测控技术 第九章(1).ppt

1、第九章 自动测试系统,一、概述,1 、 自动测试系统的意义 通常把人工最少参与的情况下，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，Automated Test System）。在这种系统中，整个测试工作通常都是在预先编制好的测试程序统一控制下自动完成的。 在ATS中的各种设备大多是可以程控的，称为自动测试设备。采用这种系统进行测试时，人的作用主要是根据测试任务组建系统和编制软件。系统一旦正常工作，它的各种操作一般都是由系统本身自动完成的。,自动测试系统的产生和发展，是测试技术与现代科学技术、现代化大生产相结合的产物，也是测量科学与计算机科学相互作用

2、的结果。对自动测试系统的迫切需要体现在以下方面。 （1）测试任务复杂，工作量大，对测试系统的功能、性能要求越来越高； ATS通常采用计算机控制，具有很强的实时控制、逻辑判断、记忆存储和运算处理能力，可以自动地测试点、切换量程或更换仪器设备，以及进行巡回检测，可以获得极宽的测量范围和动态范围，容易适应测试任务复杂、工作量大的要求；另一方面，可以利用其计算能力，通过间接测量方法，可以达到多参数、多功能的测试效果；可以做各种复杂的分析、统计、判断、处理，降低测试的复杂性。,（2）要求测试速度快； 在现代科技和技术领域，往往要求实时检测和自适应处理。在ATS中，通过计算机控制操作，还可以自动校准、自动

3、调整测试点、自动切换量程和频段、自动记录和处理数据，测试速度通常比人工测试快几十到几百倍。只有采用自动测试，才能提供足够快的速度进行实时测量、处理和实时控制，使测试、分析和测试结果的应用融为一体。 ATS的高速度为短时间内多次测量和平均处理提供了条件。,（3）要求测量的准确度高； 采用自动测试系统可以避免了人身误差，可获得十分良好的测试复现性；通过进行大量的冗余测量，进行统计、分析和计算，可以在很大程度上消除或削弱随机误差和系统误差，从而获得极高的测量精确度。 （4）要求长期进行定时或不间断测试； （5）危险或测试人员难以进入测试场地的测试。,2 、 自动测试系统的概念及其发展 比较完善的自动

4、测试系统是在测试系统中采用了计算机后才逐渐形成的。 ATS的发展大体上可分为三个阶段。 （1）第一代自动测试系统 多为专用系统，应用于要求大量的重复测试，高可靠性的复杂测试，高速测试或测试者难于进入的测试场合。从功能上看有三类：自动数据采集系统，自动数据分析系统和自动监测系统。 系统的组建比较麻烦，需要解决系统内仪器与仪器，仪器与计算机之间的接口问题，系统的适应性差 。,（2）第二代自动测试系统 属于接口标准化阶段，采用积木式结构，系统中的所有装置都带有标准化的接口，接口之间采用无源总线连接。系统组建方便，其通用接口电路的更改与测试内容的增删也很灵活，设备的利用率高。 GPIB是应用最广的接口

5、总线标准。 （3）第三代自动测试系统 是以计算机为中心的测试设备，用计算机取代传统电子测量设备的大部分功能，使之成为测量仪器的一个不可分割的组成部分，并与整个测试系统融为一体，形成“虚拟仪器” 。,二、自动测试系统的组成 1、基本组成 （1）控制器：计算机、控制单片机、可编程控制器、控制类的DSP芯片等，是整个测试系统的指挥与控制中心。 （2）程控仪器与设备：包括各种程控仪器与辅助设备，在控制器的指令下，完成具体的测试与控制任务。 （3）总线与接口：包括各类内部总线，外部总线，它是连接控制器与各程控仪器、设备的通路，完成命令、信息、数据的传输与交换。 （4）测试软件：完成系统控制与测试任务所需

