基于模塊化設(shè)計的自動信號測試系統(tǒng)

卜云萍 成絲雨 王道酉 趙 洋 陳 珺

(1.中國洛陽電子裝備試驗中心，洛陽 471003；2.中國空間技術(shù)研究院神舟學(xué)院，洛陽 471003)

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基于模塊化設(shè)計的自動信號測試系統(tǒng)

卜云萍1成絲雨2王道酉1趙 洋1陳 珺1

(1.中國洛陽電子裝備試驗中心，洛陽 471003；2.中國空間技術(shù)研究院神舟學(xué)院，洛陽 471003)

通過一個應(yīng)用測量的完整實例，介紹了通過調(diào)用VISA庫實現(xiàn)對多種接口智能儀器進行程控，通過模塊化設(shè)計組成一個綜合自動信號測試系統(tǒng)的方法。

GPIB；VISA；信號測試系統(tǒng)

0 引言

隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，對測試系統(tǒng)提出了更高的要求：能夠進行多點測量；能夠快速進行動態(tài)在線實時測量和控制，滿足網(wǎng)上遠程數(shù)據(jù)通信的要求；能夠?qū)崟r快速地進行信號分析和處理。所以，傳統(tǒng)儀器為主的測試方式已經(jīng)不能滿足要求，以計算機為核心的虛擬儀器測試系統(tǒng)以顯而易見的優(yōu)勢正在逐步取代傳統(tǒng)的測試方式，正是基于此種考慮，我們按照實際測試要求構(gòu)建了此信號測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及特點

本測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對信號源、頻譜儀、功率計、示波器和數(shù)字表等常用測試儀器的綜合控制。系統(tǒng)分割成對每臺儀器的單獨控制，并通過軟件設(shè)置實現(xiàn)對系統(tǒng)中不同設(shè)備的同步操作，完成靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)測試。如同時控制信號源和頻譜儀，可以完成通信鏈路衰減測試、天線方向圖測試等功能。自動測試系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，利用主控計算機顯示器的顯示功能模擬各測試儀器的控制面板，以圖表、曲線、數(shù)字等多種形式顯示檢測結(jié)果；利用主控計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析、處理與存儲；通過GPIB總線、LAN口或RS232串口等總線控制各測試儀器完成信號的采集、測量，控制打印機打印測試報告，從而構(gòu)成一套能夠完成多種測試功能的自動測試系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)硬件組成

組建的基于虛擬儀器的信號測試系統(tǒng)主要由包括系統(tǒng)控制器、GPIB接口設(shè)備、GPIB接口板卡、LAN接口設(shè)備及串行接口設(shè)備和各種外設(shè)設(shè)備等硬件模塊組成，其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

硬件系統(tǒng)中的系統(tǒng)控制器就是指控制和統(tǒng)籌各種接口設(shè)備工作的計算機，分為現(xiàn)場計算機和遠程計算機。現(xiàn)場計算機是在信號測試現(xiàn)場對各個測試、輔助設(shè)備進行控制的計算機，主要用于近距離的測量測試控制；遠程計算機用來實現(xiàn)對一個局域網(wǎng)上連接的所有現(xiàn)場計算機和LAN接口設(shè)備的控制，或者直接對LAN接口設(shè)備進行遠程控制。GPIB接口設(shè)備，通過GPIB轉(zhuǎn)接卡連接現(xiàn)場計算機，由現(xiàn)場計算機對其進行控制和數(shù)據(jù)交互。串行口設(shè)備直接通過RS232數(shù)據(jù)傳輸線連接現(xiàn)場計算機進行設(shè)備控制和數(shù)據(jù)交互。在系統(tǒng)中，現(xiàn)場計算機和遠程計算機的功能是可以互換的，可以通過遠程計算機控制現(xiàn)場計算機從而完成對各種接口設(shè)備的遠程控制。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)特點

