2023/2/11自動測試儀器接口系統智能儀器儀器儀表中含有微處理器、單片計算機或體積很小的微型機，有時亦稱為內含微處理器的儀器或基于微型機的儀器。2023/2/12現代測試系統主要有三大類：智能儀器、自動測試系統和虛擬儀器

智能儀器和自動測試系統的區別在于它們所用的微機是否與儀器測量部分融合在一起，也即是采用專門設計的微處理器、存儲器、接口芯片組成的系統(智能儀器)，還是用現成的PC配以一定的硬件及儀器測量部分組合而成的系統(自動測試系統)。而虛擬儀器與前二者的最大區別在于它將測試儀器軟件化成模塊化，這些軟件化和模塊化的儀器具有特定的功能(如濾波器、頻譜儀)與計算機結合構成了虛擬儀器。2023/2/13

智能儀器的基本組成2023/2/141、微處理器接收來自鍵盤或GPIB接口命令，解釋并執行這些命令；2、微處理器通過接口發出各種控制信息給測試電路，以規定功能、啟動測量、改變工作方式等，3、當測試電路完成一次測量后，微處理器讀取測量數據，進行必要的加工、計算、變換等處理，最后以各種方式輸出。軟件是智能儀器的靈魂。智能儀器的管理程序也稱監控程序，分析、接受、執行來自鍵盤或接口的命令，完成測試和數據處理等任務。軟件存于ROM或EPROM.

智能儀器工作過程2023/2/15自動測試系統：

使用具有一定自動化能力的測試系統進行的測量和實驗，稱為自動測試（Automaticmeasurementandtest）；通常把在人最少參與的情況下，利用計算機執行程序，控制測試過程并進行數據處理直至以適當方式給出測試結果的測試系統稱為自動測試系統（AutomatedTestSystem—ATS）或自動測試設備（AutomatedTestEquipment—ATE）。2023/2/162023/2/17一般意義的自動測試系統是對那些能自動完成激勵、測量、數據處理并顯示或輸出測試結果的一類系統的統稱。通常這類系統是在標準的測控系統總線或儀器總線（CAMAC、GPIB、VXI、PXI等）的基礎上組建而成的，并且具有高速度、高精度、多功能、多參數和寬測量范圍等眾多特點。工程上的自動測試系統（為ATS）往往針對一定的應用領域和被測對象，并且常以應用對象命名，如飛機自動測試系統，發動機自動測試系統，雷達自動測試系統，印制電路板自動測試系統等，也可以按照應用場合來劃分，例如可分為生產過程用自動測試系統，場站維護用自動測試系統等。2023/2/182023/2/192023/2/1102023/2/111二、自動測試系統的發展自動測試技術創始于50年代，從50年代至今大致分為以下三代。1、第一代自動測試系統

采用了計算機技術，主要用來進行邏輯定時控制。主要功能：進行數據自動采集和自動分析，完成大量重復的測試工作，承擔繁重的數據運算和分析任務。系統中的儀器采用專用接口，通用性差。復雜的被控對象的所有功能、性能測試若采用專用型ATS，則自動測試系統數目巨大，費用高昂，一旦被控對象退役，則相應自動測試系統報廢。2023/2/1122023/2/1132、第二代自動測試系統

采用標準化的通用接口(如IEEE488)及可程序控制的儀器和測控計算機(控制器)，從而使得自動測試系統的設計、使用和組裝都比較容易。優點：測量速度快、高精度和高分辨力、多功能和多種參數的測量、頻帶寬、量程寬、自校正、自診斷以及多種顯示與輸出方式等。2023/2/1142023/2/1153、第三代自動測試系統設計目標：充分發揮計算機的能力，使整個ATS簡化到僅由計算機、通用硬件和應用軟件三部分組成主要由模塊化的儀器/設備所組成。VXI總線（VMEbuseXtensionsforInstrumentation）是VME計算機總線向儀器/測試領域的擴展，具有高達40Mbytes/s的數據傳輸速率。PXI總線是PCI總線（其中的CompactPCI總線）向儀器/測量領域的擴展，其中數據傳輸速率為132～264Mbytes/s。以這兩種總線為基礎，可組建高速、大數據吞吐量的自動測試系統。

二、自動測試系統的發展2023/2/1162023/2/117第三代自動測試系統的基本組成2023/2/1182023/2/1192023/2/1202023/2/1212023/2/122

