計算機(jī)測試系統(tǒng)發(fā)展綜述(全文)

1、計算機(jī)測試系統(tǒng)進(jìn)展綜述測試技術(shù)涉及到眾多學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域,如傳感器、數(shù)據(jù)采集、信息處理、標(biāo)準(zhǔn)總線、計算機(jī)硬件和軟件、通信等等。測試技術(shù)與科學(xué)研究、工程實(shí)踐緊密相關(guān),兩者相輔相成,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展促進(jìn)了測試技術(shù)的進(jìn)展,測試技術(shù)的進(jìn)展反過來又促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。測試儀器進(jìn)展至今,大體經(jīng)歷了5代:模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。自上個世紀(jì)80年代以來,伴隨微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)飛速進(jìn)展,測試技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的融合已引起測試領(lǐng)域一場新的革命。1986年美國GJ儀器公司提出“虛擬儀器”即“軟件就是儀器”的概念。虛擬儀器是卡式儀器的進(jìn)一步進(jìn)展,是計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于儀器領(lǐng)域而產(chǎn)生的一種新

2、的儀器類型,它以標(biāo)準(zhǔn)總線作為測試儀器和系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框架,配置測量模塊,通過軟件編程實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的測量功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中,用靈活、強(qiáng)大的計算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件,用人的智力資源代替物質(zhì)資源,特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機(jī)直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特征的解析,使儀器中的一些硬件、甚至整件儀器從系統(tǒng)中“消逝”,而由計算機(jī)的硬軟件資源來完成它們的功能。另外,通過軟件可產(chǎn)生許多物理設(shè)備難以產(chǎn)生的激勵信號以檢測并處理許多以前難以捕捉的信號。虛擬儀器是計算機(jī)技術(shù)和測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是傳統(tǒng)測試儀器與測試系統(tǒng)觀念的一次巨大變革。測試技術(shù)和設(shè)備涉及國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各行各業(yè),先進(jìn)的電子測試設(shè)備在眾多行業(yè)

3、的科研、生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)使用過程中起著舉足輕重的作用。特別是在電子產(chǎn)品、航空航天、武器裝備、工業(yè)自動化、通信、能源等諸多領(lǐng)域,只要略微復(fù)雜一點(diǎn)的涉及到弱電的系統(tǒng)（或裝置）都要考慮測試問題。測試系統(tǒng)是設(shè)備或裝備的一個必不可少的組成部分,如武器系統(tǒng)的維護(hù)維修離不開測試設(shè)備。一個系統(tǒng)（或裝置）測試功能的完備與否已成為衡量其設(shè)計是否合理和能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。測試儀器和系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中起著把關(guān)和指導(dǎo)者的作用,它們廣泛應(yīng)用于煉油、化工、冶金、電力、電子、輕工和國防科研等行業(yè)。測試儀器和系統(tǒng)從生產(chǎn)現(xiàn)場各個環(huán)節(jié)獲得各種數(shù)據(jù),進(jìn)行處理、分析和綜合,通過各種手段或操縱裝置使生產(chǎn)環(huán)節(jié)得到優(yōu)化,進(jìn)而保

4、證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。在武器系統(tǒng)科研試驗(yàn)現(xiàn)場,測試儀器和系統(tǒng)可獲得試驗(yàn)中各個階段和最終試驗(yàn)數(shù)據(jù),用于及時發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題和給出試驗(yàn)結(jié)論,并為后續(xù)相關(guān)試驗(yàn)提供依據(jù)。因此,測試儀器與系統(tǒng)對于提高科研和試驗(yàn)效率,加快武器試驗(yàn)進(jìn)程和保證試驗(yàn)安全至關(guān)重要。以雷達(dá)、綜合電子戰(zhàn)為代表的軍事電子領(lǐng)域,以預(yù)警機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、衛(wèi)星通信、載人航天和探月工程為代表的航空、航天領(lǐng)域及以導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為代表的兵器領(lǐng)域等都離不開測試設(shè)備,它是這些裝備和系統(tǒng)正常使用和日常維護(hù)及維修所必備的。系統(tǒng)類型現(xiàn)代的測試系統(tǒng)主要是計算機(jī)化系統(tǒng),它是計算機(jī)技術(shù)與測量技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展,構(gòu)成測試系統(tǒng)的可選擇性不斷加大,按照

