计算机测试系统发展综述

　　

摘　要:　计算机测试系统通常作为设备或武器系统的一个不可缺少的组成部分,其测试性能是衡量设备或武器系统优劣的一项重要指标。其应为基于标准总线的、模块化的开放式体系结构且具备虚拟仪器特点。通过分析和比较VXI总线和PXI总线特点,给出了计算机测试系统的发展方向。归纳出了计算机测试系统应具备的9个方面功能。给出了设计和研制计算机测试系统应遵循的基本原则。
关键词:　测试系统;VXI总线; PXI总线

测试技术涉及到众多学科专业领域,如传感器、数据采集、信息处理、标准总线、计算机硬件和软件、通信等等。测试技术与科学研究、工程实践密切相关,两者相辅相成,科学技术的发展促进了测试技术的发展,测试技术的发展反过来又促进了科学技术的进步。
测试仪器发展至今,大体经历了5 代: 模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。自上个世纪80年代以来,伴随微电子技术和计算机技术飞速发展,测试技术与计算机技术的融合已引起测试领域一场新的革命。1986 年美国国家仪器公司提出“虚拟仪器”即“软件就是仪器”的概念。虚拟仪器是卡式仪器的进一步发展,是计算机技术应用于仪器领域而产生的一种新的仪器类型,它以标准总线作为测试仪器和系统的基本结构框架,配置测量模块,通过软件编程实现强大的测量功能。在虚拟仪器系统中,用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件,用人的智力资源代替物质资源,特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析,使仪器中的一些硬件、甚至整件仪器从系统中“消失”,而由计算机的硬软件资源来完成它们的功能。另外,通过软件可产生许多物理设备难以产生的激励信号以检测并处理许多以前难以捕捉的信号。虚拟仪器是计算机技术和测试技术相结合的产物,是传统测试仪器与测试系统观念的一次巨大变革。
测试技术和设备涉及国民经济和国防建设的各行各业,先进的电子测试设备在众多行业的科研、生产和设备维护使用过程中起着举足轻重的作用。特别是在电子产品、航空航天、武器装备、工业自动化、通信、能源等诸多领域,只要稍微复杂一点的涉及到弱电的系统(或装置)都要考虑测试问题。测试系统是设备或装备的一个必不可少的组成部分,如武器系统的维护维修离不开测试设备。一个系统(或装置)测试功能的完备与否已成为衡量其设计是否合理和能否正常运行的关键因素之一。
测试仪器和系统在国民经济和国防建设中起着把关和指导者的作用,它们广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和国防科研等行业。测试仪器和系统从生产现场各个环节获得各种数据,进行处理、分析和综合,通过各种手段或控制装置使生产环节得到优化,进而保证和提高产品质量。在武器系统科研试验现场,测试仪器和系统可获得试验中各个阶段和最终试验数据,用于及时发现试验中出现的问题和给出试验结论,并为后续相关试验提供依据。因此,测试仪器与系统对于提高科研和试验效率,加快武器试验进程和保证试验安全至关重要。以雷达、综合电子战为代表的军事电子领域,以预警机、战斗机、卫星通信、载人航天和探月工程为代表的航空、航天领域及以导弹武器系统为代表的兵器领域等都离不开测试设备,它是这些装备和系统正常使用和日常维护及维修所必备的。
1　系统类型
现代的测试系统主要是计算机化系统,它是计算机技术与测量技术深层次结合的产物。随着计算机技术的发展,构成测试系统的可选择性不断加大,按照测试功能要求,可构成多种类型的计算机测试系统。在计算机测试系统分类问题上并没有严格的统一规范,以硬件组合形式划分,测试系统可分为基于标准总线的测试系统、专用计算机测试系统、混合型计算机测试系统和网络化测试系统等4种类型。
(1)基于标准总线的测试系统
基于标准总线的测试系统种类非常多,如ISA总线、PCI总线、STD 总线、GPIB 总线、CPCI总线、VXI总线和PXI总线等。这类系统采用各种标准总线,在PC计算机主板的扩展槽或者扩展机箱插槽上、工控机底板插槽上、VXI和PXI机箱背板总线上,插入各种A /D, I/O等功能和仪器模块,构成测试系统。