6、要的各类应用程序与软件。 （5）被测对象：随测试任务的不同和使用环境的不同而千差万别。,如图为数字电路的自动测试系统原理框图。 自动测试系统的软件及接口总线是整个系统的核心和关键，是联系测试资源和被测单元的桥梁，构建的好坏直接影响自动测试系统整个性能。,2、自动测试系统中的接口与接口总线的种类 （1） 接口的基本概念和术语 器件：组成ATS的各种组成部分可以通称为器件或装置。系统是若干器件的有机集合。 可程控器件：能够接受外来的数据(信号或指令)，并据之改变器件内部的工作状态。 接口 ：是系统或器件与外界环境的分界面。接口必须具备四个接口要素：机械上、电气上、功能上和运行上的相容性。,（2）接

7、口系统中信息的分类和传递 接口消息 ：用来管理接口系统本身工作的信息。在接口之间交换的消息称为远地消息，仅在各接口功能之间进行交换；器件同它自己的接口之间交换的消息称为本地消息，仅在本器件的器件功能和接口功能之间进行交换。 器件消息 ：器件功能之间通过各自的接口功能而交换的信息。器件消息由器件功能产生，并为另一有关器件的器件功能所利用。器件消息通过接口功能而传递，接口功能决定它们通过或不通过接口。,（3）基本的接口功能 在一个接口系统中，要进行有效的通信联系，一般至少要包含三种基本的接口功能： 听者功能能够接收经由另一个接口发来的器件消息，并把它传递到自己的器件功能去。 讲者功能能够把器件功能

8、所产生的器件消息发送到系统内的另一个接口去。 控者功能能够发出远地接口消息去控制系统内其他接口的工作。 除了三种基本接口功能外，在一个接口系统中还可视需要而添加其他一些标准化的接口功能，如服务请求和查询（识别）等。,（4）自动测试系统中总线的种类 按用途总线可分为三类：内总线、系统总线和外总线。 内总线，又称元件级总线，是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连，通常包括地址总线、数据总线和控制总线。 系统总线，是微机系统内部各印刷板插件之间的通讯通道。从功能上可分为数据总线、地址总线及控制总线三种。 外总线，又称通信总线，是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总

9、线和其他设备进行信息与数据交换，用于微机和其它设备之间或微机系统之间的通信。可以分为并行总线和串行总线。,GPIB、CAMXC、VXI等属于并行总线，常用的串行通信接口标准是EIA RS-232C，随着计算机技术的飞速发展，新兴发展的三种新型串行总线1-wire（单总线）、USB（通用串行总线）、IEEE1394（俗称火线）正在占据越来越重要的地位。,三、通用接口总线GPIB 国际上公认并广泛使用的IEEE488接口通常被称为通用接口总线（GPIB，General Purpose Interface Bus）。 GPIB的作用是实现仪器仪表、计算机、各种专用的仪器控制器和自动测控系统之间的快速

10、双向通信。它的应用不仅简化了自动测量过程，而且为设计和制造自动测试系统和自动测试装置（ATE）提供了有力的工具。,1、 GPIB的基本组成 GPIB是一种数字系统，在它的支持下每个主单元或控制器可控制10台以上的仪器或装置，使其相互之间能通过总线以并行方式进行通信联系。采用GPIB的自动测试系统由装置（器件）、接口和总线组成，其基本结构如图所示。,2、 GPIB装置（器件） 系统中各器件都有自己的功能，各器件可单独使用，只有当器件配置了接口功能后，才能进入自动测试系统。 GPIB器件按其功能可分为4 类：控者、讲者、听者、讲者兼听者。控者必然能听也能讲，可由计算机、定时器或其它逻辑控制装置担任