5、測試功能要求,可構(gòu)成多種類型的計算機(jī)測試系統(tǒng)。在計算機(jī)測試系統(tǒng)分類問題上并沒有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)范,以硬件組合形式劃分,測試系統(tǒng)可分為基于標(biāo)準(zhǔn)總線的測試系統(tǒng)、專用計算機(jī)測試系統(tǒng)、混合型計算機(jī)測試系統(tǒng)和XX絡(luò)化測試系統(tǒng)等4種類型。(1)基于標(biāo)準(zhǔn)總線的測試系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)總線的測試系統(tǒng)種類非常多，如IS總線、PCI總線、STD總線、GPIB總線、CPCI總線、VXI總線和PXI總線等。這類系統(tǒng)采納各種標(biāo)準(zhǔn)總線,在PC計算機(jī)主板的擴(kuò)展槽或者擴(kuò)展機(jī)箱插槽上、工控機(jī)底板插槽上、VXI和PXI機(jī)箱背板總線上,插入各種/D,I/O等功能和儀器模塊,構(gòu)成測試系統(tǒng)。目前各類標(biāo)準(zhǔn)總線功能模塊和模塊化儀器品種齊全且商品化程度

6、高,因此系統(tǒng)集成容易。此類系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可靠性高、可重構(gòu)等特點(diǎn)。(2)專用計算機(jī)測試系統(tǒng)專用計算機(jī)測試系統(tǒng)是將具有一定功能的模塊相互連接而成。專用計算機(jī)測試系統(tǒng)又可分為2大類,一類是專業(yè)生產(chǎn)廠商設(shè)計生產(chǎn)的大型、高精度的專用測試系統(tǒng);另一類是專業(yè)生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的小型智能測試儀器和系統(tǒng)。專用計算機(jī)測試系統(tǒng)最重要的特征是系統(tǒng)的全部硬軟件規(guī)模完全根據(jù)系統(tǒng)的要求配置,系統(tǒng)的硬軟件應(yīng)用/配置比高。因此,系統(tǒng)具有最好的性能/價格比,在大批量定型產(chǎn)品中采納這種類型比較合適。根據(jù)所采納微處理器的不同,專用計算機(jī)測試系統(tǒng)又可分為標(biāo)準(zhǔn)總線計算機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)系統(tǒng)。(3)混合型計算機(jī)測試系統(tǒng)這是一種隨著8位、1

7、6位、32位單片機(jī)出現(xiàn)而在計算機(jī)測試領(lǐng)域中迅速進(jìn)展的結(jié)構(gòu)形式。它由標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)與由單片機(jī)構(gòu)成的專用計算機(jī)測試系統(tǒng)組成,并通過各種總線(串行或并行)將2部分連接起來。標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)的計算機(jī)一般稱為主機(jī),主機(jī)承擔(dān)測試系統(tǒng)的人機(jī)對話、計算、存儲和處理、圖形顯示等任務(wù)。專用機(jī)部分是為完成系統(tǒng)的特定功能要求而配置的,如各種數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集,通常稱為子系統(tǒng)。(4)XX絡(luò)化測試系統(tǒng)利用計算機(jī)XX絡(luò)技術(shù)、總線技術(shù)將分散在不同地理位置、不同功能的測試設(shè)備集成在一起,加上服務(wù)器、客戶端以及數(shù)據(jù)庫,組成測試局域XX系統(tǒng),通過XX絡(luò)化的虛擬儀器軟件,共同實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、相互組合的多種測試功能。XX絡(luò)型計算機(jī)測試系統(tǒng)的靈活性較大

