第9章 自动测试技术.doc

1、第 9章 自动测试技术教学目的与要求 本章重点要求掌握自动测试技术的发展以及系统的基本结构、GBIP总线的结构性能和传递的过程、VXI 总线的结构和器件分类、智能仪器的结构以及虚拟仪器的结构。关键词 自动测试系统（Automated Test System） GBIP（instrument） VXI （VMEbus Extensions for Instrumentationr） 智能仪器（Intelligent instrument） 虚拟仪器（National Instruments）9.1 自动测试系统的基本结构随着近代科学技术的迅速发展，生产和项目研发的规模越来越大，生产效率要求也越来

2、越高，产品研究和开发过程中要求测试的项目和内容也日趋复杂，而且测量的精度和速度要求也很高，通常还伴随着大量的数据处理和统计运算的工作。在这种情况下，靠人工和简单功能的仪器进行测试已不能胜任，如何解决测试技术的自动化问题就成为技术人员关心和着力研究的问题。计算机技术、实时采样技术、频率合成技术的发展和成熟，给自动测试技术和系统的研究奠定了基础，检测技术、传感器技术、数据传输和处理技术以及大规模集成电路技术的发展，尤其是单片计算机技术和计算机科学的飞速发展，为测试技术的自动化提供了必要的技术条件和手段。通常将在计算机控制下，能自动进行各种信号测量、数据处理、传输，并以适当方式显示或输出测试结果的系

3、统称为自动测试系统，简称 ATS（Automated Test System） ，这种技术我们称之为自动测试技术。在自动测试系统中，整个工作都是在预先编制好的测试程序统一指挥下完成的，系统中的各种仪器和设备是智能化的，都可进行程序控制。自动测试系统（ATS）是一个不断发展的概念，随着各种高新技术在检测领域的运用，它不断被赋予各种新的内容和组织形式。自动测试技术创始于 20 世纪 50 年代，从 20 世纪50 年代至 21 世纪的今天，大致分为以下三代。9.1.1 第一代自动测试系统第一代自动测试系统是根据测量任务专门设计的，主要用计算机技术来进行逻辑定时控制，主要动能是进行数据自动采集和自动

4、分析，完成大量重复数据的测试工作，承担繁重的数据运算和分析任务。系统中的仪器采用专用接口，因此系统较为复杂，通用性差，不利于自动测试系统的推广应用。9.1.2 第二代自动测试系统第二代自动测试系统是尽可能利用现成的仪器设备，再利用计算机来共同组建成所需要的自动测试系统。为了系统组建方便，第二代自动测试系统中的仪器采用了标准化的通用接口，这样就可以把任何一个厂家生产的任何型号的可程控仪器连接起来形成一个自动测试系统。第二代自动测试系统示意图如图 9-1 所示。系统的典型方框图 9-2 所示。图 9-1 自动测试系统示意图图 9-2 自动测试系统典型方框图图中表明，当前的自动检测系统，通常包括以下

5、几个部分。（1）控制器控制器是自动检测系统的核心，它由计算机构成。其功能是管理检测周期，控制数据流向，接收检测结果，进行数据处理，检查读数是否在误差范围内，进行故障诊断，并将检测结果送到显示器或打印机。控制器是在检测程序的作用下，对检测周期内的每一步骤进行控制，从而完成上述功能的。（2）激励信号源激励信号源是主动式检测系统必不可少的组成部分其功能是向被测单元（UUT）提供检测所需的激励使号。根据各种 UUT 的不同要求，激励装置的形式也不同，如交直流电源、函数发生器、DA 变换器、频率合成器、微波源等。（3）测量仪器测量仪器的功能是检测 UUT 的输出信号根据检测的不同要求，测量仪器的形式也不

6、同，如数字式多用表，频率计，AD 变换器及其它类型的检测仪器等。（4）开关系统开关系统的功能是控制 UUT 和自动检测系统中有关部件间的信号通道。即控制激励信号输入 UUT，和 UUT 的被测信号输往测量装置的信号通道。（5）适配器适配器的功能是实现 UUT 与自动检测系统之间的信号连接。（6）人机接口人机接口的功能是实现操作员和控制器的双向通信。常见的形式为，操作员用键盘或开关向控制器输人信息，控制器将检测结果及操作提示等有关信息送到显示器显示。显示器的类型有阴极射线管（CRT）显示器、液晶（LCD）显示器、发光二级管（LED）显示器或灯光显示装置等。当需要打印检测结果时，人机接口内应配备打

