基于PXI和GPIB總線電路測試系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

摘 要:傳統(tǒng)的人工方法檢測硬件電路的性能存在一系列的問題。測試總線技術(shù)是支撐自動化測試系統(tǒng)發(fā)展的核心技術(shù)，該項目借鑒國內(nèi)外在自動測試系統(tǒng)(ATS)尤其是軍用ATS中的先進(jìn)技術(shù)，針對該電路性能檢測的需要，提出基于PXI和GPIB總線的 LabVIEW軟件平臺自動測試系統(tǒng)設(shè)計方法。對提高電路測試效率、可信度和自動化水平具有重要意義，解決了工程應(yīng)用的實(shí)際問題，是一項成功的ATS應(yīng)用案例。關(guān)鍵詞:GPIB; PXI總線;儀器總線; 自動測試

中圖分類號:TN911-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0035-03

Design of Circuit Test System Based on PXI and GPIB

LI Yi-jun

(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China )

Abstract: A series of problems exist in the traditional manual methods for testing the performance of circuit. The test bus technology is the core of development of automatic test system (ATS). With various advanced techniques on ATS at home and abroad absorbed， especially on military ATS， a new automatic testing system based on the GPIB and PXI bus is designed by using Labview. The design not only significantly improves the efficiency， reliability and automatic level of circuit testing， but also solves the practical problems in engineering. It is a successfully applied case of ATS. Keywords: GPIB; PXI bus; instrumental bus; automatic testing

0 引 言

傳統(tǒng)的電路性能檢測采用人工檢測來檢定電路是否合格，主要存在以下弊端:第一，在測試過程中頻繁地更換儀器和被測對象的連線，操作儀器不斷地完成整個測試過程，后續(xù)還需要人工進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和編寫檢測報告等工作，耗費(fèi)大量的時間，不能適應(yīng)部隊武器裝備的快速化保障需求;第二，這種傳統(tǒng)檢測方法不具備自動化操作，在測試過程中對測試人員的依賴性較強(qiáng)，要求測試人員熟練掌握測試流程，而且在測試和后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程中難免引入人為誤差;第三，由于電路通常都需要完成多個項目的測試，測試過程極其繁瑣和枯燥，勞動強(qiáng)度大，而且頻繁操作和誤操作容易損壞貴重儀器。

自動化測試系統(tǒng)(automatic test system，ATS)是指[1-2]: 測試儀器在計算機(jī)的控制下，向被測對象按照一定的時序和順序提供激勵，同時對被測對象在該激勵下的響應(yīng)進(jìn)行測量的系統(tǒng)。GPIB，VXI，PXI是目前自動測試系統(tǒng)較常用標(biāo)準(zhǔn)總線，這幾種總線構(gòu)建的測試平臺比較如表1所示。1980 年代VXI的出現(xiàn)，將高階量測與測試應(yīng)用的設(shè)備帶進(jìn)了模塊化的階段。VXI的價格較高，隨著技術(shù)發(fā)展，PXI延續(xù)模塊化的精神，以較緊實(shí)的架構(gòu)設(shè)計、較快的總線速度，以及較低的價格，提供量測與測試設(shè)備一個新的選擇[3]。GPIB是控制器和可編程儀器之間通信的一種總線協(xié)議，也稱為IEEE2488標(biāo)準(zhǔn)，因其使用簡單、傳輸速率高而被廣泛應(yīng)用，隨著IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的完善，GPIB總線傳輸速率的提高以及帶GPIB接口的儀器成本不斷下降[4-5]。PXI和GPIB為目前工業(yè)上普遍采用的測試總線，其性能穩(wěn)定、操作方便、組建靈活、設(shè)備利用率高、價格低廉，適合于組建性價比高的自動測試系統(tǒng)。另外，虛擬儀器技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷完善，LabVIEW軟件平臺的圖形化操作界面，都非常有利于工程師們迅速的掌握設(shè)計編程方法，又好又快地完成項目任務(wù)，因此虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)測量領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

因此本文提出了基于LabVIEW平臺的PXI加GPIB總線的測試系統(tǒng)。

GPIB總線的自動測試系統(tǒng)的設(shè)計思想，即借助LabVIEW開發(fā)平臺，采用虛擬儀器的軟件設(shè)計方法，通過GPIB總線接口和相應(yīng)的控制電路，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對各種測試儀器的實(shí)時控制，完成對被測電路各項性能指標(biāo)的自動化測試，并充分發(fā)揮工控機(jī)自動分析和處理數(shù)據(jù)的能力，最后將數(shù)據(jù)以電子文檔形式保存后生成測試報表打印出來。

