多总线融合式通用自动测试系统设计

    通用自动测试系统平台可以最大程度地节约测试成本，包括了软件开发成本，系统维护、升级成本以及新的测系统开发成本。
    测试程序集TPS可移植使得开发一套程序可以适于多种不同的场合(理想状态下)，在系统开发中不需要做过多重复的工作，针对不同厂商的仪器，TPS无需改动；仪器可互换使得系统升级维护时更换仪器不需要软件上作任何改动，仅需简单配置就可以继续使用，降低了维护和升级的成本；对于新开发测试系统而言，如果TPS和仪器、通道都可以利用已有的资源，那么将会使新测试系统的开发变得容易、快捷、成本更低。
    本文基于PC104计算机，提出了一种通用测试系统组建方式。该系统由控制器、测控总线、测控模件、测控仪器等组成，总线包括GPIB、VXI、MXI、PXI等，测控模件和仪器既包括台式仪器，也包括虚拟仪器和合成仪器。在通用接口、数据传输、通信协议、模块仪器配置、信号转接调理等标准上建立统一认识，能使各种仪器设备在此平台上组建后的自动测试系统，按测试需求发挥自身的效用，适应大多数的测试要求。

1 系统硬件设计
1．1 部件选择
1．1．1 主机选择
    PC104计算机现阶段技术发展比较成熟，而且也是未来测控技术发展的趋势。PC104计算机相对于台式工控机有体积小、功耗低、可靠性高和工作环境要求低等优点，被广泛运用于分布式系统和集散控制系统中。高度紧凑的PC104结构形式，尺寸一般仅为：100mmx90mmx15mm，可以方便设计集成度高的仪器设备，比台式工控机用复杂连线搭建起来的系统要紧凑。其供电电压只需5 V，功率只有10 W左右，而一般工控机则需300 V左右的工控电流，功率也在250 W左右，可见使用PC104计算机能显著降低消耗。工作频率现在也都能达到1 GHz，64 KB一级高速缓存和2MB二级高速缓存以上，在数据处理和分析上能达到较快速度。在接口方面，设有1个LAN口、1个EIDE接口、2个串口、2个USB接口、键盘鼠标接口、CRT接口等，在极小空间里几乎实现了PC机所有的功能，能实现数据的高效传输和多种通讯。PC104计算机技术现阶段发展比较成熟，也是未来发展的趋势，对于组建系统，既可作为外接工控机使用，也可作为嵌入式计算机使用。所以使用PC104计算机作为主机，其适应性、灵活性强，既能满足现代测试的需要，又能兼顾未来测试领域的发展。
1．1．2 仪器选择
    IVI(Interchangeable Virtual Instruments)，可互换虚拟仪器技术是在VXI即插即用(VXI plug&play)技术上发展而来的当今最先进的测试技术。在器件选择方面，尽量选择符合IVI类规范的仪器，可实现较好的互换性，通过编译在PC104计算机上的IVI类驱动程序实现对某一类IVI仪器的控制。IVI主要研究仪器驱动的互换性、测试性能、开发灵活性及测试品质保证。它综合了最终用户、仪器厂商以及通过开放和透明的仪器控制方法来构建测试系统的系统集成者的需要，其特有的状态管理结构，可以不重新优化设计硬件系统，从测试系统软件结构出发，消除了测试冗余，提高了测试速度。它对比VXI plug&play技术的主要优点在于：符合VXIplug&play规范类的仪器虽然可以在计算机中装好驱动程序后直接使用，但每次仪器的更改都需要装载驱动程序，且测试程序也要做一定的更改，仪器互换性不够强；而符合IVI类规范的仪器，在仪器更改时，通过在计算机中装载好的IVI类驱动程序，只需在程序中调用这一类的驱动程序便可实现对仪器的控制。
1．2 硬件构型
1．2．1 硬件组成
    硬件方案为基于PC／104计算机测试系统。主要包括3部分：1)以PC／104计算机为主完成测量、控制、数据处理等功能的部分；2)实现PC／104计算机与外界通讯的转接口部分；3)机箱部分。其系统结构如图1所示。

