1、第13章 自動測試系統(tǒng),(1)GPIB自動測試系統(tǒng)的組成 GPIB是為分立式儀器及系統(tǒng)互連設計的一種開放式通用計算機接口總線，GPIB接口是組建自動測試系統(tǒng)的國際標準接口。所謂自動測試，是指在計算機的管理下，由計算機執(zhí)行預先編制好的測試程序，對各種物理量進行自動測量、數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進行分析和處理，或者對原始測量數(shù)據(jù)進行誤差分析和校正，完成測量結(jié)果的傳輸、存儲、顯示或輸出打印等操作。,13.1 GPIB的自動測試系統(tǒng),1.GPIB系統(tǒng)的組成及工作原理,GPIB自動測試系統(tǒng)通常由測試用計算機或帶有GPIB接口卡的通用計算機、程控測量裝置、被測物理對象和相應的接口系統(tǒng)等組成。 GPIB是一種位（

2、bit）并行、字節(jié)（byte）串行的接口系統(tǒng)，采用異步通信方式，最高數(shù)傳速率為1Mb/s。總線上最多允許連接15個器件（含控制計算機），該限制是由總線驅(qū)動能力（最大48mA驅(qū)動電流）決定的。數(shù)據(jù)通過總線電纜傳輸路徑的總長度規(guī)定不超過20m，每兩個器件之間電纜一般為2m。,2.GPIB控制器 (1) GPIB系統(tǒng)中的控制器仍然是一臺微型計算機或工作站，可以是專用的，也可以是通用的。其主要特點是具有GPIB接口，并至少提供五種GPIB接口功能，即控者（C）功能、聽者（L）功能、講者（T）功能、源方掛鉤（SH）功能、受方掛鉤（AH）功能。,2.典型的GPIB接口硬件電路,3.GPIB自動測試系統(tǒng)軟件

3、構(gòu)成 軟件是實現(xiàn)自動測試的最終手段和直接體現(xiàn)，是測試系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。按作用層次，自動測試系統(tǒng)軟件構(gòu)成可劃分為計算機操作系統(tǒng)、測試編程開發(fā)環(huán)境以及測試應用軟件，如圖13.5.1所示。,但是，上述編制方式存在明顯的不足： 要求測試人員至少掌握一種測試語言及基本的軟件編制方法； 要求測試人員對系統(tǒng)中涉及的各種接口標準、通信規(guī)范有足夠的了解和認識； 由于測試儀器不斷發(fā)展、更新，促使編程人員不斷熟悉浩繁的儀器手冊、查閱千變?nèi)f化的程控代碼； 測試系統(tǒng)稍有變化，不得不全面修改原有軟件或編制新的應用程序，測試軟件的開放性、可重復性、可擴展性差。,近幾年，隨著計算機軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，一個新的概念在各行各業(yè)

4、被提出，這就是“軟件的自動生成”。其基本思想是為用戶提供一個“毋需編程”的環(huán)境，用戶藉此可以方便地開發(fā)自己的應用。其目標就是為測試人員提供一個具有良好的操作界面，包含儀器控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果報告生成等一系列工具的集成化軟件開發(fā)環(huán)境。,由于這類測試軟件自動生成環(huán)境基本上都是通過用鼠標器連接圖標的方式來實現(xiàn)測試應用程序的，所以常被稱為圖形化編程軟件、圖形化編程工具、可視化測試環(huán)境等。它們具有如下特點： 良好的用戶界面。 具有完善的數(shù)字分析、處理、圖形顯示、結(jié)構(gòu)報告等功能。 具備開放的儀器驅(qū)動軟件庫（IDS）。 有豐富的接口驅(qū)動軟件。 一般采用以下兩種方式生成測試軟件： 代碼生成方式。 流程框

