計算機測試系統(tǒng)發(fā)展綜述

-.z計算機測試系統(tǒng)開展綜述來源：牌技研究中心.摘要:計算機測試系統(tǒng)通常作為設(shè)備或武器系統(tǒng)的一個不可缺少的組成局部,其測試性能是衡量設(shè)備或武器系統(tǒng)優(yōu)劣的一項重要指標(biāo)。其應(yīng)為基于標(biāo)準(zhǔn)總線的、模塊化的開放式體系構(gòu)造且具備虛擬儀器特點。通過分析和比擬V*I總線和P*I總線特點,給出了計算機測試系統(tǒng)的開展方向。歸納出了計算機測試系統(tǒng)應(yīng)具備的9個方面功能。給出了設(shè)計和研制計算機測試系統(tǒng)應(yīng)遵循的根本原則。關(guān)鍵詞:測試系統(tǒng);V*I總線;P*I總線測試技術(shù)涉及到眾多學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域,如傳感器、數(shù)據(jù)采集、信息處理、標(biāo)準(zhǔn)總線、計算機硬件和軟件、通信等等。測試技術(shù)與科學(xué)研究、工程實踐密切相關(guān),兩者相輔相成,科學(xué)技術(shù)的開展促進了測試技術(shù)的開展,測試技術(shù)的開展反過來又促進了科學(xué)技術(shù)的進步。測試儀器開展至今,大體經(jīng)歷了5代:模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。自上個世紀(jì)80年代以來,伴隨微電子技術(shù)和計算機技術(shù)飛速開展,測試技術(shù)與計算機技術(shù)的融合已引起測試領(lǐng)域一場新的革命。1986年美國國家儀器公司提出“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開展,是計算機技術(shù)應(yīng)用于儀器領(lǐng)域而產(chǎn)生的一種新的儀器類型,它以標(biāo)準(zhǔn)總線作為測試儀器和系統(tǒng)的根本構(gòu)造框架,配置測量模塊,通過軟件編程實現(xiàn)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*些硬件,用人的智力資源代替物質(zhì)資源,特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)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“消失〞,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(chǎn)生許多物理設(shè)備難以產(chǎn)生的鼓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(shù)和測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)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(shù)和設(shè)備涉及國民經(jīng)濟和國防建立的各行各業(yè),先進的電子測試設(shè)備在眾多行業(yè)的科研、生產(chǎn)和設(shè)備維護使用過程中起著舉足輕重的作用。特別是在電子產(chǎn)品、航空航天、武器裝備、工業(yè)自動化、通信、能源等諸多領(lǐng)域,只要稍微復(fù)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(shè)備或裝備的一個必不可少的組成局部,如武器系統(tǒng)的維護維修離不開測試設(shè)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(shè)計是否合理和能否正常運行的關(guān)鍵因素之一。測試儀器和系統(tǒng)在國民經(jīng)濟和國防建立中起著把關(guān)和指導(dǎo)者的作用,它們廣泛應(yīng)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(chǎn)現(xiàn)場各個環(huán)節(jié)獲得各種數(shù)據(jù),進展處理、分析和綜合,通過各種手段或控制裝置使生產(chǎn)環(huán)節(jié)得到優(yōu)化,進而保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。在武器系統(tǒng)科研試驗現(xiàn)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(shù)據(jù),用于及時發(fā)現(xiàn)試驗中出現(xiàn)的問題和給出試驗結(jié)論,并為后續(xù)相關(guān)試驗提供依據(jù)。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平安至關(guān)重要。以雷達、綜合電子戰(zhàn)為代表的軍事電子領(lǐng)域,以預(yù)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(lǐng)域及以導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為代表的兵器領(lǐng)域等都離不開測試設(shè)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。1系統(tǒng)類型現(xiàn)代的測試系統(tǒng)主要是計算機化系統(tǒng),它是計算機技術(shù)與測量技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。