計算機測試技術

學習要求1了解現場總線的協議模型及常見現場總線的特點，了解智能傳感器的含義、實現的途徑及智能傳感器系統智能化功能的實現方法。2了解數據采集系統的組成、性能指標及電路設計中常見的問題。3掌握GPIB總線技術及其特點；了解VXI,PXI總線技術的各自特點4了解虛擬儀器的概念及其結構特點；11/6/20241

當今測試的特點?面臨的挑戰(zhàn)?CAT：計算機輔助測試CAT組成:由微機加插卡式硬件和采集分析軟件組成計算機化測試系統的優(yōu)點：①能夠對信號進行復雜的分析處理；②高精度、高分辨率和高速實時分析處理；③性能可靠、穩(wěn)定、維修方便；④能夠以多種形式輸出信息；⑤多功能；⑥自動測試和故障監(jiān)控。5.1引言11/6/20241計算機化測試系統的發(fā)展歷程

★第一代:

二十世紀六十年代-七十年代,無專用接口CAT系統。

特點：1)無儀器專用總線;2)開發(fā)周期長;3)無通用性★第二代:

二十世紀七十年代-八十年代,通用接口CAT系統。特點:1)程控儀器符合相應的總線標準;2)開發(fā)周期短;3)具有通用性及互換性;★第三代:

二十世紀九十年代至今,虛擬儀器特點:1)用計算機軟件功能實現了相關儀器功能;2)符合相應的總線標準;3)系統組成時間短、功能易于擴展。11/6/20242新的設計思路:開放式系統.生產自動化要求組建開放式系統的2要素?現場總線：是應用在生產現場，在微機化測量控制設備(現場智能設備及更高控制管理層網絡之間)之間實現雙向串行多節(jié)點數字通信的系統，是開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。5.2現場總線與智能傳感器11/6/20243

現場總線控制系統與傳統控制系統比較

連接方式/控制模式/信號類型/簡化系統11/6/20244現場總線的發(fā)展★1984年：美國儀表協會（ISA）下屬的標準與實施工作組中的ISA/SP50開始制定現場總線標準；★1985年：國際電工委員會決定由ProwayWorkingGroup負責現場總線體系結構與標準的研究制定工作；★1986年：德國開始制定過程現場總線（ProcessFieldbus）標準，簡稱PROFIBUS;★1992年：由Siemens、Rosemount、ABB、Foxboro、Yokogawa等80家公司聯合，成立了ISP（InteroperableSystemProtocol）組織，著手在PROFIBUS的基礎上制定現場總線標準。11/6/202465現場總線的發(fā)展★1993年：以Honeywell、Bailey等公司為首，成立了WorldFIP（FactoryInstrumentationProtocol）組織，由120多個公司加盟該組織，并以法國標準FIP為基礎制定現場總線標準?！?994年：ISP和WorldFIP北美部分合并，成立了現場基金會（FieldbusFoundation,簡稱FF）?！?019年：第一季度頒布了低速總線H1的標準，安裝了示范系統，將不同廠商的符合FF規(guī)范的儀表互聯為控制系統和通信網絡，使H1低速總線開始步入了實用階段。德國BoschCAN美國的lonwork11/6/20246現場總線協議的參考模型

為建立互聯系統,國際標準化組織ISO于1978年建立了一個“開放系統互連”的技術委員會。起草了“開放系統互連基本參考模型”（OpenSystemInterconnection）的建議草案。1986年又對該標準進行了進一步的完善和補充。OSI參考模型分層的原則是將相似的功能集中在同一層內，功能差別較大時則分層處理，每層只對相鄰的上、下層定義接口。OSI參考模型是計算機網絡體系結構發(fā)展的產物，它的基本內容是開放系統通信功能的分層結構。7層次,各層協議的研究獨立進行,某層有變化時只需改變相應的層。11/6/20247提供用于建立、保持和斷開物理連接的機械的、電氣的、功能的和過程的條件。物理層提供有關同步和比特流在物理媒體上的傳輸手段。