5、圖（Block Diagram）方式。,4.組建GPIB系統(tǒng)的產(chǎn)品 組建GPIB自動測試系統(tǒng)的產(chǎn)品可分為三大類: 程控儀器類。它由帶GPIB接口的各類程控儀器組成，近年來推出的稍高檔的產(chǎn)品都帶有PIB接口，所以這類產(chǎn)品數(shù)量最多。 控制系統(tǒng)類，主要包括GPIB控制器及其配套軟件或驅(qū)動器和測試系統(tǒng)生成平臺，這一類是所有組建GPIB自動測試系統(tǒng)所必需的產(chǎn)品。 測試軟件開發(fā)平臺類,13.2 VXIbus儀器模塊 1.VXI儀器模塊 (1)GPIB-VXI轉(zhuǎn)換器,2.內(nèi)嵌式VXI總線控制機 典型的內(nèi)嵌式控制機用現(xiàn)代封裝技術(shù)將微型計算機裝入一個VXI模塊中，具有臺式PC的全部功能，同時還包括處理VXI總線

6、操作的接口門陣列和定時接口控制器，以及用于GPIB控制的IEEE488.1/ IEEE488.2的專門電路，從而構(gòu)成一個完整的自帶硬盤、軟驅(qū)的高性能計算機系統(tǒng)。BIOS放在駐留的RAM中，更加快了程序的執(zhí)行。 內(nèi)嵌式計算機與VXI總線的接口是用64kb的硬件窗口結(jié)合頁寄存器來實現(xiàn)的，并可在一種VXI總線地址空間（A16、A24、A32）之間進行切換。,內(nèi)嵌式控制機通過前面板上的GPIB插座對外部儀器實現(xiàn)全面的GPIB控制，這種GPIB控制與IEEE488.2完全兼容，這對于在工業(yè)上采用可編程儀器的標準命令（SCPI）是十分重要的，任何用IEEE488.2編寫的軟件都可在該內(nèi)嵌式控制機上運行。

7、軟件方面，內(nèi)嵌式控制機按結(jié)構(gòu)包含基礎軟件和系統(tǒng)軟件兩個層次?；A軟件又有兩種： 面向VXI總線的接口軟件和面向GPIB儀器的IEEE488.2 驅(qū)動軟件，這兩種基礎軟件都適用于DOS和Windows環(huán)境。,VXI總線接口軟件包括資源管理器，交互式VXI總線資源編輯程序，用于VXI總線編程的總線接口程序綜合庫，用于與VXI總線交互作用及學習的控制程序。 VXI總線接口軟件還可用來控制多個VXI主機的系統(tǒng)配置，這種配置利用了與VXI總線國際協(xié)議主機擴充要求相一致的總線擴充器，如VXI-MXI和VXI-MXI主機擴充器。 VXI總線的基礎軟件接口通過多種硬件平臺和操作系統(tǒng)實現(xiàn)標準化。這種標準化有利于

8、將來的發(fā)展。,(3)開關模塊 開關模塊是組建VXI系統(tǒng)必不可少的、最重要的模塊之一。開關提供測試系統(tǒng)與待測件（DUT）間的接口，它將測試信號、電源、控制線送入送出DUT，是測試系統(tǒng)組建中至關重要的部分。 開關使昂貴的儀器做到最小化，當密度增加時，這點尤其重要。例如，一個電壓表可以用來測試DUT上的一系列不同的測試點，也可以用在同一測試點上做多種不同的測量。 開關簡化了系統(tǒng)的校準、自檢和診斷等任務。將源儀器（如脈沖發(fā)生器）的輸出接回到檢測儀器（如計數(shù)器）的輸入端，可用來檢驗儀器的開關的操作，也可監(jiān)測電纜及互連的影響。,由于引入了通道阻抗、熱偏置、電感和電容（信號信號和信號地），開關設備減弱了信