隨著計算機技術(shù)的開展,構(gòu)成測試系統(tǒng)的可選擇性不斷加大,按照測試功能要求,可構(gòu)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(yán)格的統(tǒng)一規(guī)*,以硬件組合形式劃分,測試系統(tǒng)可分為基于標(biāo)準(zhǔn)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)和網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)等4種類型。(1)基于標(biāo)準(zhǔn)總線的測試系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)總線的測試系統(tǒng)種類非常多,如ISA總線、PCI總線、STD總線、GPIB總線、CPCI總線、V*I總線和P*I總線等。這類系統(tǒng)采用各種標(biāo)準(zhǔn)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、V*I和P*I機箱背板總線上,插入各種A/D,I/O等功能和儀器模塊,構(gòu)成測試系統(tǒng)。目前各類標(biāo)準(zhǔn)總線功能模塊和模塊化儀器品種齊全且商品化程度高,因此系統(tǒng)集成容易。此類系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可靠性高、可重構(gòu)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(chǎn)廠商設(shè)計生產(chǎn)的大型、高精度的專用測試系統(tǒng);另一類是專業(yè)生產(chǎn)廠商生產(chǎn)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(jù)系統(tǒng)的要求配置,系統(tǒng)的硬軟件應(yīng)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(chǎn)品中采用這種類型比擬適宜。根據(jù)所采用微處理器的不同,專用計算機測試系統(tǒng)又可分為標(biāo)準(zhǔn)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、16位、32位單片機出現(xiàn)而在計算機測試領(lǐng)域中迅速開展的構(gòu)造形式。它由標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)與由單片機構(gòu)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局部連接起來。標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)的計算機一般稱為主機,主機承當(dāng)測試系統(tǒng)的人機對話、計算、存儲和處理、圖形顯示等任務(wù)。專用機局部是為完成系統(tǒng)的特定功能要求而配置的,如各種數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集,通常稱為子系統(tǒng)。(4)網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、總線技術(shù)將分散在不同地理位置、不同功能的測試設(shè)備集成在一起,加上效勞器、客戶端以及數(shù)據(jù)庫,組成測試局域網(wǎng)系統(tǒng),通過網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器軟件,共同實現(xiàn)復(fù)雜、相互組合的多種測試功能。網(wǎng)絡(luò)型計算機測試系統(tǒng)的靈活性較大,可用多種方式及時地索取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。2開展現(xiàn)狀測試系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)總線硬軟規(guī)*使得測試系統(tǒng)向開放性、集成化開展,推動了測試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)總線包括ISA總線、PCI總線、V*I總線、CP2CI總線和P*I總線及工業(yè)現(xiàn)場總線等,其中V*I總線和P*I總線最具有代表性。V*I總線是上世紀(jì)80年代末期在VME總線的根底上擴展而成的儀器系統(tǒng)總線。V*I總線由于采用模塊化開放式構(gòu)造,易于擴展、重構(gòu)和系統(tǒng)集成。它依靠有效的標(biāo)準(zhǔn)化,采用模塊化的方式,實現(xiàn)儀器模塊間的互換性和互操作性,使得不同廠商生產(chǎn)的測量模塊能容易地組建一個高性能的測試系統(tǒng)。其開放的體系構(gòu)造和即插即用方式符合信息產(chǎn)品的要求?？s短了測試系統(tǒng)的研制周期,降低了本錢,減小了風(fēng)險。因此,V*I總線一經(jīng)問世便受到了測試界的認(rèn)可并迅速得到推廣。V*I總線系統(tǒng)已在美國國防、航空航天、工業(yè)等領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用。美國國防部對其三軍武器維護維修的自動測試系統(tǒng)要求廣泛采用現(xiàn)成的基于標(biāo)準(zhǔn)總線的COTS或商用硬件和軟件產(chǎn)品。為了實現(xiàn)武器維護維修自動測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化,陸?？哲姺謩e采用了綜合測試設(shè)備(AFTE)、聯(lián)合自動保障系統(tǒng)(CASS)、新型通用測試站(CTS)。