虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。本文研究了一種基于虛擬儀器技術(shù)的自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的被測對象為信號處理設(shè)備，其任務是把輸入信號經(jīng)特定封裝后輸出，并通過GPIB和PCI接口控制各種儀器生成、接收多種類型信號、測試設(shè)備的各技術(shù)參量，進而運用軟件程序?qū)y試數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，生成測試報告。和傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)簡化了測試流程、減少了測試中的人工誤差，測試過程程序化、自動化、規(guī)范化，可以滿足多型號信號處理設(shè)備的測試需求。本文從總體設(shè)計、硬件和軟件設(shè)計與編程幾個方面，詳細探討了自主研發(fā)的自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)方法，并給出了相應的實驗結(jié)果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

自動測試系統(tǒng)的突出優(yōu)點是系統(tǒng)中各種設(shè)備都是可程控的，整個測試工作在預先編制好的測試程序的統(tǒng)一指揮下完成，因而速度快、量程大、誤差小，可大量節(jié)約人力和時間?，F(xiàn)在發(fā)展到第三代，虛擬儀器概念的提出及其快速發(fā)展更加突顯了自動測試系統(tǒng)硬件測試軟件化的趨勢。然而目前在中高端測試中，傳統(tǒng)儀器由于其高性能、高精度、高穩(wěn)定性仍占主導地位，短期內(nèi)是虛擬儀器無法取代的。

考慮到設(shè)計出一種滿足中高端應用的測控系統(tǒng)，在硬件設(shè)備選擇時，既使用了安捷倫等公司的高精密示波器、頻譜儀等傳統(tǒng)測試儀器，也使用了IT公司基于PCI的模擬輸出卡等典型虛擬儀器。

1.1測試需求分析

為實現(xiàn)高效自動測量，針對接入大量多種類型的數(shù)據(jù)需求，包括多種背景下的紅外圖像信號、各種模擬信號、開關(guān)信號、總線數(shù)字信號(并行數(shù)據(jù)、RS232, ARINC429等)，需要將這些信號封裝為特定結(jié)構(gòu)的PCM幀發(fā)送出去，由信號處理設(shè)備對接收到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行處理。自動測試系統(tǒng)工作主要有三項，一是傳輸精度標定;二是模擬輸人信號測試，三是射頻視頻信號測試。此外系統(tǒng)還要完成對各個模擬通道輸人端口靜態(tài)電阻的測量。

傳輸精度標定包括產(chǎn)生交流、直流標準輸入信號，接收并處理測試數(shù)據(jù)，計算出輸入輸出信號誤差，生成傳輸系數(shù)方程。投入使用前，信號處理設(shè)備需要進行通道精度標定，隨著設(shè)備工作時間增加和周圍環(huán)境的變化，其通道參數(shù)會有所變化，需要對各個通道進行重新標定。

模擬輸人信號測試中需要利用儀器模擬信號處理設(shè)備所有需要的輸入信號，這些信號要求可并行加載到輸入端對應通道。其輸出的信號經(jīng)接收解調(diào)后，其中數(shù)字信號計算誤碼率，模擬信號計算峰值與頻率等參量并和輸入信號進行比較，誤差在設(shè)計允許范圍內(nèi)則對應通道測試通過。

射頻視頻信號測試需要向信號處理設(shè)備輸入信號源，測試發(fā)射機的各參數(shù)包括頻率、頻偏、功率等。

1.2系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

為了滿足信號處理設(shè)備的測試項目需求，自動測試系統(tǒng)由軟硬件共同組成。該系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上劃分為控制模塊、信號發(fā)生模塊和信號接收處理模塊，每個結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)部按功能劃分為標定、模擬輸入信號測試和射頻視頻信號測試子模塊。結(jié)構(gòu)模塊間為串行關(guān)系，而功能子模塊間為并行關(guān)系。

控制模塊硬件以工控機為基礎(chǔ)，軟件為系統(tǒng)的主控進程負責記錄用戶測試參數(shù)設(shè)置，向信號發(fā)生和信號接收處理模塊發(fā)出命令控制硬件儀器的自檢，按用戶需要完成標定和測試流程，進行數(shù)據(jù)分析，自動修改數(shù)據(jù)庫、生成標定數(shù)據(jù)表格、生成測試報告。

圖1自動測試系統(tǒng)總體框圖

信號發(fā)生模塊硬件由工控機和標定、模塊信號測試與射領(lǐng)視頻信號測試中所需的信號發(fā)生儀器組成。軟件由信號發(fā)生進程和儀器驅(qū)動組成負責接收控制模塊發(fā)出命令，控制儀器進行對應的操作、產(chǎn)生測試或標定所需信號。

