自動測試系統(tǒng)課件

面向21世紀高職高專系列教材《電子測量實訓教程》第2版

主編肖曉萍機械工業(yè)出版社目錄第1章緒論第2章誤差分析和測量數據處理第3章常用電子測量儀器第4章示波測試和測量技術第5章電路元器件參數的測量第6章電子電路參數的測量第7章頻域測量第8章數據域測量第9章自動測試系統(tǒng)

第9章自動測試系統(tǒng)本章要點9.1自動測試系統(tǒng)的基本概念

9.2幾種總線標準

9.2.1通用接口總線 9.2.2VXI總線 9.2.3PXI總線 9.2.4VVP規(guī)范 9.3虛擬儀器

9.3.1虛擬儀器系統(tǒng)結構 9.3.2計算機虛擬儀器圖形編程LabVIEW9.3.3LabVIEW的應用實例 9.4實訓

9.5習題

本章要點

自動測試系統(tǒng)的基本概念幾種總線標準（通用接口總線、VXI總線、PXI總線、VVP規(guī)范）虛擬儀器的概念LaVIEW7.09.1自動測試系統(tǒng)的基本概念

自動測試系統(tǒng)（ATS，AutomaticTestSystem），就是在計算機的控制和管理下，很少需要人工參與，由各種測量儀器對電量、非電量進行自動測量、數據處理，并以顯示、打印等適當的方式給出測量結果的系統(tǒng)。自動測試系統(tǒng)一般包括五部分組成：

(1)控制器(2)程控儀器、設備(3)總線與接口(4)測試軟件(5)被測對象自動測試系統(tǒng)的發(fā)展經歷了三個階段：早期的自動測試系統(tǒng)是根據測量任務的需要，自行設計專用的接口控制電路，以解決儀器和儀器、儀器和計算機之間的接口問題，稱為第一代自動測試系統(tǒng)。第二代自動測試系統(tǒng)是采用標準化的接口總線，系統(tǒng)采用積木式結構，由現(xiàn)成的具有標準總線接口（GPIB）的通用儀器組成。第三代自動測試系統(tǒng)是以計算機為核心，用軟件代替硬件產生激勵信號和完成各種測試功能，系統(tǒng)中各儀器的功能設置和測量操作都由計算機完成。它包括個人儀器系統(tǒng)、VXI總線儀器系統(tǒng)，PXI總線儀器系統(tǒng)等，可統(tǒng)稱為虛擬儀器系統(tǒng)。

1．GPIB的發(fā)展GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）也叫GP-IB，是由美國HP公司于20世紀60年代末、70年代初首先開發(fā)出來的一種實用的儀器接口系統(tǒng)。IEEE和IEC分別于1975年和1977年把GPIB定義為IEEE488標準和IEC625標準。IEEE-488接口（通常被稱為通用接口總線）作為自動化測試中儀器互連的統(tǒng)一的標準，它能實現(xiàn)儀器儀表、計算機、各種專用的儀器控制器和自動測控系統(tǒng)之間的快速雙向通信。9.2幾種總線標準9.2.1通用接口總線2.GPIB總線簡介（1）GPIB總線結構圖9-116條信號線分為8條數據線、5條控制線和3條握手線。①8條數據線DIO1~DIO8以并行方式傳送命令、地址和數據。②5條控制線ATN（ATTENTION——注意）線IFC（INTERFACECLEAR——接口清除）線REN（REMOTEENABLE——遠程使能）線SRQ（SERVICEREQUEST——服務請求）線EOI(ENDORINENTIFY一一結束或識別）線③3條握手線，DAV線、NRFD線、NDAC線，用于控制設備之間消息字節(jié)的傳送。3.GIIB接口功能的設置GIPB系統(tǒng)的設備有控者、講者和聽者3種屬性?？卣摺刂普?，用于指明誰是講者，誰是聽者。講者——提供命令或數據。聽者——接收命令或數據。GIPB標準設立了10種接口功能：控者功能（C）、講者功能(T)、聽者功能(L)、源方掛鉤功能（SH)、受方掛鉤功能(AH）、服務請求功能（SR）、查詢功能（PP）、遠程／本地功能（RL）、設備觸發(fā)功能（DT）和設備清除功能（DC）。4.GPIB握手協(xié)議

(1)DAV(DataValid)：數據有效線。DAV=1（低電平）表示數據有效。此線由源方使用。

(2)NRFD(NotReadyForData)：未準備好接收數據線。NRFD=1表示受方未準備好接收數據。只有各接收設備均準備好接收數據，NRFD才會為零（高電平）。

