測試自動系統(tǒng)集成技術

測試自動系統(tǒng)集成技術第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日

測試（自動）系統(tǒng)集成技術

課程簡介*測試計量技術及儀器；*600級，40h，2學分；*課堂教學，答疑，自動測試系統(tǒng)演示；*筆試+考核=學位2學分，作業(yè)+考核=考查2學分；*教材：陳長齡等：自動測試及接口技術

機械工業(yè)出版業(yè)2004.11*參考書：張世箕等：自動測試系統(tǒng)電子科大出版業(yè)張世箕等：電子儀器接口技術電子科大出版業(yè)第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日測試（自動）系統(tǒng)集成技術

本課程主要講述內容：現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)體系結構模型和發(fā)展概況(§1)GPIB(§2)和VXI總線(§3)接口技術及其電路的設計方法器件消息(488.2)的消息交換控制協(xié)議、編碼格式、公用命令(§4)和特定的標準命令(SCPI)(§5)

GPIB測試控制器、VXI內嵌式控制器工作原理和設計技術(§6)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)的硬件集成技術(§7)測試軟件平臺技術(§8)

。

特別突出現(xiàn)代ATS的系統(tǒng)集成技術第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第一章

緒

論第一節(jié)自動測試系統(tǒng)的出現(xiàn)及意義一、自動測試的概念1、什么是測量？測試？計量？2、什么是測量技術？3、電子測量（試）儀器（設備）？4

、測試系統(tǒng)，手動測試系統(tǒng)？5、自動測試（系統(tǒng)）？第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)自動測試系統(tǒng)的出現(xiàn)及意義1、什么是測量？嚴密的講：把待測量直接或間接地與另一個同類的已知量相比較，拿這個已知量作為計量單位，定出被測量是該單位的若干倍或幾分之幾，這種實驗過程就是測量。換而言之，測量就是通過實驗來求出被測量與計值單位的比值。門捷列也夫（Д.И.Μендлеев）說過：

*“測量是認識自然界的主要工具”；*“有測量，才有科學”。測試？計量？第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)自動測試系統(tǒng)的出現(xiàn)及意義2、什么是測量技術？

測試中所采用的原理、方法和技術措施稱為測量（試）技術。3、電子測量（試）儀器（設備）？

基于某種測量技術，利用電子器件和線路技術組成的裝置，用以測量各種電磁參量或產(chǎn)生供測量用的電信號，稱為電子測量儀器。電子儀器配上適當?shù)膿Q能器（傳感

器）能測量幾乎一切非電物理量，泛指測試儀器（設備）。

第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)自動測試系統(tǒng)的出現(xiàn)及意義4

、測試系統(tǒng)，

習慣上，將為完成某項測試任務而按某種規(guī)則有機構造的互相聯(lián)接起來的一套測試儀器（設備）稱為測試系統(tǒng)。這是狹義的測試系統(tǒng)，廣泛的測試系統(tǒng)還應包括測量者（人員）、測試對象、和測試環(huán)境。手動測試系統(tǒng)？一個測試系統(tǒng)，由人工操作完成特定測試任務，稱為手動測試系統(tǒng)。第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)自動測試系統(tǒng)的出現(xiàn)及意義5、自動測試系統(tǒng)：使用具有一定自動化能力的測試系統(tǒng)進行的測量和實驗，稱為自動測試（Automaticmeasurementandtest）；通常把在人最少參與的情況下，利用計算機執(zhí)行程序，控制測試過程并進行數(shù)據(jù)處理直至以適當方式給出測試結果的測試系統(tǒng)稱為自動測試系統(tǒng)（AutomatedTestSystem—ATS）或自動測試設備（AutomatedTestEquipment—ATE）。

第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)自動測試系統(tǒng)的出現(xiàn)及意義最初的自動測試系統(tǒng)：掃頻測試系統(tǒng)計算機技術、自動控制方法的引入，促進了自動測試系統(tǒng)的發(fā)展。第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)自動測試系統(tǒng)的出現(xiàn)及意義為軍事目的而提出的“萬能自動測試系統(tǒng)”美國國防部1956年SETE計劃：不依靠任何文獻（被測件技術說明書、儀器手冊、測試手冊）非熟練人員進行幾乎全自動的操作以電子計算機的速度進行測試通過編程的靈活性，適應任何具體的測試任務缺點：雖然對測試人員的測試技能的要求降低，但對其測試編程能力的要求提高；技術資料雖然由測試軟件取代，但軟件文檔仍然很大；成果：促進了自動測試系統(tǒng)的發(fā)展第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)自動測試系統(tǒng)的出現(xiàn)及意義

