第9章 自动测试技术

第9章自动测试技术教学目的与要求本章重点要求掌握自动测试技术的发展以及系统的基本结构、GBIP 总线的结构性能和传递的过程、VXI总线的结构和器件分类、智能仪器的结构以及虚拟仪器的结构。

关键词自动测试系统（Automated Test System）GBIP（instrument）VXI （VMEbus Extensions for Instrumentationr）智能仪器（Intelligent instrument）虚拟仪器（National Instruments）9.1 自动测试系统的基本结构随着近代科学技术的迅速发展，生产和项目研发的规模越来越大，生产效率要求也越来越高，产品研究和开发过程中要求测试的项目和内容也日趋复杂，而且测量的精度和速度要求也很高，通常还伴随着大量的数据处理和统计运算的工作。

在这种情况下，靠人工和简单功能的仪器进行测试已不能胜任，如何解决测试技术的自动化问题就成为技术人员关心和着力研究的问题。

计算机技术、实时采样技术、频率合成技术的发展和成熟，给自动测试技术和系统的研究奠定了基础，检测技术、传感器技术、数据传输和处理技术以及大规模集成电路技术的发展，尤其是单片计算机技术和计算机科学的飞速发展，为测试技术的自动化提供了必要的技术条件和手段。

通常将在计算机控制下，能自动进行各种信号测量、数据处理、传输，并以适当方式显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统，简称A TS（Automated Test System），这种技术我们称之为自动测试技术。

在自动测试系统中，整个工作都是在预先编制好的测试程序统一指挥下完成的，系统中的各种仪器和设备是智能化的，都可进行程序控制。

自动测试系统（ATS）是一个不断发展的概念，随着各种高新技术在检测领域的运用，它不断被赋予各种新的内容和组织形式。

自动测试技术创始于20世纪50年代，从20世纪50年代至21世纪的今天，大致分为以下三代。

9.1.1 第一代自动测试系统第一代自动测试系统是根据测量任务专门设计的，主要用计算机技术来进行逻辑定时控制，主要动能是进行数据自动采集和自动分析，完成大量重复数据的测试工作，承担繁重的数据运算和分析任务。

系统中的仪器采用专用接口，因此系统较为复杂，通用性差，不利于自动测试系统的推广应用。

9.1.2 第二代自动测试系统第二代自动测试系统是尽可能利用现成的仪器设备，再利用计算机来共同组建成所需要的自动测试系统。

为了系统组建方便，第二代自动测试系统中的仪器采用了标准化的通用接口，这样就可以把任何一个厂家生产的任何型号的可程控仪器连接起来形成一个自动测试系统。

第二代自动测试系统示意图如图9-1所示。

系统的典型方框图9-2所示。

图9-1 自动测试系统示意图图9-2 自动测试系统典型方框图图中表明，当前的自动检测系统，通常包括以下几个部分。

（1）控制器控制器是自动检测系统的核心，它由计算机构成。

其功能是管理检测周期，控制数据流向，接收检测结果，进行数据处理，检查读数是否在误差范围内，进行故障诊断，并将检测结果送到显示器或打印机。

控制器是在检测程序的作用下，对检测周期内的每一步骤进行控制，从而完成上述功能的。

（2）激励信号源激励信号源是主动式检测系统必不可少的组成部分．其功能是向被测单元（UUT）提供检测所需的激励使号。

根据各种UUT的不同要求，激励装置的形式也不同，如交直流电源、函数发生器、D／A变换器、频率合成器、微波源等。

（3）测量仪器测量仪器的功能是检测UUT的输出信号．根据检测的不同要求，测量仪器的形式也不同，如数字式多用表，频率计，A／D变换器及其它类型的检测仪器等。

（4）开关系统开关系统的功能是控制UUT和自动检测系统中有关部件间的信号通道。

即控制激励信号输入UUT，和UUT的被测信号输往测量装置的信号通道。

（5）适配器适配器的功能是实现UUT与自动检测系统之间的信号连接。

（6）人机接口人机接口的功能是实现操作员和控制器的双向通信。

常见的形式为，操作员用键盘或开关向控制器输人信息，控制器将检测结果及操作提示等有关信息送到显示器显示。

显示器的类型有阴极射线管（CRT）显示器、液晶（LCD）显示器、发光二级管（LED）显示器或灯光显示装置等。

当需要打印检测结果时，人机接口内应配备打印机。

（7）检测程序自动检测系统是在检测程序的控制下进行性能检测和故障诊断的。

检测程序完成人机交互、仪器管理和驱动、检测流程控制、检测结果的分析处理和输出显示、故障诊断等，是自动检测系统的重要组成部分。

9.1.3 第三代自动测试系统大体说来，它也是由微型计算机、通用硬件系统和软件系统三部分组成。

但是，第三代自动测试系统主要体现以软件控制、以功能组合方式实现的合成仪器自动测试技术，以高速A/D、D/A和DSP芯片为基础组成通用测试仪器硬件系统（即通用硬件部分，结构如图9-3所示），而测试/测量任务的实现以及系统升级完全依靠软件来实现（即软件系统部分，如图9-4所示），例如，进一步利用“软件就是仪器”的虚拟仪器技术的发展，可以将频谱分析仪、射频功率计、波形分析仪、时间/频率测试仪和AC/DC电压测量等各种仪器的功能由一个VXI总线合成仪器模块来实现，其它测量仪器进行相应的升级改造，然后整个系统依靠软件系统完成信息的采集、数据处理及其它显示、打印和传输等功能。