互聯的設備與設備（或系統與系統）之間的用于信息交接的一部分界面，稱之為接口。為了在開放式互聯設備之間實行數字式信息交換所必須的一整套與設備有關的接口的機械、電氣和功能要素，稱為數字接口系統。標準數字接口總線系統2023/2/123在測試領域得以廣泛流行的有GPIB，RS232C，CAMAC（ComputerAutomatMeasurementAndControl），VXIbus等現代自動測試系統分類如下:基于GPIB數字接口總線(也含RS232、…等):

積木式自動測試系統。基于VXI、CAMAC、PXI數字接口總線：模塊式自動測試系統。基于嵌入式μp內總線：智能化儀器系統。基于多數字接口總線：多總線融合式自動測試系統2023/2/124GPIB接口1965年,Hewlett-Packard設計了惠普接口總線(HP-IB,

用于連接惠普的計算機和可編程儀器.由于其高轉換速率(通常可達1Mbytes/s),

這種接口總線得到普遍認可,并被接收為IEEE標準488-1975和ANSI/IEEE標準488.1-1987。后來,

GPIB(General-PurposeInterfaceBus)比HP-IB的名稱用得更廣泛。

ANSI/IEEE

488.2-1987加強了原來的標準,精確定義了控制器和儀器的通訊方式.

StandardCommandsforProgrammableInstruments（SCPI)采納了IEEE488.2定義的命令結構,創建了一整套編程命令。

IEEE488標準（GPIB），是一種在ATE系統中用來連接計算機和儀器的總線接口。一般來講，IEEE488.1定義了硬件標準，而IEEE488.2定義了軟件標準。IEEE488標準被儀器廠商廣泛接受。今天，GPIB已經成為計算機與儀器間最通用的總線標準。2023/2/1252023/2/126GPIB標準接口包括接口與總線兩部分。接口部分由各種邏輯電路組成，與各儀器裝置安裝在一起，用于對傳送的信息進行發送、接收、編碼和譯碼。總線部分是一條無源多芯電纜，用于傳輸各種消息，消息指的是總線上傳遞的各種信息。圖(a)為具有GPIB接口的儀器通過GPIB總線連接起來的標準接口總線系統，GPIB標準接口系統的概述2023/2/127接口部分控/講/聽者（計算機）接口部分聽/講者（測量儀器）接口部分聽者（信號源）接口部分聽者（記錄儀）用戶編程DUT硬拷貝IFCATNEQIRENSRQDAVNRFDNDACDIO1DIO8～接口管理控制線數據掛鉤聯絡線數據總線通用接口總線(a）1121324(b）圖：GPIB標準接口總線系統及GPIB24線總線插座儀器裝置接口儀器裝置本身圖(b)為GPIB24線總線插座外形結構。（DeviceUnderTest）為被測器件。2023/2/128在一個GPIB標準接口總線系統中，要進行有效的通信聯絡，至少有“講者”、“聽者”、“控者”三類儀器裝置。講者是通過總線發送儀器消息的儀器裝置，如測量儀器、數據采集器、計算機等。聽者是通過總線接收由講者發出消息的裝置，如打印機等。控者是數據傳輸過程中的組織者和控制者，通常由計算機擔任。一個GPIB系統中，可以設置多個講者、聽者和控者，不允許有兩個或兩個以上的講者或控者同時起作用，但允許多個聽者同時工作。控者、聽者、講者被稱為系統功能的三要素，系統中的某一個裝置可以具有三要素中的一個、兩個或全部功功能。2023/2/129基于GPIB可程控測試設備數字接口總線組建的自動測試系統，稱為積木式自動測試系統,或稱“迭疊式自動測試系統”。主要特點是：（1）系統組建靈活、方便，GPIB設備利用率高。（2）測試系統規模較小，如：最多不能超過15臺設備，總線長度小于20米。（3）總線型連接方式，組建方便、可靠性好。（4）數據（比特）并行傳輸，速率較低，小于1MB/S。（5）組建成測試系統的設備資源冗余量較大。GPIB自動測試系統是小型實驗室試驗研究測試系統。GPIB主要特點2023/2/130總線是一條24芯電纜，其中16條被用作信號線，其余則被用作邏輯地線及屏蔽線。電纜兩端是與圖(b)相似的雙列24芯疊式結構插頭。GPIB標準接口總線中的16條信號線按功能可分為以下三組：①8條雙向數據總線（DIO1～DIO8），用于傳遞包括數據、命令和地址等的儀器或接口消息，所傳遞消息的類型由其余兩組信號線加以區分。GPIB標準接口的總線結構2023/2/131②3條數據掛鉤聯絡線（DAV、NRFD和NDAC），用于控制數據總線的時序，以保證數據總線能正確、有節奏地傳輸信息，這種傳輸技術稱為三線掛鉤技術。三線掛鉤指的是講者、控者、聽者之間的邏輯聯接與接續關系。定義如下：

