多總線融合式通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為在一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)上能滿足更多的測(cè)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)了一種通用測(cè)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(cè)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)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)；PC／104

通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)可以最大程度地節(jié)約測(cè)試成本，包括了軟件開(kāi)發(fā)成本，系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)成本以及新的測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本。
測(cè)試程序集TPS可移植使得開(kāi)發(fā)一套程序可以適于多種不同的場(chǎng)合(理想狀態(tài)下)，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中不需要做過(guò)多重復(fù)的工作，針對(duì)不同廠商的儀器，TPS無(wú)需改動(dòng)；儀器可互換使得系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)時(shí)更換儀器不需要軟件上作任何改動(dòng)，僅需簡(jiǎn)單配置就可以繼續(xù)使用，降低了維護(hù)和升級(jí)的成本；對(duì)于新開(kāi)發(fā)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)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(cè)試系統(tǒng)組建方式。該系統(tǒng)由控制器、測(cè)控總線、測(cè)控模件、測(cè)控儀器等組成，總線包括GPIB、VXI、MXI、PXI等，測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)接調(diào)理等標(biāo)準(zhǔn)上建立統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，能使各種儀器設(shè)備在此平臺(tái)上組建后的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，按測(cè)試需求發(fā)揮自身的效用，適應(yīng)大多數(shù)的測(cè)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(lái)測(cè)控技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。PC104計(jì)算機(jī)相對(duì)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(lái)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(jiàn)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(jí)高速緩存和2MB二級(jí)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(pán)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(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)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(cè)試的需要，又能兼顧未來(lái)測(cè)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 plugplay)技術(shù)上發(fā)展而來(lái)的當(dāng)今最先進(jìn)的測(cè)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(guò)編譯在PC104計(jì)算機(jī)上的IVI類驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)某一類IVI儀器的控制。IVI主要研究?jī)x器驅(qū)動(dòng)的互換性、測(cè)試性能、開(kāi)發(fā)靈活性及測(cè)試品質(zhì)保證。它綜合了最終用戶、儀器廠商以及通過(guò)開(kāi)放和透明的儀器控制方法來(lái)構(gòu)建測(cè)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(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)出發(fā)，消除了測(cè)試冗余，提高了測(cè)試速度。它對(duì)比VXI plugplay技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于：符合VXIplugplay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(cè)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(guò)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)試需要靈活組配、裁剪，構(gòu)建自動(dòng)測(cè)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(duì)測(cè)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(duì)VXI或PXI機(jī)箱內(nèi)儀器實(shí)施控制，由PC／104主機(jī)完成測(cè)試任務(wù)。
組建方案2：當(dāng)數(shù)據(jù)較多，對(duì)測(cè)試速度要求較高的情況下，則可選擇高速率的MXI總線，通過(guò)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(duì)VXI或PXI機(jī)箱內(nèi)儀器實(shí)施控制，完成測(cè)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(cè)對(duì)象可通過(guò)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(cè)試系統(tǒng)，完成測(cè)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(cè)試系統(tǒng)，還可以組建其他總線式測(cè)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(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，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(cè)試，節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本，也適應(yīng)了未來(lái)的發(fā)展需要，體現(xiàn)了系統(tǒng)的開(kāi)放性。
組建方案6：通過(guò)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(guò)光纖通信，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)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(guò)GPIB或MXI總線對(duì)VXI／PXI機(jī)箱實(shí)施控制，完成測(cè)試任務(wù)。通過(guò)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(duì)某一類IVI儀器的控制。根據(jù)不同的信號(hào)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(cè)對(duì)象返回的激勵(lì)信號(hào)較多時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)接箱完成對(duì)信號(hào)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(hào)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(cè)試過(guò)程。