利用下一層提供的服務并為上一層提供服務(通信功能和層之間的會話規(guī)定)同等層之間的通信規(guī)則和約定—協議11/6/20248用于建立、維持和拆除鏈路連接，實現無差錯傳輸的功能。在點到點或點到多點的鏈路上，保證信息的可靠傳遞。該層對連接相鄰的通路進行差錯控制、數據成幀、同步等控制。檢測差錯:循環(huán)冗余校驗CRC糾正:計時器恢復/自動請求重發(fā)ARQ11/6/20249規(guī)定了網絡連接的建立、維持和拆除的協議。它的主要功能是利用數據鏈路層所提供的相鄰節(jié)點間的無差錯數據傳輸功能，通過路由選擇和中繼功能，實現兩個系統之間的連接。11/6/202410完成開放系統之間的數據傳送控制。主要功能是開放系統之間數據的收發(fā)確認。同時，還用于彌補各種通信網絡的質量差異，對經過下三層之后仍然存在的傳輸差錯進行恢復，進一步提高可靠性。11/6/202411

☆

會話層依靠傳輸層以下的通信功能使數據傳送功能在開放系統間有效地進行。其主要功能是按照在應用進程之間的約定，按照正確的順序收、發(fā)數據，進行各種形式的對話。11/6/202412

☆表示層的主要功能是把應用層提供的信息變換為能夠共同理解的形式，提供字符代碼、數據格式、控制信息格式、加密等的統一表示。11/6/202413

☆應用層是OSI參考模型的最高層。其功能實現應用進程（如用戶程序、終端操作員等）之間的信息交換。同時，還具有一系列業(yè)務處理所需要的服務功能。7層是否都必須?11/6/202414

智能傳感器?智能傳感器，必須具備學習、推理、感知、通訊以及管理功能。20世紀80年代末，L.Foulloy提出了模糊傳感器概念，認為“模糊傳感器是一種能夠在線實現符號處理的智能傳感器”。智能傳感器：基于現場總線數字化、標準化、智能化的要求，帶有總線接口，能自行管理自己，能將檢測到的現場信號進行處理變換后，以數字量形式通過現場總線與上位機進行信息傳遞。11/6/202415智能傳感器的特點具有非線性自動校正功能，可消除整個傳感器系統的非線性系統誤差，提高了精度。具有自校零與自校準功能。抑制噪聲的智能化功能。通過自補償技術可改善傳感器系統的動態(tài)特性，使其頻率響應特性向更高或更低頻段擴展。11/6/202416智能傳感器實現的途徑1)非集成化實現：將傳統的經典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號的功能）、信號調理電路、帶數字總線接口的微處理器組合為一整體而構成的一個智能傳感器系統。2)集成化實現：這種智能傳感器系統是采用微機械加工技術和大規(guī)模集成電路工藝技術，利用硅為基本材料來制作敏感元件、信號調理電路、微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上。故又可稱為集成智能傳感器（IntegratedSmart/IntelligentSensor）。3)混合實現：根據需要與可能，將系統各個集成化環(huán)節(jié)，如：敏感元件、信號調理電路、微處理器單元、數字總線接口，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個外殼里。11/6/202417集成化智能傳感器的幾種形式①初級形式：就是組成環(huán)節(jié)中沒有微處理器單元，只有敏感單元與（智能）信號調理電路，二者被封裝在一個外殼里。②中級形式/自立形式：在組成環(huán)節(jié)中除敏感單元與信號調理電路外，必須含有微處理器單元，即一個完整的傳感器系統全部封裝在一個外殼里的形式。它具有完善的智能化功能，這些智能化功能主要是由強大的軟件來實現的。③高級形式：高級形式是集成度進一步提高，敏感單元實現多維陣列化時，同時配備了更強大的信息處理軟件，從而具有更高級的智能化功能的形式。這時的傳感器系統不僅具有完善的智能化功能，而且還具有更高級的傳感器陣列信息融合功能，或具有成像與圖像處理等功能。11/6/202418自動測試系統的組成由五部分組成：①控制器；②程控儀器、設備；③總線與接口；連接控制器與各程控儀器④測試軟件；⑤被測對象5.3自動測試系統11/6/202419通用接口總線GPIB發(fā)展簡介:國際公認并廣泛使用的IEEE-488接口總線被稱為通用接口總線(GPIB，generalpurposeinterfacebus)。它的作用是實現儀器儀表、計算機、各種專用的儀器控制器和自動測控系統之間的快速雙向通信。11/6/202420IEEE-488.1IEEE-488.1是一種數字式8位并行通信接口，其數據傳輸速率可達1Mbps。該總線支持一臺系統控制器（通常是PC）和多達10臺以上的附加儀器。各有關器件之間是通過一根含24（或25）芯的集裝通信纜來聯系的。通信纜通過專用標準連接器與設備連接(陽性與陰性)，連接器及其引腳定義如圖所示。負邏輯-零邏輯代表“真”抗干擾11/6/202421GPIB總線測試儀器通過GPIB接口和GPIB電纜與計算機相聯，形成計算機測試儀器。與DAQ卡不同，GPIB儀器是獨立的設備，能單獨使用。GPIB設備可以串接在一起使用，但系統中GPIB電纜的總長度不應超過20m，過長的傳輸距離會使信噪比下降，對數據的傳輸質量有影響。

