基于LXI总线的自动测试系统方案设计

摘要：为了满足军用自动测试系统准确度要求高、测量点多、实施性强的特点，实现提高测试准确度、简化硬件电路设计的目的，采用了基于LXI总线的数字化测试系统方法，做了将数字万用表L4411A和多路开关L4421A应用于ATE的实验。获得了实时性好，准确度高，简化硬件设计的结果，得到了基于LXI总线的数字化测试系统方案很好地满足了军用ATE系统需求的结论。
关键词：自动测试设备；LXI总线；数据采集：L4411A

0 引言
    自动测试系统(Automatic Test System，ATS)是在单一计算机系统控制下，通过一种或多种总线把多个仪器互联起来，按预先编制的测试程序(TP)，自动进行被测试对象(UUT)功能参数测试、性能下降评估或故障检测隔离的系统。作为一台定量测试设备，最重要的指标是信号的测试准确度。过去对模拟信号进行测试一般采用的方法是：首先进行幅值调整及信号特征变换，再通过A／D变换的方式进行处理，例如要实现交流幅值这样一个简单测试，就必须通过幅值调整、整流变换等步骤，这带来的最大问题是降低了测试的准确度。
    本系统研制的军用ATE是一台适用于某同类装备产品的通用测试设备，ATE信号有如下特点：
    (1)信号数量多；
    (2)信号范围宽，就电压来说，要测试的最小值仅十几个mV，最大要达到约200 V；
    (3)测试特征多，要测试的信号特征包括电压、频率、电阻、电流等，有时一个信号同时要测试几种特征；
    (4)测试速度要求不一，有些信号时序要求特别高，因此在保证准确度的同时，还必须满足实时性。
    针对以上信号特征分析后，提出基于LXI总线的数字化测试系统方案，较好地解决了众多物理量信号测量中的布线、传输，而且实现了在不同采样速率下的采集、记录。面对试验中信号分散、数量多、种类繁杂的情况，研制开发基于LXI总线的测试系统就成为最佳选择。采用LXI总线简化了系统配置，节约了系统资源，有增加了系统的灵活性，取得了节约经费、提高测试准确度、简化硬件电路设计的多重效果。

1 LXI总线的优点
    LXI基于工业标准以太网(Ethernet)技术，扩展仪器需要的语言、命令、协议等内容，构成适用于自动测试系统的新一代模块化仪器平台标准。其具体设想是将非常成熟的以太网技术利用到自动测试系统中，以替代传统的测试总线技术。LXI总线仪器融合了GPIB仪器的高性能、VXI／PX仪器的小体积以及LAN的高吞吐率，并考虑定时、触发、冷却、电磁兼容等仪器要求，是基于以太网的新一代自动测试系统模块化架构平台。LXI仪器对数据通信的格式、通信的实时性以及数据通信的可靠性都提出了较高的要求，尤其实时性和可靠性影响着测试系统后的精确度和准确性。
    采用以太网总线作为系统总线有很多优点，具备先进的网络特性，比如传统的测试与测量接口不能提供对等通信，以太网电缆和插卡是标准的、广泛使用的，且基本上是免费的等。
    与传统的卡式仪器相比，LXI模块化仪器具备了许多优势：
    (1)可以保证仪器的全部性能；
    (2)集成更为方便，不需要专用的机箱和0槽计算机；
    (3)可以利用网络界面操作，无需编程和其他虚拟面板；
    (4)连结和使用更为方便，可以利用通用的软件进行系统编程；
    (5)非常容易实现校准计量和故障诊断；
    (6)灵活性强，可以作为系统仪器，也可以单独使用。
    另外，由于LXI模块本身配备有处理器、LAN连接、电源供应器和触发输入，因此它不像模块式卡槽必须使用昂贵的电源供应器、背板、控制器及MXI插卡和接线。它的发展不受I／O接口发展的限制。

