計算機測試系統(tǒng)發(fā)展綜述(全文)

1、計算機測試系統(tǒng)進展綜述測試技術涉及到眾多學科專業(yè)領域,如傳感器、數據采集、信息處理、標準總線、計算機硬件和軟件、通信等等。測試技術與科學研究、工程實踐緊密相關,兩者相輔相成,科學技術的進展促進了測試技術的進展,測試技術的進展反過來又促進了科學技術的進步。測試儀器進展至今,大體經歷了5代:模擬儀器、分立元件式儀器、數字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。自上個世紀80年代以來,伴隨微電子技術和計算機技術飛速進展,測試技術與計算機技術的融合已引起測試領域一場新的革命。1986年美國GJ儀器公司提出“虛擬儀器”即“軟件就是儀器”的概念。虛擬儀器是卡式儀器的進一步進展,是計算機技術應用于儀器領域而產生的一種新

2、的儀器類型,它以標準總線作為測試儀器和系統(tǒng)的基本結構框架,配置測量模塊,通過軟件編程實現強大的測量功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中,用靈活、強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件,用人的智力資源代替物質資源,特別是系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特征的解析,使儀器中的一些硬件、甚至整件儀器從系統(tǒng)中“消逝”,而由計算機的硬軟件資源來完成它們的功能。另外,通過軟件可產生許多物理設備難以產生的激勵信號以檢測并處理許多以前難以捕捉的信號。虛擬儀器是計算機技術和測試技術相結合的產物,是傳統(tǒng)測試儀器與測試系統(tǒng)觀念的一次巨大變革。測試技術和設備涉及國民經濟和國防建設的各行各業(yè),先進的電子測試設備在眾多行業(yè)

3、的科研、生產和設備維護使用過程中起著舉足輕重的作用。特別是在電子產品、航空航天、武器裝備、工業(yè)自動化、通信、能源等諸多領域,只要略微復雜一點的涉及到弱電的系統(tǒng)（或裝置）都要考慮測試問題。測試系統(tǒng)是設備或裝備的一個必不可少的組成部分,如武器系統(tǒng)的維護維修離不開測試設備。一個系統(tǒng)（或裝置）測試功能的完備與否已成為衡量其設計是否合理和能否正常運行的關鍵因素之一。測試儀器和系統(tǒng)在國民經濟和國防建設中起著把關和指導者的作用,它們廣泛應用于煉油、化工、冶金、電力、電子、輕工和國防科研等行業(yè)。測試儀器和系統(tǒng)從生產現場各個環(huán)節(jié)獲得各種數據,進行處理、分析和綜合,通過各種手段或操縱裝置使生產環(huán)節(jié)得到優(yōu)化,進而保

4、證和提高產品質量。在武器系統(tǒng)科研試驗現場,測試儀器和系統(tǒng)可獲得試驗中各個階段和最終試驗數據,用于及時發(fā)現試驗中出現的問題和給出試驗結論,并為后續(xù)相關試驗提供依據。因此,測試儀器與系統(tǒng)對于提高科研和試驗效率,加快武器試驗進程和保證試驗安全至關重要。以雷達、綜合電子戰(zhàn)為代表的軍事電子領域,以預警機、戰(zhàn)斗機、衛(wèi)星通信、載人航天和探月工程為代表的航空、航天領域及以導彈武器系統(tǒng)為代表的兵器領域等都離不開測試設備,它是這些裝備和系統(tǒng)正常使用和日常維護及維修所必備的。系統(tǒng)類型現代的測試系統(tǒng)主要是計算機化系統(tǒng),它是計算機技術與測量技術深層次結合的產物。隨著計算機技術的進展,構成測試系統(tǒng)的可選擇性不斷加大,按照

5、測試功能要求,可構成多種類型的計算機測試系統(tǒng)。在計算機測試系統(tǒng)分類問題上并沒有嚴格的統(tǒng)一規(guī)范,以硬件組合形式劃分,測試系統(tǒng)可分為基于標準總線的測試系統(tǒng)、專用計算機測試系統(tǒng)、混合型計算機測試系統(tǒng)和XX絡化測試系統(tǒng)等4種類型。(1)基于標準總線的測試系統(tǒng)基于標準總線的測試系統(tǒng)種類非常多，如IS總線、PCI總線、STD總線、GPIB總線、CPCI總線、VXI總線和PXI總線等。這類系統(tǒng)采納各種標準總線,在PC計算機主板的擴展槽或者擴展機箱插槽上、工控機底板插槽上、VXI和PXI機箱背板總線上,插入各種/D,I/O等功能和儀器模塊,構成測試系統(tǒng)。目前各類標準總線功能模塊和模塊化儀器品種齊全且商品化程度