11/6/202422GPIB操作

GPIB采用字節(jié)串行/位并行協議。GPIB通過連接總線傳輸信息而實現通信。輸送的信息分兩種：基于器件的信息:數據信息;連接信息:命令信息。11/6/202423GPIB器件和接口功能

基于GPIB測試結構的全部有關器件可分為控者、講者和聽者三大類：（1）控者

控者指明誰是講者，誰是聽者（如PC）。每個GPIB系統都必須定義一個系統執(zhí)行控者，這一工作可通過設置接口板卡上的跳線或軟件構筑來完成。

（2）講者與聽者

講者：產生指令及數據器件

聽者：接收指令及數據器件

講者在總線任一時刻只能有一個器件,聽者可以有多個器件。11/6/202424講者和聽者的功能特性講者聽者被控者指定去講被控者指定去聽將數據放到GPIB上讀出由講者送到GPIB上的數據一次只能有一個器件被尋址講話每次可有多臺器件被尋址為聽者11/6/202425信號及連線

GPIB有16條信號線和8條地回送線。GPIB上的所有器件分享24條總線。16條信號線分為三組：數據線8條、接口管理線5條、握手線3條。★數據線(8條)：以并行方式輸送數據。★接口管理線(5條)：管理著GPIB中的信號傳輸： ①接口清除線（IFC，interfaceclear）:主控復位 ②注意線（ATN，attention）:通報數據類型 ③遠距離使能（REN，remoteenable） ④終止或識別（EOI，endoridentify:停止數據輸出 ⑤服務請求（SRQ，servicerequest）執(zhí)行控者監(jiān)測此信息?！镂帐志€(3條)：異步地控制各器件之間的信息字節(jié)的傳輸11/6/202426三條握手線:三線連鎖握手/掛鉤模式?①NRFD(notreadyfordata)指出一個器件是否已準備好接收一個數據字節(jié)，此線由所有正在接受命令（數據信息）的聽者器件來驅動。②NDAC(notdataaccepted)指出一個器件是否已收到一個數據字節(jié)，此線由所有正在接收（數據信息）的聽者器件來驅動。在此握手模式下，該傳輸率將以最慢的執(zhí)行聽（正在聽）者為準，因為講者要等到所有聽者都完成工作。在發(fā)送數據和等待聽者接受之前，NRFD應被置于“非”。③DAV（datavalid）指出數據線上的信號是否穩(wěn)定、有效和可以被器件驗收。當控者發(fā)送命令和講者發(fā)送數據信息時都要申報一個DAV。11/6/202427講者DATA00DAV25講者宣布數據不再合法進入接收數據狀態(tài)，不要再準備完成AGAIN113聽者NRFDNADAC數據傳輸開始最慢聽者接收完畢數據傳輸結束4圖三線握手過程聽者準備好接收講者收到RFD消息宣布DAV=0有效三條握手線:三線連鎖握手/掛鉤模式11/6/202428總線命令

所有器件必須監(jiān)視ATN線并在200ns內做出響應。當ATN為“真”時，所有器件都接收數據線上的數據并將其作為命令或地址來處理。11/6/202429查詢