2 系统组成结构
    检测设备组成原理如图1所示：

    从图1可看出，在本军用ATE系统中，使用了两种LXI总线的仪器模块组成的数采单元，各种测试板卡和工业控制计算机组成的测试系统。
    数据采集单元采用安捷伦(Agilent)公司生产的L4411A 6 1／2位高性能数字万用表和L4421A 2线40通道电枢多路复用器。这2种模块均符合LXIClass C标准，内置以太网连接功能，采用1U高度、半机架尺寸宽度，可以方便地安装在标准机架中而不需要机箱。既有模块化的优点，可方便地集成到以往的各种系统中使用，又可作为单独仪器使用，大大方便了系统集成。
    系统使用的L4411A具有以下功能特点：
    (1)速度快，50 Kb／s读数／sec@4．5位；
    (2)精度高，直流电压精度0．003％，交流电压精度0．06％；电阻精度0．01％；
    (3)模拟电平及可编程预触发和后触发；
    (4)自动量程，可根据外部信号特征自动调整测试量程，对于动态范围较宽的信号尤其方便；
    (5)1 MB读数存储；
    (6)DCV，ACV，DCI，ACI，二线／四线欧姆，频率，周期，连续性和二极管测试，极大简化测试方案。
    40通道电枢多路复用器L4421A开关支持高达300 V和1 A的信号，因此不要求外部信号调节，每秒最多扫描100条通道，在配置为多路复用器时，L4421A带有先断后通连接，保证在扫描过程中不会有两个信号相互连接在一起。
    在系统测试信号中，至少需要30路的模拟输入，因此L4411A数字万用表和L4421A多路开关的组合很好的满足了系统需求。工控机通过交换机以LAN接口方式和L4411A，L4421A相连，实现程序控制和测试过程中的数据上传。多路开关L4421A完成快速的不同通道间的切换，把多个测试点接到测量仪器数字万用表L4411A，为被测件提供控制输入和保持仪器与测试点的正确连接，从而极大程度上缩短测试时间，减少整个测试过程中的人为错误。多路开关使用模拟总线连接器，把连通后的信号路由到数字万用表上。数字万用表的外触发输入端接到多路开关的外部触发器连接端，通过一个通道关闭触发数字万用表进行数据采集，外部触发功能可以简便地定时和同步测量其他事件，这有助于确定什么时候开始或结束采集。
    对于要求进行幅值、频率、电阻等标准测试的这些输入信号，直接将信号接入多路开关L4421A，通过程序指令实现通道切换和万用表的数据采集及传输，简化了硬件电路设计，提高了软件开发效率。

3 仪器接口模块设计
    这个模块实现计算机和数采单元的I／O通信功能，通过使用VISA I／O函数库实现。VISA是虚拟仪器软件体系结构的缩写，其本质是一个仪器I／O接口软件库及其规范的总称，这样用户在编程时使用作为虚拟仪器系统标准I／O软件的VISA I／O接口库就能使用不同类型接口控制可程控仪器。
    使用VISA作为I／O接口软件来完成仪器控制程序，优点是不但兼容不同接口类型或网络机制，而且对不同接口类型连接的仪器的操作类型或函数是一致的。VISA持对LXI仪器的操作。
    本模块程序以Visual C++6．0为开发工具，基于动态链接库的方式实现，方便应用程序调用。仪器的打开、关闭等所有仪器共有的操作，是通过VISA I／O库(viOpen、viClose)等实现的。设置仪器参数是通过调用viPrintf函数向仪器发送可编程仪器标准命令即SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments))命令实现的。同样地，通过调用viScanf函数向仪器发送SCPI命令可以从仪器读回状态信息和测试结果。
    在直流信号测试过程中，控制直流测量速度有以下要素：自动归零；自动量程；积分时间；自动触发延迟。
自动归零、自动量程都有内部软件指导下的机械装置执行，用以控制数字万用表内部的运行。为实现高的读数率，可选择固定量程，关闭自动归零，禁用自动延迟触发。设置数字完用表，闭合多路开关L4421A，实现DVC功能较高测量数度的简略程序如下：

    viOpenDefaultRM返回一个指向默认资源管理器(Default Resource Manager)的会话(session)。该函数初始化VISA系统，所有的VISA函数被调用前，必须使用这条函数。
    viOpen开始一个与制定仪器联系的会话。它返回的会话标志符能被随后使用到该仪器的函数使用，用以指示该仪器。
    程序最后需调用viClose关闭缺省仪器资源管理者会话InsL4411A和InsL4421A。
    本系统中，通过多次试验，对于单个直流信号，系统可在6 ms内完成一次精确测量，交流信号的测量也可控制在8ms左右，很好的满足了系统需求。

4 结语
    军用ATE中，根据测试准确度要求高、测量点多的特点，使用基于LXI总线的测试系统。目前设备已投入使用，根据使用情况看，取得了以下效果：提高测试准确度；具备很强的电流、电压、电阻等测试能力和精度，简化ATE系统的复杂性，提高测试速度；具有远端回读能力，提高测试的精度和可靠性；提高系统实时性；降低生产成本；简化硬件、测试方案设计；方便系统维护。
    LXI模块仪器具有高性能、小尺寸的特点，是高性能／价格比测试仪器的领先者，它们比VXI和PXI的价格更为低廉(毋须机箱、0槽控制器或MXI)，以及研制形成合成仪器，已经成为测试系统理想选择，是未来测试系统的主流方向。