11、，DVM和显示器属于讲者，打印机和电源属于听者。,3 GPIB接口 GPIB标准供配置了10种接口功能，合称为接口功能集。,4 、 GPIB总线 GPIB采用无源总线，各器件接口部分都装有总线电缆插座，系统内所有器件的同一种信号线全部并联。 GPIB有25线和24线之分，两者之间可用专用连接件转换。GPIB有16条信号线，其余为地线或屏蔽线，16条信号线分为三组：数据输入输出总线8条，接口管理线5条，挂钩总线，又称数据字节传输控制总线3条。无论25线或24线，传递消息的16条线是完全相同的。,5 、 GPIB系统的基本特性 采用母线方式联接 最大传输电缆总长度为20m或2m （所挂器件数目），

12、 这两项中取其小者。 母线中共包含16条信号线 最大传输速率为l M bytess 地址容量 在同一时刻，母线上只容许有一个讲备听者数目则不限 具有控者转移能力。 母线上采用与TTL相容的正电压，负逻辑，即真值“1”为低电平VL，假态“0” 为高电平2.0V GPIB内规定了十种接口功能,5 、 GPIB系统的设计和组建 采用GPIB的自动测试系统的设计、安装和调试的基本内容包括：总体方案设计，控制器选择，仪器选择，接口设计，系统按照，公用软件设计，应用软件设计，测试系统文件编制。,四、计算机自动测量和控制系统 计算机自动测量和控制（CAMAC，Compute Automated Measur

13、ement And Contro1)系统，包括各种数据采集和处理系统、自动测量系统，生产过程控制系统，导弹、卫星的检测及发射控制系统等。 计算机自动测量和控制仪器及接口系统规范，即CAMAC，适合于大型测控系统。,五、VXI总线系统 GPIB是分立台式和装架式仪器组建自动测试系统接口的工业标准。随着测试系统规模的扩大，以及数据量的急剧增大，GPIB在传输速率和处理速度上的局限性日益突出。而计算机总线标准VEM，不具备测试仪器所要求的电源、电磁兼容（EMC）、模拟信号通道等，因而不能直接用于模块化仪器组成的自动测试系统。 为了响应模块化自动测试系统的要求，提出了新一代ATS的总线标准 VXI总线

14、，1996年，VXI总线实现了全球标准化。VXI总线是VEM在测量仪器领域的扩展。,1 、 VXI总线系统的特点 VXI总线是融合了VME总线和GPIB总线而产生的，它是一种“即插即用”式的总线系统，可以用来灵活地组建自动测试系统。 VXI总线系统的结构特点有以下几点： （1）标准模块 分A、B、B、D 四种尺寸，其中C尺寸约占85。机箱分13槽、5槽等规格。VXI的结构特点是在0槽控制器的作用下，各仪器模块可通过高速通信通道进行联络，同步工作，仪器之间经局部总线进行数据交换。,（2）系统的结构 VXI总线系统可简化为资源管理器和组态寄存器两种。前者用于完成下述软件功能：识别所有的仪器，对管理

15、器进行自检，分配存储器，分配中断线及通信等级；资源管理器可管理256个VXI总线仪器。组态寄存器用于存储仪器模块的各种信息、包括仪器型号、装置类型、通信能力、状态、存储器的需求等信息。通信又分两种类型：消息基、寄存器基。前者是高级的标准VXI总线通信协议，例如字串行协议；后者不支持高级通信协议，仅支持VXI总线的配置寄存器，不能通用。,（3）控制器结构 常用的控制器有以下三种：IEEE488控制器，其持点是具有最普通的仪器界面，容易将VXI总线仪器与IEEE 488仪器混合使用，最高传输速率为1MB/s速度慢，最多可控制168个标准模块，价格最低。嵌入式（亦称内置式）VXI总线控制器，它直接放