在IEEE-488中，每個數據傳輸過程都由控者來啟動?？卣呓拥缴陥蠛螅銌右粋€查詢過程來依次尋址，來發(fā)現申報SRQ的器件，查詢方法分為串行式和并行式兩種：①串行查詢被尋址到的器件作為講者向控者發(fā)送一個狀態(tài)字節(jié)來表明自己是否要注意。②并行查詢此時所選定的器件有可能發(fā)送一個狀態(tài)位到預先制定的數據線上。并行查詢的啟動方法是同時用ATN和EOI線作申報。IEEE-488規(guī)定器件容量少于或等于15臺（包括控者器件在內）。11/6/202430VXI總線VXI（VMEbusextensionsforinstrumentation）總線結構標準將測量儀器、主機架、固定裝置、計算機及軟件集為一體，是一種電子插入式工作平臺。在每個VXI總線系統中，必須有兩個專門的功能：＊第一個是0號槽功能，它負責管理底板結構。＊第二個是資源管理程序。每當系統加電或復位時，這個程序就對各個模塊進行配置，以保證能正常工作。11/6/202431

VXI總線的體系結構，包括機械尺寸、電源、冷卻、連接插座、模塊連接、通信協議、電磁干擾等各方面，VXI總線標準都作了規(guī)定。

①機械尺寸方面，規(guī)定了模塊的尺寸和空間的大小及對冷卻的要求A、B、C、D；

②電氣性能方面，規(guī)定了完整的線路連接、觸發(fā)器、時鐘和模擬/數字信號總線；③電源和EMC方面，對電壓、噪聲及輻射的敏感性做了限制；

④通信方面，規(guī)定了系統配置、設備的類型和通信協議等。11/6/202432VXI總線結構規(guī)定了三種96芯的雙列直插(DIN)連接插座，分別為P1、P2和P3。其中P1是唯一的必須在VME或VXI總線中配備的連接插座，這種連接插座包括有數據傳輸總線（24位尋址線和16位數據線）、中斷線及電源線等。

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在VXI總線總線結構中，P2連接插座是可選的，除了A型模塊外，其它的模塊都要配備。P2連接插座把數據傳輸總線擴展到了全部的32位，并增加了許多其它的資源。P3連接插座也是可選的，只有D型模塊才配備這種連接插座。P3比P2又增加了24條本地總線、ECL觸發(fā)總線和100MHz的時鐘及星型觸發(fā)總線，供精確同步之用。11/6/202434★本地總線

本地總線是鄰近模塊之間進行通信的總線。VXI總線標準為本地總線定義了5種信號類型，可以用于TTL電平的信號、ECL電平的信號或3種模擬電平的信號?！镫姶畔嗳菪?/p>

為確保儀器模塊不干擾其它模塊，也不被其它模塊所干擾，VXI總線結構標準對輻射和傳導電磁干擾（EMC）做了限制。★冷卻

在典型的IEEE-488機架組合式系統中，必須采取嚴格的措施來保證系統正常工作所需要的冷卻環(huán)境11/6/202435★電源

VXI總線結構對電源的指標也做了規(guī)定，選擇模塊時，要把模塊對電壓和電流的要求與主機的能力進行比較。

直流輸出/V+5+12-12+24-24-5.2-2直流電流峰值/A62121212106030動態(tài)電流峰-峰值/A9.02.52.55.05.08.54.5電源在提供穩(wěn)定的電壓的時候，若要求其電流發(fā)生突然變化，電源的供電能力就會改變。如果電源具有較大的感性負載（這在開關式電源中是常見的），這時電源輸出的電壓就會由于繼電器對動態(tài)電流的需求而發(fā)生變化，感應出來的噪聲就會進入使用統一電源的其它模塊，影響其性能。因此，VXI總線結構對動態(tài)電流的規(guī)定，可確保所選擇的模塊不會在主機的電源線上感應出較大的起伏噪聲，這樣也就不會影響其它模塊的電性能。11/6/202436VXI總線的通信VXI總線設備類型:VXI總線設備共有四種類型：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。寄存器基的設備是最簡單的一種VXI總線設備，常用來作為簡單儀器和開關模塊的基本部分。寄存器基的設備的通信指通過寄存器的讀寫操作來完成，因為寄存器基的設備完全是在直接硬件控制這一層次上進行通信的，它的優(yōu)點是速度快，這種高速度通信可使測試系統的吞吐量大大提高。消息基的設備一般是VXI總線系統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議，以保證與其它消息基的模塊進行ASCⅡ級的通信，也便于多廠家的儀器相互兼容。通信速度會受到一定的影響，消息基的設備一般都要使用微處理器，比寄存器基的設備成本要高。