图9-3 通用硬件部分典型结构图图9-4 软件系统部分示意图9.2 接口总线系统与智能仪器所有的程控仪器、设备均配备标准接口，并联在通用接口总线上。

接口总线系统的优点是可以根据具体测试任务的需要，选用现成的标准总线接口的仪器（包括计算机），组建自动测试系统，系统也可以随时改建或重建。

因此，各器件可用于任何一个自动测试系统中间进行毫不含混的信息交换。

为此，各器件的接口在机械上、电气上、功能上必须相容，在运行上必须规范，以保证各种命令和测试数据在互联设备间准确无误地传递。

具体体现在以下三个方面：（1）机械上的相容性接插头、插座的尺寸、信号线的数目以及位置必须相同。

（2）电气上的相容性每条信号线所允许的电压和电流大小，以及逻辑电平、逻辑极性等必须相容。

（3）功能上的相容性接口功能、接口消息以及编码惯例等必须相容。

以上三个要素通常被称为接口总线系统三要素，它们不管器件的特性和运行而作统一规定。

至于运行上的相容性，包括测量数据的表示方法和编码格式、程控指令的格式等，这些与器件本身的特性和运行有关。

目前，标准接口总线系统主要有RS232C，CAMAC，IEEE488，VXI，PXI，IEEE1394及USB总线等。

9.2.1 接口总线系统概述自动测试系统中，不论系统大小、各器件的数据交换是如何频繁和复杂，系统中的器件从作用功能上来讲只有三种。

（1）控者有些仪器设备可以对系统中的其他器件进行寻址或发出管理信息，具有控制整个系统协调工作的能力，这种仪器或设备称为控制器。

简称控者。

如专用控制器、计算机等。

（2）讲者有些仪器设备可以通过接口发送各种数据和信息，称为讲者。

如数字电压表、计算机等。

（3）听者有些仪器设备能够通过接口接收数据，称为听者。

如打印机、计算机等。

系统工作时，在某一时刻只能有一台设备是控者，一台设备作为讲者，其余作为听者或处于空闲状态，否则就会使系统的工作发生混乱。

如：由IEEE488接口总线系统，是一种外部总线，适用于一个实验室内相距20米以内的各设备之间互连。

接口总线包括8根数据线、3根挂钩线、5根管理线和地线，定义了10种接口功能，属异步并行总线。

IEEE488接口总线结构如图9-5所示。

下面重点介绍GPI B 和VXI接口总线系统。

图9-5 IEEE488接口总线结构图9.2.2 GPIB总线9.2.2.1 GPIB基本结构采用24芯总线，分为数据总线、挂钩线和管理总线三种。

其总线的基本结构如图9-6所示。

（1）数据总线GPIB中数据总线8条，标名为DIO1~DIO8。

这8条DIO线用于传送系统内一切远地消息，包括仪器消息和和接口消息。

（2）数据传送挂钩线挂钩线有3条，用来实现讲者和听者之间的通信联络，确保数据总线能够准确无误、双向异步、有节奏地传输消息，这种传输方式称为三线挂钩。

这三条控制线称为挂钩线，它们分别如下。

①DA V（Data Valid）数据有效线。

当为低电平（逻辑1）时，源方向受者表示DIO线上载有信息，并且有效，各听者可以接收；当DA V为高电平（逻辑0）时，表示DIO线上没有信息或者即使有信息也无效，听者不应该接收。

②NRFD （Not Ready For Data）未准备好接收数据线。

此线为各听者所共用，用来向源方表明听者接收数据的准备情况。

当NRFD为高电平（逻辑0）时，各听者向讲者或控者表明，所有听者都已准备好接收数据；当NRFD（逻辑1）为低电平时则表明有部分听者或全部听者还没有准备好接收数据。

③NDAC（Not Data Accepted）未接收数据线。

此线为各听者共同使用。

当NDAC为低电平（逻辑1）时，表明部分听者或全部听者尚未接收完数据，讲者或控者必须继续等待，不更新DIO线上的数据，直到全部听者都已接收完数据即NDAC变为高电平（逻辑0）为止。

图9-6 GPIB接口总线基本结构图9.2.2.2 接口管理总线接口管理总线共有5条，用来管理接口本身的工作。

它们所载有的信息为系统中各台设备通用，被控者选定的仪器都必须接收。

（1）注意线A TN（Attention）A TN线由控者使用。

当ATN为低电平时，表示数据总线上由控者发布的信息是接口信息，除控者外的所有仪器都有要注意接收；ATN为高电平时，表示数据总线上所载的信息是由讲者输出的仪器信息，只有已经被寻址为听者的那些仪器设备才能接收。

（2）结束或识别线EOI（End For Identify）EOI线由控者使用。

EOI线与ATN线配合使用有两个作用：当EOI线为低电平，ATN线为高电平时，表示讲者已经传完一个字节的数据；当EOI线为低电平，A TN线也为低电平时，由控者进行点名，用来识别哪个设备提出了服务请求。

（3）服务请求线SPQ（Service Request）当具有服务请求功能接口的仪器在需要向控者请求服务时，可将SRQ线由高电平变为低电平。

以便向控者表明要求服务，即要求控者中断当前的工作程序，希望由将它变成讲者，报告情况。

（4）接口清除线OFC（Interface Clear）它由控者使用，当IFC线由高变低时，命令系统的全部接口恢复到初始状态。

（5）远控线REN（REMOTE Enable）当有一台可程控仪器不接入系统而单独使用时，将REN线高为高电平即可，这时该仪器工作时只受面板的控制；当要将仪器接入一个自动测试系统中并成为系统中的一个器件时，同控者将REN线高为低电平并配合ATN线，接入的仪器就能接受系统控制了。