該系統(tǒng)具有以下顯著特點：

1)便攜、機動性強。該系統(tǒng)搭建靈活、便捷，可根據(jù)實際測試需要，選擇使用的測試設(shè)備，完成系統(tǒng)的硬件連接，通過系統(tǒng)軟件進行測試，并利用網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互，很好地滿足了快速、網(wǎng)絡(luò)化工程測試需求。

2)實時、直觀性好。測試結(jié)果可通過圖表、曲線、數(shù)字等形式將測試數(shù)據(jù)實時顯示在顯示器上，便于及時發(fā)現(xiàn)問題。充分利用計算機的高速運算能力，能夠?qū)崟r將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，并對測試數(shù)據(jù)進行分析與處理，出具測試報告。

3)軟件兼容、擴展性好。該系統(tǒng)利用虛擬儀器的接口技術(shù)完成了系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，大大增強了系統(tǒng)的互換性和可操作性。

3 測試軟件設(shè)計

該自動測試系統(tǒng)軟件設(shè)計采用虛擬儀器技術(shù)，利用主控計算機強大的軟件功能實現(xiàn)對系統(tǒng)中各測試設(shè)備的控制，通過GPIB總線、LAN口或RS232串口等總線來完成信號的采集、測量，從而構(gòu)成一套能夠完成多種測試功能的自動測試系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)主要由設(shè)備控制模塊、數(shù)據(jù)的分析和處理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、通信模塊、報表生成模塊等模塊組成。各個模塊之間相互獨立，這為軟件的設(shè)計維護和日后升級改進提供了巨大的便利。其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.1 設(shè)備接口控制模塊

這個模塊通過調(diào)用VISA I/O函數(shù)庫來實現(xiàn)控制計算機和儀器通訊功能。模塊主要包括I/O接口VISA軟件和儀器驅(qū)動程序，其中I/O接口軟件駐留于虛擬儀器系統(tǒng)的系統(tǒng)管理器——計算機系統(tǒng)中，是實現(xiàn)計算機系統(tǒng)與儀器之間命令與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄汉图~帶，為儀器與儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞的底層軟件層，是實現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心；儀器驅(qū)動程序是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。對于應(yīng)用程序來說，它對儀器的操作是通過儀器驅(qū)動程序來實現(xiàn)；儀器驅(qū)動程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過I/O軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫(VISA庫)的調(diào)用來實現(xiàn)。該系統(tǒng)的儀器控制模塊完成對串行口設(shè)備、GPIB接口設(shè)備及LAN等接口設(shè)備的I/O通信。

3.2 通信模塊

通信模塊負責(zé)自動測試方式下不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和通信從而完成相應(yīng)的測試功能。這個模塊是根據(jù)測試任務(wù)要求，進行測試過程配置，選擇所需的測試設(shè)備進行初始化，設(shè)置測試點，對系統(tǒng)中的測試設(shè)備發(fā)送程控指令，控制測試設(shè)備進行相應(yīng)的操作，并對測量結(jié)果進行記錄，其流程如圖3所示。

圖3 通信模塊程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫設(shè)計必須滿足對測試全過程產(chǎn)生的需要記錄數(shù)據(jù)的準確有效的管理要求，首先要進行測試過程表設(shè)計，主要包括儀器程控指令表、測試過程信息表、測試原始數(shù)據(jù)表和測試數(shù)據(jù)處理表，其中儀器程控指令表用于調(diào)用程控指令來控制測試設(shè)備完成相應(yīng)的功能；測試過程信息表主要存儲測試任務(wù)的公共信息，主要包括測試文件名、測試設(shè)備名、設(shè)備編號、測試時間、溫度、濕度、測試人員及備注等字段名，表中的記錄與系統(tǒng)的每次測試過程相對應(yīng)，即每次測試都將在表中添加一行數(shù)據(jù)來記錄測試過程的真實情況；測試原始數(shù)據(jù)表是為了記錄測試原始數(shù)據(jù)而建立的數(shù)據(jù)表，它也是隨測試過程而隨機產(chǎn)生的，每臺設(shè)備的每次測試過程都將根據(jù)測試人員的命名產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)表，該類表主要包括功能、量程、頻率、測量值及檢定時間等字段名，全面記錄測試產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)。同時數(shù)據(jù)庫還提供按不同條件對各種數(shù)據(jù)的查詢功能。