(3)NDAC(NotDataAccepetd)：未收到數據線。NDAC=1表示受方尚未收到數據。只有所有接收設備均接收到了數據，NDAC才會為零。源方和受方之間利用三線握手技術以異步方式來進行數據傳送的基本過程如圖9-2所示。

5.GPIB尋址在GPIB協(xié)議中，每個設備至少應該具有一個0~30之間的GPIB地址。在同一系統(tǒng)中，不同的設備具有不同的地址。講地址由GPIB地址控制字的講有效位TA來形成，而聽地址由GPIB地址控制字的聽有效位LA來形成。例如，一個設備的地址為1，控者發(fā)送16進制GPIB地址控制字41H（1000001）使之成為講者。而控者的地址通常為0，它發(fā)送16進制GPIB地址控制字20H（0100000）使自己成為聽者。如果設備地址控制字用2個字節(jié)來設定，則前一個字節(jié)成為主地址，后一個字節(jié)成為副地址。主地址的編碼格式如表9-1所示，副地址的編碼格式如表9-2所示。6.GPIB總線自動測試系統(tǒng)的組成一個典型的GPIB總線自動測試系統(tǒng)I/O接口設備是由如圖9-3幾部分通過標準GPIB電纜連接而成。計算機GPIB接口卡若干臺具有GPIB接口的儀器1.VXI總線簡介

（1）VXI總線特點

VXI(VMEbusextensionsforinstrumentation)是由一種總線結構標準，是一種將測量儀器、主機架、固定裝置、計算機及軟件集為一體的電子插入式工作平臺。（2）VXI總線的結構①模塊尺寸：規(guī)定了四種，如圖9-4。②供儀器使用的其他資源③通信協(xié)議9.2.2VXI總線④機械結構：VXI總線結構規(guī)定了三種96芯的雙列直插（DIN）連接插座，分別稱為P1，P2和P3，如圖9-5所示。⑤電氣連接：VXI總線的電氣連接如圖9-6。⑥本地總線：如圖9-7所示鏈式總線結構。

VXI總線標準為本地總線定義了5種信號類型，如表9-3。⑦其它：表9-4是VXI總線主機對電源的要求。2．VXI總線的通信（1）VXI總線設備類型有4種類型：寄存器基的設備、消息基的設備、存儲器設備和擴展存儲器設備。最常用的是寄存器基的設備和消息基的設備。（2）寄存器基的設備及其通信方式寄存器基的設備(registerbayeddevice)是最簡單的一種VXI總線設備，常用來作為簡單儀器和開關模塊的基本部分。寄存器的設備的通信是通過寄存器的讀寫操作用二進制命令與其他的設備進行通信。VXI總線用命令者（commander）和受令者（servants）來解決二進制的命令編程的不便問題。（3）消息基的設備及其通信方式消息基的設備一般是VXI總線系統(tǒng)中智能化程度較高的設備。消息基的設備都配有公共通信單元和字串行協(xié)議（指每次只能傳送一個字節(jié)，且必須由板上的微處理器加以解析）。3．VXI總線的尋址在VXI總線標準中，提供了三種尋址方式:①IEEE-488主尋址方式②IEEE-488副尋址方式③嵌入式尋址方式4．VX1即插即用

VXI即插即用是使VXI產品更容易使用，提高多廠家的VXI系統(tǒng)的相互可操作性，改善VXI測量系統(tǒng)的使用效率。

VXI即插即用聯(lián)盟規(guī)定了標準的通信軟件接口，即虛擬儀器軟件體系結構（VISA，VirtualInstrumentSoftwareArchitecture）。所有的VXI即插即用計算機都必須配備VISA。

VXI即插即用驅動接口如圖9-8所示。1．PXI總線簡介PXI（PCIExtensionforInstrumentation）是由美國NI公司于1997年推出的測控儀器總線標準。是以PCI計算機局部總線（IEEEl014-1987標準）為基礎的模塊儀器結溝，目標是在PCI總線基礎上提供一種技術優(yōu)良的模塊儀器標準。

2．PXI總線結構（1）機械尺寸采用Eurocard規(guī)范，支持3U和6U兩種模塊尺寸，它們分別與VXIbus的A尺寸和B尺寸相同。9.2.3PXI總線（2）電氣結構