?DAV(DadaValid)數據有效線：當數據線上出現有效數據時，講者置該線為低（負邏輯），示意聽者從數據線上接收數據。GPIB標準接口的總線結構2023/2/132

?NRFD(NotReadyForData)數據未就緒線：只要聽者中有一個尚未準備好接收數據，該線就為低，示意講者暫不要發出信息。

?NDAC(NotDataAccepted)數據未收到線：只要聽者中有一個尚未從數據總線上接收完數據，該線就為低，示意講者暫不要撤掉數據總線上的信息。

③5條接口管理控制線（ATN、IFC、REN、EOI和SRQ），用于控制GPIB總線接口的狀態。定義如下：GPIB標準接口的總線結構2023/2/133

?ATN(Attention)注意線：該線由控者使用，用來指明數據線上數據的類型。當它為1時，數據總線上的信息是由控者發出的、用于管理接口部分工作的消息（命令、設備地址等），這時，一切設備均要接收這些信息。當它為0時，數據總線上的信息是由講者發出的、用于完成儀器自身工作的儀器消息（數據、設備的控制命令等），所有聽者都必須聽。

?IFC(InterfaceClear)接口清除線：該線由控者使用，當它為1時，整個接口系統恢復到初始狀態。GPIB標準接口的總線結構2023/2/134?REN(RemoteEnable)遠程控制線：該線由控者使用，當它為1時，儀器可能處于遠程控制狀態，從而封鎖設備面板上的手工操作。當它為0時，儀器處于本地工作方式。

?SRQ(ServiceRequest)服務請求線：所有設備都與這條線“線或”在一起，任意設備將此線變為低態（SRQ為1）時，就表示向控者提出服務請求，然后控者通過依次查詢確定提出請求的設備。

?EQI(EndOrIdentify)結束或識別線：此線與ATN配合使用，當EOI為1、ATN為0時，表示講者已傳遞完一組數據；當EOI為1、ATN為1時，表示控者要進行識別操作，要求設備把它們的狀態放在數據線上。2023/2/1352023/2/136開關器開關器可程控信號發生器被測件可程控電壓表可程控計數器可程控直流電源打印機繪圖儀

計算機

GPIB,RS232,……

測量頻率響應的自動測試系統2023/2/137美國VenableInstruments公司FREQUENCYRESPONSEANALYZER測試頻率范圍：0.01Hz-2.2MHz輸出電壓：10mVac-10Vac,±10Vdc,產生波德圖(Bodeplot),尼奎士圖(Nyquistplot),阻抗圖測試電源設備的開環響應(OpenLoop)，觀察整個系統的頻域特性，并由Phasemargin、Gainmargin了解穩定性。測量元件的頻域特性。2023/2/138主機：含一個可送出頻率變化的掃描信號，有兩個頻道測量信號的變化量。控制及分析軟件通過GPIB，控制主機的輸出信號，并采集測量信號。2.信號處理，畫出波德圖，了解穩定性。信號輸入變壓器，掃描信號進入不同電壓檔位2023/2/139基于GPIB總線的GSM手機測試系統

模擬基站的綜合測試儀

工控機

手機夾具電源系統中測試儀工作在信號發生模式下，模擬基站產生各種測試信號，用于對位于手機夾具上的手機的多項性能指標進行測試（1）TXpowerlevel(5～19)發射功率等級。（2）frequency頻率誤差。

（3）Phase相位誤差。（4）RFSpectrum射頻頻譜。

（5）SwitchSpectrum開關譜。（6）RXSensitivity接收靈敏度。2023/2/140基于GPIB總線的溫濕度綜合實驗系統的設計工業控制計算機通過GPIB卡與高精度數字萬用表等儀器設備進行數據通信，間接完成對被試驗件的數據采集；信號發生器用于提供試驗件所需激勵信號；頻譜分析儀用于對某些試驗件的輸出信號或測量結果進行相關的頻譜分析；I/O板和可程控開關組件完成儀器設備的通道切換和試驗件的加電工作；工控機通過RS-232接口完成對試驗箱內的溫度、濕度控制。2023/2/141程控儀器＋標準外總線＋測控計算機=積木式自動測試系統測試功能件＋內總線＋嵌入式μP系統=智能化儀器系統將儀器中的測試功能電路板模塊（插件）化，插入計算機內總線槽上，組建計算機輔助測試系統。1980年某些儀器廠家研制單卡儀器（IAC—Instruments—on—a—card），就是最早的模塊式計算機內總線儀器系統。1989國際上VXIbus聯合體推出“VMEbusExtensionsforInstrumentationVXIbussystemSpecification.Revision1.3”,電子測量領域內的模塊式儀器自動測試系統標準總線規約VXI模塊化測試系統2023/2/142VXI總線(VMEbusextensionforinstrumentation)。該總線是VME計算機總線在儀器領域中的擴展,其中VME總線是一種工業微機的總線標準,主要用于微機和數字系統領域。優點：ＶＸＩ系統具有小型便攜、高速數據傳輸、模塊式結構、系統組建靈活等特點。1998年修訂的ＶＸＩ2.0版本規范提供了64位擴展能力,使數據傳輸率最高進一步提高到80ＭＢy/ｓ。缺點：組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。VXI總線特點2023/2/143VXI系統的組成如圖所示，一個典型的VXI系統主要由VXI機箱、VXI模塊（插件）、計算機及顯示器等三部分組成。VXI總線測試系統的最小物理單元是組件模塊(AssemblyModule)2023/2/144VXI主機箱組件模塊的機械載體是主機箱(Mainframe)。與模塊尺寸類型相適應，主機箱也有A、B、C、D四種尺寸可選擇。