3.4 數(shù)據(jù)處理和分析模塊

數(shù)據(jù)處理和分析模塊主要用于對測試的數(shù)據(jù)按要求進行相應(yīng)的分析處理、顯示，主要完成對測試結(jié)果的粗大誤差剔除、求和及求極值等運算處理、測試數(shù)據(jù)的重新組合以及處理結(jié)果的顯示，從而完成系統(tǒng)的功能擴展。

3.5 報表生成模塊

該模塊包括測試報告格式設(shè)計、測試報告管理以及測試報告輸出三部分。測試報告是以存儲的表格樣式形式來顯示和輸出的。系統(tǒng)內(nèi)置了測試報告模板，將報告模板中需要填充的部分以變量代替，即制作定位符。按照具體的測試任務(wù)要求，系統(tǒng)選擇需要的參數(shù)自主生成測試報告，同時還具備測試報告的輸入、輸出、刪除等管理功能。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

下面以頻譜測試為例說明系統(tǒng)使用過程，圖4為其設(shè)備連接示意圖。

系統(tǒng)中主控計算機同時調(diào)用信號源和頻譜儀來完成測試功能，在完成系統(tǒng)硬件連接以后，操作系統(tǒng)軟件先對彈出的信號源軟界面進行頻率、功率等參數(shù)設(shè)置，再對頻譜儀軟界面進行頻率、跨度、帶寬和掃描時間等參數(shù)設(shè)置，然后設(shè)置信號源射頻輸出。測試開始后，在頻譜儀界面中捕捉到該信號，因為采用了虛擬儀器技術(shù)，所有上述過程均在主控計算機有頻譜圖實時顯示。對于感興趣的測試數(shù)據(jù)，可選擇保存頻點數(shù)據(jù)或者保存頻譜圖數(shù)據(jù)進行存儲操作，將原始數(shù)據(jù)同步保存到數(shù)據(jù)庫中，并提供測試數(shù)據(jù)查詢、頻譜圖回放、測試報告打印等服務(wù)，測試頻譜圖如圖5所示。

圖4 設(shè)備連接框圖

圖5 頻譜圖顯示

5 結(jié)束語

在該套自動測試系統(tǒng)中，虛擬儀器技術(shù)的采用賦予系統(tǒng)非常強大的儀器控制功能，系統(tǒng)可支持GPIB接口、RS-232串行接口、USB(通用串行總線)和LAN等多種儀器接口，具有很好的通用性和靈活性；通過系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，為系統(tǒng)的擴展和維護提供了便利；在數(shù)據(jù)管理方面，建立了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫的訪問。系統(tǒng)采用中文圖形界面，操作使用簡便，利用計算機對測試數(shù)據(jù)進行存儲、管理、回放，降低了測試人員的工作強度，減少了人為操作可能帶來的失誤，提高了工作效率，在工程實踐應(yīng)用中具有廣泛借鑒價值。

[1] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通.北京：清華大學(xué)出版社，2007

[2] 張海波，劉纓，周彤，黃海宇.基于LabVIEW的信號發(fā)生器自動校準系統(tǒng)，計量技術(shù)，2007(11)

[3] 秦紅磊，路輝，郎榮玲，等.自動測試系統(tǒng)——硬件及軟件技術(shù).北京：高等教育出版社，2007

[4] 劉思久，張禮勇.自動測試系統(tǒng)與虛擬儀器原理·開發(fā)·應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2009

[5] 王磊，陶梅.精通LabVIEW 8.0.北京：電子工業(yè)出版社，2007

[6] 方杰，魏群，康艷.基于VISA COM的數(shù)字示波器波形自動采集與分析系統(tǒng)研究，計量技術(shù)，2013(5)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.11