第8章自动测试系统VIP

电子测量技术,广东技术师范学院,8.2自动测试系统的发展：分为三代：,第一代：专用接口卡片，主要用于一些特定场合。,例如：自动数据采集系统，自动分析系统。,缺点：表现在接口和标准化方面，研制工作量大，费用高，适应性不强。,8.1自动测试系统的概念通常把最少人工参与下能自动进行测量、数据处理并以适当方式显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统（ATS）,第二代：1975年HP-IB通用接口卡片，1978年，国际承认，称为GPIB系统。,通用接口母线系统,特点：用标准化的接口母线把测试系统中各有关设备按积木的形式连接起来。,例如：GPIB系统，CAMAC系统,优点：使用统一标准母线，消除专用接口设计的重复劳动；组建方便，拆解容易。,缺点：没有充分使用计算机。,第三代自动测试系统,特点：基于VXI、PXI等总线、由模块化的仪器、设备组成自动测试系统采用计算机软件代替传统仪器的某些硬件功能，如产生激励信号和测试功能。,特征：直接用来产生测试信号和测试功能，而不仅仅对系统或仪器进行一些指挥、管理及数据处理工作；软件代替硬件。,例如：虚拟仪器,个人计算机,仪器插件,3、人工测试及自动测试系统框图,测试人员,电压源,信号源,电压源,记录纸笔,绘图纸笔,被测器件,人工测试系统,人工测试特点：,由三部分组成，即人、被测件和仪器设备。,人的作用有两方面，一方面为对测试过程的指挥；一方面执行对设备的操作。,测试速度较慢。,例如：点频法，逐点测量法,计算机,自动测试系统,接口,信号源,接口,电压表,接口,打印机,接口,绘图仪,接口,电压源,接口,被测器件,（GeneralPurposeInterfaceBus，GPIB）是国际通用的仪器接口标准，是专门为仪器控制应用而设计的。这套接口系统最初由美国HP公司提出，后被美国电气与电子工程师协会(IEEE)和国际电工委员会(IEC)接受为程控仪器和自动测控系统的标准接口，因此，也称IEEE488接口或IEC625接口，目前的协议是488.2。,GPIB总线,HP设计HP-IB,1965,1975,1987,1990,1992,1993,HP-IB成为IEEE488,IEEE488.1-1987IEEE488.2,SCPI被引入IEEE488,NI提出HS488,StandardCommandsforProgrammableInstruments,修订IEEE488.2,二、GPIB系统,器件,8条数据母线,3条数据拜特传递控制母线,5条接口管理母线,DAV,NRFD,NDAC,IFC,ATN,SRQ,REN,EOI,DI01DI08,GPIB的基本性能,设备容量设备容量是指GPIB接口系统中仪器和计算机的总容量，通常可连接的仪器数目最多为15台；传输距离互连电缆的传输路经总长不超过20m，或者装置数目与装置之间距离的乘积不超过20m；数传速度最高可达1Mbyte/s；地址容量GPIB标准规定采用5个比特位的编码来表示地址，地址容量为31个；信息逻辑总线上信息逻辑采用负逻辑，规定：低电平（+0.8V）为逻辑“1”，高电平（+2.0V）为逻辑“0”；数传方式数据传输方式可以为：字节串行、位并行，双向异步传输。,（一）、组成,系统由母线、接口和器件组成。,母线,IEEE488：,IEC-625：,24芯,25芯,16条信号线,8条地线或屏蔽线,16条信号线,9条地线或屏蔽线,接口,接口功能：十种,接口功能状态图,由GPIB联入自动测试系统的器件分为：,控者：能控、能讲、能听,讲者兼听者：能讲、能听,讲者：只能讲,听者：只能听,例如：数字电压表是讲者兼听者,打印机和绘图仪是听者,纸带读出器是讲者,三组信号线的作用：,1、数据母线：,8条，主要用于传送系统内的多线消息。