8、,可用多種方式及時地索取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。進(jìn)展現(xiàn)狀測試系統(tǒng)采納標(biāo)準(zhǔn)總線硬軟規(guī)范使得測試系統(tǒng)向開放性、集成化進(jìn)展,推動了測試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、虛擬化等進(jìn)程。目前測試系統(tǒng)可選用的、主流的標(biāo)準(zhǔn)總線包括IS總線、PCI總線、VXI總線、CP2CI總線和PXI總線及工業(yè)現(xiàn)場總線等,其中VXI總線和PXI總線最具有代表性。VXI總線是上世紀(jì)80年代末期在VME總線的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成的儀器系統(tǒng)總線。VXI總線由于采納模塊化開放式結(jié)構(gòu),易于擴(kuò)展、重構(gòu)和系統(tǒng)集成。它依靠有效的標(biāo)準(zhǔn)化,采納模塊化的方式,實(shí)現(xiàn)儀器模塊間的互換性和互操作性,使得不同廠商生產(chǎn)的測量模塊能容易地組建一個高性能的測試系統(tǒng)。其開放的體系結(jié)構(gòu)和即插即用

9、方式符合信息產(chǎn)品的要求?？s短了測試系統(tǒng)的研制周期,降低了成本,減小了風(fēng)險。因此,VXI總線一經(jīng)問世便受到了測試界的認(rèn)可并迅速得到推廣。VXI總線系統(tǒng)已在美國國防、航空航天、工業(yè)等領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用。美國國防部對其三軍武器維護(hù)維修的自動測試系統(tǒng)要求廣泛采納現(xiàn)成的基于標(biāo)準(zhǔn)總線的COTS或商用硬件和軟件產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)武器維護(hù)維修自動測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化,陸?？哲姺謩e采納了綜合測試設(shè)備(FTE)、聯(lián)合自動保障系統(tǒng)(CSS)、新型通用測試站(CTS)。美國許多生產(chǎn)自動測試系統(tǒng)的公司正在把標(biāo)準(zhǔn)的TLS語言轉(zhuǎn)換為面向目標(biāo)的d語言,將d為基礎(chǔ)的測試環(huán)境(BETIEEE-1266)轉(zhuǎn)換為更廣泛的測試環(huán)境(B

10、BET)。BBET是一種易于修改和擴(kuò)充的模塊化開放式結(jié)構(gòu),而VXI總線和其VIS為能夠滿足這種環(huán)境的規(guī)范。為此,美國三軍廣泛使用VXI總線測量系統(tǒng)完成武器系統(tǒng)的維護(hù)維修,達(dá)到了降低費(fèi)用、減少測試設(shè)備體積和提高測試效率等要求。美軍F-22戰(zhàn)斗機(jī)從生產(chǎn)制造測試到現(xiàn)場維護(hù)維修測試過程都采納了商用的通用自動測試系統(tǒng)。此系統(tǒng)采納了VXI總線產(chǎn)品硬件、BET軟件、UNIX/POSIX/WINDOWS操作系統(tǒng)、局域XXLN、PC/工作站、專家診斷系統(tǒng)、可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)指令（SCPI）等等。該系統(tǒng)具有體積小、價格低、測試速度高及性能高等特點(diǎn)。另外,VXI總線測試還廣泛用于飛機(jī)測試、導(dǎo)彈測試、風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集、噴氣發(fā)

11、動機(jī)測試、工業(yè)生產(chǎn)過程操縱和波音757,767和777客機(jī)測試設(shè)備等等。VXI總線測試系統(tǒng)不僅涉及到電子測量領(lǐng)域,而且已延伸到微波、毫米波和通信領(lǐng)域。在數(shù)字域、頻率域和時間域的測試得到了較廣泛的應(yīng)用,譬如通信衛(wèi)星、雷達(dá)和電子對抗測試中的任意波形發(fā)生器、頻譜儀、邏輯分析儀、XX絡(luò)分析儀、微波/射頻模塊等。VXI總線不僅在軍事上獲得了應(yīng)用,而且還在通信、鐵路、電力、石化、冶金等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。全世界有近400家公司在VXI總線聯(lián)合會申請了制造VXI總線產(chǎn)品的識別代碼,其中大約70%為美國公司,25%為歐洲公司,亞洲僅占5%。在大約1300多種VXI產(chǎn)品中,80%以上是美國產(chǎn)品,其門類幾乎覆蓋了