目前各类标准总线功能模块和模块化仪器品种齐全且商品化程度高,因此系统集成容易。此类系统具有标准化、模块化、可靠性高、可重构等特点。
(2)专用计算机测试系统
专用计算机测试系统是将具有一定功能的模块相互连接而成。专用计算机测试系统又可分为2大类,一类是专业生产厂商设计生产的大型、高精度的专用测试系统;另一类是专业生产厂商生产的小型智能测试仪器和系统。
专用计算机测试系统最重要的特征是系统的全部硬软件规模完全根据系统的要求配置,系统的硬软件应用/配置比高。因此,系统具有最好的性能/价格比,在大批量定型产品中采用这种类型比较合适。根据所采用微处理器的不同,专用计算机测试系统又可分为标准总线计算机系统和单片机系统。
(3)混合型计算机测试系统
这是一种随着8位、16位、32位单片机出现而在计算机测试领域中迅速发展的结构形式。它由标准总线系统与由单片机构成的专用计算机测试系统组成,并通过各种总线(串行或并行)将2部分连接起来。标准总线系统的计算机一般称为主机,主机承担测试系统的人机对话、计算、存储和处理、图形显示等任务。专用机部分是为完成系统的特定功能要求而配置的,如各种数据的现场采集,通常称为子系统。
(4)网络化测试系统
利用计算机网络技术、总线技术将分散在不同地理位置、不同功能的测试设备集成在一起,加上服务器、客户端以及数据库,组成测试局域网系统,通过网络化的虚拟仪器软件,共同实现复杂、相互组合的多种测试功能。网络型计算机测试系统的灵活性较大,可用多种方式及时地索取现场数据。
2　发展现状
测试系统采用标准总线硬软规范使得测试系统向开放性、集成化发展,推动了测试系统标准化、模块化、虚拟化等进程。目前测试系统可选用的、主流的标准总线包括ISA总线、PC I总线、VXI总线、CP2C I总线和PXI总线及工业现场总线等,其中VXI总线和PXI总线最具有代表性。
VXI总线是上世纪80年代末期在VME总线的基础上扩展而成的仪器系统总线。VXI总线由于采用模块化开放式结构,易于扩展、重构和系统集成。它依靠有效的标准化,采用模块化的方式,实现仪器模块间的互换性和互操作性,使得不同厂商生产的测量模块能容易地组建一个高性能的测试系统。其开放的体系结构和即插即用方式符合信息产品的要求。缩短了测试系统的研制周期,降低了成本,减小了风险。因此,VXI总线一经问世便受到了测试界的认可并迅速得到推广。
VXI总线系统已在美国国防、航空航天、工业等领域得到较广泛应用。美国国防部对其三军武器维护维修的自动测试系统要求广泛采用现成的基于标准总线的COTS或商用硬件和软件产品。为了实现武器维护维修自动测试系统的标准化、通用化,陆海空军分别采用了综合测试设备(AFTE) 、联合自动保障系统(CASS) 、新型通用测试站(CTS) 。美国许多生产自动测试系统的公司正在把标准的ATLAS语言转换为面向目标的Ada语言,将Ada为基础的测试环境(ABET IEEE - 1266)转换为更广泛的测试环境(ABBET) 。ABBET是一种易于修改和扩充的模块化开放式结构,而VXI总线和其V ISA为能够满足这种环境的规范。为此,美国三军广泛使用VXI总线测量系统完成武器系统的维护维修,达到了降低费用、减少测试设备体积和提高测试效率等要求。
美军F - 22战斗机从生产制造测试到现场维护维修测试过程都采用了商用的通用自动测试系统。此系统采用了VXI总线产品硬件、ABET 软件、UN IX/POSIX/W INDOWS操作系统、局域网LAN、PC /工作站、专家诊断系统、可编程仪器标准指令( SCP I)等等。该系统具有体积小、价格低、测试速度高及性能高等特点。另外, VXI总线测试还广泛用于飞机测试、导弹测试、风洞数据采集、喷气发动机测试、工业生产过程控制和波音757, 767 和777客机测试设备等等。
VXI总线测试系统不仅涉及到电子测量领域,而且已延伸到微波、毫米波和通信领域。在数字域、频率域和时间域的测试得到了较广泛的应用,譬如通信卫星、雷达和电子对抗测试中的任意波形发生器、频谱仪、逻辑分析仪、网络分析仪、微波/射频模块等。VXI总线不仅在军事上获得了应用,而且还在通信、铁路、电力、石化、冶金等行业得到了广泛应用。