圖1-1測量頻率響應的自動測試系統(tǒng)

開關器開關器可程控信號發(fā)生器被測件可程控電壓表可程控計數(shù)器可程控直流電源打印機繪圖儀

計算機

頻率響應的自動測試系統(tǒng)第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)自動測試系統(tǒng)的出現(xiàn)及意義二、自動測試的意義大批量的產(chǎn)品，沒有自動測試系統(tǒng)，也是難以想象的；

人們無法進入的有損測試人員健康的場所；

可無人值守了；工業(yè)生產(chǎn)過程自動化已在現(xiàn)代化的生產(chǎn)過程中普遍應用；

自動化的突出特點之一是高速度，可以節(jié)約大量人力；

依靠具有計算、處理能力的控制器，獲得極寬的測量頻率和動態(tài)范圍；達到多參數(shù)、多功能的測試效果；

消除或削弱隨機誤差和系統(tǒng)誤差，獲得極高的測量精確度；

帶來重大的經(jīng)濟效果；

大大節(jié)約了寶貴的高級復雜勞動力,以改進產(chǎn)品的性能；推斷出事物的本質和自然規(guī)律；科學技術的發(fā)展和進步有賴于測試。第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)體系結構從自動測試系統(tǒng)概念出發(fā)，可以抽象出現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)模型的構造要素:可程控測試儀器、測試控制機、互聯(lián)標準數(shù)字接口和軟件系統(tǒng)，如圖1-2示。

器件功能區(qū)接口功能區(qū)器件功能區(qū)接口功能區(qū)器件功能區(qū)接口功能區(qū)接口功能區(qū)計算機本體區(qū)測試應用軟件測試編程語言操作系統(tǒng)儀器本體程控設備1程控設備2程控設備n數(shù)字總線測試控制機測試軟件系統(tǒng)數(shù)字接口總線系統(tǒng)……圖1-2自動測試系統(tǒng)結構模型第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)體系結構1．可程控測試設備

（1）可程控操作

（2）有接口功能區(qū)

2．測試控制器

在功能上:測試控制器應該具有兩種能力，第一是設備間互聯(lián)的標準接口總線資源管理能力，第二是對測試系統(tǒng)的測試設備操作控制能力。

在構成上:硬件方面必須配有標準數(shù)字接口，以便同測試設備相容互聯(lián)；軟件系統(tǒng)中含有測試應用軟件開發(fā)環(huán)境。第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)體系結構3．標準數(shù)字接口總線系統(tǒng)

互聯(lián)的設備與設備（或說系統(tǒng)與系統(tǒng)）之間的想象用于信息交接的一部分界面，稱之為接口。

為了在開放式互聯(lián)設備之間實行數(shù)字式信息交換所必須的一整套與設備有關的接口的機械、電氣和功能要素，稱為數(shù)字接口系統(tǒng)。4．測試應用軟件及其開發(fā)環(huán)境

測試應用軟件

軟件開發(fā)手段:是指測控計算機提供的操作系統(tǒng)、測試擴充高級編程語言、數(shù)據(jù)處理工具軟件和程序故障診斷軟件等。測試應用軟件開發(fā)環(huán)境

第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)程控設備互聯(lián)協(xié)議程控設備互聯(lián)協(xié)議（或模型）問題，可用圖1-3描述。可以歸納為物理互聯(lián)層和程控命令層協(xié)議。

儀器設計者及SCPI儀器設計者及SCPIADCBIEEE488.2標準DABCIEEE488.2標準GB/T15946/IEEE488.1標準遠地接口消息系統(tǒng)器件X公用命令和詢問語法和數(shù)據(jù)結構器件確定的消息系統(tǒng)器件Y總線D層：器件功能；C層：公用系統(tǒng)功能；B層：消息通信功能；A層：接口功能圖1-3互連程控測量設備通信功能層第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)程控設備互聯(lián)協(xié)議一、數(shù)字接口總線1．接口與接口系統(tǒng)

各個儀器的接口之間必須滿足下列幾個條件:

（1）電氣相容（2）功能相容

（3）機械相容（4）運行相容為在互聯(lián)設備間實行數(shù)字式信息交換所必須的一整套與設備有關的接口的機械、電氣和功能要素，稱為數(shù)字接口系統(tǒng)。