16、入主机箱中，并具有一台486或586微机的全部功能。其特点是外形尺寸小，能直接控制VXI总线及机箱内的标准模块，传输速率可达40MB/s，速度最快。3MXI控制器，传输速率可达2033Mb/s 。,（4） VXI即插即用系统的结构 采用VXI即插即用标准能降低成本并完全支持对VXI仪器、控制器和软件的操作，便于实现系统集成和软件编程。该系统是通过一个被称作“框架”的特殊部分，作为连接VXI总线仪器与系统软件的桥梁，目前通用的框架就是由Windows支持的WIN框架，它是基于Windows软件，采用Intel PC技术支持最广泛的编程语言，并可移植到视窗环境中。 基于这些特点，VXI总线系统可以

17、广泛应用于各种自动测试领域。,2、VXI总线系统的组成 一个典型的VXI总线系统主要由两部分组成：一部分是一个或多个VXI子系统，另一部分是一套个人计算机系统。每个VXI子系统由机箱、0槽控制器和各种仪器模块组成。 通常情况下，一个VXI子系统只包括了一个具有13个插槽的C尺寸的机箱，机箱最左边的槽位称为0槽，插在该槽位的模块称为0槽控制器，即VXI总线控制器，其它槽位可以插入最多12个各种仪器模块。通常一个器件占据一个模块，但有时也可以占据多个模块。,如图为一个典型的单 CPU VXI总线系统的组成形式。,3、 VXI总线仪器 VXI总线仪器是严格按照VXI规范设计与制作的插卡式（模块）仪器

18、。其机械尺寸分为A、B、C、D四种，其中A尺寸模块带有P1连接器，B和C尺寸模块带有P1和P2连接器， D尺寸模块带有P1、P2和P3连接器。如图所示。,每个模块通过P1、P2、P3连接器与VXI总线连接。其中，P1是必须的，P2与P3是可选择的。每个连接器都有三排共96个引脚，其功能如下所述： P1： VME计算机总线 16位数据传输总线 16MB寻址能力 模块使用仲裁线 具有判优功能的中断总线,P2（选用）： 32位数据传输总线 4GB寻址能力 12条本地总线（Local bus） TTL和ECL触发总线 10MHZ时钟总线 模拟相加线 模块识别线 配电总线,VXI总线的插卡仪器通常称为器

19、件。根据器件本身的性质、特点和所支持的通信协议，可分为寄存器基器件（Register Based Device）、信息基器件（Massage Based Device）、存储器器件和扩展器件。 寄存器基器件上有一组配置寄存器，其中存有器件类型、逻辑地址、生产厂家及其识别码、生产厂家为该器件指定的模块识别码、地址空间等信息。这种器件一般作为从者器件使用。与这类器件的通信通常是读写其寄存器，但也可以使用中断。 信息基器件不但具有上述配置寄存器，还设有通信寄存器来支持复杂的通信规程。它们一般都是具有本地智能的较复杂的器件，如计算机、资源管理器和各类有本地智能的测试仪器。 存储器器件是各类存储器，它们

20、与寄存器基器件有很多相似之处。扩展器件是由VXI联合体或生产厂家定义的一些有特定目的器件，可对器件的定义进行扩展。,4 、 VXI系统的控制 VXI总线系统的控制，可以由主机箱以外的控制器来实现，也可以由嵌入机箱的内部控制器来实现。无论是嵌入的还是外部的控制器，都具有资源管理和零槽功能。前者负责系统的配置和管理系统的正常工作，后者负责给所在系统提供公共资源。 VXI总线的地址线和数据线均可高至32bit。数据线上的传输率的上限为40Mbs，在机箱内的本地总线（Local Bus）上传输数据时，速率更可高达100MBs。 此外，VXI总线中还定义了多种控制线、中断线、时钟线、触发线、识别线。模拟

21、线等各种总线。,5、多系统扩展总线（MXI，Multisystem extension Interface bus） MXI总线是一种高速多节点互连总线，用来连接外控主计算机和VXI机箱，或多个VXI机箱之间的互连，从而组成较大的VXI系统。 MXI总线的核心是一组数据地址复用的 32bit多主系统总线，其电特性与 VME总线相近，而连接方法与 GPIB总线相似。可以灵活地选择 81632bit宽度，达到突发 33Mbs，连续20Mbs的数据传输率。 使用MXI总线时，主控计算机离VXI机箱最远可达20m。 MXl总线已成为一种开放式的工业标准总线。,6 、 VXI即插即用 凡是满足Plug