9、號，這可能在高頻信號間、電源線和低電平信號間產(chǎn)生不必要的串擾。這種信號減弱在電纜互連中的表現(xiàn)尤為突出。因此，在系統(tǒng)初期設計中就應該考慮到這種因素并使之最小化。 開關和連接器的壽命有限，并可能引入一些錯誤。開關操作要花費時間，根據(jù)開關元件不同，這個時間從幾毫秒到幾百毫秒不等，它將降低系統(tǒng)的吞吐率。另外還要折中考慮節(jié)約其他測試設備、減少系統(tǒng)的數(shù)目，以及系統(tǒng)的多樣性等因素。,開關的拓撲結(jié)構(gòu) 單刀單擲開關（SPSD）和單刀雙擲開關（SPDT）是最基本的開關結(jié)構(gòu)。它們既可以單獨使用，也可以構(gòu)成復雜的開關網(wǎng)絡。將多個受同一信號控制的開關元件集成到一個開關包構(gòu)成多線開關，因為多個開關元件一同封裝，可降低因溫

10、度引起的誤差。 浮地測量中的雙線開關、保護測量中的三線開關和四線阻抗測量中的四線開關都屬于這種開關。多路器用來將多個信號送給一個器件，多數(shù)情況下一次只有一個信號送到器件上，其主要優(yōu)點是信號通道中開關元件最少，成本低。,二元梯（Binary Ladder）是一種常用的開關組成形式，因為每個時刻只有一個元件被連接，它保證了安全傳輸，并隔離了電容及所有無用信號通道的反射，是高頻應用時的良好選擇。 全矩陣開關允許任何兩點互連，是開關拓撲中最靈活的一種。但是它也有一些較嚴重的缺點：首先是信號整體的損耗，隨著開關矩陣的增大，電容、串擾反射和阻抗不匹配會顯著增加，與多路系統(tǒng)相比，帶寬明顯降低；第二是它需要更

11、多的繼電器，這不僅增大了成本也增加了出錯率；第三是安全性，因為矩陣中每個點可與任意其他點相連。,開關元件技術(shù) 單個開關元件主要有電磁機械繼電器和固態(tài)繼電器兩種。電磁機械繼電器是靠電流通過電磁線圈產(chǎn)生引力讓兩片金屬接觸，從而在物理上實現(xiàn)開和關的；固態(tài)繼電器則是利用半導體器件，通過控制柵極和漏極間的電壓讓兩者間的電阻達到最小或最大，從而起到開關作用的模擬加法總線：為相加總線，任何模塊都能驅(qū)動或接收它的信息，也可使各模塊輸出疊加，合成復雜的波形信號。,電磁機械開關在閉合時有電流流過金屬接點，而斷開的瞬間會有小火花，長期開閉會磨損金屬觸片。固態(tài)開關利用半導體原理讓電流在PN結(jié)上流動，它沒有物理接觸，因

12、此壽命較長。 在熱漂移方面兩種開關元件也有較大的差別。電磁機械開關的兩片金屬一般很難具有完全相同的金屬特性，因此熱電勢較高。而固態(tài)開關的開閉不靠金屬接觸，除了沒有噪聲外，熱電勢也較小。對于測量溫度的開關，選擇固態(tài)開關較好，因為開關元件的熱電勢越低，溫度測量越準確。,電磁機械開關由于開關和線圈是分開的，因此比較容易抗靜電泄放，而固態(tài)開關則相反，因此在設計固態(tài)開關時一定要加金屬氧化物電阻來保護其免受靜電破壞。 電磁機械開關在斷開時完全沒有電流通過，不會有滲漏電流，而固態(tài)開關無法做到完全和機械式斷開一樣，這是其主要缺點之一。但是先進的固態(tài)開關可以做到只有數(shù)納安（nA）滲漏電流。固態(tài)開關的柵、源極（G

13、、S）之間會有一個較大的電容，電流大時會產(chǎn)生串擾。在精確的高速自動測試中，消除串擾是很關鍵的，固態(tài)開關在克服高頻串擾方面比電磁機械開關困難，尤其在1MHz以上工作更是如此。,在開關網(wǎng)絡設計中降低電子噪聲 開關網(wǎng)絡可能產(chǎn)生或放大噪聲。噪聲可能是因為開關網(wǎng)絡內(nèi)部的驅(qū)動電路、開關間的溫度不平衡、或信號通道間的耦合而產(chǎn)生的，也可能是由外部網(wǎng)絡傳入或耦合進來的。盡管所有的系統(tǒng)都存在噪聲，但對開關網(wǎng)絡顯得特別嚴重，因為開關網(wǎng)絡中信號高度集中，出錯的可能性更大。減小噪聲的方法和措施是多種多樣的，接地和屏蔽是最主要的方式之一。,對頻率低于1MHz或低電平信號，一般采用單點接地。并行的單點接地結(jié)構(gòu)更好但也更復雜