12、數(shù)據(jù)采集和測量的各個領(lǐng)域。在市場方面,20XX年以前,美國VXI市場的總銷售額雖然仍以每年30%40%的增長。近兩年來，由于PXI和CPCI等產(chǎn)品的掘起,VXI產(chǎn)品銷售增勢已趨緩。1997年美國GJ儀器公司NI公布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范PXI總線標(biāo)準(zhǔn)。PXI的核心技術(shù)是CompctPCI工業(yè)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、MicrosoftWindows軟件及VXI總線的定時和觸發(fā)功能。PXI總線其實(shí)是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展,它將CompctPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)進(jìn)展成適合于測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范,從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。制訂PXI總線規(guī)范的目的是為了將臺

13、式PC的性能價格比優(yōu)勢與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來,形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。PXI總線的基礎(chǔ)一是當(dāng)今計算機(jī)技術(shù),二是借鑒和吸取了VXI總線特點(diǎn)。VXI基于VME總線,而PXI基于PCI總線。由于標(biāo)準(zhǔn)PCI總線帶寬是132MB/s,標(biāo)準(zhǔn)VME總線只有40MB/s,因此PXI總線性能優(yōu)于VXI總線。由于PXI插卡尺寸小,所以它能夠?yàn)楸銛y式、臺式與固定架式裝置提供一個通用平臺。開放的PXI總線規(guī)范可組成模塊化的測試系統(tǒng),它可以容易地整合多個廠家的測試產(chǎn)品。PXI總線規(guī)范也能把不同平臺的儀器集成到PXI測試系統(tǒng)中。如為了兼顧已有的VXI總線系統(tǒng)和保護(hù)用戶投資,已開發(fā)了跨接V

14、XI總線系統(tǒng)和PXI總線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接卡。近幾年,PXI總線產(chǎn)品種類和數(shù)量增長迅速。PXI總線系統(tǒng)聯(lián)盟(PXIS)就有60多家公司參與，這些公司生產(chǎn)或集成基于PXI總線的測試模塊和測試系統(tǒng)?，F(xiàn)在已有數(shù)百種不同的3U或6UPXI模塊供用戶選用。隨著其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,市場份額也將迅速增大。目前,測試系統(tǒng)進(jìn)展方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)基于標(biāo)準(zhǔn)總線的硬件平臺測試系統(tǒng)采納模塊化開放式標(biāo)準(zhǔn)總線體系結(jié)構(gòu),易于擴(kuò)展、重構(gòu)和系統(tǒng)集成。于是,不同廠商生產(chǎn)的測量模塊能容易地組建一個高性能的測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)集成強(qiáng)調(diào)基于COTS,不僅可降低系統(tǒng)成本和研制周期,而且可使系統(tǒng)容易升級換代。(2)分布式、XX

15、絡(luò)化結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)和科研試驗(yàn)現(xiàn)場,由于被測系統(tǒng)(或裝置)一般均采納分散布置或安裝,因此,測試系統(tǒng)應(yīng)可采納分布式或XX絡(luò)結(jié)構(gòu),以解決被測信號因長距離傳輸所造成的測試精度下降問題。同時,測試系統(tǒng)其內(nèi)部電纜將明顯減少,解決了過去復(fù)雜的連接問題。XX絡(luò)化測試系統(tǒng)具有資源共享、集中治理、分布測量和處理、功能多樣化和操作便捷等特點(diǎn)。(3)同步授時測試系統(tǒng)要保證與測試對象的時間同步,此外其本身也應(yīng)有時間基準(zhǔn)要求。因此,測試系統(tǒng)必須要有統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)即時統(tǒng),時統(tǒng)一般采納IRIG-B碼。GPS授時為首選的一種時間基準(zhǔn)。GPS授時型接收機(jī)不受時間、地點(diǎn)和氣候的限制,可提供高精度、連續(xù)的實(shí)時授時信息。在測試系統(tǒng)中,

16、應(yīng)采納具有自主授時、內(nèi)外同步功能的GPS模塊以實(shí)現(xiàn)與測試對象同步。(4)虛擬儀器虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn),大大增強(qiáng)了測試系統(tǒng)的功能。虛擬儀器的測量功能模式是“動態(tài)的”,可根據(jù)用戶需要來定義或擴(kuò)展,而不是“靜態(tài)的”即固定的、不可變更的。除示波器、任意波形發(fā)生器、數(shù)字表、頻譜分析儀等通用測量與分析儀器外,對不同的參量測量類型和需求,通過虛擬儀器平臺,依各自測量參數(shù)的測量原理,利用信號分析與處理技術(shù),通過編制軟件程序,就能實(shí)現(xiàn)用戶定制的各種測試儀器。因此,虛擬儀器在構(gòu)建和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟(jì)性,且可縮小測試設(shè)備的體積、減少其重量?；竟δ芴攸c(diǎn)傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)主要由“測試電路”組成,所