6、高,因此系統(tǒng)集成容易。此類系統(tǒng)具有標準化、模塊化、可靠性高、可重構等特點。(2)專用計算機測試系統(tǒng)專用計算機測試系統(tǒng)是將具有一定功能的模塊相互連接而成。專用計算機測試系統(tǒng)又可分為2大類,一類是專業(yè)生產廠商設計生產的大型、高精度的專用測試系統(tǒng);另一類是專業(yè)生產廠商生產的小型智能測試儀器和系統(tǒng)。專用計算機測試系統(tǒng)最重要的特征是系統(tǒng)的全部硬軟件規(guī)模完全根據系統(tǒng)的要求配置,系統(tǒng)的硬軟件應用/配置比高。因此,系統(tǒng)具有最好的性能/價格比,在大批量定型產品中采納這種類型比較合適。根據所采納微處理器的不同,專用計算機測試系統(tǒng)又可分為標準總線計算機系統(tǒng)和單片機系統(tǒng)。(3)混合型計算機測試系統(tǒng)這是一種隨著8位、1

7、6位、32位單片機出現而在計算機測試領域中迅速進展的結構形式。它由標準總線系統(tǒng)與由單片機構成的專用計算機測試系統(tǒng)組成,并通過各種總線(串行或并行)將2部分連接起來。標準總線系統(tǒng)的計算機一般稱為主機,主機承擔測試系統(tǒng)的人機對話、計算、存儲和處理、圖形顯示等任務。專用機部分是為完成系統(tǒng)的特定功能要求而配置的,如各種數據的現場采集,通常稱為子系統(tǒng)。(4)XX絡化測試系統(tǒng)利用計算機XX絡技術、總線技術將分散在不同地理位置、不同功能的測試設備集成在一起,加上服務器、客戶端以及數據庫,組成測試局域XX系統(tǒng),通過XX絡化的虛擬儀器軟件,共同實現復雜、相互組合的多種測試功能。XX絡型計算機測試系統(tǒng)的靈活性較大

8、,可用多種方式及時地索取現場數據。進展現狀測試系統(tǒng)采納標準總線硬軟規(guī)范使得測試系統(tǒng)向開放性、集成化進展,推動了測試系統(tǒng)標準化、模塊化、虛擬化等進程。目前測試系統(tǒng)可選用的、主流的標準總線包括IS總線、PCI總線、VXI總線、CP2CI總線和PXI總線及工業(yè)現場總線等,其中VXI總線和PXI總線最具有代表性。VXI總線是上世紀80年代末期在VME總線的基礎上擴展而成的儀器系統(tǒng)總線。VXI總線由于采納模塊化開放式結構,易于擴展、重構和系統(tǒng)集成。它依靠有效的標準化,采納模塊化的方式,實現儀器模塊間的互換性和互操作性,使得不同廠商生產的測量模塊能容易地組建一個高性能的測試系統(tǒng)。其開放的體系結構和即插即用

9、方式符合信息產品的要求?？s短了測試系統(tǒng)的研制周期,降低了成本,減小了風險。因此,VXI總線一經問世便受到了測試界的認可并迅速得到推廣。VXI總線系統(tǒng)已在美國國防、航空航天、工業(yè)等領域得到較廣泛應用。美國國防部對其三軍武器維護維修的自動測試系統(tǒng)要求廣泛采納現成的基于標準總線的COTS或商用硬件和軟件產品。為了實現武器維護維修自動測試系統(tǒng)的標準化、通用化,陸海空軍分別采納了綜合測試設備(FTE)、聯合自動保障系統(tǒng)(CSS)、新型通用測試站(CTS)。美國許多生產自動測試系統(tǒng)的公司正在把標準的TLS語言轉換為面向目標的d語言,將d為基礎的測試環(huán)境(BETIEEE-1266)轉換為更廣泛的測試環(huán)境(B

10、BET)。BBET是一種易于修改和擴充的模塊化開放式結構,而VXI總線和其VIS為能夠滿足這種環(huán)境的規(guī)范。為此,美國三軍廣泛使用VXI總線測量系統(tǒng)完成武器系統(tǒng)的維護維修,達到了降低費用、減少測試設備體積和提高測試效率等要求。美軍F-22戰(zhàn)斗機從生產制造測試到現場維護維修測試過程都采納了商用的通用自動測試系統(tǒng)。此系統(tǒng)采納了VXI總線產品硬件、BET軟件、UNIX/POSIX/WINDOWS操作系統(tǒng)、局域XXLN、PC/工作站、專家診斷系統(tǒng)、可編程儀器標準指令（SCPI）等等。該系統(tǒng)具有體積小、價格低、測試速度高及性能高等特點。另外,VXI總線測試還廣泛用于飛機測試、導彈測試、風洞數據采集、噴氣發(fā)