7、印机。（7）检测程序自动检测系统是在检测程序的控制下进行性能检测和故障诊断的。检测程序完成人机交互、仪器管理和驱动、检测流程控制、检测结果的分析处理和输出显示、故障诊断等，是自动检测系统的重要组成部分。9.1.3 第三代自动测试系统大体说来，它也是由微型计算机、通用硬件系统和软件系统三部分组成。但是，第三代自动测试系统主要体现以软件控制、以功能组合方式实现的合成仪器自动测试技术，以高速 A/D、D/A 和 DSP 芯片为基础组成通用测试仪器硬件系统（即通用硬件部分，结构如图 9-3 所示） ，而测试/测量任务的实现以及系统升级完全依靠软件来实现（即软件系统部分，如图 9-4 所示） ，例如，进

8、一步利用“软件就是仪器 ”的虚拟仪器技术的发展，可以将频谱分析仪、射频功率计、波形分析仪、时间/频率测试仪和 AC/DC 电压测量等各种仪器的功能由一个 VXI 总线合成仪器模块来实现，其它测量仪器进行相应的升级改造，然后整个系统依靠软件系统完成信息的采集、数据处理及其它显示、打印和传输等功能。图 9-3 通用硬件部分典型结构图图 9-4 软件系统部分示意图9.2 接口总线系统与智能仪器所有的程控仪器、设备均配备标准接口，并联在通用接口总线上。接口总线系统的优点是可以根据具体测试任务的需要，选用现成的标准总线接口的仪器（包括计算机） ，组建自动测试系统，系统也可以随时改建或重建。 因此，各器件

9、可用于任何一个自动测试系统中间进行毫不含混的信息交换。为此，各器件的接口在机械上、电气上、功能上必须相容，在运行上必须规范，以保证各种命令和测试数据在互联设备间准确无误地传递。具体体现在以下三个方面：（1）机械上的相容性 接插头、插座的尺寸、信号线的数目以及位置必须相同。（2）电气上的相容性 每条信号线所允许的电压和电流大小，以及逻辑电平、逻辑极性等必须相容。（3）功能上的相容性 接口功能、接口消息以及编码惯例等必须相容。以上三个要素通常被称为接口总线系统三要素，它们不管器件的特性和运行而作统一规定。至于运行上的相容性，包括测量数据的表示方法和编码格式、程控指令的格式等，这些与器件本身的特性和

10、运行有关。目前，标准接口总线系统主要有 RS232C，CAMAC，IEEE488，VXI ，PXI，IEEE1394及 USB 总线等。9.2.1 接口总线系统概述自动测试系统中，不论系统大小、各器件的数据交换是如何频繁和复杂，系统中的器件从作用功能上来讲只有三种。（1）控者 有些仪器设备可以对系统中的其他器件进行寻址或发出管理信息，具有控制整个系统协调工作的能力，这种仪器或设备称为控制器。简称控者。如专用控制器、计算机等。（2）讲者 有些仪器设备可以通过接口发送各种数据和信息，称为讲者。如数字电压表、计算机等。 （3）听者 有些仪器设备能够通过接口接收数据，称为听者。如打印机、计算机等。系统

11、工作时，在某一时刻只能有一台设备是控者，一台设备作为讲者，其余作为听者或处于空闲状态，否则就会使系统的工作发生混乱。如：由 IEEE488 接口总线系统，是一种外部总线，适用于一个实验室内相距 20 米以内的各设备之间互连。接口总线包括 8 根数据线、3 根挂钩线、5 根管理线和地线，定义了10 种接口功能，属异步并行总线。IEEE488 接口总线结构如图 9-5 所示。下面重点介绍 GPIB 和 VXI 接口总线系统。图 9-5 IEEE488 接口总线结构图9.2.2 GPIB总线9.2.2.1 GPIB 基本结构 采用 24 芯总线，分为数据总线、挂钩线和管理总线三种。其总线的基本结构如

12、图 9-6所示。（1）数据总线 GPIB 中数据总线 8 条，标名为 DIO1DIO8。这 8 条 DIO 线用于传送系统内一切远地消息，包括仪器消息和和接口消息。（2）数据传送挂钩线 挂钩线有 3 条，用来实现讲者和听者之间的通信联络，确保数据总线能够准确无误、双向异步、有节奏地传输消息，这种传输方式称为三线挂钩。这三条控制线称为挂钩线，它们分别如下。DAV（Data Valid）数据有效线。当为低电平（逻辑 1）时，源方向受者表示 DIO线上载有信息，并且有效，各听者可以接收；当 DAV 为高电平（逻辑 0）时，表示 DIODIO1 DIO8设 备 D只 能 讲 接口接口接口接口(例 如

