摘要:為在一個(gè)測試系統(tǒng)" title="測試系統(tǒng)">測試系統(tǒng)上能滿足更多的測試要求,避免資金浪費(fèi)和重復(fù)性建設(shè),基于PC/104主機(jī)設(shè)計(jì)" title="設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)了一種通用" title="通用">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(wǎng)絡(luò)化和構(gòu)建大型分布式測試系統(tǒng)的需要,可根據(jù)實(shí)際需要靈活組配、構(gòu)建自動(dòng)" title="自動(dòng)">自動(dòng)測試系統(tǒng)。采用新一代IVI技術(shù),能夠較好地實(shí)現(xiàn)儀器的互換性,并設(shè)計(jì)了PC/104總線和MXI總線的轉(zhuǎn)接口,解決了GPIB總線傳輸速度低的缺點(diǎn),提高了測試速度。實(shí)驗(yàn)表明,PC/104總線和MXI總線間傳輸速度能達(dá)到10 MB/s以上,縮短了測試時(shí)間,且系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定工作。
關(guān)鍵詞:總線;IVI技術(shù);通用測試系統(tǒng);PC/104
通用自動(dòng)測試系統(tǒng)平臺(tái)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(hù)、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(fù)的工作,針對不同廠商的儀器,TPS無需改動(dòng);儀器可互換使得系統(tǒng)升級維護(hù)時(shí)更換儀器不需要軟件上作任何改動(dòng),僅需簡單配置就可以繼續(xù)使用,降低了維護(hù)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(huì)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(jì)算機(jī),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(tái)式儀器,也包括虛擬儀器和合成儀器。在通用接口、數(shù)據(jù)傳輸、通信協(xié)議、模塊儀器配置、信號轉(zhuǎn)接調(diào)理等標(biāo)準(zhǔn)上建立統(tǒng)一認(rèn)識,能使各種儀器設(shè)備在此平臺(tái)上組建后的自動(dòng)測試系統(tǒng),按測試需求發(fā)揮自身的效用,適應(yīng)大多數(shù)的測試要求。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 部件選擇
1.1.1 主機(jī)選擇
PC104計(jì)算機(jī)現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展比較成熟,而且也是未來測控技術(shù)發(fā)展的趨勢。PC104計(jì)算機(jī)相對于臺(tái)式工控機(jī)有體積小、功耗低、可靠性高和工作環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛運(yùn)用于分布式系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)中。高度緊湊的PC104結(jié)構(gòu)形式,尺寸一般僅為:100mmx90mmx15mm,可以方便設(shè)計(jì)集成度高的儀器設(shè)備,比臺(tái)式工控機(jī)用復(fù)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(jī)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(jì)算機(jī)能顯著降低消耗。工作頻率現(xiàn)在也都能達(dá)到1 GHz,64 KB一級高速緩存和2MB二級高速緩存以上,在數(shù)據(jù)處理和分析上能達(dá)到較快速度。在接口方面,設(shè)有1個(gè)LAN口、1個(gè)EIDE接口、2個(gè)串口、2個(gè)USB接口、鍵盤鼠標(biāo)接口、CRT接口等,在極小空間里幾乎實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)所有的功能,能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸和多種通訊。PC104計(jì)算機(jī)技術(shù)現(xiàn)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(jī)使用,也可作為嵌入式計(jì)算機(jī)使用。所以使用PC104計(jì)算機(jī)作為主機(jī),其適應(yīng)性、靈活性強(qiáng),既能滿足現(xiàn)代測試的需要,又能兼顧未來測試領(lǐng)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(shù)是在VXI即插即用(VXI plug&play)技術(shù)上發(fā)展而來的當(dāng)今最先進(jìn)的測試技術(shù)。在器件選擇方面,盡量選擇符合IVI類規(guī)范的儀器,可實(shí)現(xiàn)較好的互換性,通過編譯在PC104計(jì)算機(jī)上的IVI類驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對某一類IVI儀器的控制。IVI主要研究儀器驅(qū)動(dòng)的互換性、測試性能、開發(fā)靈活性及測試品質(zhì)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(gòu)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(jié)構(gòu),可以不重新優(yōu)化設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng),從測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)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(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于:符合VXIplug&play規(guī)范類的儀器雖然可以在計(jì)算機(jī)中裝好驅(qū)動(dòng)程序后直接使用,但每次儀器的更改都需要裝載驅(qū)動(dòng)程序,且測試程序也要做一定的更改,儀器互換性不夠強(qiáng);而符合IVI類規(guī)范的儀器,在儀器更改時(shí),通過在計(jì)算機(jī)中裝載好的IVI類驅(qū)動(dòng)程序,只需在程序中調(diào)用這一類的驅(qū)動(dòng)程序便可實(shí)現(xiàn)對儀器的控制。