11、動機測試、工業(yè)生產過程操縱和波音757,767和777客機測試設備等等。VXI總線測試系統(tǒng)不僅涉及到電子測量領域,而且已延伸到微波、毫米波和通信領域。在數字域、頻率域和時間域的測試得到了較廣泛的應用,譬如通信衛(wèi)星、雷達和電子對抗測試中的任意波形發(fā)生器、頻譜儀、邏輯分析儀、XX絡分析儀、微波/射頻模塊等。VXI總線不僅在軍事上獲得了應用,而且還在通信、鐵路、電力、石化、冶金等行業(yè)得到了廣泛應用。全世界有近400家公司在VXI總線聯合會申請了制造VXI總線產品的識別代碼,其中大約70%為美國公司,25%為歐洲公司,亞洲僅占5%。在大約1300多種VXI產品中,80%以上是美國產品,其門類幾乎覆蓋了

12、數據采集和測量的各個領域。在市場方面,20XX年以前,美國VXI市場的總銷售額雖然仍以每年30%40%的增長。近兩年來，由于PXI和CPCI等產品的掘起,VXI產品銷售增勢已趨緩。1997年美國GJ儀器公司NI公布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范PXI總線標準。PXI的核心技術是CompctPCI工業(yè)計算機體系結構、MicrosoftWindows軟件及VXI總線的定時和觸發(fā)功能。PXI總線其實是PCI在儀器領域的擴展,它將CompctPCI規(guī)范定義的PCI總線技術進展成適合于測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規(guī)范,從而形成了新的虛擬儀器體系結構。制訂PXI總線規(guī)范的目的是為了將臺

13、式PC的性能價格比優(yōu)勢與PCI總線面向儀器領域的必要擴展完美地結合起來,形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。PXI總線的基礎一是當今計算機技術,二是借鑒和吸取了VXI總線特點。VXI基于VME總線,而PXI基于PCI總線。由于標準PCI總線帶寬是132MB/s,標準VME總線只有40MB/s,因此PXI總線性能優(yōu)于VXI總線。由于PXI插卡尺寸小,所以它能夠為便攜式、臺式與固定架式裝置提供一個通用平臺。開放的PXI總線規(guī)范可組成模塊化的測試系統(tǒng),它可以容易地整合多個廠家的測試產品。PXI總線規(guī)范也能把不同平臺的儀器集成到PXI測試系統(tǒng)中。如為了兼顧已有的VXI總線系統(tǒng)和保護用戶投資,已開發(fā)了跨接V

14、XI總線系統(tǒng)和PXI總線系統(tǒng)的轉接卡。近幾年,PXI總線產品種類和數量增長迅速。PXI總線系統(tǒng)聯盟(PXIS)就有60多家公司參與，這些公司生產或集成基于PXI總線的測試模塊和測試系統(tǒng)?，F在已有數百種不同的3U或6UPXI模塊供用戶選用。隨著其應用范圍和領域的不斷擴大,市場份額也將迅速增大。目前,測試系統(tǒng)進展方向主要表現在以下幾個方面:(1)基于標準總線的硬件平臺測試系統(tǒng)采納模塊化開放式標準總線體系結構,易于擴展、重構和系統(tǒng)集成。于是,不同廠商生產的測量模塊能容易地組建一個高性能的測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)集成強調基于COTS,不僅可降低系統(tǒng)成本和研制周期,而且可使系統(tǒng)容易升級換代。(2)分布式、XX

15、絡化結構在工業(yè)生產和科研試驗現場,由于被測系統(tǒng)(或裝置)一般均采納分散布置或安裝,因此,測試系統(tǒng)應可采納分布式或XX絡結構,以解決被測信號因長距離傳輸所造成的測試精度下降問題。同時,測試系統(tǒng)其內部電纜將明顯減少,解決了過去復雜的連接問題。XX絡化測試系統(tǒng)具有資源共享、集中治理、分布測量和處理、功能多樣化和操作便捷等特點。(3)同步授時測試系統(tǒng)要保證與測試對象的時間同步,此外其本身也應有時間基準要求。因此,測試系統(tǒng)必須要有統(tǒng)一的時間基準即時統(tǒng),時統(tǒng)一般采納IRIG-B碼。GPS授時為首選的一種時間基準。GPS授時型接收機不受時間、地點和氣候的限制,可提供高精度、連續(xù)的實時授時信息。在測試系統(tǒng)中,

