基于PC104的通用自動測試系統(tǒng)設計

1、    基于PC104的通用自動測試系統(tǒng)設計通用自動測試系統(tǒng)平臺可以最大程度地節(jié)約測試成本，包括了軟件開發(fā)成本，系統(tǒng)維護、升級成本以及新的測系統(tǒng)開發(fā)成本。測試程序集TPS可移植使得開發(fā)一套程序可以適于多種不同的場合（理想狀態(tài)下），在系統(tǒng)開發(fā)中不需要做過多重復的工作，針對不同廠商的儀器，TPS無需改動；儀器可互換使得系統(tǒng)升級維護時更換儀器不需要軟件上作任何改動，僅需簡單配置就可以繼續(xù)使用，降低了維護和升級的成本；對于新開發(fā)測試系統(tǒng)而言，如果TPS     通用自動測試系統(tǒng)平臺可以最大程度地節(jié)約測試成本，包括了軟件開發(fā)

2、成本，系統(tǒng)維護、升級成本以及新的測系統(tǒng)開發(fā)成本。測試程序集TPS可移植使得開發(fā)一套程序可以適于多種不同的場合（理想狀態(tài)下），在系統(tǒng)開發(fā)中不需要做過多重復的工作，針對不同廠商的儀器，TPS無需改動；儀器可互換使得系統(tǒng)升級維護時更換儀器不需要軟件上作任何改動，僅需簡單配置就可以繼續(xù)使用，降低了維護和升級的成本；對于新開發(fā)測試系統(tǒng)而言，如果TPS和儀器、通道都可以利用已有的資源，那么將會使新測試系統(tǒng)的開發(fā)變得容易、快捷、成本更低。本文基于PC104計算機，提出了一種通用測試系統(tǒng)組建方式。該系統(tǒng)由控制器、測控總線、測控模件、測控儀器等組成，總線包括GPIB、VXI、MXI、PXI等，測控模件和儀器既包

3、括臺式儀器，也包括虛擬儀器和合成儀器。在通用接口、數(shù)據(jù)傳輸、通信協(xié)議、模塊儀器配置、信號轉接調理等標準上建立統(tǒng)一認識，能使各種儀器設備在此平臺上組建后的自動測試系統(tǒng)，按測試需求發(fā)揮自身的效用，適應大多數(shù)的測試要求。1 系統(tǒng)硬件設計1.1 部件選擇1.1.1 主機選擇PC104計算機現(xiàn)階段技術發(fā)展比較成熟，而且也是未來測控技術發(fā)展的趨勢。PC104計算機相對于臺式工控機有體積小、功耗低、可靠性高和工作環(huán)境要求低等優(yōu)點，被廣泛運用于分布式系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)中。高度緊湊的PC104結構形式，尺寸一般僅為：100mmx90mmx15mm，可以方便設計集成度高的儀器設備，比臺式工控機用復雜連線搭建起來的

4、系統(tǒng)要緊湊。其供電電壓只需5 V，功率只有10 W左右，而一般工控機則需300 V左右的工控電流，功率也在250 W左右，可見使用PC104計算機能顯著降低消耗。工作頻率現(xiàn)在也都能達到1 GHz，64 KB一級高速緩存和2MB二級高速緩存以上，在數(shù)據(jù)處理和分析上能達到較快速度。在接口方面，設有1個LAN口、1個EIDE接口、2個串口、2個USB接口、鍵盤鼠標接口、CRT接口等，在極小空間里幾乎實現(xiàn)了PC機所有的功能，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸和多種通訊。PC104計算機技術現(xiàn)階段發(fā)展比較成熟，也是未來發(fā)展的趨勢，對于組建系統(tǒng)，既可作為外接工控機使用，也可作為嵌入式計算機使用。所以使用PC104計算機

5、作為主機，其適應性、靈活性強，既能滿足現(xiàn)代測試的需要，又能兼顧未來測試領域的發(fā)展。1.1.2 儀器選擇IVI（Interchangeable Virtual Instruments），可互換虛擬儀器技術是在VXI即插即用（VXI plug&play）技術上發(fā)展而來的當今最先進的測試技術。在器件選擇方面，盡量選擇符合IVI類規(guī)范的儀器，可實現(xiàn)較好的互換性，通過編譯在PC104計算機上的IVI類驅動程序實現(xiàn)對某一類IVI儀器的控制。IVI主要研究儀器驅動的互換性、測試性能、開發(fā)靈活性及測試品質保證。它綜合了最終用戶、儀器廠商以及通過開放和透明的儀器控制方法來構建測試系統(tǒng)的系統(tǒng)集成者的需要，