13、纸 带 读 出 器 ）(例 如 打 印 机 ）(例 如 数 字 电 压 表 ）(例 如 计 算 机 ）设 备 A能 讲 、 听及 控 制设 备 B能 讲 及 听设 备 C只 能 听 AVNRFDACIFNTSRQEOI数 据 母 线（ 8条 ）数 据 拜 特 传递 控 制 母 线（ 3条 ）接 口 管 理 母 线（ 5条 ）线上没有信息或者即使有信息也无效，听者不应该接收。NRFD （Not Ready For Data）未准备好接收数据线。此线为各听者所共用，用来向源方表明听者接收数据的准备情况。当 NRFD 为高电平（逻辑 0）时，各听者向讲者或控者表明，所有听者都已准备好接收数据；当 N

14、RFD（逻辑 1）为低电平时则表明有部分听者或全部听者还没有准备好接收数据。NDAC（Not Data Accepted）未接收数据线。此线为各听者共同使用。当 NDAC 为低电平（逻辑 1）时，表明部分听者或全部听者尚未接收完数据，讲者或控者必须继续等待，不更新 DIO 线上的数据，直到全部听者都已接收完数据即 NDAC 变为高电平（逻辑0）为止。图 9-6 GPIB 接口总线基本结构图9.2.2.2 接口管理总线接口管理总线共有 5 条，用来管理接口本身的工作。它们所载有的信息为系统中各台设备通用，被控者选定的仪器都必须接收。（1）注意线 ATN（Attention） ATN 线由控者使用

15、。当 ATN 为低电平时，表示数据总线上由控者发布的信息是接口信息，除控者外的所有仪器都有要注意接收；ATN 为高电平时，表示数据总线上所载的信息是由讲者输出的仪器信息，只有已经被寻址为听者的那些仪器设备才能接收。（2）结束或识别线 EOI（End For Identify） EOI 线由控者使用。EOI 线与 ATN 线配合使用有两个作用：当 EOI 线为低电平，ATN 线为高电平时，表示讲者已经传完一个字节的数据；当 EOI 线为低电平，ATN 线也为低电平时，由控者进行点名，用来识别哪个设备提出了服务请求。（3）服务请求线 SPQ（Service Request） 当具有服务请求功能接口

16、的仪器在需要向控者请求服务时，可将 SRQ 线由高电平变为低电平。以便向控者表明要求服务，即要求控者中断当前的工作程序，希望由将它变成讲者，报告情况。（4）接口清除线 OFC（Interface Clear） 它由控者使用，当 IFC 线由高变低时，命令系统的全部接口恢复到初始状态。（5）远控线 REN（REMOTE Enable） 当有一台可程控仪器不接入系统而单独使用时，将 REN 线高为高电平即可，这时该仪器工作时只受面板的控制；当要将仪器接入一个自动测试系统中并成为系统中的一个器件时，同控者将 REN 线高为低电平并配合 ATN线，接入的仪器就能接受系统控制了。9.2.2.3 接口功能

17、简介接口功能是系统中各仪器设备和总线连接时接收、处理和发送消息的能力，具体分为十种。（1）源挂钩能力 SH（Source Handshake） 它是数据传送过程中的源方用来向受方进行挂钩联络的。它向总线输出“数据有效或无效消息” ，并检测受方通过总线发来的“未准备好或已准备好接收数据消息”以及“未收到或已收到数据消息”的挂钩联络信号。AH功能是系统中的听者必须配置的接口功能。（2）受者挂钩能力 T（Acceptor Handshake） 它是数据传送过程中的受方用来向源方进行挂钩联络的。它向总线输出“未准备好或已准备好接收数据消息” 、 “未收到或忆收到数据消息” ，并检测源方通过总线发来的“

