基于LXI總線的自動測試系統(tǒng)方案設(shè)計

摘要：為了滿足軍用自動測試系統(tǒng)準確度要求高、測量點多、實施性強的特點，實現(xiàn)提高測試準確度、簡化硬件電路設(shè)計的目的，采用了基于LXI總線的數(shù)字化測試系統(tǒng)方法，做了將數(shù)字萬用表L4411A和多路開關(guān)L4421A應(yīng)用于ATE的實驗。獲得了實時性好，準確度高，簡化硬件設(shè)計的結(jié)果，得到了基于LXI總線的數(shù)字化測試系統(tǒng)方案很好地滿足了軍用ATE系統(tǒng)需求的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：自動測試設(shè)備；LXI總線；數(shù)據(jù)采集：L4411A

0 引言
    自動測試系統(tǒng)(Automatic Test System，ATS)是在單一計算機系統(tǒng)控制下，通過一種或多種總線把多個儀器互聯(lián)起來，按預(yù)先編制的測試程序(TP)，自動進行被測試對象(UUT)功能參數(shù)測試、性能下降評估或故障檢測隔離的系統(tǒng)。作為一臺定量測試設(shè)備，最重要的指標是信號的測試準確度。過去對模擬信號進行測試一般采用的方法是：首先進行幅值調(diào)整及信號特征變換，再通過A／D變換的方式進行處理，例如要實現(xiàn)交流幅值這樣一個簡單測試，就必須通過幅值調(diào)整、整流變換等步驟，這帶來的最大問題是降低了測試的準確度。
    本系統(tǒng)研制的軍用ATE是一臺適用于某同類裝備產(chǎn)品的通用測試設(shè)備，ATE信號有如下特點：
    (1)信號數(shù)量多；
    (2)信號范圍寬，就電壓來說，要測試的最小值僅十幾個mV，最大要達到約200 V；
    (3)測試特征多，要測試的信號特征包括電壓、頻率、電阻、電流等，有時一個信號同時要測試幾種特征；
    (4)測試速度要求不一，有些信號時序要求特別高，因此在保證準確度的同時，還必須滿足實時性。
    針對以上信號特征分析后，提出基于LXI總線的數(shù)字化測試系統(tǒng)方案，較好地解決了眾多物理量信號測量中的布線、傳輸，而且實現(xiàn)了在不同采樣速率下的采集、記錄。面對試驗中信號分散、數(shù)量多、種類繁雜的情況，研制開發(fā)基于LXI總線的測試系統(tǒng)就成為最佳選擇。采用LXI總線簡化了系統(tǒng)配置，節(jié)約了系統(tǒng)資源，有增加了系統(tǒng)的靈活性，取得了節(jié)約經(jīng)費、提高測試準確度、簡化硬件電路設(shè)計的多重效果。

1 LXI總線的優(yōu)點
    LXI基于工業(yè)標準以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)，擴展儀器需要的語言、命令、協(xié)議等內(nèi)容，構(gòu)成適用于自動測試系統(tǒng)的新一代模塊化儀器平臺標準。其具體設(shè)想是將非常成熟的以太網(wǎng)技術(shù)利用到自動測試系統(tǒng)中，以替代傳統(tǒng)的測試總線技術(shù)。LXI總線儀器融合了GPIB儀器的高性能、VXI／PX儀器的小體積以及LAN的高吞吐率，并考慮定時、觸發(fā)、冷卻、電磁兼容等儀器要求，是基于以太網(wǎng)的新一代自動測試系統(tǒng)模塊化架構(gòu)平臺。LXI儀器對數(shù)據(jù)通信的格式、通信的實時性以及數(shù)據(jù)通信的可靠性都提出了較高的要求，尤其實時性和可靠性影響著測試系統(tǒng)后的精確度和準確性。
    采用以太網(wǎng)總線作為系統(tǒng)總線有很多優(yōu)點，具備先進的網(wǎng)絡(luò)特性，比如傳統(tǒng)的測試與測量接口不能提供對等通信，以太網(wǎng)電纜和插卡是標準的、廣泛使用的，且基本上是免費的等。
    與傳統(tǒng)的卡式儀器相比，LXI模塊化儀器具備了許多優(yōu)勢：
    (1)可以保證儀器的全部性能；
    (2)集成更為方便，不需要專用的機箱和0槽計算機；
    (3)可以利用網(wǎng)絡(luò)界面操作，無需編程和其他虛擬面板；
    (4)連結(jié)和使用更為方便，可以利用通用的軟件進行系統(tǒng)編程；
    (5)非常容易實現(xiàn)校準計量和故障診斷；
    (6)靈活性強，可以作為系統(tǒng)儀器，也可以單獨使用。
    另外，由于LXI模塊本身配備有處理器、LAN連接、電源供應(yīng)器和觸發(fā)輸入，因此它不像模塊式卡槽必須使用昂貴的電源供應(yīng)器、背板、控制器及MXI插卡和接線。它的發(fā)展不受I／O接口發(fā)展的限制。

