多总线融合式通用自动测试系统设计

摘要：为在一个测试系统上能满足更多的测试要求，避免资金浪费和重复性建设，基于PC／104主机设计了一种通用测试系统。该系统能融合多种总线，集成多种仪器，并考虑了网络化和构建大型分布式测试系统的需要，可根据实际需要灵活组配、构建自动测试系统。采用新一代IVI技术，能够较好地实现仪器的互换性，并设计了PC／104总线和MXI总线的转接口，解决了GPIB总线传输速度低的缺点，提高了测试速度。实验表明，PC／104总线和MXI总线间传输速度能达到10 MB／s以上，缩短了测试时间，且系统能够可靠稳定工作。
关键词：总线；IVI技术；通用测试系统；PC／104

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 plugplay)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 plugplay技术的主要优点在于：符合VXIplugplay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。