多總線融合式通用自動測試系統(tǒng)設計

摘要：為在一個測試系統(tǒng)上能滿足更多的測試要求，避免資金浪費和重復性建設，基于PC／104主機設計了一種通用測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能融合多種總線，集成多種儀器，并考慮了網絡化和構建大型分布式測試系統(tǒng)的需要，可根據實際需要靈活組配、構建自動測試系統(tǒng)。采用新一代IVI技術，能夠較好地實現儀器的互換性，并設計了PC／104總線和MXI總線的轉接口，解決了GPIB總線傳輸速度低的缺點，提高了測試速度。實驗表明，PC／104總線和MXI總線間傳輸速度能達到10 MB／s以上，縮短了測試時間，且系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定工作。
關鍵詞：總線；IVI技術；通用測試系統(tǒng)；PC／104

通用自動測試系統(tǒng)平臺可以最大程度地節(jié)約測試成本，包括了軟件開發(fā)成本，系統(tǒng)維護、升級成本以及新的測系統(tǒng)開發(fā)成本。
測試程序集TPS可移植使得開發(fā)一套程序可以適于多種不同的場合(理想狀態(tài)下)，在系統(tǒng)開發(fā)中不需要做過多重復的工作，針對不同廠商的儀器，TPS無需改動；儀器可互換使得系統(tǒng)升級維護時更換儀器不需要軟件上作任何改動，僅需簡單配置就可以繼續(xù)使用，降低了維護和升級的成本；對于新開發(fā)測試系統(tǒng)而言，如果TPS和儀器、通道都可以利用已有的資源，那么將會使新測試系統(tǒng)的開發(fā)變得容易、快捷、成本更低。
本文基于PC104計算機，提出了一種通用測試系統(tǒng)組建方式。該系統(tǒng)由控制器、測控總線、測控模件、測控儀器等組成，總線包括GPIB、VXI、MXI、PXI等，測控模件和儀器既包括臺式儀器，也包括虛擬儀器和合成儀器。在通用接口、數據傳輸、通信協(xié)議、模塊儀器配置、信號轉接調理等標準上建立統(tǒng)一認識，能使各種儀器設備在此平臺上組建后的自動測試系統(tǒng)，按測試需求發(fā)揮自身的效用，適應大多數的測試要求。

1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 部件選擇
1．1．1 主機選擇
PC104計算機現階段技術發(fā)展比較成熟，而且也是未來測控技術發(fā)展的趨勢。PC104計算機相對于臺式工控機有體積小、功耗低、可靠性高和工作環(huán)境要求低等優(yōu)點，被廣泛運用于分布式系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)中。高度緊湊的PC104結構形式，尺寸一般僅為：100mmx90mmx15mm，可以方便設計集成度高的儀器設備，比臺式工控機用復雜連線搭建起來的系統(tǒng)要緊湊。其供電電壓只需5 V，功率只有10 W左右，而一般工控機則需300 V左右的工控電流，功率也在250 W左右，可見使用PC104計算機能顯著降低消耗。工作頻率現在也都能達到1 GHz，64 KB一級高速緩存和2MB二級高速緩存以上，在數據處理和分析上能達到較快速度。在接口方面，設有1個LAN口、1個EIDE接口、2個串口、2個USB接口、鍵盤鼠標接口、CRT接口等，在極小空間里幾乎實現了PC機所有的功能，能實現數據的高效傳輸和多種通訊。PC104計算機技術現階段發(fā)展比較成熟，也是未來發(fā)展的趨勢，對于組建系統(tǒng)，既可作為外接工控機使用，也可作為嵌入式計算機使用。所以使用PC104計算機作為主機，其適應性、靈活性強，既能滿足現代測試的需要，又能兼顧未來測試領域的發(fā)展。
1．1．2 儀器選擇
IVI(Interchangeable Virtual Instruments)，可互換虛擬儀器技術是在VXI即插即用(VXI plugplay)技術上發(fā)展而來的當今最先進的測試技術。在器件選擇方面，盡量選擇符合IVI類規(guī)范的儀器，可實現較好的互換性，通過編譯在PC104計算機上的IVI類驅動程序實現對某一類IVI儀器的控制。IVI主要研究儀器驅動的互換性、測試性能、開發(fā)靈活性及測試品質保證。它綜合了最終用戶、儀器廠商以及通過開放和透明的儀器控制方法來構建測試系統(tǒng)的系統(tǒng)集成者的需要，其特有的狀態(tài)管理結構，可以不重新優(yōu)化設計硬件系統(tǒng)，從測試系統(tǒng)軟件結構出發(fā)，消除了測試冗余，提高了測試速度。它對比VXI plugplay技術的主要優(yōu)點在于：符合VXIplugplay規(guī)范類的儀器雖然可以在計算機中裝好驅動程序后直接使用，但每次儀器的更改都需要裝載驅動程序，且測試程序也要做一定的更改，儀器互換性不夠強；而符合IVI類規(guī)范的儀器，在儀器更改時，通過在計算機中裝載好的IVI類驅動程序，只需在程序中調用這一類的驅動程序便可實現對儀器的控制。
1．2 硬件構型
1．2．1 硬件組成
硬件方案為基于PC／104計算機測試系統(tǒng)。主要包括3部分：1)以PC／104計算機為主完成測量、控制、數據處理等功能的部分；2)實現PC／104計算機與外界通訊的轉接口部分；3)機箱部分。其系統(tǒng)結構如圖1所示。