,16条信号线又分为：数据母线、数据拜特传递控制母线和接口管理母线。,采用编码的形式传送。,2、数据拜特传递控制母线：挂钩母线，3条，用于保证数据母线多线消息能双向、异步、准确可靠地传递。,3、接口管理母线：5条，用于管理借口本身的工作。,三线挂钩技术,一、GPIB系统中，消息的分类：,1、接口消息和器件消息,接口功能,器件功能,器件,接口功能,器件功能,器件,器件消息,接口消息,举例说明器件消息和接口消息,GPIB系统中消息的传递：,2、单线消息和多线消息,3、远地消息和本地消息,4、主动消息和被动消息,例如：命令电压表讲时，发电压表的讲地址，使电压表接口中讲功能进入受命状态，不影响电压表工作状态，属于接口消息。,例如：计算机命令电压表工作在“测量交流电压，量程为5V”的状态，为器件消息。,二、多线接口消息,作用：由控者发出，用来管理接口系统。,分类：通令、专令和地址。,三、多线器件消息：,主要有：程控指令、测量数据、状态数据、显示数据。,四、管理母线,（二）、工作特性,1、接口功能：十种,接口功能,源方挂钩,受方挂钩,讲者或扩大讲者,听者或扩大听者,服务请求,远地本地,并行查询,器件清除,器件触发,控者,符号,SH,AH,T/ET,L/EL,SR,RL,PP,DC,DT,C,5.三线挂钩技术,用于控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有节奏地传输信息，这种传输技术称为三线挂钩技术。三线挂钩指的是讲者、控者、听者之间的逻辑联接与接续关系。DAV(DadaValid)数据有效线：当数据线上出现有效数据时，讲者置该线为低（负逻辑），示意听者从数据线上接收数据。NRFD(NotReadyForData)数据未就绪线：只要听者中有一个尚未准备好接收数据，该线就为低，示意讲者暂不要发出信息。NDAC(NotDataAccepted)数据未收到线：只要听者中有一个尚未从数据总线上接收完数据，该线就为低，示意讲者暂不要撤掉数据总线上的信息。,系统内部每传送一个字节信息都有一次三线联络的过程，其时序如图。,2、器件设备四种,3、低电平有效,4、地址,主地址,副地址,讲,听,3131,5、同时只有一个讲者，可有若干听者。,6、电气特性,VXI总线,VXI(VMEbuseXtensionsforInstrumentation)VME(VersabusModuleEuropean)VXI总线标准是在VME总线和GPIB总线基础上发展的一种新型仪器系统总线。VXI总线以其开放的系统结构、模块化的设计、紧凑的机械结构、良好的电磁兼容性，以及可靠性高、小型便携和灵活通信能力等一系列优点满足了工业领域需求，被公认为21世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台。,2.VXI模块,VXI总线系统的最小物理单元是组建模块，它由带电子元器件和连接器的组件板、前面板和任选的屏蔽壳组成。VXI系统的每个模块都要符合一定的尺寸，且插入主机箱并接牢连接器才能工作。规定的模块尺寸共有有A，B，C，D四种规格。,3.VXI主机箱,VXIorVME,背板,未屏蔽C尺寸模块,双宽度带屏蔽的D尺寸模块,电源冷确系统,VXI总线的电气性能,系统共用资源包括0号槽服务器件：在物理连接层向系统提供公用资源;资源管理器：为系统提供逻辑组态和管理服务.,0号槽服务器件,（1）系统时钟功能模块，提供VXI总线的SYSCLK（16MHz）、CLK10、CLK100和SYN100时钟和同步信号；（2）STARX和STARY星型触发线程控组合矩阵；（3）系统复位等管理模块，提供和处理SYSRESET*、ACFAIL*和SYSFAIL*信号；（4）模块识别功能模块，驱动和接收MODID00MODID12线。