测试(自动)系统集成技术

测试(自动)系统集成技术第一页，共37页。测试（自动）系统集成技术本课程主要讲述内容：现代自动测试系统体系结构模型和发展概况(§1)GPIB(§2)和VXI总线(§3)接口技术及其电路的设计方法器件消息(488.2)的消息交换控制协议、编码格式、公用命令(§4)和特定的标准命令(SCPI)(§5)

GPIB测试控制器、VXI内嵌式控制器工作原理和设计技术(§6)现代自动测试系统的硬件集成技术(§7)测试软件平台技术(§8)。

特别突出现代ATS的系统集成技术第一页第二页，共37页。第一章

绪

论第一节自动测试系统的出现及意义一、自动测试的概念1、什么是测量？测试？计量？2、什么是测量技术？3、电子测量（试）仪器（设备）？4、测试系统，手动测试系统？5、自动测试（系统）？第二页第三页，共37页。第一节自动测试系统的出现及意义1、什么是测量？严密的讲：把待测量直接或间接地与另一个同类的已知量相比较，拿这个已知量作为计量单位，定出被测量是该单位的若干倍或几分之几，这种实验过程就是测量。换而言之，测量就是通过实验来求出被测量与计值单位的比值。门捷列也夫（Д.И.Μендлеев）说过：

*“测量是认识自然界的主要工具”；*“有测量，才有科学”。测试？计量？第三页第四页，共37页。第一节自动测试系统的出现及意义2、什么是测量技术？

测试中所采用的原理、方法和技术措施称为测量（试）技术。3、电子测量（试）仪器（设备）？

基于某种测量技术，利用电子器件和线路技术组成的装置，用以测量各种电磁参量或产生供测量用的电信号，称为电子测量仪器。电子仪器配上适当的换能器（传感

器）能测量几乎一切非电物理量，泛指测试仪器（设备）。

第四页第五页，共37页。第一节自动测试系统的出现及意义4、测试系统，

习惯上，将为完成某项测试任务而按某种规则有机构造的互相联接起来的一套测试仪器（设备）称为测试系统。这是狭义的测试系统，广泛的测试系统还应包括测量者（人员）、测试对象、和测试环境。手动测试系统？一个测试系统，由人工操作完成特定测试任务，称为手动测试系统。第五页第六页，共37页。第一节自动测试系统的出现及意义5、自动测试系统：使用具有一定自动化能力的测试系统进行的测量和实验，称为自动测试（Automaticmeasurementandtest）；通常把在人最少参与的情况下，利用计算机执行程序，控制测试过程并进行数据处理直至以适当方式给出测试结果的测试系统称为自动测试系统（AutomatedTestSystem—ATS）或自动测试设备（AutomatedTestEquipment—ATE）。

第六页第七页，共37页。第一节自动测试系统的出现及意义最初的自动测试系统：扫频测试系统计算机技术、自动控制方法的引入，促进了自动测试系统的发展。第七页第八页，共37页。第一节自动测试系统的出现及意义为军事目的而提出的“万能自动测试系统”美国国防部1956年SETE计划：不依靠任何文献（被测件技术说明书、仪器手册、测试手册）非熟练人员进行几乎全自动的操作以电子计算机的速度进行测试通过编程的灵活性，适应任何具体的测试任务缺点：虽然对测试人员的测试技能的要求降低，但对其测试编程能力的要求提高；技术资料虽然由测试软件取代，但软件文档仍然很大；成果：促进了自动测试系统的发展第八页第九页，共37页。第一节自动测试系统的出现及意义

图1-1测量频率响应的自动测试系统

开关器开关器可程控信号发生器被测件可程控电压表可程控计数器可程控直流电源打印机绘图仪

计算机

频率响应的自动测试系统第九页第十页，共37页。第一节自动测试系统的出现及意义二、自动测试的意义大批量的产品，没有自动测试系统，也是难以想象的；

人们无法进入的有损测试人员健康的场所；

可无人值守了；工业生产过程自动化已在现代化的生产过程中普遍应用；

自动化的突出特点之一是高速度，可以节约大量人力；

依靠具有计算、处理能力的控制器，获得极宽的测量频率和动态范围；达到多参数、多功能的测试效果；

消除或削弱随机误差和系统误差，获得极高的测量精确度；

带来重大的经济效果；

大大节约了宝贵的高级复杂劳动力,以改进产品的性能；推断出事物的本质和自然规律；科学技术的发展和进步有赖于测试。第十页第十一页，共37页。第二节现代自动测试系统体系结构从自动测试系统概念出发，可以抽象出现代自动测试系统模型的构造要素:可程控测试仪器、测试控制机、互联标准数字接口和软件系统，如图1-2示。