美國許多生產(chǎn)自動測試系統(tǒng)的公司正在把標(biāo)準(zhǔn)的ATLAS語言轉(zhuǎn)換為面向目標(biāo)的Ada語言,將Ada為根底的測試環(huán)境(ABETIEEE-1266)轉(zhuǎn)換為更廣泛的測試環(huán)境(ABBET)。ABBET是一種易于修改和擴大的模塊化開放式構(gòu)造,而V*I總線和其VISA為能夠滿足這種環(huán)境的規(guī)*。為此,美國三軍廣泛使用V*I總線測量系統(tǒng)完成武器系統(tǒng)的維護維修,到達了降低費用、減少測試設(shè)備體積和提高測試效率等要求。美軍F-22戰(zhàn)斗機從生產(chǎn)制造測試到現(xiàn)場維護維修測試過程都采用了商用的通用自動測試系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用了V*I總線產(chǎn)品硬件、ABET軟件、UNI*/POSI*/WINDOWS操作系統(tǒng)、局域網(wǎng)LAN、PC/工作站、專家診斷系統(tǒng)、可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)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,V*I總線測試還廣泛用于飛機測試、導(dǎo)彈測試、風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集、噴氣發(fā)動機測試、工業(yè)生產(chǎn)過程控制和波音757,767和777客機測試設(shè)備等等。V*I總線測試系統(tǒng)不僅涉及到電子測量領(lǐng)域,而且已延伸到微波、毫米波和通信領(lǐng)域。在數(shù)字域、頻率域和時間域的測試得到了較廣泛的應(yīng)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、網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波/射頻模塊等。V*I總線不僅在軍事上獲得了應(yīng)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(yīng)用。全世界有近400家公司在V*I總線聯(lián)合會申請了制造V*I總線產(chǎn)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V*I產(chǎn)品中,80%以上是美國產(chǎn)品,其門類幾乎覆蓋了數(shù)據(jù)采集和測量的各個領(lǐng)域。在市場方面,2002年以前,美國V*I市場的總銷售額雖然仍以每年30%～40%的增長。近兩年來,由于P*I和CPCI等產(chǎn)品的掘起,V*I產(chǎn)品銷售增勢已趨緩。1997年美國國家儀器公司NI發(fā)布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)*———P*I總線標(biāo)準(zhǔn)。P*I的核心技術(shù)是pactPCI工業(yè)計算機體系構(gòu)造、MicrosoftWindows軟件及V*I總線的定時和觸發(fā)功能。P*I總線其實是PCI在儀器領(lǐng)域的擴展,它將pactPCI規(guī)*定義的PCI總線技術(shù)開展成適合于測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機械、電氣和軟件規(guī)*,從而形成了新的虛擬儀器體系構(gòu)造。制訂P*I總線規(guī)*的目的是為了將臺式PC的性能價格比優(yōu)勢與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴展完美地結(jié)合起來,形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。P*I總線的根底一是當(dāng)今計算機技術(shù),二是借鑒和吸取了V*I總線特點。V*I基于VME總線,而P*I基于PCI總線。由于標(biāo)準(zhǔn)PCI總線帶寬是132MB/s,標(biāo)準(zhǔn)VME總線只有40MB/s,因此P*I總線性能優(yōu)于V*I總線。由于P*I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P*I總線規(guī)*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(chǎn)品。P*I總線規(guī)*也能把不同平臺的儀器集成到P*I測試系統(tǒng)中。如為了兼顧已有的V*I總線系統(tǒng)和保護用戶投資,已開發(fā)了跨接V*I總線系統(tǒng)和P*I總線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接卡。近幾年,P*I總線產(chǎn)品種類和數(shù)量增長迅速。P*I總線系統(tǒng)聯(lián)盟(P*ISA)就有60多家公司參與,這些公司生產(chǎn)或集成基于P*I總線的測試模塊和測試系統(tǒng)?，F(xiàn)在已有數(shù)百種不同的3U或6UP*I模塊供用戶選用。隨著其應(yīng)用*圍和領(lǐng)域的不斷擴大,市場份額也將迅速增大。目前,測試系統(tǒng)開展方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)基于標(biāo)準(zhǔn)總線的硬件平臺測試系統(tǒng)采用模塊化開放式標(biāo)準(zhǔn)總線體系構(gòu)造,易于擴展、重構(gòu)和系統(tǒng)集成。于是,不同廠商生產(chǎn)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(diào)基于COTS,不僅可降低系統(tǒng)本錢和研制周期,而且可使系統(tǒng)容易升級換代。