2．數(shù)字接口總線的發(fā)展

如表1-1，在測試領域得以廣泛流行的有GPIB，RS232C，CAMAC，VXIbus等第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)程控設備互聯(lián)協(xié)議二、程控設備的器件數(shù)據(jù)的標準化程控設備器件數(shù)據(jù)編碼、格式、語義的非標準化給編程人員造成很大的困難，仍然制約著ATS的推廣應用?！癐EEEstd488.2-1987:IEEE標準編碼、格式、協(xié)議和公用命令”

(也稱為IEEE488.2)。1990年4月，推出的“可程控儀器標準命令（SCPI）”才使程控設備器件數(shù)據(jù)得到標準化。如圖1-3所示，它是在IEEE488.2的基礎上，制定了設備設計者定義器件功能層特定器件數(shù)據(jù)語義時應該遵循的規(guī)范。第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)類型一、關于自動測試系統(tǒng)分類

從接口總線特性出發(fā)劃分自動測試系統(tǒng)類別：專用自動測試系統(tǒng)；半專用自動測試系統(tǒng)；第二代（現(xiàn)代）自動測試系統(tǒng)。而現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)分類如下:基于GPIB數(shù)字接口總線(也含RS232、…等):

積木式自動測試系統(tǒng)?；赩XI、CAMAC、PXI數(shù)字接口總線：模塊式自動測試系統(tǒng)?；谇度胧溅蘰內總線：智能化儀器系統(tǒng)?；诙鄶?shù)字接口總線：多總線融合式自動測試系統(tǒng)。第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)類型二、積木式自動測試系統(tǒng)基于GPIB可程控測試設備數(shù)字接口總線組建的自動測試系統(tǒng)，稱為積木式自動測試系統(tǒng)。如圖1-1所示意的自動測試系統(tǒng)，或稱“迭疊式自動測試系統(tǒng)”。主要特點是：（1）測試系統(tǒng)組建靈活、方便，GPIB設備利用率高。（2）測試系統(tǒng)規(guī)模較小，如：最多不能超過15臺設備，總線長度小于20米。（3）總線型連接方式，組建方便、可靠性好。（4）數(shù)據(jù)（比特）并行傳輸，傳輸速率較低。（5）組建成測試系統(tǒng)的設備資源冗余量較大。GPIB積木式自動測試系統(tǒng)是小型實驗室試驗研究測試系統(tǒng)。

第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)類型圖1-1測量頻率響應的自動測試系統(tǒng)

開關器開關器可程控信號發(fā)生器被測件可程控電壓表可程控計數(shù)器可程控直流電源打印機繪圖儀

計算機

GPIB,RS232,……第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)類型三、智能儀器系統(tǒng)

含有μP系統(tǒng)（微型計算機）的儀器，如最早的美國DANA公司的9000系列計數(shù)器、SystronDonner公司的7115數(shù)字電壓表等。與傳統(tǒng)電子測量儀器相比，含有μP的儀器不但具有測試功能，還有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理與分析、多參數(shù)計算、自動校準、自動檢查、自動診斷、輸出控制與通信的能力。將含μP的儀器稱為“SmartInstruments”，或“Instrumentsbasedmicrocomputer”更貼切些。圖1-4給出了一臺實時采樣數(shù)字存儲示波器（DSO）樣機組成框圖，它是典型智能（μP）化儀器系統(tǒng)。

第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)類型圖1-4數(shù)字存儲示波器樣機組成

PCA6154單板微機ISA總線μpcVin2EXTμpcACQEN光耦TRIARMSYSTRIACQENfwfwfsfs硬盤驅動固態(tài)電子盤μpcμpcμpcμpcμpcGPIB總線Vin1CH1（與CH2相同）模擬電路數(shù)字電路CH2調理外觸發(fā)調理主觸發(fā)器ADC數(shù)字時基采集RAM模擬控制接口數(shù)字控制接口觸發(fā)調理CPUROMDRAMSSDVGAFDDIDEPS2COM1COM2GPIB口TFT屏軟盤驅動鍵盤、鼠標儀器面板盤信號采集測試功能嵌入式μP監(jiān)控系統(tǒng)DOS監(jiān)控程序第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)類型四、模塊式儀器系統(tǒng)

程控儀器＋標準外總線＋測控計算機=積木式自動測試系統(tǒng)測試功能件＋內總線＋嵌入式μP系統(tǒng)=智能化儀器系統(tǒng)

將儀器中的測試功能電路板模塊（插件）化，插入計算機內總線槽上，組建計算機輔助測試系統(tǒng)。1980年某些儀器廠家研制單卡儀器（IAC—Instruments—on—a—card），就是最早的模塊式計算機內總線儀器系統(tǒng)。1989國際上VXIbus聯(lián)合體推出“VMEbuseXtensionsforInstrumentationVXIbussystemSpecification.Revision1.3”