PXI總線是PCI總線的增強與擴展，與現(xiàn)有工業(yè)標準CompactPCI兼容，具有PCI的性能和特點，如包括32/64位數據傳輸線能力以及分別高達132MBps（32位）和264MBps（64位）的數據傳輸速度、支持3.3V系統(tǒng)電壓、PCI-PCI橋路擴展和即插即用。PXI總線如圖9-9所示。3．PXI軟件特性（1）公共軟件需求

PXI規(guī)范制定了把Windows2000/98（WIN32）作為PXI系統(tǒng)軟件框架?？刂破餍枰惭b工業(yè)標準應用編程接口如LabVIEW、LabWindows/CVI、VisualBasic、VisualC/C++或者BorlandC++。（2）其它軟件需求

PXI要求外部設備模塊或者機箱的生產廠商提供其他的軟件組件，如完成定義系統(tǒng)設置和系統(tǒng)性能的初始化文件必須隨PXI組件一起提供。這些文件在操作軟件如何正確配置系統(tǒng)時將提供信息，比如兩個相鄰的模塊是否其有匹配的局部總線信息等。如果沒有這些文件，則不能實現(xiàn)局部總線的功能。另外PXI規(guī)范中還定義了VXI、GPIB、USB等的設置和控制，以實現(xiàn)虛擬儀器軟件體系結構。

1．VPP系統(tǒng)的結構美國NI，TkeRacal等五家儀器公司于1993年9月成立了VXI總線即插即用（VPP，VXIplugkplay）聯(lián)盟，隨后發(fā)布了VPP規(guī)范。

VPP規(guī)范制定了標準的系統(tǒng)軟件結構框架，對操作系統(tǒng)、編程語言、I/O程序庫、儀器驅動程序和高級應用軟件工具等作了原則性的規(guī)定。目前VPP聯(lián)盟已制定了10個VPP技術規(guī)范文件（VPPl~VPP10）：

VPP1：章程文件；VPP2：系統(tǒng)框架規(guī)范；9.2.4VVP規(guī)范VPP3.1:儀器驅動程序結構與設計規(guī)范；VPP3.2:儀器驅動程序函數體規(guī)范；VPP3.3：儀器驅動程序交互式開發(fā)者接口規(guī)范；VPP3.4：儀器驅動程序編程式開發(fā)者接口規(guī)范；VPP4.3：VISA庫；VPP4.3.2：VISA的文本語言實現(xiàn)規(guī)范；VPP4.3.3：VISA的圖形語言實現(xiàn)規(guī)范；VPP5：VXI部件知識庫規(guī)范；VPP6；安裝與包裝規(guī)范；VPP7：軟面板規(guī)范；VPP8：VXI模塊／主機箱與接收器互連；VPP9：儀器廠商縮寫規(guī)范；VPP10：VXIplug&play圖標規(guī)范與部件注冊。符合VPP規(guī)范的虛擬儀器系統(tǒng)（簡稱為VPP系統(tǒng)）的結構框圖如圖9-10所示。

2．系統(tǒng)框架根據硬件（PC或工作站）平臺、系統(tǒng)軟件及編程語言的不同，VPP聯(lián)盟規(guī)定了十種系統(tǒng)框架，其中五種基本框架分別以其支持的操作系統(tǒng)命名，分別為WIN、WIN95、WINNT、HP-UX、SUN系統(tǒng)框架，在基本框架基礎上，又分別派生出只采用NI公司的G（圖形化）語言環(huán)境的系統(tǒng)框架，各在原基本框架名字前加上前綴G，即為GWIN、GWIN95、GWINNT、GSUN,GHP-UX五種派生框架。VPP系統(tǒng)框架類型如表9-5所示。3．儀器驅動程序儀器驅動程序是一套可被用戶調用的子程序，利用它只須調用相應的一些函數就可以完成對儀器各種功能的操。VPP儀器驅動程序包括兩個模型。（1）外部接口模型表示儀器驅動程序如何與外部軟件系統(tǒng)接口，如圖9-11所示。它分為五部分：①函數體②交互式開發(fā)者接口③編程式開發(fā)者接口④VISAI/O接口⑤子程序接口（2）內部設計模型如圖9-12所示。它定義了圖9-11中儀器驅動程序函數體的內部結構，并作出詳盡描述。VPP儀器驅動程序的函數體主要由兩個部分組成：①部件函數是一些控制儀器特定功能的軟件模塊，包括初始化函數、配置函數、作用／狀態(tài)函數、數據函數、實用函數和關閉函數。②應用函數是一組以源代媽提供的面向測試任務的高級函數，在大部分情況下，這些例行程序通過配置、觸發(fā)和從儀器讀取數據來完成整個測試操作。圖9-13是對部件函數按功能類別劃分的。