模塊互連載體是主機箱的背板(Backplake)，背板與模塊之間通過總線連接器銜接：三個96芯的連接器J1、J2、J3，模塊上的連接器對應為P1、P2、P3。

VXI規定，一個主機箱最多有13個(0～12號)槽位，其中0號槽比較特殊，位于機箱的最左邊或最底部,放置用于控制VXI總線系統的內嵌式控制器及用于連接外部計算機的翻譯器和接口。VXI主機箱還為系統提供適合儀器工作要求的公用電源、冷卻和電磁屏蔽環境條件。

VXI模塊與主機箱2023/2/145VXI總線信號線VXI總線的組成

VXI總線是模塊間信號的載體。在VME總線基礎上擴展了一些適應儀器特殊要求的信號線后形成的，從功能上看，VXI總線定義的信號可分為以下幾類：*VME計算機總線*儀器要求的信號線2023/2/146VME計算機總線

1．數據傳輸總線（DTB）

DTB由總線主模塊控制，用于主、從模塊之間傳遞數據和狀態/識別信息。分為尋址線、數據線和控制線。2．DTB仲裁總線

VME總線支持多處理器的分布式系統。仲裁總線用來解決多個主模塊爭奪DTB總線使用權的問題，防止總線沖突。3．優先中斷總線供VME總線系統的中斷器（Interrupter）和中斷處理器（InterruptHandler）之間進行中斷請求和中斷認可使用。4．公用總線為系統提供時鐘、系統初始化及故障檢測等功能。VXI總線信號線2023/2/147VXI增加的信號線

為適應高速、高性能儀器組件模塊的需要，VXI在保留VME系統總線的基礎上，新定義了一些面向儀器應用的信號線。包括：*模塊識別線：檢測特定位置上的模塊的是否存在*時鐘和同步線：CLK10和CLK100、SYN100*儀器觸發線：TTL、ECL和STARX和STARY星形觸發線。*模擬相加線：

SUMBUS是VXI背板上的模擬相加結點。*局部總線：用于兩者之間高速通信，

LBUS數據傳輸率高達250Mbps和1Gbps。*電源線：+5V，+12V是VME標準；

+24V是為模擬電路設計的，-5V、2V和-2VVXI總線信號線2023/2/148VXI總線是一個開放式結構，它對所有儀器生產廠家和用戶都是公開的，即允許不同生產廠家生產的卡式儀器都可在同一機箱中工作，從而使VXI總線很快就成為測試系統的主導結構。

VXI總線是面向模塊式結構的儀器的總線，與GP-IB總線相比較其性能有了較大幅度提高。下圖顯示出典型的VXI總線儀器的構成形式。VXI測試系統構成形式2023/2/149VXI典型系統結構

0號槽：放置用于控制VXI總線系統的內嵌式控制器及用于連接外部計算機的翻譯器和接口常稱為0槽控制器。2023/2/1502023/2/1512023/2/152VXI系統的控制計算機及接口

需要測試控制計算機來運行用戶測試應用程序、控制系統的總線操作、測試操作和數據處理。測試控制計算機可分為內嵌式和外接式兩種。

1.內嵌式測試控制計算機

內嵌式測控計算機是按VXI總線規范設計的計算機模塊，插入主機箱的０～４個槽位的空間。對內嵌式測控控制器(計算機)的要求是：(1)與VME總線和高性能的VXI儀器總線相容；(2)支持VME周期操作和VXI總線字串行通信協議；(3)具有０號槽服務和VXI總線系統資源管理能力；(4)還需提供通用計算機的能力。VXI測試系統構成形式2023/2/1532．外接測試控制計算機接口