22、Play标准的插件仪器都有标准化的安装磁盘（或光盘），使不同厂家的器件很容易地在VXI系统中安装。驱动、显示软面板及交互式控制（无须任何编程）。,7、 VXI的优越性 （1）它是国际上最新推出的开放式仪器系统； （2）它采用了当代多项高新技术； （3）开放式结构的总线系统，即插即用； （4）采用背板结构，数据传输速度快（40MB/s)，吞吐量大； （5） 使仪器系统从传统的“多机箱堆放式”发展成“单机箱多模块式”； （6）采用模块化的严密设计与工艺保证，使之具有很高的可靠性，良好的电磁兼容性和很强的抗干扰能力，具有自检与自诊断功能；,（7）资源利用率高，系统易于升级和扩展； （8）具有丰富的软

23、件开发工具； （9）VXI系统中可以加人服务器模块，使其成为计算机网络的节点。 为了保证VXI易于使用，采用了最新的软件技术来建立仪器程序的开发环境。VXI Plug Play标准使得VXI仪器都具有随时可用的标准软件，其中包括软面板，仪器驱动程序，安装程序等，从而使编写程序的任务变得相当容易。 HP VEE， LABVIEW， Lab Windows/CVI等编程工具都可用于生成仪器驱动程序的原代码，灵活的图形化软面板，以及用图形方式进行编程等。,六、PXI总线 PXI是一种全新的开放性、模块化仪器总线规范，是 PCI在仪器领域的扩展, 它将Compact PCI规范定义的PCI总线技术发展

24、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，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。 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。 PXI这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。,如图9.5为PXI规范体系结构图。 1、PXI机械规范及其特性 PXI提供了两条与Compact PCI 标准兼容的途径： （1）高性能IEC连接器 （2）Eurocard机械封装与模 块尺寸 图9.7是用于说明一个完 整PXI系统的基本组成部分。,2、新增加的电气封装规范 除了将

25、 Compact PCI 规范中的所有机械规范直接移植进PXI规范之外，为了简化系统集成， PXI还增加了一些 Compact PCI 所没有的要求。如前所述，PXI 机箱中的系统槽必须位于最左端，而且主控机只能向左扩展以避免占用仪器模块插槽。PXI 还规定模块所要求的强制冷却气流流向必须由模块底部向顶部流动。PXI 规范建议的环境测试包括对所有模块进行温度、湿度、振动和冲击试验，并以书面形式提供试验结果。同时，PXI 规范还规定了所有模块的工作和存储温度范围。,3 、 与Compact PCI的互操作性 PXI的重要特性之一是维护了与标准 Compact PCI 产品的互操作性。但许多 PX

26、I 兼容系统所需要的组件也许并不需要完整的 PXI 总线特征。例如，用户或许要在 PXI 机箱中使用一个标准 Compact PCI 网络接口模块，或者要在标准 Compact PCI机箱中使用 PXI 兼容模块。在这些情况下，用户所需要的是模块的基本功能而不是完整的 PXI 特性。,4、 PXI规范的电气性能 PXI总线通过增加专门的系统参考时钟、触发总线、星形触发线和模块间的局部总线来满足高精度定时、同步与数据通信要求。PXI 不仅在保持 PCI 总线所有优点的前提下增加了这些仪器特性，而且可以比台式 PCI计算机多提供三个仪器插槽，使单个 PXI 总线机箱的仪器模块插槽总数达到7个。除此之外，PXI总线与台式PCI规范具有完全相同的PCI性能。而且，利用PCI-PCI桥技术扩展多台PXI系统，可以使扩展槽的数量理论上最多能