18、数据有效或无效”的挂钩联络信号。AH 功能是系统中的听者必须配置的接口功能。（3）讲者功能 T（Talker or Extended Talker） 它用来交程控数据、测试数据或状态字节通过接口系统发送给其他设备。只有被寻址为讲者的设备在发送消息时才具有这种能力。并且讲者功能的设备必须同时具备源功能。（4）听者功能 L（Listener or Extended Listener） 它用来接收来自讲者或控者的信息，并且只有受者功能通过三线挂钩来接收信息。（5）控者功能 C（Controller） 它用来向系统中的其他设备发送各种接口信息或对各部分进行串行点名或进行点名以便确定哪台设备提出了服务请

19、求。只有在系统中起控制作用的设备才具有控者功能。（6）服务请求功能 SR（Service request） 当系统中的某一个设备在运行过程中遇到诸如过载、程序不明、测量结束或出现故障等情况时，该设备的 SR 功能就通过 SRQ 线通知控者。当控者完成了正在进行的一个信息传输后，立即中断原程序，转向串行点名，找到“请求服务者” ，了解请求内容并采取相应的措施。（7）远地/本地控制 RL（Remote Local） 在没有进行远地控制之前，系统中的所有程控设备都在各自的本地控制下工作。当控者使 REN 线从高电平变为低电平时，同时令ATN 线为低电平，再发出一个本地封锁命令，使所有设备面板上的返回

20、本地按钮不起作用，而处于远地控制。（8）并行点名功能 PP（Paraller Poll） 控者为了定期检查并获得系统中的各台仪器的工作状态，要向系统中各仪器设备同时发出并行点名的信息后只有那些配有 PP 功能的仪器通过预先分配给它的某条 DIO 线作为响应线做出响应，控者依据 8 条数据总线的电平高低就可知道有无服务请求以及是哪些设备提出了服务请求。（9）器件触发功能 DT（Device Trigger） 它是用来启动系统中的某一台或几台设备。在具有 DT 功能的某设备收到控者发来的要求触发的接口消息之后，就能过接口中的仪器触发功能发出一个内部信息，启动本设备工作，并开始执行规定的操作。（10

21、）器件清除功能 DC（Device Clear ） 当设备收到控者发来的仪器清除信息后，能过仪器接口内的 DC 功能发出一内部信息使该设备恢复到初始状态。DC 是通过数据总线发送过来的，而接口清除信息 IFC 是通过接口清除线发送的。由些，在十种接口功能中，源挂钩、受者挂钩、讲者、听者和控者五种接口功能是最基本的功能。每台仪器并非要将十种功能配置全，例如，一个信号源就只需 AH、L、RL和 DT 等接口功能就行了。数字电压表只需配 AH、SH 、 L、SR 、RL 和 DC 等功能。9.2.2.4 三线挂钩技术图 9-7 三线挂钩过程示意图三线挂钩技术就是利用 DAV、NRFD 和 NDAC

22、三条线来控制信息从源方向受者进行传送的过程。三线挂钩技术的工作过程如图 9-7 所示。（1）源方开始令数据有效 DAV 线为高电平，这时数据无效。（2）受者开始令 NRFD 线和 NDAC 线为低电平，表示所有受者都没有准备好接收数据以及没有一个受者接收到数据。（3）源方检查 NRFD 线和 NDAC 线是否均为低电平，如果是，就将第一个字节的数据收到数据总线上去。（4）NRFD 线由低电平变为高电平，表示各受者都已准备好接收数据，其中虚线表示不同受者发出已准备好接收数据的时间是不同的。（5）源方发现 NRFD 线为高电平，遂令 DAV 线为低，表示些时 DIO 线上的数据已经稳定而且有效。（

23、6）第一个受者（速度最快的一个）在接收数据后令 NRFD 线变为低电平，表示已开始接收数据，其他受者随后以各自的速度相继接收数据。（7）第一个受者令 NDACX 线为高电平，表示已接收完数据，但由于其他受者尚未接收完数据，帮 NDAC 线仍为低电平。直到最后一个受者接收完数据，这时 NDAC 线变为高电平。（8）源方发现 NDAC 线为高电平后，遂令 DAV 线为高电平，向受者表明 DIO 线上数据已无效。（9）源方撤离数据总线上的数据字节。（10）各受者得知 DAV 线为高电平后，就令 NDAC 莼为低电平，为下一次接收作好准备，三线重新处于初始状态。使用三线挂钩技术，使数据传输过程中具有不