1.2 硬件構(gòu)型
1.2.1 硬件組成
硬件方案為基于PC/104計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)。主要包括3部分:1)以PC/104計(jì)算機(jī)為主完成測量、控制、數(shù)據(jù)處理等功能的部分;2)實(shí)現(xiàn)PC/104計(jì)算機(jī)與外界通訊的轉(zhuǎn)接口部分;3)機(jī)箱部分。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本原理圖組成的每個(gè)子系統(tǒng)或每個(gè)模塊都不是必須搭建或加入的,可根據(jù)實(shí)際測試需要靈活組配、裁剪,構(gòu)建自動(dòng)測試系統(tǒng)。下面提出幾種主要組建方案:
組建方案1:當(dāng)數(shù)據(jù)較少,對測試速度要求不高的情況下,可在PC/104主機(jī)部分配置GPIB卡,用GPIB總線對VXI或PXI機(jī)箱內(nèi)儀器實(shí)施控制,由PC/104主機(jī)完成測試任務(wù)。
組建方案2:當(dāng)數(shù)據(jù)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(shè)置在PC/104主機(jī)部分的PC/104-MXI轉(zhuǎn)接口,完成PC/104總線和MXI總線的通訊,實(shí)施對VXI或PXI機(jī)箱內(nèi)儀器實(shí)施控制,完成測試。
組建方案3:在PC/104主機(jī)部分加入A/D采樣模塊,多路轉(zhuǎn)換模塊,定時(shí)器模塊等,被測對象可通過USB或RS232數(shù)據(jù)線直接和PC/104主機(jī)部分進(jìn)行通訊,配合臺(tái)式儀器,使以PC/104為主構(gòu)建一個(gè)小型的測試系統(tǒng),完成測試。
組建方案4:可在PC/104主機(jī)部分設(shè)計(jì)多種總線轉(zhuǎn)接口,按照多種轉(zhuǎn)接口的設(shè)計(jì),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(yīng)的總線轉(zhuǎn)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(jī)部分配以總線接口等,可直接利用總線與PC/104主機(jī)直接連接,實(shí)施通訊,可以是外接式,也可以直接嵌入系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)測試,節(jié)約了開發(fā)成本,也適應(yīng)了未來的發(fā)展需要,體現(xiàn)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(wù)器,接入網(wǎng)絡(luò),也可設(shè)計(jì)接口卡,使多臺(tái)PC/104主機(jī)通過光纖通信,實(shí)現(xiàn)分布式測試和網(wǎng)絡(luò)化,達(dá)到遠(yuǎn)程采集、控制的目的。
1.2.2 基本工作原理
PC/104計(jì)算機(jī)通過GPIB或MXI總線對VXI/PXI機(jī)箱實(shí)施控制,完成測試任務(wù)。通過編譯在PC/104計(jì)算機(jī)上的IVI類驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對某一類IVI儀器的控制。根據(jù)不同的信號和激勵(lì),可選擇不同的IVI類儀器,如示波器、數(shù)字多用表、任意波形/函數(shù)發(fā)生器、功率表等,被測對象返回的激勵(lì)信號較多時(shí),通過轉(zhuǎn)接箱完成對信號的調(diào)理、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理后送入VXI/PXI機(jī)箱,再配合程控電源、信號發(fā)生器、波譜分析儀等在內(nèi)的臺(tái)式儀器,或者加入PXI設(shè)備,完成整個(gè)測試過程。
該基本型能夠適應(yīng)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(dòng)測試系統(tǒng)時(shí),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(zhuǎn)接口設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)PC/104主機(jī)與外界的通訊,轉(zhuǎn)接口的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)MXI總線接口的設(shè)計(jì)好壞是關(guān)乎著整個(gè)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)高速測試的關(guān)鍵。復(fù)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(shù)字集成電路,它以其編程方便、集成度高、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)越來越受到設(shè)計(jì)者的歡迎。轉(zhuǎn)接口的設(shè)計(jì)采用CPLD即可完成要求。接口設(shè)計(jì)方案如圖3所示。
