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

　　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 plug&play)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 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(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。

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　　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。

　　該基本型能夠適應(yīng)多種測(cè)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(cè)試系統(tǒng)時(shí)，可加入總線，也可不配置總線建立小型測(cè)試系統(tǒng)，基于此基本型建立測(cè)試系統(tǒng)方法如圖2所示。

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　　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(cè)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(lái)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。

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　　通過(guò)對(duì)PC/104總線和所選總線的時(shí)序、信號(hào)、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。

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　　PC/104使用的總線資源主要是I/O控制和中斷，具體信號(hào)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(xiě)信號(hào);AEN是允許DMA控制地址總線、數(shù)據(jù)總線和讀寫(xiě)命令線進(jìn)行DMA傳輸以及對(duì)存儲(chǔ)器和 I/O設(shè)備的讀寫(xiě);IOCHRDY是I/O就緒信號(hào)，I/O通道就緒為高;SYSCLK是系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，使系統(tǒng)與外部設(shè)備保持同步;IRQ3是中斷信號(hào)。 PC104部分電路原理如圖5所示。

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　　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(hào)，通過(guò)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(hào)AS，獲取地址信息后，再驅(qū)動(dòng)MXI的數(shù)據(jù)選通信號(hào)DS，置位讀寫(xiě)信號(hào)WR取走數(shù)據(jù)，通過(guò)MXI的應(yīng)答信號(hào) DTACK來(lái)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(hào)DS，并且WR有效，發(fā)送數(shù)據(jù)。CPLD收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)IRQ3向PC/104發(fā)送中斷申請(qǐng)，PC/104收到中斷信號(hào)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(kāi)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(kāi)發(fā)為根本。IVI類儀器驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的軟件也比較多，如 Labview、Labwindows/CVI等。因Labwindows/CVI是為測(cè)試控制技術(shù)而開(kāi)發(fā)的，是基于標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)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(kù)，配有IVI控制庫(kù)，其中包含了IVI儀器驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)向?qū)?，可以為開(kāi)發(fā)儀器驅(qū)動(dòng)器節(jié)省大量的時(shí)間。所以軟件開(kāi)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(cè)試程序，接口程序，IVI類驅(qū)動(dòng)程序。測(cè)試程序主要完成測(cè)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(hào)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。

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　　軟件測(cè)試過(guò)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(cè)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(cè)試任務(wù)結(jié)束，如還有數(shù)據(jù)需要測(cè)試，則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，否則結(jié)束此次測(cè)試，其軟件測(cè)試流程圖如圖7所示。

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　　對(duì)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(cè)試程序相對(duì)硬件的獨(dú)立性?？紤]到測(cè)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(duì)測(cè)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(kù)文件*.dll中。在具體的測(cè)試程序中，當(dāng)需要對(duì)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(kù)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(duì)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(xiě)相關(guān)的程序，生成新的同名.dll文件。這樣大量的測(cè)試程序可以不必重新編譯，簡(jiǎn)化了升級(jí)工作。

　　3 應(yīng)用實(shí)踐

　　在某機(jī)載設(shè)備檢測(cè)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(duì)測(cè)試系統(tǒng)整體性能進(jìn)行評(píng)估，在系統(tǒng)軟硬件集成后，對(duì)機(jī)載設(shè)備信號(hào)測(cè)試做實(shí)驗(yàn)，其中數(shù)字信號(hào)測(cè)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(cè)試結(jié)果如表1所示。

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　　可以看出系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，且通過(guò)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(cè)試效率，解決了GPIB在測(cè)試速度低上的瓶頸。

　　4 結(jié)論

　　本方案基于PC104計(jì)算機(jī)，對(duì)大多數(shù)的測(cè)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，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(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)建是個(gè)艱巨而復(fù)雜的過(guò)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(cè)試要求以此平臺(tái)為基礎(chǔ)，靈活組建測(cè)試系統(tǒng)，完成測(cè)試任務(wù)。