24、同速率的源方和受者之间能实现自动协调，保证了传输数据的可靠性。源挂钩能力和受者挂钩能力只能对源方和受者之间起联系作用，不能直接执行发送和接收数据的任务，这一任务是由讲者功能和听者完成的。所传输的信息要按规定进行编码后才能被电路所接受。9.2.3 VXI总线VXIbus 是 VMEbus Extensions for Instrumentationr 的缩写，它是 VMEbus 在仪器中的扩展。对于该系统总线的概况可以粗略描述如下：该系统最多可以包含 256 个器件，每个器件都有惟一的地址单元，系统允许有 A、B、C、D 四种尺寸的模块，并把模块插入特制的主机箱内各插槽中，系统组建就像插放和更新

25、书籍一样灵活、方便。对该系统的控制和管理可以通过主机箱外的外部控者或嵌入主机箱的内部控者来实现。9.2.3.1 VXI 主机箱（1）VXI 总线模块尺寸 VXI 总线模块尺寸有 4 种标准尺寸：A 尺寸模块 100mm160mm(高深)；厚度 200mm(可扩展若干倍)B 尺寸模块 233.5mm160mm(高深)；厚度 200mm(可扩展若干倍)C 尺寸模块 233.5mm340mm (高深)；厚度 300mm(可扩展若干倍)D 尺寸模块 366.7mm340mm (高深)；厚度 300mm(可扩展若干倍)A 尺寸模块只有 P1连接器，B 尺寸模块和 C 尺寸模块具有 P1和 P2两种连接器

26、，D 尺寸具有具有 P1、P 2和 P3三种连接器。VXI 总线都被印刷在主机箱内的多层背板上，通过 P1、P 2、P 3连接器与器件连接。每个连接器都有 96 个引脚，分为 A、B、C 三列，每列 32 个引脚。（2）VXI 总线的构成 VXI 总线电气结构如图 9-8 所示，它共有 8 种总线：图 9-8 VXI 总线电气结构图VNE 计算机总线 规定使用 P1连接器的 96 个引线端子和 P2连接器中间一列的 32 个引线端子。P 2连接器两旁的 64 个引线端子和 P3连接器的引线端子是由 VXI 总线扩展出来的。包含了数据传输总线、数据传输的促裁总线、优先级中断总线和公用总线。它支持

27、 32位数据传输和 16Mbyte 地址寻址。时钟和同步总线 通过 P2连接器提供 10MHz 时钟，通过 P3连接器提供 100MHz 时钟；P3上还有一种同步信号，用来使多个器件对于 100MHz 时钟的上升沿同步，以便在模块间提供非常准确的时间配合。时钟有信号和同步都是从 0 号槽模块点对点单独传至其他各槽。星形总线 处于 P3连接器上，提供模块间的异步通信。星形总线连接在各模块插槽和 0 号槽之间，通过程控方式提供任意星形之间的信号路径。触发总线 为了适应仪器的触发、定时和消息传递的要求，提供 TTL 和 ECL 触发信号。每条触发线连着各槽的模块，信号在背板的两个端点间逐次传递。本地

28、总线 提供了相邻模块间的本地通信，得到高传输率。在 P2中可达250MB/S，P 3中可达 1GB/S。模块识别线 用来检测模块的存在并指示它的物理位置。通过 0 号槽的 P2连接器对其余 12 个槽的模块进行识别。相加总线 用来对模拟信号求和。电源总线 通过背板向模块提供 7 种电源。（3）VXI 总线系统器件分类消息基器件 它支持 VXI 总线配置和通信协议，一般是具有通信能力的本地智能器件。如，数字式万用表、频谱分析仪、GPIB-VXI 总线接口器件等。寄存器基器件 它支持 VXI 总线寄存器分配图，但不支持 VXI 总线的通信协议，一般是简单、便宜的器件。如，简单的开关、数字 I/O

29、卡、简单的串行接口卡等。存储器器件 它具有配置寄存器，并包含一定的存储器器件的特征，诸如存储器类型和存取时间等，但不具有 VXI 总线定义的其他寄存器或以通信协议，如 RAM 或 ROM 卡。扩展器件 它允许将来定义更新种类的器件，以支持更高级的兼容性。9.2.3.2 0 槽控制器VXI 总线系统可以包含一个或多个子系统，每个系统最多可以有 13 个模块，其典型系统结构如图 9-9 所示。其中主机箱最左边的插槽为 0 号槽，用于控制 VXI 总线系统的翻译器和接口都是放置在 0 号槽位置，因此也常自然数为 0 槽控制器。它还必须有公共系统资源及资源管理的功能，以实现对公共时钟信号、触发信号、模