16、應采納具有自主授時、內外同步功能的GPS模塊以實現與測試對象同步。(4)虛擬儀器虛擬儀器技術的出現,大大增強了測試系統(tǒng)的功能。虛擬儀器的測量功能模式是“動態(tài)的”,可根據用戶需要來定義或擴展,而不是“靜態(tài)的”即固定的、不可變更的。除示波器、任意波形發(fā)生器、數字表、頻譜分析儀等通用測量與分析儀器外,對不同的參量測量類型和需求,通過虛擬儀器平臺,依各自測量參數的測量原理,利用信號分析與處理技術,通過編制軟件程序,就能實現用戶定制的各種測試儀器。因此,虛擬儀器在構建和改變儀器的功能和技術性能方面具有靈活性與經濟性,且可縮小測試設備的體積、減少其重量?；竟δ芴攸c傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)主要由“測試電路”組成,所

17、具備的功能較少,也比較弱。隨著計算機技術的迅速進展,使得傳統(tǒng)測試系統(tǒng)發(fā)生了根本性和革命性變革。測試系統(tǒng)采納計算機代替常規(guī)電子線路作為主體和核心,從而產生了計算機測試系統(tǒng)。將計算機引入測試系統(tǒng)中,不僅可以解決傳統(tǒng)測試系統(tǒng)不能解決的問題,而且還能簡化電路、增加或增強功能、降低成本、易于升級換代。計算機測試系統(tǒng)具有高精度、高性能、多功能的特點。計算機測試系統(tǒng)應用專業(yè)領域很廣,不同的應用領域使用的測試系統(tǒng)或儀器在名稱、型號、指標等方面有所區(qū)別,組成計算機測試系統(tǒng)的類型也不盡相同。但一般都應具備以下功能特點。(1)自動校零可在每次采樣前對傳感器的輸出值自動校零,從而降低因測試系統(tǒng)漂移變化造成的誤差,提高

18、測試精度。(2)自動修正誤差許多傳感器的特性是非線性的,且受環(huán)境參數變化的影響比較嚴峻,從而給儀器帶來誤差。可用軟件進行在線或離線修正;也可把系統(tǒng)誤差存貯起來,便于以后從測試結果中扣除,提高測試精度。(3)量程自動切換可根據被測量值的大小自動改變測量范圍,從而提高分辨率。(4)多參數實時測量可同時對多種不同參數進行快速測量,對一些參數還可多次重復測量或者連續(xù)測量,多次重復測量有利于誤差的統(tǒng)計,以更真實地反映參數變化規(guī)律。(5)強大的數據處理、分析和評估對測量的數據進行各種數學運算、誤差修正、量綱換算,以及時域和頻域分析等工作。對參數測量的結果具有分析和評估能力。(6)虛擬儀器功能通過軟件編程設

19、計實現儀器的測試功能,而且可以通過不同測試功能的軟件模塊的組合來實現多種測試功能。(7)模擬仿真通過軟件可實現對被測試信號的模擬,以用于系統(tǒng)調試和自檢,也可將采集的信息進行回放,用于模擬或仿真被測設備的輸出。(8)資源共享利用計算機的XX絡口和串并口,可完成測試系統(tǒng)與外部設備之間的數據傳輸,實現遠距離測量操縱和資源共享,便于分布式測量、集中操縱等。(9)在線監(jiān)測和故障診斷可對測試系統(tǒng)自身進行實時監(jiān)測,推斷測試結果的正確性,并能自動記錄和顯示;一旦發(fā)現故障則馬上進行報警,顯示故障部位或可能的故障原因,可利用專家系統(tǒng)對故障排除方法進行提示。對于采納硬件熱備份的系統(tǒng),還可進行熱切換,保證測試工作不中斷。設計原則計算機測試系統(tǒng)的研制過程一般應從分析測試任務需求開始;然后進行系統(tǒng)總體方案設計、硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)調試和現場調試;直到測試系統(tǒng)正式投入運行,并達到所要求的功能和性能指標為止。測試任務需求分析階段非常重要,此階段主要分析系統(tǒng)的技術指標和功能,確定系統(tǒng)的輸入通道類型和數量(模擬、數字和開關)、量程范圍、采樣頻率