外设部件互连标准)的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有56个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有23个PCI插槽，可见其应用的广泛性。PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡、声卡、网卡、MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为33MHz/66MHz。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。 1.4.2.1.2 特点即插即用的实现所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。而不像旧的ISA板卡，需要进行复杂的手动配置。实际的实现远比说起来要复杂。在PCI板卡中，有一组寄存器，叫配置空间(Configuration Space），用来存放基地址与内存地址，以及中断等信息。以内存地址为例。当上电时，板卡从ROM里读取固定的值放到寄存器中，对应内存的地方放置的是需要分配的内存字节数等信息。操作系统要跟据这个信息分配内存，并在分配成功后把相应的寄存器中填入内存的起始地址。这样就不必手工设置开关来分配内存或基地址了。对于中断的分配也与此类似。中断共享的实现ISA卡的一个重要局限在于中断是独占的，而我们知道计算机的中断号只有16个，系统又用掉了一些，这样当有多块ISA卡要用中断时就会有问题了。PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。硬件上，采用电平触发的办法：中断信号在系统一侧用电阻接高，而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低；而只有当所有板卡的中断都得到处理后，中断信号才会恢复高电平。软件上，采用中断链的方法：假设系统启动时，发现板卡A用了中断7，就会将中断7对应的内存区指向A卡对应的中断服务程序入口ISR_A；然后系统发现板卡B也用中断7，这时就会将中断7对应的内存区指向ISR_B，同时将ISR_B的结束指向ISR_A。以此类推，就会形成一个中断链。而当有中断发生时，系统跳转到中断7对应的内存，也就是ISR_B。ISR_B就要检查是不是B卡的中断，如果是，要处理，并将板卡上的拉低电路放开；如果不是，则呼叫ISR_A。这样就完成了中断的共享。1.4.2.2 CPCI简介1.4.2.2.1 概述Compact PCI（Compact Peripheral Component Interconnect）简称CPCI，中文又称紧凑型PCI，是国际工业计算机制造者联合会（PCI Industrial Computer Manufacturers Group，简称PICMG）于1994提出来的一种总线接口标准。在电气特性上，CPCI总线以PCI电气规范为基础，解决了VME等总线技术与PCI总线不兼容的问题，使得基于PC的x86架构、硬盘存储等技术能在工业领域使用。同时由于在接口等地方做了重大改进，使得采用CPCI技术的服务器、工控电脑等拥有了高可靠性、高密度的优点。在机械结构上，CPCI总线结构使用了欧卡连接器和标准3U、6U板卡尺寸。此外，CPCI总线具有很好的抗震性和通风性，而且还可以从前面板拔插板卡，使更换和维修板卡极为方便。1.4.2.2.2 特点CPCI技术是在PCI技术基础之上经过改造而成，具体有三个方面：一是继续采用PCI局部总线技术；二是抛弃IPC传统机械结构，改用经过20年实践检验了的高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件、提高了抗振动冲击能力、符合电磁兼容性要求；三是抛弃PCI的金手指式互连方式，改用2mm密度的针孔连接器，具有气密性、防腐性，进一步提高了可靠性，并增加了负载能力。CPCI所具有可热插拔（Hot Swap）、高开放性、高可靠性。CPCI技术中最突出、最具吸引力的特点是热插拔（Hot Swap）。简言之，就是在运行系统没有断电的条件下，拔出或插入功能模板，而不破坏系统正常工作的一种技术。热插拔一直是电信应用的要求，也为每一个工业自动化系统所渴求。它的实现是：在结构上采用三种不同长度的引脚插针，使得模板插入或拔出时，电源和接地、PCI总线信号、热插拔启动信号按序进行；采用总线隔离装置和电源的软启动；在软件上，操作系统要具有即插即用功能。CPCI总线热插拔技术正在从基本热切换技术向高可用性方向发展。CPCI标准具有种种优点。它与传统的桌面PCI系统完全兼容，在64位/66M总线接口下能提供每秒高达512MB的带宽。它支持用在桌面PC和工作站上的完全一样的接口芯片。使用CPCI能利用在桌面工作站上开发的整个应用，无需任何改变就能将其移到目标环境，极大地缩短了产品推向市场的时间。利用CPCI技术使得电信设备OEM能利用与桌面应用系统同样的先进技术，同时还具有针对桌面系统设计的大量PCI芯片所带来的规模经济和低成本特性。其产品成本上往往低于同等功能的VME产品，仅略高于通常的工控机IPC（IPC，Industrial Personal Computer）产品。1.4.2.2.3 区别耐用性从传统工业PC系统上更换一块板卡常常是相当耗时的；用户需松开并移去机箱盖。由于板卡与外围设备之间可能会有一些内部连接电缆。而换卡时必须将这些连线断开，因此这一过程是很容易出错的。所以在耐用方面，传统工业PC系统无法做到象Compact PCI系统这样简洁而高效。另一方面，Compact2PCI设计可以从前面板拔插板卡。更换Compact PCI板卡非常简单，无需拆下机箱盖。此外，由于I/O接线都是通过后面板，前面的Compact PCI板卡上没有任何连线，因此更换板卡非常快捷简便。维修时间将会从小时级（传统工业PC）缩减为分钟级，从而缩短了MTTR（平均维修时间）。 抗震性传统工业PC不能对系统中的外围设备板卡提供可靠而安全的支持，插与其中的板卡只能固定于一点。卡的顶端和底部也没有导轨支持，因此卡与槽的连接处也容易在震动中接触不良。Compact PCI卡牢牢地固定在机箱上，顶端和底部均有导轨支持。前面板紧固装置将前面板与周围的机架安全地固定在一起。卡与槽的连接部分通过针孔连接器紧密地连接。由于卡的四面均将其牢牢地固定在其位置上，因此即使在剧烈的冲击和震动场合，也能保证持久连接而不会接触不良。 通风性传统的工业PC机箱内空气流动不畅，不能有效散热。空气流动因为无源底版、板卡支架和磁盘驱动器所阻塞。冷空气不能在所有板卡间循环流动，热空气也不能立即排出机箱外。电子设备和电路板会因这些冷却问题而损坏，使之变形，断线以及寿命短等。Compact PCI系统为系统中所有发热板卡提供了顺畅的散热路径。冷空气可以随意在板卡间流动，并将热量带走。集成在板卡底部的风扇系统也加速了散热进程。由于良好的机械设计带来通畅的散热途径，Compact PCI系统极少出现散热方面的问题。1.4.2.3 PXI简介1.4.2.3.1 概述PXI (PCI eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展) 是一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。制订PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。PXI在1997年完成开发，并在1998年正式推出，它是为了满足日益增加的对复杂仪器系统的需求而推出的一种开放式工业标准。如今，PXI标准由PXI系统联盟（PXISA）所管理。该联盟由60多家公司组成，共同推广PXI标准，确保PXI的互换性，并维护PXI规范。简单来说，PXI是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI为基础再加上一些PXI特有的信号组合而成的一个架构。PXI继承了PCI的电气信号，使得PXI拥有如PCI bus的极高传输数据的能力，因此能够有高达132Mbyte/s到528Mbyt