基于PXI和GPIB總線電路測試系統(tǒng)的開發(fā)與設計

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)還需要人工進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和編寫檢測報告等工作，耗費大量的時間，不能適應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，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：測試儀器在計算機的控制下，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進行測量的系統(tǒng)。GPIB，VXI，PXI是目前自動測試系統(tǒng)較常用標準總線，這幾種總線構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用的設備帶進了模塊化的階段。VXI的價格較高，隨著技術發(fā)展，PXI延續(xù)模塊化的精神，以較緊實的架構設計、較快的總線速度，以及較低的價格，提供量測與測試設備一個新的選擇。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標準，因其使用簡單、傳輸速率高而被廣泛應用，隨著IEEE488標準的完善，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。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計編程方法，又好又快地完成項目任務，因此虛擬儀器技術在工業(yè)測量領域也得到了廣泛的應用。

    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)的設計思想，即借助LabVIEW開發(fā)平臺，采用虛擬儀器的軟件設計方法，通過GPIB總線接口和相應的控制電路，實現(xiàn)工控機對各種測試儀器的實時控制，完成對被測電路各項性能指標的自動化測試，并充分發(fā)揮工控機自動分析和處理數(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。

1 測試系統(tǒng)方案設計
1．1 總體框架設計
    該測試系統(tǒng)在硬件設計上采用PXI和GPIB總線接口、數(shù)據(jù)采集卡和相應的繼電器控制電路，實現(xiàn)工控機對各種測試儀器的實時控制。在軟件設計上通過LabVIEW開發(fā)平臺，采用虛擬儀器的軟件設計方法，將工控機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、顯示以及存儲，解決了在LabVIEW中實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理的技術問題。
    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PXI板卡在默認設置狀態(tài)下完成檢測工作，設計思路是通過數(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)出來進行分析和寫測試報告。
1．2 信號調(diào)理單元設計
    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，需要進行差分轉(zhuǎn)換，差分轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。

    分析如下：
   
    經(jīng)過實踐驗證該電路方案是可行的。
1．3 測控設備硬件
    自動測試主要使用的設備是NI公司的PXI設備，采用PXI-1042機箱和PXI-8196控制器實現(xiàn)測量控制。PXI-8196控制器為2．O 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，預裝Microsoft WindowsXP Professional操作系統(tǒng)，用于需要大量分析工作或系統(tǒng)開發(fā)的應用環(huán)境，例如ATE、軍事／航天、通信、工業(yè)及消費電器應用。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；通道的實時采樣率是204. 8 KS／s，應用該卡制作一個通用的動態(tài)信號分析儀界面，用以實現(xiàn)手動測量。

2 測試系統(tǒng)軟件設計
2．1 測控軟件設計工具
    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。其軟件體系構如圖2所示。

    在PXI測控計算機中，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)的實時性和測試系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)同步該系統(tǒng)中主要由軟件實現(xiàn)，根據(jù)用戶的服務要求和儀器特性設計適當?shù)某绦蛄鞒獭?br />     為了實現(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，進行相應地數(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。在計算機中，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測控計算機不會因為需要數(shù)據(jù)庫管理而占用資源；另外當沒有啟用PXI測控計算機時，只啟用了通用計算機，也可以對已經(jīng)測量板卡的數(shù)據(jù)進行整理分析，Visual Basic可以更好地與SQL數(shù)據(jù)庫進行對接，對用戶的數(shù)據(jù)庫進行查詢，管理等操作，在計算機中應用Visual Basic編寫了方便用戶對數(shù)據(jù)進行訪問的數(shù)據(jù)管理查詢軟件。
2．2 測控軟件結(jié)構設計
    系統(tǒng)的測控軟件是運行在PXI測控計算機上的軟件，其主要軟件層次框圖如圖3所示。軟件采用層次結(jié)構，在實現(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中解放出來，減輕了勞動強度，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，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。