6、其特有的狀態(tài)管理結構，可以不重新優(yōu)化設計硬件系統(tǒng)，從測試系統(tǒng)軟件結構出發(fā)，消除了測試冗余，提高了測試速度。它對比VXI plug&play技術的主要優(yōu)點在于：符合VXIplug&play規(guī)范類的儀器雖然可以在計算機中裝好驅動程序后直接使用，但每次儀器的更改都需要裝載驅動程序，且測試程序也要做一定的更改，儀器互換性不夠強；而符合IVI類規(guī)范的儀器，在儀器更改時，通過在計算機中裝載好的IVI類驅動程序，只需在程序中調用這一類的驅動程序便可實現(xiàn)對儀器的控制。1.2 硬件構型1.2.1 硬件組成硬件方案為基于PC104計算機測試系統(tǒng)。主要包括3部分：1）以PC104計算機為主完成測量、

7、控制、數(shù)據(jù)處理等功能的部分；2）實現(xiàn)PC104計算機與外界通訊的轉接口部分；3）機箱部分。其系統(tǒng)結構如圖1所示。圖1 系統(tǒng)結構圖本原理圖組成的每個子系統(tǒng)或每個模塊都不是必須搭建或加入的，可根據(jù)實際測試需要靈活組配、裁剪，構建自動測試系統(tǒng)。下面提出幾種主要組建方案：組建方案1：當數(shù)據(jù)較少，對測試速度要求不高的情況下，可在PC104主機部分配置GPIB卡，用GPIB總線對VXI或PXI機箱內儀器實施控制，由PC104主機完成測試任務。組建方案2：當數(shù)據(jù)較多，對測試速度要求較高的情況下，則可選擇高速率的MXI總線，通過設置在PC104主機部分的PC104-MXI轉接口，完成PC104總線和MXI總線

8、的通訊，實施對VXI或PXI機箱內儀器實施控制，完成測試。組建方案3：在PC104主機部分加入AD采樣模塊，多路轉換模塊，定時器模塊等，被測對象可通過USB或RS232數(shù)據(jù)線直接和PC104主機部分進行通訊，配合臺式儀器，使以PC104為主構建一個小型的測試系統(tǒng)，完成測試。組建方案4：可在PC104主機部分設計多種總線轉接口，按照多種轉接口的設計，不僅可以組建VXI和PXI測試系統(tǒng)，還可以組建其他總線式測試系統(tǒng)，只需配置相應的總線轉接口即可。組建方案5：總線控制是未來發(fā)展的趨勢，在PC104主機部分配以總線接口等，可直接利用總線與PC104主機直接連接，實施通訊，可以是外接式，也可以直接嵌入系

9、統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內測試，節(jié)約了開發(fā)成本，也適應了未來的發(fā)展需要，體現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性。組建方案6：通過PC104上的LAN口連接服務器，接入網絡，也可設計接口卡，使多臺PC104主機通過光纖通信，實現(xiàn)分布式測試和網絡化，達到遠程采集、控制的目的。1.2.2 基本工作原理PC104計算機通過GPIB或MXI總線對VXIPXI機箱實施控制，完成測試任務。通過編譯在PC104計算機上的IVI類驅動程序實現(xiàn)對某一類IVI儀器的控制。根據(jù)不同的信號和激勵，可選擇不同的IVI類儀器，如示波器、數(shù)字多用表、任意波形函數(shù)發(fā)生器、功率表等，被測對象返回的激勵信號較多時，通過轉接箱完成對信號的調理、轉換和預處理后送入V

10、XIPXI機箱，再配合程控電源、信號發(fā)生器、波譜分析儀等在內的臺式儀器，或者加入PXI設備，完成整個測試過程。該基本型能夠適應多種測試需求，從以上各方案中可以得出在以此基本型建立自動測試系統(tǒng)時，可加入總線，也可不配置總線建立小型測試系統(tǒng)，基于此基本型建立測試系統(tǒng)方法如圖2所示。圖2 測試系統(tǒng)建立1.3 轉接口設計要實現(xiàn)PC104主機與外界的通訊，轉接口的設計是其中非常重要的環(huán)節(jié)之一。而在本方案中PC104總線轉MXI總線接口的設計好壞是關乎著整個系統(tǒng)能否實現(xiàn)高速測試的關鍵。復雜可編程邏輯器件（CPLD）幾乎適用于所有的陣列和各種規(guī)模的數(shù)字集成電路，它以其編程方便、集成度高、速度快、價格低等特點

11、越來越受到設計者的歡迎。轉接口的設計采用CPLD即可完成要求。接口設計方案如圖3所示。圖3 系統(tǒng)結構示意圖通過對PC104總線和所選總線的時序、信號、地址、數(shù)據(jù)等方面的需求分析，用CPLD設計接口模塊，實現(xiàn)總線握手和數(shù)據(jù)傳輸功能。C-PLD部分電路原理如圖4所示。圖4 C-PLD部分電路PC104使用的總線資源主要是IO控制和中斷，具體信號如下：A019是PC104的10位地址總線；D07是PC104的8位雙向數(shù)據(jù)總線；IOR，IOW分別是總線IO端口讀、寫信號；AEN是允許DMA控制地址總線、數(shù)據(jù)總線和讀寫命令線進行DMA傳輸以及對存儲器和IO設備的讀寫；IOCHRDY是IO就緒信號，IO通