30、块识别信号、中断优先及中断响应等信号的驱动和管理。图 9-9 VXI 总线主机架典型系统结构图一台配备 GPIB 控制功能的计算机可以通过 BPIB-VXI 翻译器就能以控制 GPIB 仪器的方式去控制 VXI 总线仪器。它具有如下功能：将 GPIB 仪器程控代码转换为 VXI 命令，并在VXI 主机箱内实时执行；通过 GPIB 控制 0 槽资源管理器；完成 GPIB 协议和 VXI 协议间的翻译，用 GPIB 控制 VXI 总线仪器；扩展内置局部命令集，访问 GPIB 或 RS-232 端口。9.2.3.3 SCPI 可程控仪器标准命令和 OEEE-488.2 标准采用 IEEE-488 接

31、口标准实现了硬件标准化，但 IEEE-488 接口标准未解决采用任何种语言进行通信或建立某种公共语言环境的问题。使得仪器间的通信协议、语法数据格式等随着厂家用同而不同。为了克服通信协议及语法的不兼容性，在 IEEE-488 的基础上产生了IEEE-488.2 标准。它规定了仪器间的数据交换代码、格式、协议和公式命令，保证了仪器间的通信软件达到了高层次的兼容。因此，IEEE-488.2 标准是自动测试系统中实现通信标准化的一个重要基础标准。9.2.4 智能仪器20 世纪 70 年代以来，随着微处理器的广泛应用，出现了解完全突破传统概念的新一代仪器-智能仪器。这类仪器以微处理为核心，代替常规电子线

32、路，具有信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能。另外这类仪器一般都配有标准接口，可以参与自动测试系统的组建。智能仪器的组成包括硬件和软件两大部分。（1）智能仪器的硬件组成图 9-10 智能仪器的硬件组成框图其基本框图如图 9-10 所示。微处理器根据面板键盘设置的状态和数据，按程序存储器（ROM）中的程序控制整机各部分的工作，将仪器采集到的模拟量经 A/D 变换器转变为数字量后，再进行数据处理，最后得到的测量结果可直接送数字显示器或经 D/A 变换器转变成模拟量输出。数据存储器（RAM）用来存储测量数据及运算的中间结果。（2）智能仪器的软件组成智能仪器的软件主要分为主程序和子程序。主程序

33、的主要任务是完成仪器的初始化、分析和执行来自键盘及 GPIB 的命令，包括定时中断程序、数据有效中断程序以及 GPIB 中断程序；子程序则具体执行各命令，完成测量及数据处理任务，包含实现 A/D 或 D/A 变换程序、误差处理程序以及数值计算程序等。（3）智能仪器举例图 9-11 所示为一智能多用表组成框图。微处理器系统在智能仪器中所起的作用包括两面三刀方面，即仪器与外界的通信和仪器内部的工作。仪器通过与外界通信取得有关测量意图以及被测对象的原始信息，经过内部工作处理后，又通过与外界通信而给出测量结果。图 9-11 智能多用表组成框图（4）智能仪器特点具有面板编程控制能力，仪器可由面板上的功能

34、键和上功能键和数字键来完成一系列操作。能接受远地编程控制，通过仪器的标准接口及标准母线，用计算机进行远地控制。整机电路以微处理器为核心，用软件代替一些硬件，将硬件软件，既简化了电路又降低了成本。具有一定的数据处理能力，如计算、变换、误差修正等。输出显示多样化。9.3 虚拟仪器9.3.1 虚拟仪器的基本概念虚拟仪器概念是为了适应 PC 卡式仪器而提出的。众所周知，传统仪器主要包括三个部分：数据采集与控制、数据分析和数据显示。而 PC 卡式仪器由于自身不带仪器面板，因此必须借助于 PC 机作为其数据分析而显示的工具。利用 PC 机强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化虚拟仪器面板，完成对仪器的控

35、制、数据分析与显示。这种包括实际仪器使用、操作信息的软件与 PC 机结合构成的仪器就称为虚拟仪器。它与传统仪器的比较如表 9-1。虚拟仪器的基本结构框图如图 9-12 所示。表 9-1 虚拟仪器与传统仪器的比较对比项目 虚拟仪器 传统仪器技术实现核心 软 件 硬 件开发和维护费用 低 高技术更新周期 短 长可配置性 强 功能单一、可配置性差数据处理 可编辑、存储、打印 无法直接处理通讯实现 易于与其它设备通讯 不易实现通讯功能实现 由用户自己定义 由厂家预先定义由于 PC 机能提供强大的处理功能，因此借助于一台通用的数据采集板，用户就可以通过软件方法构造成几乎任意功能的仪器， “软件就是仪器”