外接一臺通用計算機作為VXI系統的測試控制控制計算機是多數用戶的選擇。但通用計算機不能直接和VXI系統總線相連，因此必須設計專用的接口轉換模塊，如圖3.20所示。通過設計這樣的接口轉換模塊，計算機原則上可以使用任何通信或儀器總線實現與VXI總線的信息交換，如GPIB、RS232、USB、IEEE1394、LAN等。在目前VXI測試系統應用中，廣泛采用的外計算機接口有以下幾種：

GPIB-VXI接口,VXI-MXI接口,1394-VXI接口VXI測試系統構成形式2023/2/154

圖3-20外接測試控制計算機與VXI系統的連接MXIbus(MultisystemExtensionInterfacebus)即多系統擴展接口總線,主要用于多個VXI系統間的高速通信2023/2/155表1國外的幾種通用測試系統系統名稱CASSJSATSCTSIFTETETSATEC6主承包商Lockheed-

MartinDMECorp.HughesNorthropGrummanMan-TecEADS用戶海軍(美)陸軍空軍(美)海軍空軍(美)陸軍（美）海軍陸戰隊(美)商業航空測試對象艦載航空電子系統、其它電子系統預警飛機電子系統測試制導武器導彈、魚雷陸軍所有電子系統測試維修戰場前沿電子系統/板級測試波音、空中客車飛機測控計算機DECALPHAIntelPentiumProDECSableDEC工作站IntelPentiumSun工作站系統結構VXI+臺式

設備柜式VXI+臺式

設備柜式VXI+臺式設備柜式VXI+臺式設備柜式VXI箱式便攜結構VXI+臺式設備柜式使用年代1994年1995年1996年1995年1998年1993年2023/2/156美國國防部自動測試系統研究、開發和集成組（ARI）規劃出下一代自動測試系統的體系結構即NxTestATS，作為美國國防部系統的下一代自動測試系統的標準結構，該標準的ATS結構建立在開放系統概念的基礎之上，稱為自動測試系統的開放式結構。該結構主要由“系統接口（SystemInterfaces）”和“信息框架（InformationFramework）”兩部分組成，分別受兩個主要的工業標準：IEEEP1226（ABBET，廣域測試環境）和VXIPlug&Play（VPP，即插即用）的支持，在診斷信息系統方面遵循IEEEP1232（AI-ESTATE，適用于所有測試環境的人工智能交換和服務）標準。在構成分布式綜合診斷系統時，則遵循TCP/IP網絡傳輸協議。2023/2/1572023/2/1582023/2/1592023/2/1602023/2/1612023/2/1622023/2/1632023/2/1642023/2/1652023/2/1662023/2/1672023/2/168

利用計算機強大的圖形工具和在線幫助功能，建立圖形化的虛擬儀器面板，以完成對儀器功能的控制、數據處理和分析、顯示結果；則這種包含實際儀器操作、使用信息的軟件與PC機結合構成的儀器，就稱為虛擬儀器。虛擬儀器基本要素為：測試功能模塊硬件集合體（或稱是硬件平臺），虛擬儀器軟件包（或稱操作軟件平臺）、計算機系統和計算機與硬件集合體的互聯總線，如圖所示。虛擬儀器系統2023/2/169輸出信號信號輸入總線操作軟件平臺應用軟件包應用軟件開發環境C、VB、LabViewLabwindows/CVI計算機系統儀器硬件平臺DACDSPADCMEM儀器驅動器VXIbus、GPIB接口驅動軟件虛擬儀器基本要素示意圖2023/2/170

被測信號GPIB儀器串口儀器VXI模塊PXI模塊PC-DAQ計算機

虛擬儀器的構成方式I/O接口設備2023/2/1712023/2/172軟件技術是虛擬儀器的核心技術。常用的儀器用開發軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。這些軟件已相當完善，而且還在升級、提高。以LabVIEW為例，這是基于圖形化編程語言G的開發環境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI儀器及數據采集卡等硬件的系統構成，而且，具有很強的分析處理能力。2023/2/173虛擬儀器（VI）是計算機技術同儀器技術深層次結合產生的全新概念的儀器，是對傳統儀器概念的重大突破，是儀器領域內的一次革命。虛擬儀器是繼第一代儀器——模擬式儀表、第二代儀器——分立元件式儀表、第三代儀器——數字式儀表、第四代儀器——智能化儀器之后的新一代儀器。2023/2/174虛擬儀器的分類:從技術發展的角度來看，虛擬儀器走的是兩條技術路