12、道就緒為高；SYSCLK是系統(tǒng)時鐘信號，使系統(tǒng)與外部設備保持同步；IRQ3是中斷信號。PC104部分電路原理如圖5所示。圖5 PC104部分電路原理1）數(shù)據(jù)傳輸（PC104MXI）  PC104需要傳送數(shù)據(jù)時，PC104置位AEN信號，通過發(fā)送地址與數(shù)據(jù)總線向CPLD發(fā)送數(shù)據(jù)，此時IOW引腳置低電平（有效）。當CPLD接收到正確數(shù)據(jù)后，驅動MXIbus的地址選通信號AS，獲取地址信息后，再驅動MXI的數(shù)據(jù)選通信號DS，置位讀寫信號WR取走數(shù)據(jù)，通過MXI的應答信號DTACK來判斷數(shù)據(jù)是否傳輸完畢，完畢則發(fā)送下一個數(shù)據(jù)，MXIbus采用的是地址數(shù)據(jù)總線復用形式。2）數(shù)據(jù)傳輸（MXIPC

13、104）  當MXI向CPLD傳送數(shù)據(jù)時，置位AS，驅動數(shù)據(jù)選通信號DS，并且WR有效，發(fā)送數(shù)據(jù)。CPLD收到數(shù)據(jù)后，通過IRQ3向PC104發(fā)送中斷申請，PC104收到中斷信號后，首先置位AEN，然后IOR變低電平，從CPLD寄存器口地址讀取數(shù)據(jù)。2 系統(tǒng)軟件設計2.1 軟件開發(fā)環(huán)境由于本方案在儀器選擇上以符合IVI規(guī)范的儀器的為主，所以在軟件選擇上應以利于IVI類儀器驅動開發(fā)為根本。IVI類儀器驅動開發(fā)的軟件也比較多，如Labview、LabwindowsCVI等。因LabwindowsCVI是為測試控制技術而開發(fā)的，是基于標準C語言的編程工具，而且其在面板、界面、代碼生成方面都

14、比較便利，包含*.dll動態(tài)鏈接庫，配有IVI控制庫，其中包含了IVI儀器驅動程序的開發(fā)向導，可以為開發(fā)儀器驅動器節(jié)省大量的時間。所以軟件開發(fā)工具宜選擇LabwindowsCVI。2.2 軟件基本結構軟件方案應主要包括3個部分：測試程序，接口程序，IVI類驅動程序。測試程序主要完成測試的基本要求以及設備自檢，其主要功能應包括：系統(tǒng)管理、資源配置、自檢校準、接口查詢、數(shù)據(jù)處理等。接口程序功能應有：信息存儲、信號轉接、儀器控制、通道選擇、結果判定等。IVI類驅動程序按其規(guī)范有：儀器驅動、特定驅動、兼容驅動、定制驅動和IVl類驅動。其功能結構如圖6所示。圖6 軟件功能結構圖軟件測試過程中包括IVI程

15、序配置、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲等，如在系統(tǒng)中不需要IVI類儀器，只組建小型的測試系統(tǒng)，在軟件設計時也可不配置IVI類驅動程序，當某一測試任務結束，如還有數(shù)據(jù)需要測試，則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)進行測試，否則結束此次測試，其軟件測試流程圖如圖7所示。圖7 軟件測試流程圖對于不符合IVI類標準的儀器，不能夠象符合IVI標準的儀器一樣，在定義了邏輯名稱之后，可以保證測試程序相對硬件的獨立性?？紤]到測試系統(tǒng)在使用一定年限后，可能會更換此類儀器，尤其是可能會更換不同公司的同一類儀器。為了減少對測試程序的修改量，把此類儀器的初始化程序以及需要完成的任務程序，以函數(shù)的形式按儀器封裝在不同的動態(tài)鏈接庫文件*.dll

16、中。在具體的測試程序中，當需要對某儀器進行操作完成某項任務時，可根據(jù)需要調用相應動態(tài)鏈接庫中的有關函數(shù)。當需要更換此類儀器時，如果原有的。dll文件中的函數(shù)不能夠完成所需要的工作時，可以針對更換的儀器，保持原有的函數(shù)名稱和參數(shù)不變，重新編寫相關的程序，生成新的同名。dll文件。這樣大量的測試程序可以不必重新編譯，簡化了升級工作。3 應用實踐在某機載設備檢測設備設計中采納了本方案的設計思想和概念。為對測試系統(tǒng)整體性能進行*估，在系統(tǒng)軟硬件集成后，對機載設備信號測試做實驗，其中數(shù)字信號測試臺是基本系統(tǒng)，主要包括PC104計算機、PC104-MXI接口適配器、VXI機箱、IVI類儀器、通用儀器等。測試結果如表1所示。表1 測試結果及精度分析可以看出系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，且通過PC104-MXI轉接口，PC104總線和MXI總線上的數(shù)據(jù)傳輸速度可達1