,资源管理器,1）器件识别：通过读256个配置寄存器每一地址处的状态寄存器来判断有无相应的器件；2）系统的自检管理：在所有器件完成自检后，强制自检失败的器件进入复位状态，或用其它方法进行诊断测试；3）配置系统地址空间：首先读出每个器件的地址空间，然后给器件分配基地址偏移量，保证地址不重叠；4）进行命令者/从者分层：通过读消息基器件的通信寄存器找出所有的命令者，确定从者区域大小，进行分配；5）分配中断请求线：只对支持用软件的方法来确定（对中断请求线的使用具有可编程能力）的器件分配中断请求线启动正常操作：完成上述过程后，发出开始正常操作命令给顶层命令者。至此，上电工作过程完成；6）启动正常系统操作。,在VXI总线系统中，各种命令、数据、地址和其它消息都通过总线传递。VXI总线系统的各种总线都印制在主机箱内的多层底板上，通过P1/J1、P2/J2、P3/J3连接器与各模块相连接。VXI总线是VME总线在仪器领域的扩展，所以VXI总线实际上是在VME总线的基础上扩展了一些适应仪器系统所需要的总线而构成的。,VXI总线的信号线,VXI总线定义的信号线分类,VME计算机总线时钟和同步总线模块识别总线触发总线模拟相加总线局部总线电源线,共7类信号线,1)VME计算机总线,VME计算机总线包含了数据传输总线、仲裁总线、优先级中断线和公用总线，这些总线都安排在P1连接器和P2连接器的中间一行引脚上。主要有：,数据传输总线（DTB）:DTB由总线主模块控制，用于主、从模块之间传递数据和状态/识别信息。分为寻址线、数据线和控制线；DTB仲裁总线:VME总线支持多处理器的分布式系统。仲裁总线用来解决多个主模块争夺DTB总线使用权的问题，防止总线冲突；优先中断总线:供VME总线系统的中断器（Interrupter）和中断处理器之间进行中断请求和中断认可使用；公用总线:为系统提供时钟、系统初始化及故障检测等功能。,2)VXI增加的信号线,为适应高速、高性能仪器组件模块的需要，VXI在保留VME系统总线的基础上，新定义了一些面向仪器应用的信号线。这些新定义的信号线位于P2和P3连接器上，包括：,*模块识别线：检测特定位置上的模块的是否存在；*时钟和同步线：CLK10和CLK100、SYN100；*仪器触发线：TTL、ECL和STARX和STARY星形触发线；*模拟相加线：SUMBUS是VXI背板上的模拟相加结点；*局部总线：用于两者之间高速通信，LBUS数据传输率高达250Mbps和1Gbps；*电源线：+5V，12V是VME标准；24V是为模拟电路设计的，-5.2V，-2V是为高速ECL电路设计的。,VXI总线的电气结构示意图,VXI系统结构,1.VXI器件器件是组成VXI总线系统最基本的逻辑组件（或逻辑单元）。通常，一个器件占据一块VXI模块，但也允许在一个模块上实现多个器件和一个器件占据多个模块。在一个VXI系统中，最多可有256个器件，每个器件都有一个唯一的逻辑地址，逻辑地址的编号为0255。,器件分类,器件之间的基本操作是信息传输。根据通信能力，VXI总线器件分为：寄存器基器件消息基器件存储器器件扩展器件,寄存器基器件,寄存器基器件是具有最基本能力的VXI总线器件，这类器件的特点是器件的通信是通过对它的寄存器进行读写来实现的。如简单的开关、数字I/O和A/D接口卡等；,特点：器件的通信通过对它的寄存器进行读、写来实现；它是最简单的器件，本身一般不具备智能，不能控制其它器件，只能受其它器件或系统控制；硬件电路简便，易于实现，速度快，节省指令译码时间，在速度要求较高的情况下特别有用。,消息基器件,消息基器件不但具有配置寄存器，同时还具有通信寄存器来支持复杂的通信协议。这种器件一般都是具有本地智能的较复杂器件，如计算机、资源管理器、各类有本地智能的测试仪器、GPIB-VXI接口等。