表1 三種總線測試平臺比較

參 數(shù)GPIBVXIPXI/CompactPCI

傳輸位寬/位88，16，328，16，32，64

傳輸速率/(Mb/s)1，8(HS488)40，80(VME64)132，264

定時和同步無有定義有定義

可用產(chǎn)品>10 000>1 000>1 000

尺寸大中小～中

標(biāo)準(zhǔn)軟件框架無有定義有定義

模塊化否是是

EMI防護(hù)可選有定義視具體模塊而定

系統(tǒng)成本低中～高低～中

1 測試系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 總體框架設(shè)計

該測試系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采用PXI和GPIB總線接口、數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對各種測試儀器的實(shí)時控制。在軟件設(shè)計上通過LabVIEW開發(fā)平臺，采用虛擬儀器的軟件設(shè)計方法，將工控機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，并通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、顯示以及存儲，解決了在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理的技術(shù)問題。

測試過程要以自動測試的方式完成。

自動測試主要采用NI公司的相關(guān)PXI板卡在默認(rèn)設(shè)置狀態(tài)下完成檢測工作，設(shè)計思路是通過數(shù)字I/O口控制繼電器的打開和閉合來控制測試設(shè)備的連接，等所需的測試項目連接好后，再通過LabVIEW的編寫的數(shù)據(jù)采集處理程序獲得測量數(shù)據(jù)，在顯示界面顯示測量結(jié)果，便于用戶分析處理，得出相應(yīng)的結(jié)論，最后把測量結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中，便于以后調(diào)出來進(jìn)行分析和寫測試報告。

1.2 信號調(diào)理單元設(shè)計

被測電路中有多路差分輸入信號，使用信號源產(chǎn)生模擬信號時，需要進(jìn)行差分轉(zhuǎn)換，差分轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。

圖1 差分轉(zhuǎn)換電路

分析如下:

R3上的電流:

I=sig_out-1/2sig_outR3

R6，R7左端電壓差:

VR6-VR7=I×(R3+R4+R5)=

sig_out-1/2sig_outR3×(R3+R4+R5)

對于U4放大器:

V+=VR72;V-=R6R6+R9Uout+R9R6+R9VR6;

Uout=VR7-VR6=1/2sig_out-sig_out

經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證該電路方案是可行的。

1.3 測控設(shè)備硬件

自動測試主要使用的設(shè)備是NI公司的PXI設(shè)備，采用PXI-1042機(jī)箱和PXI-8196控制器實(shí)現(xiàn)測量控制。PXI-8196控制器為2.0 GHz Intel Pentium M760處理器的嵌入式控制器，具備雙信道DDR2內(nèi)存，最大內(nèi)存容量為2 GB，集成4個USB 2.0連接端口、一個GPIB接口，以及串行端口和并行端口，預(yù)裝Microsoft Windows XP Professional操作系統(tǒng)，用于需要大量分析工作或系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用環(huán)境，例如ATE、軍事/航天、通信、工業(yè)及消費(fèi)電器應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的PXI-6259數(shù)據(jù)采集模塊，該數(shù)據(jù)采集卡有16位1 MS/s(多通道)，1.25 MS/s(單通道)，32 SE/16 DI，48路數(shù)字I/O定時硬件 (≥10 MHz)，TTL電平，4路16位模擬輸出(2.8 MS/s)，輸出范圍-10～+10 V。任意波形發(fā)生器選用NI公司的PXI-5412，能提供-6～+6 V信號，給被測試的各個信號通道提供正弦、方波等信號。示波器PXI-5152有2個單端輸入的通道，每個通道具有1 GS/s實(shí)時采樣率。動態(tài)信號分析儀選用NI公司的PXI-4461，具有2個差分輸通道，2個模擬輸入通道;通道的實(shí)時采樣率是204.8 KS/s，應(yīng)用該卡制作一個通用的動態(tài)信號分析儀界面，用以實(shí)現(xiàn)手動測量。

2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 測控軟件設(shè)計工具

該系統(tǒng)的測控軟件系統(tǒng)是在Visual Basic和LabVIEW軟件開發(fā)平臺開發(fā)的，測量的結(jié)果數(shù)據(jù)保存在SQL數(shù)據(jù)庫中。其軟件體系構(gòu)如圖2所示。