全世界有近400 家公司在VXI总线联合会申请了制造VXI总线产品的识别代码,其中大约70%为美国公司, 25%为欧洲公司,亚洲仅占5%。在大约1300多种VXI产品中, 80%以上是美国产品,其门类几乎覆盖了数据采集和测量的各个领域。在市场方面, 2002年以前,美国VXI市场的总销售额虽然仍以每年30% ～40%的增长。近两年来,由于PXI和CPC I等产品的掘起,VXI产品销售增势已趋缓。
1997年美国国家仪器公司N I发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范———PXI总线标准。PXI的核心技术是Compact PCI工业计算机体系结构、MicrosoftW indows软件及VXI总线的定时和触发功能。PXI总线其实是PCI在仪器领域的扩展,它将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范,从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制订PXI总线规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PC I总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来,形成一种主流的虚拟仪器测试平台。

PXI总线的基础一是当今计算机技术,二是借鉴和吸取了VXI总线特点。VXI基于VME总线,而PXI基于PC I总线。由于标准PC I总线带宽是132MB / s,标准VME总线只有40MB / s,因此PXI总线性能优于VXI总线。由于PXI插卡尺寸小,所以它能够为便携式、台式与固定架式装置提供一个通用平台。开放的PXI总线规范可组成模块化的测试系统,它可以容易地整合多个厂家的测试产品。
PXI总线规范也能把不同平台的仪器集成到PXI测试系统中。如为了兼顾已有的VXI总线系统和保护用户投资,已开发了跨接VXI总线系统和PXI总线系统的转接卡。
近几年, PXI总线产品种类和数量增长迅速。PXI总线系统联盟( PXISA)就有60多家公司参与,这些公司生产或集成基于PXI总线的测试模块和测试系统。现在已有数百种不同的3U或6U PXI模块供用户选用。随着其应用范围和领域的不断扩大,市场份额也将迅速增大。
目前,测试系统发展方向主要表现在以下几个方面:
(1)基于标准总线的硬件平台
测试系统采用模块化开放式标准总线体系结构,易于扩展、重构和系统集成。于是,不同厂商生产的测量模块能容易地组建一个高性能的测试系统。测试系统集成强调基于COTS,不仅可降低系统成本和研制周期,而且可使系统容易升级换代。
(2)分布式、网络化结构
在工业生产和科研试验现场,由于被测系统(或装置)一般均采用分散布置或安装,因此,测试系统应可采用分布式或网络结构,以解决被测信号因长距离传输所造成的测试精度下降问题。同时,测试系统其内部电缆将明显减少,解决了过去复杂的连接问题。网络化测试系统具有资源共享、集中管理、分布测量和处理、功能多样化和操作便捷等特点。
(3)同步授时
测试系统要保证与测试对象的时间同步,此外其本身也应有时间基准要求。因此,测试系统必须要有统一的时间基准即时统,时统一般采用IR IG -B码。GPS授时为首选的一种时间基准。GPS授时型接收机不受时间、地点和气候的限制,可提供高精度、连续的实时授时信息。在测试系统中,应采用具有自主授时、内外同步功能的GPS模块以实现与测试对象同步。
(4)虚拟仪器
虚拟仪器技术的出现,大大增强了测试系统的功能。虚拟仪器的测量功能模式是“动态的”,可根据用户需要来定义或扩展,而不是“静态的”即固定的、不可变更的。除示波器、任意波形发生器、数字表、频谱分析仪等通用测量与分析仪器外,对不同的参量测量类型和需求,通过虚拟仪器平台,依各自测量参数的测量原理,利用信号分析与处理技术,通过编制软件程序,就能实现用户定制的各种测试仪器。因此,虚拟仪器在构建和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性,且可缩小测试设备的体积、减少其重量。
3　基本功能特点