14、和更難布線；如采用串行的單點接地結(jié)構(gòu)，臨界點應該放在主接地點附近。對頻率超過10MHz的信號采用多點接地系統(tǒng)，對110MHz之間的信號，如果最長的地線返回路徑小于波長的1/20，則也可以采用單點接地系統(tǒng)。在上述所有接地系統(tǒng)中，應保證盡量小的返回路徑阻抗和電感。,多數(shù)系統(tǒng)至少應該有三個獨立的地。第一是信號地，它又可進一步細分成低電平信號地和數(shù)字信號地；第二是噪聲性硬件（諸如繼電器、馬達和大功率設備）的地；第三是機殼地，交流地通常也接到該地上。,噪聲屏蔽涉及電容性耦合和電感性耦合，在導線周圍增加一個附加的屏蔽裝置可以有效防止電容性耦合，如使用同軸電纜和連接器，在印制板上設計微波條狀線，以及使用特殊

15、的同軸繼電器。減小環(huán)繞區(qū)域是防止電感性耦合最有效的方法，對低于幾千赫茲的信號，采用雙絞線方法就能獲得良好的效果。對電磁信號采用非屏蔽雙絞線，對電磁敏感和電容敏感信號則應采用屏蔽雙絞線。,高電平信號和低電平信號要盡可能地分開。應該仔細檢查包括電纜、連接器的引腳，甚至開關模塊內(nèi)部連線在內(nèi)的整個信號路徑，所有沒有使用的線都要接地并布置在敏感信號路徑之間。 開關網(wǎng)絡一般是電纜和連接器的總和。電纜電容的大小隨著其長度的增加而增大，因此在滿足維修和工作空間要求的前堤下，電纜應盡可能短。也可以用無源補償網(wǎng)絡減小總的電纜電容的大小，匹配的電纜長度要在實際中嚴格測試。為減小噪聲，高電平信號和低電平信號不要公用電

16、纜，不用的連接器要接地，電纜屏蔽點要控制在自己的連接器引腳上。,13.3 LXI總線技術(shù)簡介 目前，有三個發(fā)展趨勢在推動測試行業(yè)的進程：第一，要有系統(tǒng)就緒的硬件，即模塊化的產(chǎn)品，可以很快構(gòu)建一個系統(tǒng)。第二，要有基于標準的與PC兼容的輸入輸出接口，以及輸入輸出驅(qū)動程序，局域網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)等。第三，要有靈活的軟件解決方案，不論客戶需要的是Excel界面、還是文字界面都可以給客戶靈活的選擇。國際LXI（LAN eXtension for Instrument）聯(lián)盟就是迎合了這個變化而產(chǎn)生的。,自動測試系統(tǒng)一般包括用于測試的一臺或多臺儀器、主控計算機和測試軟件、測試夾具及系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線就像是中樞神經(jīng)系

17、統(tǒng)，負責控制指令和測試數(shù)據(jù)的傳送。在自動測試領域，總線技術(shù)經(jīng)歷了從GPIB、VXI、PXI，直至目前的LXI這幾個階段。 LXI的出現(xiàn)以成熟的以太網(wǎng)技術(shù)為基礎，是在測試自動化領域中應用的拓展。其具體的設想是將非常成熟的以太網(wǎng)技術(shù)用到自動測試系統(tǒng)中，以替代傳統(tǒng)的測試總線技術(shù)。 LXI為高效能的儀器提供了一個自動測試系統(tǒng)的LAN模塊式平臺，無論是相對GPIB、VXI還是PXI 、LXI都將是未來總線技術(shù)的發(fā)展趨勢。,從客戶的角度出發(fā)，首先需要降低系統(tǒng)集成的成本和復雜性，采用容易使用的人機界面；在保證系統(tǒng)緊湊的同時保證儀器的性能和兼容性，減少復雜的連線；希望有多種高速的觸發(fā)方式和高速的I/O，還要非