在PXI測控計算機(jī)中，利用LabVIEW和NI公司的各種數(shù)據(jù)采集處理模塊對被測電路的進(jìn)行測量;利用GPIB接口與各臺式儀表通信，可以獲得自動或手動的測量結(jié)果;利用ADO接口訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，把各種用戶需要的數(shù)據(jù)在測量過程中不斷地提交給數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)的測試信息管理工作。值得一提的是，各測量儀器操作能否實(shí)現(xiàn)同步，儀器收發(fā)命令、讀/寫數(shù)據(jù)和執(zhí)行指令的先后順序和時間能否協(xié)調(diào)，將直接影響到系統(tǒng)的可靠性、測試數(shù)據(jù)的實(shí)時性和測試系統(tǒng)的效率[6]。系統(tǒng)同步該系統(tǒng)中主要由軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)用戶的服務(wù)要求和儀器特性設(shè)計適當(dāng)?shù)某绦蛄鞒獭?/p>

為了實(shí)現(xiàn)程序的通用性，選用Visual Basic/ SQL作為測試程序與數(shù)據(jù)庫之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的工具把測量數(shù)據(jù)和測試流程分開，測試流程的任務(wù)就是根據(jù)測試需求讀取配置數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，配置測試儀器，進(jìn)行相應(yīng)地數(shù)據(jù)采集、分析計算，并把結(jié)果寫回到測試結(jié)果數(shù)據(jù)庫中[7-8]。在計算機(jī)中，安裝了數(shù)據(jù)庫，另外還附加了數(shù)據(jù)管理查詢軟件，以及提供給用戶安裝其他軟件的選擇。這樣，PXI測控計算機(jī)不會因?yàn)樾枰獢?shù)據(jù)庫管理而占用資源;另外當(dāng)沒有啟用PXI測控計算機(jī)時，只啟用了通用計算機(jī)，也可以對已經(jīng)測量板卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。Visual Basic可以更好地與SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對接，對用戶的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢，管理等操作，在計算機(jī)中應(yīng)用Visual Basic編寫了方便用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的數(shù)據(jù)管理查詢軟件。

圖2 測控系統(tǒng)軟件構(gòu)架

2.2 測控軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的測控軟件是運(yùn)行在PXI測控計算機(jī)上的軟件，其主要軟件層次框圖如圖3所示。軟件采用層次結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)功能測試的同時，還具有數(shù)據(jù)存儲、查詢回放功能，具有良好的實(shí)用性和操作性。

3 結(jié) 語

該課題的研究和開發(fā)，對電路的檢測具有重要意義。 首先，采用自動化測試系統(tǒng)大大提高了測試效率，節(jié)省了寶貴的時間，能夠適應(yīng)信息化條件下裝備快速化保障的需要;其次，把測試人員從繁瑣的檢測任務(wù)中解放出來，減輕了勞動強(qiáng)度，大大節(jié)省了人力消耗;最后，整個測試系統(tǒng)一次性連接好后不需要人為干預(yù)，只需在電腦上選擇測試的項目和填寫一些基本數(shù)據(jù)即可開始檢測，非專業(yè)人員也可完成測試過程，基本上排除了人為誤操作產(chǎn)生的差錯，提高測試結(jié)果的可信度，保證了系統(tǒng)的安全使用。

圖3 測控軟件層次框圖

參考文獻(xiàn)

[1]于功敬，孟漢城.軍用ATE/ATS 技術(shù)的發(fā)展[J].測控技術(shù)，2000，19(1):13-15，18.

[2]賈志軍，顏國強(qiáng).外軍ATE/ATS 技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].計算機(jī)測量與控制，2003，11(1):1-4.

[3]萬世豪.PXI技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀[J].中國儀器儀表，2003(5):1-4.

[4]周琴.GPIB總線及應(yīng)用技術(shù)[J].低壓電器，2008(1):37-40.

[5]李迪，陸鈺.基于GPIB的測試程序的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)，2009(11):39-41.

[6]莫畏.一種基于GPIB的自動測試系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2008(9):5-8.

[7]王勇，王晟達(dá)，彭蘇.基于PXI 和GPIB 總線雷達(dá)自動測試系統(tǒng)的設(shè)計[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報，2004(6):112-114.

[8]唐波，潘紅兵，杜煒.基于LabVIEW的電路板信號檢測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008(3):11-13.

[9]侯國屏，王珅，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[10]曹成俊，張宏偉.自動測試系統(tǒng)中的總線技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(14):159-163.