特点：,具有本地智能，可以控制其它器件，也可以被其它器件控制；能够接受和处理复杂命令，支持字串行协议；需对指令进行译码，因此降低了速度。,存储器器件,存储器器件靠寄存器的读、写进行通信，除配置寄存器外，还具有特征寄存器，没有通信寄存器，本身是存储器。特点：,一般由其它器件使用，不能控制其它器件；该器件的其它可寻址寄存器是器件工作时使用的存储单元；具有存储器的某些特性，具有一定的存取时间。,扩展器件,扩展器件是为VXI未来发展而定义的，它允许将来设计更新种类的器件，支持更高级的通信协议。,这四种器件在VXI系统中担当的角色及器件之间的通信是基于一种器件分层关系进行的，即相互通信的器件一个称为命令者，一个称为从者，命令者是消息基器件，能控制一个或几个其它器件，被控器件就是该命令者的从者。,2.VXI模块,VXI总线系统的最小物理单元是组建模块，它由带电子元器件和连接器的组件板、前面板和任选的屏蔽壳组成。VXI系统的每个模块都要符合一定的尺寸，且插入主机箱并接牢连接器才能工作。规定的模块尺寸共有有A，B，C，D四种规格。,VXI总线连接,典型VXI模块,VXI仪器系统结构,VXI仪器系统结构,PXI总线,PXI总线1）PXI总线的特点PXI总线是PCI总线的增强与扩展，并与现有工业标准CompactPCI兼容。2）PXI软件特性为了充分发掘PXI在提供高度集成化的测控平台方面的潜力，PXI选用开放式软件体系结构，用以定义出一个与不同类型硬件相连的公共接口。,PXI总线是NationalInstruments公司1997年下半年推出的总线标准，并作为开放式规范提供仪器业界使用，对模块式测量仪器有着重要的影响。PXI总线与VXI总线有很多相似之处，同时又具有不少自己的特点。VXI总线是VME计算机总线的仪器扩展，PXI总线是PCI计算机总线的仪器扩展，它是PCIeXtentionforInstrumentation（PCI仪器扩展）的简写。PXI总线综合了计算机总线（VME和PCI）、插件（compactPCI）、软件（Windows98和NT）以及仪器总线（GPIB和VXI）和开发工具等方面的特点，具有坚实的硬件、软件基础。PXI总线把PCI计算机外设总线与专用仪器总线结合在母板上。使机箱能够安装PCI微机和PXI仪器模块。机箱有11个插槽，左边3槽接系统控制器或系统扩展器。右边7槽接仪器模块，中间还有1个系统控制器插槽。模块尺寸有3U和6U两种。3U只有一个PCI接口，而6U可有两个PCI接口。PXI总线的仪器专用总线有时钟、本地、触发、电源等4种。机箱电源功率300w，有良好通风和电磁屏蔽，可在苛刻的环境运行。,虚拟仪器,虚拟仪器的概念与特点1.虚拟仪器的概念虚拟仪器（简称VI）是电子测量技术与计算机技术更加紧密结合产生的一种新仪器模式，是指以通用计算机作为核心硬件平台，配以相应的硬件模块作为信号输入/输出接口，利用仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板和相应的功能，通过鼠标或键盘交互式操作完成相应测试测量任务的仪器。,2.虚拟仪器的特点与传统仪器相比，虚拟仪器有以下特点：（1）它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器，融合了计算机强大的硬件资源。（2）强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色。（3）友好的图形化用户界面，可实现人机交互。（4）更新速度快，可维护性好。（5）采用模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。,虚拟仪器的架构1.虚拟仪器的硬件构成拟仪器的硬件架构如图10.8所示。数据的采集通过输入/输出接口设备来完成。