传统的测试系统主要由“测试电路”组成,所具备的功能较少,也比较弱。随着计算机技术的迅速发展,使得传统测试系统发生了根本性和革命性变革。测试系统采用计算机代替常规电子线路作为主体和核心,从而产生了计算机测试系统。将计算机引入测试系统中,不仅可以解决传统测试系统不能解决的问题,而且还能简化电路、增加或增强功能、降低成本、易于升级换代。计算机测试系统具有高精度、高性能、多功能的特点。
计算机测试系统应用专业领域很广,不同的应用领域使用的测试系统或仪器在名称、型号、指标等方面有所区别,组成计算机测试系统的类型也不尽相同。但一般都应具备以下功能特点。
(1)自动校零
可在每次采样前对传感器的输出值自动校零,从而降低因测试系统漂移变化造成的误差,提高测试精度。
(2)自动修正误差
许多传感器的特性是非线性的,且受环境参数变化的影响比较严重,从而给仪器带来误差。可用软件进行在线或离线修正;也可把系统误差存贮起来,便于以后从测试结果中扣除,提高测试精度。
(3)量程自动切换
可根据被测量值的大小自动改变测量范围,从而提高分辨率。
(4)多参数实时测量
可同时对多种不同参数进行快速测量,对一些参数还可多次重复测量或者连续测量,多次重复测量有利于误差的统计,以更真实地反映参数变化规律。
(5)强大的数据处理、分析和评估
对测量的数据进行各种数学运算、误差修正、量纲换算,以及时域和频域分析等工作。对参数测量的结果具有分析和评估能力。
(6)虚拟仪器功能
通过软件编程设计实现仪器的测试功能,而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。
(7)模拟仿真
通过软件可实现对被测试信号的模拟,以用于系统调试和自检,也可将采集的信息进行回放,用于模拟或仿真被测设备的输出。
(8)资源共享
利用计算机的网络口和串并口,可完成测试系统与外部设备之间的数据传输,实现远距离测量控制和资源共享,便于分布式测量、集中控制等。
(9)在线监测和故障诊断
可对测试系统自身进行实时监测,判断测试结果的正确性,并能自动记录和显示;一旦发现故障则立即进行报警,显示故障部位或可能的故障原因,可利用专家系统对故障排除方法进行提示。对于采用硬件热备份的系统,还可进行热切换,保证测试工作不中断。
4　设计原则
计算机测试系统的研制过程一般应从分析测试任务需求开始;然后进行系统总体方案设计、硬件设计、软件设计、系统调试和现场调试;直到测试系统正式投入运行,并达到所要求的功能和性能指标为止。
测试任务需求分析阶段非常重要,此阶段主要分析系统的技术指标和功能,确定系统的输入通道类型和数量(模拟、数字和开关) 、量程范围、采样频率和精度、传感器类型、测试结果评定标准、输出结果形式等。
对于计算机测试系统硬件设计,首先应综合测试任务需求规模、测试功能指标和测试环境等要素,确定系统结构的基础即选何种标准总线。由于测试任务需求的各异,对于相同硬件构架,通过软件编程可以构成各种不同功能和用途的测试系统。测试软件一般包括系统配置和标定、数据采集和存储、数据处理和分析、数据交换和结果输出、被测信号模拟仿真等5部分。
计算机测试系统设计时,一般应遵循和参照以下原则:
(1)高性能原则
测试系统可容纳接口种类要多;通道容量要大;采样频率要高;采集精度要高;仿真模拟/信号发生器要具备;数据存贮器容量要大;实时采集与处理能力要强;综合分析和评估要强;具备远程诊断能力。
(2)软件设计原则
软件设计应遵循标准化、模块化和可移植性强、代码效率高等原则。
(3)小型化与自动化原则
系统硬件结构要小型化和标准化,以便于运输和安装;自检功能要完备;智能化水平要高,便于操作。
(4)电磁兼容性原则
依据有关国军标,确保系统自身的电磁兼容性;系统在实际工作环境下能可靠地正常地运行;不对其它设备有影响或造成干扰。
(5)可重构原则
能对测试系统硬件和软件进行重新组合和配置,以适应不同测试对象的需求,从而提高投资效益。
5　结束语
计算机测试系统在众多行业的科研、生产和设备使用过程中起着举足轻重的作用,其重视程度显著提高。伴随着信息技术的迅速发展,计算机测试系统将进一步向着开放性、标准化、模块化、重构性强、虚拟化和网络化等方向发展,其在工程技术的各个领域将得到更广泛地应用。

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