虛擬儀器（VirtualInstrument，簡稱VI）指以計算機為核心的硬件平臺，配以相應測試功能的硬件作為信號輸入/輸出的接口，利用儀器軟件開發(fā)平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應的功能，通過鼠標或鍵盤操作的儀器。借助通用數據采集卡，用戶可以通過軟件構造任意功能的儀器。9.3虛擬儀器虛擬儀器可按如圖9-14所示分為數據采集與控制\數據分析處理、結果表達三大功能模塊。用各種圖標或控件來虛擬傳統(tǒng)儀器面板上的各種器件：虛擬儀器由硬件平臺和應用軟件構成。1．虛擬儀器的硬件結構硬件平臺由計算機、通用或專用I/O接口設備組成，如圖9-15所示。9.3.1虛擬儀器系統(tǒng)結構計算機是硬件平臺的核心，一般是工作站，亦可用普通的PC機。I/O接口設備負責被測信號的采集、調整、放大、模／數轉換。常用的1/O接口設備有以下5種：（1）PC-DAQ接口（2）GPIB接口（3）串行接口（4）VXI接口（5）PXI接口2．虛擬儀器的軟件結構虛擬儀器軟件包括應用程序和I/O接口設備驅動程序。應用程序由實現(xiàn)虛擬儀器前面板功能的軟件程序和定義測試功能流程圖的軟件程序兩部分構成。I/O接口設備驅動程序實現(xiàn)對特定外部硬件設備的控制。目前流行的虛擬儀器軟件開發(fā)工具有兩類：文本式編程語言有C、C++、VB、Labwindows/CVI等，圖形化編程語言有LabVIEW、AgilentVEE等。

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是美國NI公司研制的一個具有直觀界面和多種儀器驅動程序和工具的功能強大的大型儀器系統(tǒng)開發(fā)工具。其軟件體系結構如圖9-16。NI公司提供了GPIB、DAQ、VXI、和RS-232等儀器的驅動程序，用戶只要把儀器的用戶接口代碼及數據處理與分析軟件組合在一起，就可以構建一臺虛擬儀器。3.PC-DAQ接口虛擬儀器整體系統(tǒng)結構PC-DAQ接口虛擬儀器整體系統(tǒng)結構如圖9-17。虛擬儀器信號測量流程如圖9-18所示。

1．LabVIEW的介紹LabVIEW是一種圖形程序設計語言，它采用工程人員所熟悉的術語、圖標等圖形化符號編程，建立一系列的VI（VirtualInstrument），來完成用戶指定的測試任務。VI（虛擬儀器）是LabVIEW的基本程序單元。每一個VI包括三部分：程序前面板（FrontPanel）圖9-19框圖程序（BlockDiagram）圖9-20圖標/連接器圖9-21

9.3.2計算機虛擬儀器圖形編程LabVIEWLabVIEW的層次化結構使用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當作子程序調用，以創(chuàng)建更復雜的程序，而這種調用的層次是沒有限制的。例如把前面創(chuàng)建的溫度測量儀程序(ThermometerVI）作為一個子程序用在當前新建程序里，當前程序的前面板如圖9-22，當前程序的框圖程序如圖9-23所示。2．LabVIEW的操作模板LabVIEW具有多個圖形化的操作模板，用于創(chuàng)建和運行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動，并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類：工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和功能（Functions）模板。（1）工具（ToolsPalette）模板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調試VI程序的工具。圖9-24（2）控制（ControlsPalette）模板用于選擇輸入控制部件和顯示部件構成前面板?？刂撇考怯脕斫邮沼脩舻妮斎霐祿匠绦颉ｏ@示部件是用于顯示程序產生的各種類型的輸出。從Windows菜單下選擇ShowControlsPalette命令，或在打開的前面板窗口的空白處，點擊鼠標右健，可以彈出控制模板。圖9-25表示從圖形（Graph）子模板中選取波形圖表（WavefromChart）指示器部件。（3）功能（FunctionsPalette）模板用于創(chuàng)建框圖程序的工具。從Windows菜單下選擇ShowFunctionsPalette命令，或在打開的前面板窗口的空白處，點擊鼠標右健，可以彈出功能模板。圖9-26所示表示從數據運算（Numeric）子模塊中，選取了加（Add）運算。