    本原理图组成的每个子系统或每个模块都不是必须搭建或加入的，可根据实际测试需要灵活组配、裁剪，构建自动测试系统。下面提出几种主要组建方案：
    组建方案1：当数据较少，对测试速度要求不高的情况下，可在PC／104主机部分配置GPIB卡，用GPIB总线对VXI或PXI机箱内仪器实施控制，由PC／104主机完成测试任务。
    组建方案2：当数据较多，对测试速度要求较高的情况下，则可选择高速率的MXI总线，通过设置在PC／104主机部分的PC／104-MXI转接口，完成PC／104总线和MXI总线的通讯，实施对VXI或PXI机箱内仪器实施控制，完成测试。
    组建方案3：在PC／104主机部分加入A／D采样模块，多路转换模块，定时器模块等，被测对象可通过USB或RS232数据线直接和PC／104主机部分进行通讯，配合台式仪器，使以PC／104为主构建一个小型的测试系统，完成测试。
    组建方案4：可在PC／104主机部分设计多种总线转接口，按照多种转接口的设计，不仅可以组建VXI和PXI测试系统，还可以组建其他总线式测试系统，只需配置相应的总线转接口即可。
    组建方案5：总线控制是未来发展的趋势，在PC／104主机部分配以总线接口等，可直接利用总线与PC／104主机直接连接，实施通讯，可以是外接式，也可以直接嵌入系统，实现系统内测试，节约了开发成本，也适应了未来的发展需要，体现了系统的开放性。
    组建方案6：通过PC／104上的LAN口连接服务器，接入网络，也可设计接口卡，使多台PC／104主机通过光纤通信，实现分布式测试和网络化，达到远程采集、控制的目的。
1．2．2 基本工作原理
    PC／104计算机通过GPIB或MXI总线对VXI／PXI机箱实施控制，完成测试任务。通过编译在PC／104计算机上的IVI类驱动程序实现对某一类IVI仪器的控制。根据不同的信号和激励，可选择不同的IVI类仪器，如示波器、数字多用表、任意波形／函数发生器、功率表等，被测对象返回的激励信号较多时，通过转接箱完成对信号的调理、转换和预处理后送入VXI／PXI机箱，再配合程控电源、信号发生器、波谱分析仪等在内的台式仪器，或者加入PXI设备，完成整个测试过程。[page]

    该基本型能够适应多种测试需求，从以上各方案中可以得出在以此基本型建立自动测试系统时，可加入总线，也可不配置总线建立小型测试系统，基于此基本型建立测试系统方法如图2所示。

1．3 转接口设计
    要实现PC／104主机与外界的通讯，转接口的设计是其中非常重要的环节之一。而在本方案中PC／104总线转MXI总线接口的设计好坏是关乎着整个系统能否实现高速测试的关键。复杂可编程逻辑器件(CPLD)几乎适用于所有的阵列和各种规模的数字集成电路，它以其编程方便、集成度高、速度快、价格低等特点越来越受到设计者的欢迎。转接口的设计采用CPLD即可完成要求。接口设计方案如图3所示。

    通过对PC／104总线和所选总线的时序、信号、地址、数据等方面的需求分析，用CPLD设计接口模块，实现总线握手和数据传输功能。C-PLD部分电路原理如图4所示。

    PC／104使用的总线资源主要是I／O控制和中断，具体信号如下：A[0..19]是PC／104的10位地址总线；D[0..7]是PC／104的8位双向数据总线；IOR，IOW分别是总线I／O端口读、写信号；AEN是允许DMA控制地址总线、数据总线和读写命令线进行DMA传输以及对存储器和I／O设备的读写；IOCHRDY是I／O就绪信号，I／O通道就绪为高；SYSCLK是系统时钟信号，使系统与外部设备保持同步；IRQ3是中断信号。PC104部分电路原理如图5所示。