17、具備的功能較少,也比較弱。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速進(jìn)展,使得傳統(tǒng)測試系統(tǒng)發(fā)生了根本性和革命性變革。測試系統(tǒng)采納計算機(jī)代替常規(guī)電子線路作為主體和核心,從而產(chǎn)生了計算機(jī)測試系統(tǒng)。將計算機(jī)引入測試系統(tǒng)中,不僅可以解決傳統(tǒng)測試系統(tǒng)不能解決的問題,而且還能簡化電路、增加或增強(qiáng)功能、降低成本、易于升級換代。計算機(jī)測試系統(tǒng)具有高精度、高性能、多功能的特點(diǎn)。計算機(jī)測試系統(tǒng)應(yīng)用專業(yè)領(lǐng)域很廣,不同的應(yīng)用領(lǐng)域使用的測試系統(tǒng)或儀器在名稱、型號、指標(biāo)等方面有所區(qū)別,組成計算機(jī)測試系統(tǒng)的類型也不盡相同。但一般都應(yīng)具備以下功能特點(diǎn)。(1)自動校零可在每次采樣前對傳感器的輸出值自動校零,從而降低因測試系統(tǒng)漂移變化造成的誤差,提高

18、測試精度。(2)自動修正誤差許多傳感器的特性是非線性的,且受環(huán)境參數(shù)變化的影響比較嚴(yán)峻,從而給儀器帶來誤差?？捎密浖M(jìn)行在線或離線修正;也可把系統(tǒng)誤差存貯起來,便于以后從測試結(jié)果中扣除,提高測試精度。(3)量程自動切換可根據(jù)被測量值的大小自動改變測量范圍,從而提高分辨率。(4)多參數(shù)實(shí)時測量可同時對多種不同參數(shù)進(jìn)行快速測量,對一些參數(shù)還可多次重復(fù)測量或者連續(xù)測量,多次重復(fù)測量有利于誤差的統(tǒng)計,以更真實(shí)地反映參數(shù)變化規(guī)律。(5)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析和評估對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算、誤差修正、量綱換算,以及時域和頻域分析等工作。對參數(shù)測量的結(jié)果具有分析和評估能力。(6)虛擬儀器功能通過軟件編程設(shè)

19、計實(shí)現(xiàn)儀器的測試功能,而且可以通過不同測試功能的軟件模塊的組合來實(shí)現(xiàn)多種測試功能。(7)模擬仿真通過軟件可實(shí)現(xiàn)對被測試信號的模擬,以用于系統(tǒng)調(diào)試和自檢,也可將采集的信息進(jìn)行回放,用于模擬或仿真被測設(shè)備的輸出。(8)資源共享利用計算機(jī)的XX絡(luò)口和串并口,可完成測試系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量操縱和資源共享,便于分布式測量、集中操縱等。(9)在線監(jiān)測和故障診斷可對測試系統(tǒng)自身進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,推斷測試結(jié)果的正確性,并能自動記錄和顯示;一旦發(fā)現(xiàn)故障則馬上進(jìn)行報警,顯示故障部位或可能的故障原因,可利用專家系統(tǒng)對故障排除方法進(jìn)行提示。對于采納硬件熱備份的系統(tǒng),還可進(jìn)行熱切換,保證測試工作不中斷。設(shè)計原則計算機(jī)測試系統(tǒng)的研制過程一般應(yīng)從分析測試任務(wù)需求開始;然后進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試;直到測試系統(tǒng)正式投入運(yùn)行,并達(dá)到所要求的功能和性能指標(biāo)為止。測試任務(wù)需求分析階段非常重要,此階段主要分析系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和功能,確定系統(tǒng)的輸入通道類型和數(shù)量(模擬、數(shù)字和開關(guān))、量程范圍、采樣頻率