36、是虚拟仪器内涵的充分体现。特别是 VXI 总线的系统结构为虚拟仪器的开发提供了更为理想的平台。虚拟仪器的硬件和软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点，可以更方便、更经济地构成自动测试系统。图 9-12 虚拟仪器结构框图9.3.2 虚拟仪器的结构分类9.3.2.1 按照虚拟仪器总线方式分类 可以分为 PC 总线方式、GPIB 通用接口总线方式和 VXI 总线方式等类型。（1）PC 总线 插卡型虚拟仪器基于 PC 总线插卡型虚拟仪器它借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件相结合，完成检测任务，充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件。典型插卡型虚拟仪器由传感器、信号调理电路、数据采

37、集卡、计算机四部分组成。多层电路板、可编程仪器放大器、即插即用、系统定时控制器、多数据采集板、实时系统集成总线、具有双缓冲区的高速数据采集、数据高速传送中断、DMA 等技术应用，使数据采集卡能保证很高的准确度与可靠性。（2）GPIB 总线方式 GPIB 技术是 IEEE488 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动检测系统发展。典型的 GPIB 系统由一台 PC 机、一块 GPIB 接口卡和若干台 GPIB 形式的仪器通过 GPIB 电缆连接而成。在标准情况下，一块 GPIB 接口卡可带多达 14 台的仪器，电缆长度可达 20 米。GPIB 技术可用计

38、算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动检测系统。GPIB 测量系统的结构和命令简单，造价较低，主要应用于台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求不高的场合。（3）VXI 总线VXI 总线是高速计算机总线 VME 在虚拟仪器领域的扩展，它具有稳定的电源、强有力的冷却能力和严格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。其适合于组建大、中规模自动检测系统以及对速度、精度要求高的场合。然而，组建 VXI总线要求有机箱、管理器

39、及嵌入式控制器，造价比较高。9.3.2.2 按照仪器功能划分 总的说来，虚拟仪器按照仪器功能划分三个通用模块组成：输入部分 - 进行信号调理并将输入的被测模拟信号转换成数字信号以便于处理。输出部分 - 将量化的数据转换成模拟信号并进行必要的信号调理。数据处理部分 - 通常一个微处理器或数字信号处理器（DSP）就可使仪器按测试要求完成各种处理功能。图 9-13 虚拟仪器实例将具有一种或多种功能的通用模块组成在一起，就能构成任何一种虚拟仪器。例如，一台频谱分析仪包括一个输入部分和一个数据处理部分。一台波形发生器包括输出部分和一个数据处理器。图 9-13 所示的一个虚拟仪器系统中，输入的被测信号经信

40、号调理后，送到 A/D 转换，变为数字信号，再根据测试的需要，用数字信号处理器 DSP 对转换后的数字信号进行处理，就可得到被测信号的波形、频谱或电压值；如果需产生任意波形，则可利用 DSP 及适当的算法将所生成的数据送入 D/A 转换器，再经信号调理产生需要的信号波形。图 9-14 虚拟仪器体系结构图从示例中可以得出虚拟仪器的体系结构，如图 9-14 所示。9.3.2.3 按照基本组成划分：虚拟仪器主要由硬件和软件组成。虚拟仪器的硬件结构主要由两部分组成，一部分是计算机硬件，一部分是仪器硬件。仪器硬件和计算机硬件一起工作，用来采集数据、提供源信号和控制信号，例如数据采集卡。他们和软件部分组合

41、在一起构成任何一种用户需要的测试仪器。虚拟仪器的软件结构如图 9-15 所示，对 VXI 总线而言的虚拟仪器软件主要包括三部分。应用软件开发环境仪器驱动器软件VXI 总线接口软件交互式控制器资源编辑器资源管理器VXI功能库图 9-15 虚拟系统软件基本构成（1）VXI 总线接口软件总线接口软件驻留在计算机系统之中执行总线的特殊功能，它处于软件框架的最底层，是实现虚拟仪器功能的最基础软件，一般要求该软件还必须与其它仪器系统（GPIB、RS232 等）的软件结构兼容，以便于系统集成。资源管理软件执行 VXI 总线特性、系统的初始化与组态；在建立仪器过程中，用户通过资源编辑器使资源管理器组态 VXI