通過對PC/104總線和所選總線的時(shí)序、信號、地址、數(shù)據(jù)等方面的需求分析,用CPLD設(shè)計(jì)接口模塊,實(shí)現(xiàn)總線握手和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)總線和讀寫命令線進(jìn)行DMA傳輸以及對存儲(chǔ)器和I/O設(shè)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(shí)鐘信號,使系統(tǒng)與外部設(shè)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(shù)據(jù)傳輸(PC/104→MXI) PC/104需要傳送數(shù)據(jù)時(shí),PC/104置位AEN信號,通過發(fā)送地址與數(shù)據(jù)總線向CPLD發(fā)送數(shù)據(jù),此時(shí)IOW引腳置低電平(有效)。當(dāng)CPLD接收到正確數(shù)據(jù)后,驅(qū)動(dòng)MXIbus的地址選通信號AS,獲取地址信息后,再驅(qū)動(dòng)MXI的數(shù)據(jù)選通信號DS,置位讀寫信號WR取走數(shù)據(jù),通過MXI的應(yīng)答信號DTACK來判斷數(shù)據(jù)是否傳輸完畢,完畢則發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù),MXIbus采用的是地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用形式。
2)數(shù)據(jù)傳輸(MXI→PC/104) 當(dāng)MXI向CPLD傳送數(shù)據(jù)時(shí),置位AS,驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)選通信號DS,并且WR有效,發(fā)送數(shù)據(jù)。CPLD收到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(yīng)以利于IVI類儀器驅(qū)動(dòng)開發(fā)為根本。IVI類儀器驅(qū)動(dòng)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(shù)而開發(fā)的,是基于標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)鏈接庫,配有IVI控制庫,其中包含了IVI儀器驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)向?qū)?,可以為開發(fā)儀器驅(qū)動(dòng)器節(jié)省大量的時(shí)間。所以軟件開發(fā)工具宜選擇Labwindows/CVI。
2.2 軟件基本結(jié)構(gòu)
軟件方案應(yīng)主要包括3個(gè)部分:測試程序,接口程序,IVI類驅(qū)動(dòng)程序。測試程序主要完成測試的基本要求以及設(shè)備自檢,其主要功能應(yīng)包括:系統(tǒng)管理、資源配置、自檢校準(zhǔn)、接口查詢、數(shù)據(jù)處理等。接口程序功能應(yīng)有:信息存儲(chǔ)、信號轉(zhuǎn)接、儀器控制、通道選擇、結(jié)果判定等。IVI類驅(qū)動(dòng)程序按其規(guī)范有:儀器驅(qū)動(dòng)、特定驅(qū)動(dòng)、兼容驅(qū)動(dòng)、定制驅(qū)動(dòng)和IVl類驅(qū)動(dòng)。其功能結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shè)計(jì)時(shí)也可不配置IVI類驅(qū)動(dòng)程序,當(dāng)某一測試任務(wù)結(jié)束,如還有數(shù)據(jù)需要測試,則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行測試,否則結(jié)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(biāo)準(zhǔn)的儀器,不能夠象符合IVI標(biāo)準(zhǔn)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(dú)立性。考慮到測試系統(tǒng)在使用一定年限后,可能會(huì)更換此類儀器,尤其是可能會(huì)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(wù)程序,以函數(shù)的形式按儀器封裝在不同的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件*.dll中。在具體的測試程序中,當(dāng)需要對某儀器進(jìn)行操作完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí),可根據(jù)需要調(diào)用相應(yīng)動(dòng)態(tài)鏈接庫中的有關(guān)函數(shù)。當(dāng)需要更換此類儀器時(shí),如果原有的.dll文件中的函數(shù)不能夠完成所需要的工作時(shí),可以針對更換的儀器,保持原有的函數(shù)名稱和參數(shù)不變,重新編寫相關(guān)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(yīng)用實(shí)踐
在某機(jī)載設(shè)備檢測設(shè)備設(shè)計(jì)中采納了本方案的設(shè)計(jì)思想和概念。為對測試系統(tǒng)整體性能進(jìn)行評估,在系統(tǒng)軟硬件集成后,對機(jī)載設(shè)備信號測試做實(shí)驗(yàn),其中數(shù)字信號測試臺(tái)是基本系統(tǒng),主要包括PC/104計(jì)算機(jī)、PC/104-MXI接口適配器、VXI機(jī)箱、IVI類儀器、通用儀器等。測試結(jié)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(zhuǎn)接口,PC/104總線和MXI總線上的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)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(jié)論
本方案基于PC104計(jì)算機(jī),對大多數(shù)的測試需求和不同的情況進(jìn)行考慮,提出了可靈活組配、裁剪和設(shè)計(jì)的通用測試系統(tǒng)平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì),符合自動(dòng)測試系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢,體現(xiàn)了通用性的原則,并充分考慮了成分發(fā)展。當(dāng)然測試系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)建是個(gè)艱巨而復(fù)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(jù)自身實(shí)際需要和測試要求以此平臺(tái)為基礎(chǔ),靈活組建測試系統(tǒng),完成測試任務(wù)。