器件功能区接口功能区器件功能区接口功能区器件功能区接口功能区接口功能区计算机本体区测试应用软件测试编程语言操作系统仪器本体程控设备1程控设备2程控设备n数字总线测试控制机测试软件系统数字接口总线系统……图1-2自动测试系统结构模型第十一页第十二页，共37页。第二节现代自动测试系统体系结构1．可程控测试设备

（1）可程控操作

（2）有接口功能区

2．测试控制器

在功能上:测试控制器应该具有两种能力，第一是设备间互联的标准接口总线资源管理能力，第二是对测试系统的测试设备操作控制能力。

在构成上:硬件方面必须配有标准数字接口，以便同测试设备相容互联；软件系统中含有测试应用软件开发环境。第十二页第十三页，共37页。第二节现代自动测试系统体系结构3．标准数字接口总线系统

互联的设备与设备（或说系统与系统）之间的想象用于信息交接的一部分界面，称之为接口。

为了在开放式互联设备之间实行数字式信息交换所必须的一整套与设备有关的接口的机械、电气和功能要素，称为数字接口系统。4．测试应用软件及其开发环境

测试应用软件

软件开发手段:是指测控计算机提供的操作系统、测试扩充高级编程语言、数据处理工具软件和程序故障诊断软件等。测试应用软件开发环境

第十三页第十四页，共37页。第三节程控设备互联协议程控设备互联协议（或模型）问题，可用图1-3描述。可以归纳为物理互联层和程控命令层协议。

仪器设计者及SCPI仪器设计者及SCPIADCBIEEE488.2标准DABCIEEE488.2标准GB/T15946/IEEE488.1标准远地接口消息系统器件X公用命令和询问语法和数据结构器件确定的消息系统器件Y总线D层：器件功能；C层：公用系统功能；B层：消息通信功能；A层：接口功能图1-3互连程控测量设备通信功能层第十四页第十五页，共37页。第三节程控设备互联协议一、数字接口总线1．接口与接口系统

各个仪器的接口之间必须满足下列几个条件:（1）电气相容（2）功能相容

（3）机械相容（4）运行相容为在互联设备间实行数字式信息交换所必须的一整套与设备有关的接口的机械、电气和功能要素，称为数字接口系统。

2．数字接口总线的发展

如表1-1，在测试领域得以广泛流行的有GPIB，RS232C，CAMAC，VXIbus等第十五页第十六页，共37页。第三节程控设备互联协议二、程控设备的器件数据的标准化程控设备器件数据编码、格式、语义的非标准化给编程人员造成很大的困难，仍然制约着ATS的推广应用。“IEEEstd488.2-1987:IEEE标准编码、格式、协议和公用命令”(也称为IEEE488.2)。1990年4月，推出的“可程控仪器标准命令（SCPI）”才使程控设备器件数据得到标准化。如图1-3所示，它是在IEEE488.2的基础上，制定了设备设计者定义器件功能层特定器件数据语义时应该遵循的规范。第十六页第十七页，共37页。第四节现代自动测试系统类型一、关于自动测试系统分类

从接口总线特性出发划分自动测试系统类别：专用自动测试系统；半专用自动测试系统；第二代（现代）自动测试系统。而现代自动测试系统分类如下:基于GPIB数字接口总线(也含RS232、…等):积木式自动测试系统。基于VXI、CAMAC、PXI数字接口总线：模块式自动测试系统。基于嵌入式μp内总线：智能化仪器系统。基于多数字接口总线：多总线融合式自动测试系统。第十七页第十八页，共37页。第四节现代自动测试系统类型二、积木式自动测试系统基于GPIB可程控测试设备数字接口总线组建的自动测试系统，称为积木式自动测试系统。如图1-1所示意的自动测试系统，或称“迭叠式自动测试系统”。主要特点是：（1）测试系统组建灵活、方便，GPIB设备利用率高。（2）测试系统规模较小，如：最多不能超过15台设备，总线长度小于20米。（3）总线型连接方式，组建方便、可靠性好。（4）数据（比特）并行传输，传输速率较低。（5）组建成测试系统的设备资源冗余量较大。GPIB积木式自动测试系统是小型实验室试验研究测试系统。

第十八页第十九页，共37页。第四节现代自动测试系统类型图1-1测量频率响应的自动测试系统

开关器开关器可程控信号发生器被测件可程控电压表可程控计数器可程控直流电源打印机绘图仪

计算机

GPIB,RS232,……第十九页第二十页，共37页。第四节现代自动测试系统类型三、智能仪器系统

含有μP系统（微型计算机）的仪器，如最早的美国DANA公司的9000系列计数器、SystronDonner公司的7115数字电压表等。与传统电子测量仪器相比，含有μP的仪器不但具有测试功能，还有数据存储、数据处理与分析、多参数计算、自动校准、自动检查、自动诊断、输出控制与通信的能力。将含μP的仪器称为“SmartInstruments”，或“Instrumentsbasedmicrocomputer”更贴切些。图1-4给出了一台实时采样数字存储示波器（DSO）样机组成框图，它是典型智能（μP）化仪器系统。