虛擬溫度測量儀的設計1．測溫原理溫度測量儀采用AD590集成溫度傳感器，AD590在一定的溫度范圍內，可將溫度數據線性變換為電流信號，轉換公式為：I=K·T

式中：I——電流；T——溫度：K——溫度系數。電流信號經過模數轉換變?yōu)橛嬎銠C可以識別的數字信號，再由虛擬溫度測量儀顯示電流數據，計算出溫度數據并顯示出來。9.3.3LabVIEW的應用實例

為了設計方便，用一個隨機數據代替溫度傳感器輸出的電流數據。假設AD590的溫度系數為1μA/K，AD590的線性溫度范圍為0℃~100℃，即273.15K~373.15K，則隨機數據的范圍應取273.15-373.15，電流數據的范圍為273.15μA-373.15μA。在設計中包括7個前面板控件：1個電源開關、1個指示燈、1個模式轉換開關、1個電流表、1個溫度計、1個RaiseFrame、1個Label，如圖9-19所示。2.設計步驟(1)前面板設計在主窗口中選擇New|BlankVI命令，新建一個空白VI，然后開始如下操作。①放置電源開關②放置電源指示燈③放置模式轉換開關④放置電流表設置ScaleStyle為如圖9-27所示的模式。

⑤放置溫度計設置ScaleStyle為如圖9.27所示的模式。在屬性窗口的FormatandPrecision屬性頁中設置數據類型為浮點數(FloatingPoint)，小數點后的位數設為2位，如圖9-28所示。

⑥放置FlatFrame⑦放置Label（2）流程圖編輯由設計原理可知：儀器中有兩個開關，故需要兩個選擇輸出器；用隨機數模擬電流數據，需要一個隨機數發(fā)生器；隨機數的范圍是0~1，要轉換到電流數據范圍，需要乘以100，再加上273.15；電流數據轉換為攝氏溫度需要減去273.15；攝氏溫度轉換為華氏溫度需要乘以1.8再加上32；當程序停止時需要顯示默認溫度0°C；所以共需放置1個隨機數發(fā)生器、2個選擇輸出器、2個加法器、1個減法器、2個乘法器和5個數值常數。

①打開流程圖編輯窗口圖9-29②放置隨機數發(fā)生器③放置選擇輸出器④放置加法器/減法器／乘法器／除法器⑤放置數值常數（3）數據流編程用工具模板中的連線工具根據設計原理連接各個端口和功能圖標，即可完成數據流編程，完成的流程圖如圖9-30所示。（4）功能檢驗單擊運行快捷按鈕，運行虛擬溫度測量儀，檢驗設計的功能是否已完全實現(xiàn)。（5）保存文件9.4實訓具有上下限報警功能的模擬溫度檢測虛擬儀器的設計一、實驗目的二、實驗儀器三、預習要求四、實驗內容LabVIEW7.0的安裝具有上下限報警功能的模擬溫度檢測虛擬儀器的設計五、實驗報告9.5習題1、什么是自動測試系統(tǒng)？其發(fā)展經歷了哪幾個階段？各有何特點？2、有哪幾種總線標準？比較它們的特點。3、何謂虛擬儀器?虛擬儀器的硬件系統(tǒng)基本結構一般包括哪些部分？4、試述LabVIEW虛擬儀器的軟件體系結構。5、使用LabVIEW軟件進行各種虛擬儀器的編程訓練。

位的位置

76543210意義

不用

11GPIB地址（范圍0-30）

表9-2GPIB地址控制字位編碼格式表9-1GPIB地址控制字位編碼格式位的位置

76543210意義

不用

TALAGPIB地址（范圍0-30）

＃類型上限下限驅動限制1TTL+5.5V-0.5V200mA2ECL0.0V-5.46V50mA3模擬低電平+5.5V-5.5V50Ω4模擬中電平+16.0V+16.0V500mA5模擬高電平+42.0V-42.0V500mA6保留

表9-3本地總線信號類型

表9-4HPE140B的電源指標

直流輸出/V+5+12-12+24-24-5.2-2直流電流峰值/A

60121212106030動態(tài)電流峰-峰值/A9.02.52.55.02.58.54.5WINWIN95WINNTSUNHP-UXANSI-CMSC++BorlandC+LabWindows/CVIMSC++

BorlandC++L