输入/输出接口设备可以是以各种PC为基础的内置数据采集插卡、通用接口总线（GPIB）卡、串口、VXI或PXI总线接口模块等设备，或者是其他各种可编程的外置测试设备，分别构成DAQ、GPIB、VXI、PXI等标准体系结构的虚拟仪器，其中最常见的是数据采集（DAQ）卡。,图10.8虚拟仪器的硬件架构,在PC计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等，如图10.9所示。,图10.9PC-DAQ系统,2.虚拟仪器的软件结构硬件平台是虚拟仪器的基础，仪器用软件是其核心。基本硬件确定后，要使虚拟仪器具有用户自行定义的功能与界面，就必须有功能强大的仪器用软件。VXI总线虚拟仪器的软件结构示意图如图10.10所示，包括应用软件开发环境、仪器驱动器、VISAAPI三部分。,图10.10虚拟仪器软件结构,3.虚拟仪器应用软件开发环境目前，市场上可供选择的面向工程的虚拟仪器软件开发平台比较多，其大致可分为两类：一类是图形化编程环境，如原HP公司的HPVEE和NI公司的LabVIEW；另一类是传统的程序语言编程环境，如NI公司的LabWindows/CVI，以及微软的VisualC、VisualBasic等。,1）LabVIEW其主要特点有：(1)可视化图形开发环境，流程图式的编程，简单易学、易用，大大节省了开发时间。LabVIEW开发环境分为前面板和流程图两部分，分别如图10.11和图10.12所示。,图10.11随机信号发生器的前面板,图10.12随机信号发生器的流程图,(2)LabVIEW提供了丰富的程序调试功能。(3)结构化、模块化编程，可移植性好。(4)库函数丰富，开放性、可扩展性好。2）LabWindows/CVI具体来说，它具有以下特点：(1)采用集成开发平台、开放式体系结构。(2)采用可视化编程，设计用户图形界面轻松自如。(3)采用交互式编辑方法，可自动生成程序源代码。(4)运用丰富的库函数，使编程工作大大简化。,(5)运用方便灵活的程序调试手段。虚拟仪器的设计开发1.测试需求的制定明确用户想解决什么问题，即仪器要完成哪些功能，以及用户对面板操作上的要求，从而确定面板需要什么控制部件和指示部件，并进行面板布局构思2.硬件选择虚拟仪器的硬件一般分为基础硬件平台和仪器硬件设备。采用不同硬件体系结构的虚拟仪器系统性能比较如表10.1所示，用户必须根据测试功能与性能需求、资金情况等进行合理的选择。,表10.1不同体系结构虚拟仪器的系统性能,3.仪器驱动器的开发通常，仪器驱动器包括以下几个部分：(1)函数体。(2)交互式操作接口。(3)编程接口。(4)I/O接口。(5)功能库。(6)子程序接口。,4.虚拟仪器软面板的设计软面板的具体设计应注意以下几点：(1)软面板应设计成能在不同平台和计算机显示器上完成各种操作，所以必须保证每个软面板在不同平台和不同分辨率的显示器之间是可移植的。(2)字体选择应基于可移植性和易读性。(3)根据外观、效果、可移植性及打印的要求来选择颜色。,(4)仪器或公司的图标显示在主面板上。(5)不同面板上的控制器和指示器应该是一致的、易读的，应能足够容纳所表示的最大数字或选项。(6)软面板应支持鼠标和键盘操作，应提供在线帮助功能。,13.4USB仪器简介1.概述USB接口在测量仪器中确实是简单方便和低成本的互连技术，它特别适用于较高速率的数据采集和传输场合。传统的和PC平台的数据采集系统卡需要占用ISA或PCI插槽，以及从插卡引出至传感器的大量线缆，数据采集量增加时会受PC插槽数目、地址、中断等硬件和软件资源的限制，导致可扩展性较差，抗电磁干扰性能低，安装拆卸困难，成本高等。随着PC配置USB接口和数据率的提高，以及USB接口芯片价格的下降，使USB接插件和电缆比较便宜，由于大量USB数据采集系统的出现，一定会促进USB接口更大的发展。,2.USB测量仪器在US