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 plug&play)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 plug&play技術的主要優(yōu)點在于：符合VXIplug&play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。
    該基本型能夠適應多種測試需求，從以上各方案中可以得出在以此基本型建立自動測試系統(tǒng)時，可加入總線，也可不配置總線建立小型測試系統(tǒng)，基于此基本型建立測試系統(tǒng)方法如圖2所示。

1．3 轉接口設計
    要實現PC／104主機與外界的通訊，轉接口的設計是其中非常重要的環(huán)節(jié)之一。而在本方案中PC／104總線轉MXI總線接口的設計好壞是關乎著整個系統(tǒng)能否實現高速測試的關鍵。復雜可編程邏輯器件(CPLD)幾乎適用于所有的陣列和各種規(guī)模的數字集成電路，它以其編程方便、集成度高、速度快、價格低等特點越來越受到設計者的歡迎。轉接口的設計采用CPLD即可完成要求。接口設計方案如圖3所示。

    通過對PC／104總線和所選總線的時序、信號、地址、數據等方面的需求分析，用CPLD設計接口模塊，實現總線握手和數據傳輸功能。C-PLD部分電路原理如圖4所示。

    PC／104使用的總線資源主要是I／O控制和中斷，具體信號如下：A[0..19]是PC／104的10位地址總線；D[0..7]是PC／104的8位雙向數據總線；IOR，IOW分別是總線I／O端口讀、寫信號；AEN是允許DMA控制地址總線、數據總線和讀寫命令線進行DMA傳輸以及對存儲器和I／O設備的讀寫；IOCHRDY是I／O就緒信號，I／O通道就緒為高；SYSCLK是系統(tǒng)時鐘信號，使系統(tǒng)與外部設備保持同步；IRQ3是中斷信號。PC104部分電路原理如圖5所示。

    1)數據傳輸(PC／104→MXI)  PC／104需要傳送數據時，PC／104置位AEN信號，通過發(fā)送地址與數據總線向CPLD發(fā)送數據，此時IOW引腳置低電平(有效)。當CPLD接收到正確數據后，驅動MXIbus的地址選通信號AS，獲取地址信息后，再驅動MXI的數據選通信號DS，置位讀寫信號WR取走數據，通過MXI的應答信號DTACK來判斷數據是否傳輸完畢，完畢則發(fā)送下一個數據，MXIbus采用的是地址數據總線復用形式。
    2)數據傳輸(MXI→PC／104)  當MXI向CPLD傳送數據時，置位AS，驅動數據選通信號DS，并且WR有效，發(fā)送數據。CPLD收到數據后，通過IRQ3向PC／104發(fā)送中斷申請，PC／104收到中斷信號后，首先置位AEN，然后IOR變低電平，從CPLD寄存器口地址讀取數據。

2 系統(tǒng)軟件設計
2．1 軟件開發(fā)環(huán)境
    由于本方案在儀器選擇上以符合IVI規(guī)范的儀器的為主，所以在軟件選擇上應以利于IVI類儀器驅動開發(fā)為根本。IVI類儀器驅動開發(fā)的軟件也比較多，如Labview、Labwindows／CVI等。因Labwindows／CVI是為測試控制技術而開發(fā)的，是基于標準C語言的編程工具，而且其在面板、界面、代碼生成方面都比較便利，包含*．dll動態(tài)鏈接庫，配有IVI控制庫，其中包含了IVI儀器驅動程序的開發(fā)向導，可以為開發(fā)儀器驅動器節(jié)省大量的時間。所以軟件開發(fā)工具宜選擇Labwindows／CVI。
2．2 軟件基本結構
    軟件方案應主要包括3個部分：測試程序，接口程序，IVI類驅動程序。測試程序主要完成測試的基本要求以及設備自檢，其主要功能應包括：系統(tǒng)管理、資源配置、自檢校準、接口查詢、數據處理等。接口程序功能應有：信息存儲、信號轉接、儀器控制、通道選擇、結果判定等。IVI類驅動程序按其規(guī)范有：儀器驅動、特定驅動、兼容驅動、定制驅動和IVl類驅動。其功能結構如圖6所示。

    軟件測試過程中包括IVI程序配置、系統(tǒng)配置、數據采集、數據存儲等，如在系統(tǒng)中不需要IVI類儀器，只組建小型的測試系統(tǒng)，在軟件設計時也可不配置IVI類驅動程序，當某一測試任務結束，如還有數據需要測試，則繼續(xù)采集數據進行測試，否則結束此次測試，其軟件測試流程圖如圖7所示。

    對于不符合IVI類標準的儀器，不能夠象符合IVI標準的儀器一樣，在定義了邏輯名稱之后，可以保證測試程序相對硬件的獨立性。考慮到測試系統(tǒng)在使用一定年限后，可能會更換此類儀器，尤其是可能會更換不同公司的同一類儀器。為了減少對測試程序的修改量，把此類儀器的初始化程序以及需要完成的任務程序，以函數的形式按儀器封裝在不同的動態(tài)鏈接庫文件*．dll中。在具體的測試程序中，當需要對某儀器進行操作完成某項任務時，可根據需要調用相應動態(tài)鏈接庫中的有關函數。當需要更換此類儀器時，如果原有的．dll文件中的函數不能夠完成所需要的工作時，可以針對更換的儀器，保持原有的函數名稱和參數不變，重新編寫相關的程序，生成新的同名．dll文件。這樣大量的測試程序可以不必重新編譯，簡化了升級工作。

3 應用實踐
    在某機載設備檢測設備設計中采納了本方案的設計思想和概念。為對測試系統(tǒng)整體性能進行評估，在系統(tǒng)軟硬件集成后，對機載設備信號測試做實驗，其中數字信號測試臺是基本系統(tǒng)，主要包括PC／104計算機、PC／104-MXI接口適配器、VXI機箱、IVI類儀器、通用儀器等。測試結果如表1所示。

    可以看出系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，且通過PC／104-MXI轉接口，PC／104總線和MXI總線上的數據傳輸速度可達10 MB／s，提高了測試效率，解決了GPIB在測試速度低上的瓶頸。

4 結論
    本方案基于PC104計算機，對大多數的測試需求和不同的情況進行考慮，提出了可靈活組配、裁剪和設計的通用測試系統(tǒng)平臺。整個系統(tǒng)采用模塊化、標準化、系列化設計，符合自動測試系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，體現了通用性的原則，并充分考慮了成分發(fā)展。當然測試系統(tǒng)的實際構建是個艱巨而復雜的過程，本文所提出的幾種組建方案，僅供參考，意在提供思路，用戶可根據自身實際需要和測試要求以此平臺為基礎，靈活組建測試系統(tǒng)，完成測試任務。