2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
    檢測設(shè)備組成原理如圖1所示：

    從圖1可看出，在本軍用ATE系統(tǒng)中，使用了兩種LXI總線的儀器模塊組成的數(shù)采單元，各種測試板卡和工業(yè)控制計算機組成的測試系統(tǒng)。
    數(shù)據(jù)采集單元采用安捷倫(Agilent)公司生產(chǎn)的L4411A 6 1／2位高性能數(shù)字萬用表和L4421A 2線40通道電樞多路復(fù)用器。這2種模塊均符合LXIClass C標準，內(nèi)置以太網(wǎng)連接功能，采用1U高度、半機架尺寸寬度，可以方便地安裝在標準機架中而不需要機箱。既有模塊化的優(yōu)點，可方便地集成到以往的各種系統(tǒng)中使用，又可作為單獨儀器使用，大大方便了系統(tǒng)集成。
    系統(tǒng)使用的L4411A具有以下功能特點：
    (1)速度快，50 Kb／s讀數(shù)／sec@4．5位；
    (2)精度高，直流電壓精度0．003％，交流電壓精度0．06％；電阻精度0．01％；
    (3)模擬電平及可編程預(yù)觸發(fā)和后觸發(fā)；
    (4)自動量程，可根據(jù)外部信號特征自動調(diào)整測試量程，對于動態(tài)范圍較寬的信號尤其方便；
    (5)1 MB讀數(shù)存儲；
    (6)DCV，ACV，DCI，ACI，二線／四線歐姆，頻率，周期，連續(xù)性和二極管測試，極大簡化測試方案。
    40通道電樞多路復(fù)用器L4421A開關(guān)支持高達300 V和1 A的信號，因此不要求外部信號調(diào)節(jié)，每秒最多掃描100條通道，在配置為多路復(fù)用器時，L4421A帶有先斷后通連接，保證在掃描過程中不會有兩個信號相互連接在一起。
    在系統(tǒng)測試信號中，至少需要30路的模擬輸入，因此L4411A數(shù)字萬用表和L4421A多路開關(guān)的組合很好的滿足了系統(tǒng)需求。工控機通過交換機以LAN接口方式和L4411A，L4421A相連，實現(xiàn)程序控制和測試過程中的數(shù)據(jù)上傳。多路開關(guān)L4421A完成快速的不同通道間的切換，把多個測試點接到測量儀器數(shù)字萬用表L4411A，為被測件提供控制輸入和保持儀器與測試點的正確連接，從而極大程度上縮短測試時間，減少整個測試過程中的人為錯誤。多路開關(guān)使用模擬總線連接器，把連通后的信號路由到數(shù)字萬用表上。數(shù)字萬用表的外觸發(fā)輸入端接到多路開關(guān)的外部觸發(fā)器連接端，通過一個通道關(guān)閉觸發(fā)數(shù)字萬用表進行數(shù)據(jù)采集，外部觸發(fā)功能可以簡便地定時和同步測量其他事件，這有助于確定什么時候開始或結(jié)束采集。
    對于要求進行幅值、頻率、電阻等標準測試的這些輸入信號，直接將信號接入多路開關(guān)L4421A，通過程序指令實現(xiàn)通道切換和萬用表的數(shù)據(jù)采集及傳輸，簡化了硬件電路設(shè)計，提高了軟件開發(fā)效率。