42、 总线系统；交互式控制工具用户能够交互监控 VXI 总线背板和器件，并在开发过程中通过它调试 VXI 总线系统；VXI 总线功能库涉及到 VXI 总线的低层通信协议，为用户控制 VXI 总线系统提供多种功能调用。（2）仪器驱动器软件它是完成某一定仪器的控制与通信的软件程序，是用户软件的一部分，是 VXI 总线虚拟仪器的核心。仪器驱动软件处于软件框架的中间层，完成对某一特定仪器的控制与通讯，它可作为用户程序的一部分。每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的；仪器驱动程序对于仪器的

43、操作与管理，又是通过输入/输出（I/O）软件所提供的统一基础与格式的函数库（VASA）调用实现的。其包括以下内容：操作接口 提供了一个虚拟仪器面板，用户通过对该面板控制完成对仪器的操作；编辑接口 将仪器虚拟面板的相应操作转换成仪器的代码，以实现对仪器驱动的功能调用；I/O 接口 提供了仪器驱动器与仪器的通信能力；功能库 描述了仪器驱动器所能完成的测试功能；子程序接口 使得仪器驱动器在运行时能调用它所需要的软件模块。（3）应用软件开发环境应用软件开发环境位于软件框架的最顶层，它将计算机的数据分析和显示能力与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必须的软件工具与环境。目前，有两类虚拟仪器的

44、开始环境，一类是基于传统的文本式编程语言平台，如 NI 公司的LabWindows/CVI 和微软公司的 VC+、Visual Basic 等；另一类是基于图形化工程环境的图形编程语言平台，如 HP 公司的 HP VEE、NI 公司的 LabVIEW 等。未来的自动检测技术的发展趋势，就是采用开放的商业标准，充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破传统测试技术在数据信号处理、显示、传送、存储、打印等方面的局限，大幅度减少测试系统软、硬件的开发、升级的费用，实现系统的互操作性，满足维护的灵活性，实现不同维护级别间自动检测系统的通用，最大限度地发挥检测系统的能力，实现信息共享，从而对被测的各个系统、项

45、目和数据进行综合分析、评估，得出准确判断，完成自动测试控制功能。知 识 归 纳（1）自动测试系统的发展过程分为三代。其中第二代自动测试系统是基于 GPIB 构建的。（2）GPIB 基本性能以及 GPIB 的接口三要素。（3）GPIB 系统中器件功能主要分为三种：控者、讲者和听者。GPIB 中的消息分为接口消息和仪器消息。GPIB 的总线基本组成分为：数据总线、挂历钩线和管理总线。（4）基于 GPIB 的系统中，信息的传递是利用三线挂钩技术。（5）第三代自动测试系统是基于 VXI 总线构建的。软件是整个仪器的关键。VXI 系统仪器模块有：消息器件、寄存器器件、存储器器件和扩展器件。采用 IEEE

46、-488.2 规范。（6）智能仪器是利用微处理器来进行控制的，由软件和硬件构成，带有 GPIB 接口的智能仪器可构成自动测试系统。（7） “软件就是仪器”是虚拟仪器的内涵。虚拟仪器的硬件由计算机硬件和仪器硬件构成；软件由 VXI 总线接口软件、仪器驱动和应用软件开发环境构成。数字信号处理（DSP）是虚拟仪器的重要组成部分。知 识 结 构 图 表自动测试技术 接口总线系统虚拟仪器自动测试技术发展历史自动测试系统的基本结构工作原理智能仪器自动测试系统的基本结构接口总线系统基本结构GPIB 接口总线系统VXI 接口总线系统智能仪器的硬件组成典型自动测试系统的结构智能仪器的软件组成典型智能仪器及其特点虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器的结构分类虚拟仪器的基本组成习题与思考题 99.1 第二代自动测试系统有何特点？9.2 GPIB 总线是如何定义的？其基本结构如何？9.3 试述 GPIB 中三线挂钩传送数据的过程。9.4 VXI 总三的含义是什么？它包括哪 8 种总线？9.5 VXI 总线中的 0 槽控制器有何作用？9.6 智能仪器的基本概念是什么？微处理器在仪器内部起什么作用？9.7 试说明虚拟仪器的基本概念并给出其基本结构。9.8 虚拟仪器的仪器驱动器应具备哪些功能？9.9 试述虚拟仪器与 VXI 系统的关系。