,電子測量領域內的模塊式儀器自動測試系統(tǒng)標準總線規(guī)約

第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)類型圖1-5為一個VXI模塊式儀器系統(tǒng)示意圖。

第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)類型五、虛擬儀器系統(tǒng)

利用計算機強大的圖形工具和在線幫助功能，建立圖形化的虛擬儀器面板，以完成對儀器功能的控制、數(shù)據(jù)處理和分析、顯示結果；則這種包含實際儀器操作、使用信息的軟件與PC機結合構成的儀器，就稱為虛擬儀器。虛擬儀器基本要素為：可重配置的測試功能模塊硬件集合體（或稱是硬件平臺），虛擬儀器軟件包（或稱操作軟件平臺）、計算機系統(tǒng)和計算機與硬件集合體的互聯(lián)總線，如圖1-6所示。

第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)類型圖1-6虛擬儀器基本要素示意圖

輸出信號信號輸入總線操作軟件平臺應用軟件包應用軟件開發(fā)環(huán)境C、VB、LabViewLabwindows/CVI計算機系統(tǒng)儀器硬件平臺DACDSPADCMEMVXIbus、GPIB接口驅動軟件儀器驅動器虛擬儀器基本要素示意圖第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)類型將完整儀器模塊組合在一起，配以適當?shù)奶摂M儀器軟件，可以組建成龐大的多功能、多參數(shù)、高性能的自動測試系統(tǒng)。在某些場合下，由原始功能模塊構成小系統(tǒng)，借以軟件來重新組合，可以模擬某些特定的儀器。例如圖1-7

電壓表SH—ADCDSP示波器頻譜儀

DACADSP脈沖發(fā)生

函數(shù)發(fā)生

任意波發(fā)生

圖1-7虛擬儀器功能示意圖15.60A第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第五節(jié)網(wǎng)絡化測試技術兩個問題擺在測試工程師面前：（1）異地測試系統(tǒng)間通信怎樣解決？（2）GPIB和VXIbus是測試領域專用接口總線，計算機是通用的工業(yè)產(chǎn)品。通用的計算機發(fā)展快、價格低、測試專用總線發(fā)展慢、成本高。兩者在發(fā)展上無法匹配？從拓展測試設備定義的角度出發(fā)，將從任何地點、在任何時間都能夠獲取到測量數(shù)據(jù)的所有硬件、軟件條件的有機集合，稱為“網(wǎng)絡化測試儀器”。使用網(wǎng)絡化測試設備，構造網(wǎng)絡化測試環(huán)境，需要解決那些問題呢？先舉個例子來說明。NI公司為用戶提供了一種Ethernet--GPIB控制器:NIGPIB-ENET/100。使用連接方式如圖1-8示第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第五節(jié)網(wǎng)絡化測試技術圖1-8示

EthernetInternet網(wǎng)絡GPIB-ENET/100GPIB總線儀器1儀器nGPIB-ENET/100儀器1儀器n┅┅PC工作站EthernetEthernetIntranet應用GPIB總線第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第五節(jié)網(wǎng)絡化測試技術

通過上述舉例說明要解決好如下幾個問題：（1）網(wǎng)際間協(xié)議的轉接

（a）物理層和數(shù)據(jù)鏈路層（b）網(wǎng)絡層以上（2）操作系統(tǒng)

（3）測試應用程序開發(fā)環(huán)境軟件系統(tǒng)

（4）注意支持測試系統(tǒng)操作的實時性

自動測試系統(tǒng)網(wǎng)絡化是可能的，有人認為網(wǎng)絡化測試技術是一種涵蓋范圍更寬、應用領域更廣的全新現(xiàn)代測試技術，是今后測試技術發(fā)展的必然方向之一。但就目前來說，還只能借助現(xiàn)在廣泛流行的、先進的計算機網(wǎng)絡技術。

第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日(1)第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日(2)第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日(3)ATS第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日第六節(jié)自動測試軟件平臺技術

廣義上講，除測試應用軟件外，還包括：計算機操作系統(tǒng)、測試編程語言、數(shù)據(jù)庫軟件和程序診斷軟件等等，它們的集成可稱為“自動測試軟件平臺”。使用測試擴充編程語言，但明顯存在不足：（1）掌握至少一種編程語言和編程方法；（2）掌握不斷發(fā)展、更新的多種程控儀器的數(shù)字接