第二十页第二十一页，共37页。第四节现代自动测试系统类型图1-4数字存储示波器样机组成

PCA6154单板微机ISA总线μpcVin2EXTμpcACQEN光耦TRIARMSYSTRIACQENfwfwfsfs硬盘驱动固态电子盘μpcμpcμpcμpcμpcGPIB总线Vin1CH1（与CH2相同）模拟电路数字电路CH2调理外触发调理主触发器ADC数字时基采集RAM模拟控制接口数字控制接口触发调理CPUROMDRAMSSDVGAFDDIDEPS2COM1COM2GPIB口TFT屏软盘驱动键盘、鼠标仪器面板盘信号采集测试功能嵌入式μP监控系统DOS监控程序第二十一页第二十二页，共37页。第四节现代自动测试系统类型四、模块式仪器系统

程控仪器＋标准外总线＋测控计算机=积木式自动测试系统测试功能件＋内总线＋嵌入式μP系统=智能化仪器系统

将仪器中的测试功能电路板模块（插件）化，插入计算机内总线槽上，组建计算机辅助测试系统。1980年某些仪器厂家研制单卡仪器（IAC—Instruments—on—a—card），就是最早的模块式计算机内总线仪器系统。1989国际上VXIbus联合体推出“VMEbuseXtensionsforInstrumentationVXIbussystemSpecification.Revision1.3”,电子测量领域内的模块式仪器自动测试系统标准总线规约

第二十二页第二十三页，共37页。第四节现代自动测试系统类型图1-5为一个VXI模块式仪器系统示意图。

第二十三页第二十四页，共37页。第四节现代自动测试系统类型五、虚拟仪器系统

利用计算机强大的图形工具和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板，以完成对仪器功能的控制、数据处理和分析、显示结果；则这种包含实际仪器操作、使用信息的软件与PC机结合构成的仪器，就称为虚拟仪器。虚拟仪器基本要素为：可重配置的测试功能模块硬件集合体（或称是硬件平台），虚拟仪器软件包（或称操作软件平台）、计算机系统和计算机与硬件集合体的互联总线，如图1-6所示。

第二十四页第二十五页，共37页。第四节现代自动测试系统类型图1-6虚拟仪器基本要素示意图

输出信号信号输入总线操作软件平台应用软件包应用软件开发环境C、VB、LabViewLabwindows/CVI计算机系统仪器硬件平台DACDSPADCMEMVXIbus、GPIB接口驱动软件仪器驱动器虚拟仪器基本要素示意图第二十五页第二十六页，共37页。第四节现代自动测试系统类型将完整仪器模块组合在一起，配以适当的虚拟仪器软件，可以组建成庞大的多功能、多参数、高性能的自动测试系统。在某些场合下，由原始功能模块构成小系统，借以软件来重新组合，可以模拟某些特定的仪器。例如图1-7

电压表SH—ADCDSP示波器频谱仪

DACADSP脉冲发生

函数发生

任意波发生

图1-7虚拟仪器功能示意图15.60A第二十六页第二十七页，共37页。第五节网络化测试技术两个问题摆在测试工程师面前：（1）异地测试系统间通信怎样解决？（2）GPIB和VXIbus是测试领域专用接口总线，计算机是通用的工业产品。通用的计算机发展快、价格低、测试专用总线发展慢、成本高。两者在发展上无法匹配？从拓展测试设备定义的角度出发，将从任何地点、在任何时间都能够获取到测量数据的所有硬件、软件条件的有机集合，称为“网络化测试仪器”。使用网络化测试设备，构造网络化测试环境，需要解决那些问题呢？先举个例子来说明。NI公司为用户提供了一种Ethernet--GPIB控制器:NIGPIB-ENET/100。使用连接方式如图1-8示第二十七页第二十八页，共37页。第五节网络化测试技术图1-8示

EthernetInternet网络GPIB-ENET/100GPIB总线仪器1仪器nGPIB-ENET/100仪器1仪器n┅┅PC工作站EthernetEthernetIntranet应用GPIB总线第二十八页第二十九页，共37页。第五节网络化测试技术通过上述举例说明要解决好如下几个问题：（1）网际间协议的转接

（a）物理层和数据链路层（b）网络层以上（2）操作系统

（3）测试应用程序开发环境软件系统

（4）注意支持测试系统操作的实时性

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