(2)分布式、網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)造在工業(yè)生產(chǎn)和科研試驗現(xiàn)場,由于被測系統(tǒng)(或裝置)一般均采用分散布置或安裝,因此,測試系統(tǒng)應(yīng)可采用分布式或網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造,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(nèi)部電纜將明顯減少,解決了過去復(fù)雜的連接問題。網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)具有資源共享、集中管理、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(yīng)有時間基準(zhǔn)要求。因此,測試系統(tǒng)必須要有統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)即時統(tǒng),時統(tǒng)一般采用IRIG-B碼。GPS授時為首選的一種時間基準(zhǔn)。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,應(yīng)采用具有自主授時、內(nèi)外同步功能的GPS模塊以實現(xiàn)與測試對象同步。(4)虛擬儀器虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn),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(jù)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(shù)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(shù)的測量原理,利用信號分析與處理技術(shù),通過編制軟件程序,就能實現(xiàn)用戶定制的各種測試儀器。因此,虛擬儀器在構(gòu)建和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟性,且可縮小測試設(shè)備的體積、減少其重量。3根本功能特點傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)主要由“測試電路〞組成,所具備的功能較少,也比擬弱。隨著計算機技術(shù)的迅速開展,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)采用計算機代替常規(guī)電子線路作為主體和核心,從而產(chǎn)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、降低本錢、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(yīng)用專業(yè)領(lǐng)域很廣,不同的應(yīng)用領(lǐng)域使用的測試系統(tǒng)或儀器在名稱、型號、指標(biāo)等方面有所區(qū)別,組成計算機測試系統(tǒng)的類型也不盡一樣。但一般都應(yīng)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(shù)變化的影響比擬嚴(yán)重,從而給儀器帶來誤差?？捎密浖M展在線或離線修正;也可把系統(tǒng)誤差存貯起來,便于以后從測試結(jié)果中扣除,提高測試精度。(3)量程自動切換可根據(jù)被測量值的大小自動改變測量*圍,從而提高分辨率。(4)多參數(shù)實時測量可同時對多種不同參數(shù)進展快速測量,對一些參數(shù)還可屢次重復(fù)測量或者連續(xù)測量,屢次重復(fù)測量有利于誤差的統(tǒng)計,以更真實地反映參數(shù)變化規(guī)律。(5)強大的數(shù)據(jù)處理、分析和評估對測量的數(shù)據(jù)進展各種數(shù)學(xué)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(shù)測量的結(jié)果具有分析和評估能力。(6)虛擬儀器功能通過軟件編程設(shè)計實現(xiàn)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(xiàn)多種測試功能。(7)模擬仿真通過軟件可實現(xiàn)對被測試信號的模擬,以用于系統(tǒng)調(diào)試和自檢,也可將采集的信息進展回放,用于模擬或仿真被測設(shè)備的輸出。(8)資源共享利用計算機的網(wǎng)絡(luò)口和串并口,可完成測試系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)遠距離測量控制和資源共享,便于分布式測量、集中控制等。(9)在線監(jiān)測和故障診斷可對測試系統(tǒng)自身進展實時監(jiān)測,判斷測試結(jié)果的正確性,并能自動記錄和顯示;一旦發(fā)現(xiàn)故障則立即進展報警,顯示故障部位或可能的故障原因,可利用專家系統(tǒng)對故障排除方法進展提示。對于采用硬件熱備份的系統(tǒng),還可進展熱切換,保證測試工作不中斷。4設(shè)計原則計算機測試系統(tǒng)的研制過程一般應(yīng)從分析測試任務(wù)需求開場;然后進展系統(tǒng)總體方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試;直到測試系統(tǒng)正式投入運行,并到達所要求的功能和性能指標(biāo)為止。測試任務(wù)需求分析階段非常重要,此階段主要分析系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和功能,確定