11/6/202437VXI的尋址

在VXI總線標準中，提供了三種尋址方式，即IEEE-488主尋址、IEEE-488副尋址和嵌入式尋址:

①在IEEE-488主尋址方式下，主控制器把每個VXI總線上的儀器都作為一個獨立的IEEE-488儀器來對待。這些儀器有唯一的IEEE-488地址。②IEEE-488副尋址方式與主尋址方式相似，它是利用IEEE-488總線的副地址尋址功能，不用主地址尋址。

11/6/202438PXI總線PXI(PCIExtensionforInstrumentation)是由美國NI公司于2019年推出的測控儀器總線標準。11/6/202439PXI模塊尺寸PXI規(guī)范定義了一個包括電源系統、冷卻系統和安插模塊槽位的一個標準機箱。PXI規(guī)定系統槽（相當于VXI的零槽）位于總線的最左端，主控模塊只能向左擴展自身的擴展槽，而不能向右擴展占用儀器模塊插槽。PXI儀器模塊安裝在右邊余下的槽內，同時用戶可以在第一個外圍插槽（系統插槽的相鄰槽）安裝一個可選的星型觸發(fā)控制器，為其它外圍模塊提供非常精確的觸發(fā)信號。11/6/202440PXI總線電氣結構PXI總線規(guī)范是在PCI規(guī)范的基礎上發(fā)展而來的,具有PCI的性能和特點,包括32/64位數據傳輸能力及分別高達132Mbps(32位)和264Mbps(64位)的數據傳輸速度,另外還支持3.3V系統電壓、PCI-PCI橋路擴展和即插即用。PXI在保持PCI總線所有這些優(yōu)點的前提下增加了專門的系統參考時鐘、觸發(fā)總線、星型觸發(fā)線和模塊間的局部總線,以此來滿足高精度的定時、同步與數據通信要求。11/6/202441VXI與PXI的擴展性能比較

（1）PXI系統產品的價格相當于VXI系統的一半到三分之二。（2）市場上大部分的VXI模塊是C尺寸，C尺寸VXI卡的面積是PXI插卡的兩倍，因而可提供更多的功能。（3）VXI通過P3連接器定義了一個有兩條星型線組成的星型觸發(fā)系統，這意味著星型觸發(fā)必須配置D尺寸機箱和D尺寸模塊才能工作；PXI也定義了一個星型觸發(fā)系統，與VXI不同的是，它通過1槽傳送精確的觸發(fā)信號，用于模塊間精確定時。（4）一個PXI機箱最多只有7個插槽可插通用模塊；與此相比，13槽C尺寸VXI機箱能提供給設計者12槽位置，一般不用通過機箱級聯，就能滿足實際需要了，而且，C尺寸的VXI模塊比3U和6U尺寸的PXI模塊能夠集成更多的功能。（5）如果從性能上考慮，PXI是當然領先，它不但傳輸速率較高，價格也相對較低，可以滿足大多數的測試應用項目要求，但是在高端領域，VXI仍然是最好的選擇，它可以完成更復雜更尖端的測試任務。11/6/2024425.4虛擬儀器系統虛擬儀器VI：是指具有虛擬儀器面板的個人計算機，它由通用計算機、模塊化功能硬件和控制專用軟件組成?！疤摂M”主要有兩方面的含義：（1）指虛擬儀器的面板是虛擬的；（2）另一方面是指虛擬儀器測量功能是由軟件編程來實現。11/6/202443虛擬儀器的結構按其基本形式可分解為以下三個主要模塊：①輸入:進行信號調整并將輸入模擬信號轉換成數字形式以便處理。②輸出:將量化的數據轉換成模擬信號并進行必要的信號調理。③數據處理:通常一個微處理器或一臺數字信號處理器（DSP）可使儀器按要求完成一定功能。虛擬儀器就是利用通用的儀器硬件平臺，調出不同的測試軟件構成不同功能的儀器。11/6/202444虛擬儀器與傳統儀器比較傳統儀器虛擬儀器功能由儀器廠商定義功能由用戶自己定義與其它儀器設備的連接十分