    1)数据传输(PC／104→MXI)  PC／104需要传送数据时，PC／104置位AEN信号，通过发送地址与数据总线向CPLD发送数据，此时IOW引脚置低电平(有效)。当CPLD接收到正确数据后，驱动MXIbus的地址选通信号AS，获取地址信息后，再驱动MXI的数据选通信号DS，置位读写信号WR取走数据，通过MXI的应答信号DTACK来判断数据是否传输完毕，完毕则发送下一个数据，MXIbus采用的是地址数据总线复用形式。
    2)数据传输(MXI→PC／104)  当MXI向CPLD传送数据时，置位AS，驱动数据选通信号DS，并且WR有效，发送数据。CPLD收到数据后，通过IRQ3向PC／104发送中断申请，PC／104收到中断信号后，首先置位AEN，然后IOR变低电平，从CPLD寄存器口地址读取数据。[page]

2 系统软件设计
2．1 软件开发环境
    由于本方案在仪器选择上以符合IVI规范的仪器的为主，所以在软件选择上应以利于IVI类仪器驱动开发为根本。IVI类仪器驱动开发的软件也比较多，如Labview、Labwindows／CVI等。因Labwindows／CVI是为测试控制技术而开发的，是基于标准C语言的编程工具，而且其在面板、界面、代码生成方面都比较便利，包含*．dll动态链接库，配有IVI控制库，其中包含了IVI仪器驱动程序的开发向导，可以为开发仪器驱动器节省大量的时间。所以软件开发工具宜选择Labwindows／CVI。
2．2 软件基本结构
    软件方案应主要包括3个部分：测试程序，接口程序，IVI类驱动程序。测试程序主要完成测试的基本要求以及设备自检，其主要功能应包括：系统管理、资源配置、自检校准、接口查询、数据处理等。接口程序功能应有：信息存储、信号转接、仪器控制、通道选择、结果判定等。IVI类驱动程序按其规范有：仪器驱动、特定驱动、兼容驱动、定制驱动和IVl类驱动。其功能结构如图6所示。

    软件测试过程中包括IVI程序配置、系统配置、数据采集、数据存储等，如在系统中不需要IVI类仪器，只组建小型的测试系统，在软件设计时也可不配置IVI类驱动程序，当某一测试任务结束，如还有数据需要测试，则继续采集数据进行测试，否则结束此次测试，其软件测试流程图如图7所示。

    对于不符合IVI类标准的仪器，不能够象符合IVI标准的仪器一样，在定义了逻辑名称之后，可以保证测试程序相对硬件的独立性。考虑到测试系统在使用一定年限后，可能会更换此类仪器，尤其是可能会更换不同公司的同一类仪器。为了减少对测试程序的修改量，把此类仪器的初始化程序以及需要完成的任务程序，以函数的形式按仪器封装在不同的动态链接库文件*．dll中。在具体的测试程序中，当需要对某仪器进行操作完成某项任务时，可根据需要调用相应动态链接库中的有关函数。当需要更换此类仪器时，如果原有的．dll文件中的函数不能够完成所需要的工作时，可以针对更换的仪器，保持原有的函数名称和参数不变，重新编写相关的程序，生成新的同名．dll文件。这样大量的测试程序可以不必重新编译，简化了升级工作。

3 应用实践
    在某机载设备检测设备设计中采纳了本方案的设计思想和概念。为对测试系统整体性能进行评估，在系统软硬件集成后，对机载设备信号测试做实验，其中数字信号测试台是基本系统，主要包括PC／104计算机、PC／104-MXI接口适配器、VXI机箱、IVI类仪器、通用仪器等。测试结果如表1所示。

    可以看出系统工作稳定可靠，且通过PC／104-MXI转接口，PC／104总线和MXI总线上的数据传输速度可达10 MB／s，提高了测试效率，解决了GPIB在测试速度低上的瓶颈。

4 结论
    本方案基于PC104计算机，对大多数的测试需求和不同的情况进行考虑，提出了可灵活组配、裁剪和设计的通用测试系统平台。整个系统采用模块化、标准化、系列化设计，符合自动测试系统未来的发展趋势，体现了通用性的原则，并充分考虑了成分发展。当然测试系统的实际构建是个艰巨而复杂的过程，本文所提出的几种组建方案，仅供参考，意在提供思路，用户可根据自身实际需要和测试要求以此平台为基础，灵活组建测试系统，完成测试任务。