3 儀器接口模塊設(shè)計
    這個模塊實現(xiàn)計算機和數(shù)采單元的I／O通信功能，通過使用VISA I／O函數(shù)庫實現(xiàn)。VISA是虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)的縮寫，其本質(zhì)是一個儀器I／O接口軟件庫及其規(guī)范的總稱，這樣用戶在編程時使用作為虛擬儀器系統(tǒng)標準I／O軟件的VISA I／O接口庫就能使用不同類型接口控制可程控儀器。
    使用VISA作為I／O接口軟件來完成儀器控制程序，優(yōu)點是不但兼容不同接口類型或網(wǎng)絡(luò)機制，而且對不同接口類型連接的儀器的操作類型或函數(shù)是一致的。VISA持對LXI儀器的操作。
    本模塊程序以Visual C++6．0為開發(fā)工具，基于動態(tài)鏈接庫的方式實現(xiàn)，方便應(yīng)用程序調(diào)用。儀器的打開、關(guān)閉等所有儀器共有的操作，是通過VISA I／O庫(viOpen、viClose)等實現(xiàn)的。設(shè)置儀器參數(shù)是通過調(diào)用viPrintf函數(shù)向儀器發(fā)送可編程儀器標準命令即SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments))命令實現(xiàn)的。同樣地，通過調(diào)用viScanf函數(shù)向儀器發(fā)送SCPI命令可以從儀器讀回狀態(tài)信息和測試結(jié)果。
    在直流信號測試過程中，控制直流測量速度有以下要素：自動歸零；自動量程；積分時間；自動觸發(fā)延遲。
自動歸零、自動量程都有內(nèi)部軟件指導(dǎo)下的機械裝置執(zhí)行，用以控制數(shù)字萬用表內(nèi)部的運行。為實現(xiàn)高的讀數(shù)率，可選擇固定量程，關(guān)閉自動歸零，禁用自動延遲觸發(fā)。設(shè)置數(shù)字完用表，閉合多路開關(guān)L4421A，實現(xiàn)DVC功能較高測量數(shù)度的簡略程序如下：

    viOpenDefaultRM返回一個指向默認資源管理器(Default Resource Manager)的會話(session)。該函數(shù)初始化VISA系統(tǒng)，所有的VISA函數(shù)被調(diào)用前，必須使用這條函數(shù)。
    viOpen開始一個與制定儀器聯(lián)系的會話。它返回的會話標志符能被隨后使用到該儀器的函數(shù)使用，用以指示該儀器。
    程序最后需調(diào)用viClose關(guān)閉缺省儀器資源管理者會話InsL4411A和InsL4421A。
    本系統(tǒng)中，通過多次試驗，對于單個直流信號，系統(tǒng)可在6 ms內(nèi)完成一次精確測量，交流信號的測量也可控制在8ms左右，很好的滿足了系統(tǒng)需求。

4 結(jié)語
    軍用ATE中，根據(jù)測試準確度要求高、測量點多的特點，使用基于LXI總線的測試系統(tǒng)。目前設(shè)備已投入使用，根據(jù)使用情況看，取得了以下效果：提高測試準確度；具備很強的電流、電壓、電阻等測試能力和精度，簡化ATE系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高測試速度；具有遠端回讀能力，提高測試的精度和可靠性；提高系統(tǒng)實時性；降低生產(chǎn)成本；簡化硬件、測試方案設(shè)計；方便系統(tǒng)維護。
    LXI模塊儀器具有高性能、小尺寸的特點，是高性能／價格比測試儀器的領(lǐng)先者，它們比VXI和PXI的價格更為低廉(毋須機箱、0槽控制器或MXI)，以及研制形成合成儀器，已經(jīng)成為測試系統(tǒng)理想選擇，是未來測試系統(tǒng)的主流方向。