本原理圖組成的每個子系統(tǒng)或每個模塊都不是必須搭建或加入的，可根據實際測試需要靈活組配、裁剪，構建自動測試系統(tǒng)。下面提出幾種主要組建方案：
組建方案1：當數據較少，對測試速度要求不高的情況下，可在PC／104主機部分配置GPIB卡，用GPIB總線對VXI或PXI機箱內儀器實施控制，由PC／104主機完成測試任務。
組建方案2：當數據較多，對測試速度要求較高的情況下，則可選擇高速率的MXI總線，通過設置在PC／104主機部分的PC／104-MXI轉接口，完成PC／104總線和MXI總線的通訊，實施對VXI或PXI機箱內儀器實施控制，完成測試。
組建方案3：在PC／104主機部分加入A／D采樣模塊，多路轉換模塊，定時器模塊等，被測對象可通過USB或RS232數據線直接和PC／104主機部分進行通訊，配合臺式儀器，使以PC／104為主構建一個小型的測試系統(tǒng)，完成測試。
組建方案4：可在PC／104主機部分設計多種總線轉接口，按照多種轉接口的設計，不僅可以組建VXI和PXI測試系統(tǒng)，還可以組建其他總線式測試系統(tǒng)，只需配置相應的總線轉接口即可。
組建方案5：總線控制是未來發(fā)展的趨勢，在PC／104主機部分配以總線接口等，可直接利用總線與PC／104主機直接連接，實施通訊，可以是外接式，也可以直接嵌入系統(tǒng)，實現系統(tǒng)內測試，節(jié)約了開發(fā)成本，也適應了未來的發(fā)展需要，體現了系統(tǒng)的開放性。
組建方案6：通過PC／104上的LAN口連接服務器，接入網絡，也可設計接口卡，使多臺PC／104主機通過光纖通信，實現分布式測試和網絡化，達到遠程采集、控制的目的。
1．2．2 基本工作原理
PC／104計算機通過GPIB或MXI總線對VXI／PXI機箱實施控制，完成測試任務。通過編譯在PC／104計算機上的IVI類驅動程序實現對某一類IVI儀器的控制。根據不同的信號和激勵，可選擇不同的IVI類儀器，如示波器、數字多用表、任意波形／函數發(fā)生器、功率表等，被測對象返回的激勵信號較多時，通過轉接箱完成對信號的調理、轉換和預處理后送入VXI／PXI機箱，再配合程控電源、信號發(fā)生器、波譜分析儀等在內的臺式儀器，或者加入PXI設備，完成整個測試過程。