18、常容易地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障；在編程的時候使用自己最熟悉的軟件，利用通用的PC接口和總線，而不是昂貴的測試測量專用接口和總線。,與傳統(tǒng)的卡式儀器相比，LXI模塊化儀器具有許多優(yōu)點： 集成更為方便，不需要專用的機箱和0槽計算機； 可以利用網(wǎng)絡界面精心操作，無須編程和其他虛擬面板； 連接和使用更為方便，可以利用通用的軟件進行系統(tǒng)編程； 非常容易實現(xiàn)校準計量和故障診斷； 靈活性強，可以作為系統(tǒng)儀器，也可以單獨使用。,另外，由于LXI模塊本身配備有處理器、局域網(wǎng)（LAN）連接器、電源供應器和觸發(fā)輸入，因此它不必像模塊式卡槽那樣必須使用昂貴的電源供應器、背板、控制器及MXI插卡和接線。 LXI標準要求LXI單元

19、支持IEEE802.3和TCP/IP標準，提供一個一致的應用方式以便于用戶使用。這樣， LXI就提供了一個新的自動測試系統(tǒng)的架構(gòu)，從而克服了傳統(tǒng)架構(gòu)的復雜低效的控制方式。 LXI儀器能夠有更快的速度和更為簡單的編程方式。,作為開放的PC標準的中央部分，LAN成為未來發(fā)展的基礎。由于LAN取代了GPIB，其他接口要通過簡單的I/O轉(zhuǎn)換器才能實現(xiàn)相互連接?，F(xiàn)在可以提供LAN到GPIB和USB到GPIB的轉(zhuǎn)換器，有很多產(chǎn)品已經(jīng)擁有內(nèi)置的LAN接口。新的LXI規(guī)格提供的控制功能將進一步強化這些功能。 LXI能提供三種觸發(fā)方式：LAN觸發(fā)（網(wǎng)絡觸發(fā)）、IEEE1588觸發(fā)和LXI觸發(fā)總線。 LXI儀器的

20、結(jié)構(gòu)特點是LAN的新型網(wǎng)絡化儀器模塊， LXI儀器模塊基本結(jié)構(gòu)由虛擬儀器和高速LAN組成。,13.4 USB 儀器簡介 1.概述 USB接口在測量儀器中確實是簡單方便和低成本的互連技術(shù)，它特別適用于較高速率的數(shù)據(jù)采集和傳輸場合。傳統(tǒng)的和PC平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)卡需要占用ISA或PCI插槽，以及從插卡引出至傳感器的大量線纜，數(shù)據(jù)采集量增加時會受PC插槽數(shù)目、地址、中斷等硬件和軟件資源的限制，導致可擴展性較差，抗電磁干擾性能低，安裝拆卸困難，成本高等。隨著PC配置USB接口和數(shù)據(jù)率的提高，以及USB接口芯片價格的下降，使USB接插件和電纜比較便宜，由于大量USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的出現(xiàn)，一定會促進USB接口更大的發(fā)展。,2. USB測量儀器 在USB 2.0發(fā)布后， USB測量儀器從數(shù)據(jù)采集向數(shù)字多用表、數(shù)字示波器、邏輯分析儀、任意波形發(fā)生器、數(shù)字化儀器、協(xié)議分析儀等方面發(fā)展，形成多種多樣的體積小、移動輕便、價格實惠、性能適中的一類測量儀器。 目前， USB儀器在中低檔測量儀器中最受用戶歡迎，形成一類USB儀器而進入測量儀器主流。 USB儀器屬于普及型的產(chǎn)品，它以即插即用和經(jīng)濟實惠而進入測量儀器市場，它的機械構(gòu)件（如連接器、線纜）和電氣特性（如定時、同