信號接收解調(diào)模塊硬件由工控機、信號接收解調(diào)卡(接收、解調(diào)標定和模擬信號輸入測試過程中信號處理設(shè)備輸出的幀信號)和射頻視頻信號參數(shù)測試儀器組成，軟件由信號接收解調(diào)進程、主控進程中的射頻視頻信號測試模塊和儀器驅(qū)動組成負責接收控制主控程序發(fā)出的命令，返回給主控程序接收解調(diào)后的信號數(shù)據(jù)和射頻視頻信號測試參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個硬件系統(tǒng)包括兩臺工控機、12臺測試儀器。本系統(tǒng)中的儀器設(shè)備主要有兩類，一是GPIB接口設(shè)備，二是PCI接口設(shè)備。在標定與射頻視頻測試中，對設(shè)備的速度與實時性要求不高，但需要控制多臺儀器，因而選擇了GPIB接口設(shè)備。GP1B接口是并行雙向總線，通行速率小于1 MHz ,利用GPIB的一個接口可以連接巧個或更多的儀器并和它們進行通信。另外加上兩條USB-GPIB線，通過對儀器設(shè)置不同的GPIB地址，用兩臺工控機上的各個USB口就實現(xiàn)了對6臺儀器的控制。在模擬信號測試中，對儀器傳輸速度有很高的要求，為了模擬測試信號處理設(shè)備在真實工作環(huán)境下能實時處理數(shù)十路模擬信號及多種高速傳輸?shù)臄?shù)字信號，本系統(tǒng)中除了單路的高速正弦信號是用GPIB接口的任意函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，其它信號發(fā)生卡均選擇了PCI接口設(shè)備。PCI總線高達132MB的傳輸速率，滿足了測試對儀器傳輸速度的要求。

在標定模塊中，由于傳輸精度標定不要求實時性，但對輸入信號精度有較高要求，因此使用了精密電源和任意函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生單路直流和交流標準信號。對多通道依次標定，使用了數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元用于自動切換標準信號到被標定信號通道。此外數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元有自帶歐姆表可實現(xiàn)輸入端靜態(tài)電阻測試。

在模擬箱入信號側(cè)試模塊中，采用了2塊NI623模擬輸出卡，每塊可提供32路的模擬信號輸出，設(shè)計要求60路緩變信號和8路窄脈沖信號，但由于實際側(cè)試中不可能同時使用所有通道信號，因此其中有4路信號是緩變信號和窄脈沖信號復用的。任意函數(shù)發(fā)生器用于產(chǎn)生精確的高速正弦信號，其余數(shù)字信號發(fā)生器見圖1。由于信號處理設(shè)備要求信號幅度范圍大于儀器可提供范圍，因此增加了匹配器放大模擬信號與正確模擬信號處理設(shè)備的輸入信號。

在射頻視頻信號側(cè)試模塊中，使用了任意函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生信號源，聯(lián)合使用了領(lǐng)譜儀、示波器對信號處理設(shè)備發(fā)射機的各參數(shù)進行側(cè)試，使用了功率計對信號處理設(shè)備的工作功率進行側(cè)試。標定模塊、模擬信號側(cè)試模塊、射預視孩信號討試模塊中均使用了任意函數(shù)發(fā)生器，但由于3項工作不會同時進行，因此任意函數(shù)發(fā)生器只需一臺，3個模塊復用。

不同型號的信號處理設(shè)備輸入端通道數(shù)不同，要求不同參數(shù)的信號。信號通過控制儀器產(chǎn)生，為了滿足現(xiàn)有多種型號設(shè)備和未來發(fā)展的需求，系統(tǒng)所選信號發(fā)生儀器可產(chǎn)生的信號參數(shù)范圍和通道數(shù)均大于現(xiàn)有各型號設(shè)備浦試需要。不同型號信號處理設(shè)備通過定制不同的電纜與自動側(cè)試系統(tǒng)相連，實現(xiàn)了自動側(cè)試系統(tǒng)的通用性，滿足不同型號信號處理設(shè)備的側(cè)試需求，也降低了測試成本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本自動側(cè)試系統(tǒng)軟件在windows 2000下開發(fā)，采用了Labwindows/CVI作為軟件開發(fā)平臺。

3.1系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)

按照系統(tǒng)框圖連接好設(shè)備，工控機通過GPIB和PCI接口對儀器進行設(shè)置，之后控制儀器獲得所需的輸出數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，打印測試結(jié)果。系統(tǒng)主界面如圖2所示。軟件工作的基本流程如圖3所示。

3.2軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)由3個進程組成，主控進程、信號發(fā)生進程和信號接收處理進程，其中主控進程和信號接收處理進程運行在一臺工控機上，信號發(fā)生進程運行在另一臺工控機上。進程間的通信是軟件設(shè)計的一個重點。由于主控進程與信號發(fā)生進程不在一臺工控機上，兩者用交叉線相連，進程間的通信利用了Labwindows/CVI的TCP支持數(shù)據(jù)庫提供的庫函數(shù)，主控程序發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包到信號發(fā)生進程，信號發(fā)生進程通過數(shù)據(jù)包的首字節(jié)判斷不同的數(shù)據(jù)包，做出對應的操作控制儀器，并返回消息到主機進程以確認數(shù)據(jù)包被正確發(fā)送。主控進程與信號接收處理進程間的命令傳送利用了Windows操作系統(tǒng)提供的基本通信工具“消息”。進程間的數(shù)據(jù)交互利用了Windows提供的文件映射內(nèi)核對象，信號接收處理進程把接收信號數(shù)據(jù)寫入文件映射內(nèi)核后，發(fā)送消息通知主控進程，主控進程讀取數(shù)據(jù)進行一系列數(shù)據(jù)分析，以判斷信號處理設(shè)備狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)主界面

圖3 軟件基本流程圖

紅外圖像信號與并行信號發(fā)生卡驅(qū)動及應用程序的設(shè)計是軟件設(shè)計的另一個重點。紅外圖像信號與并行信號發(fā)生卡是自行研制的，與其它購買的儀器提供驅(qū)動相比，需要開發(fā)驅(qū)動。使用了DDK工具包開發(fā)WDM驅(qū)動程序，其代碼簡潔、結(jié)構(gòu)清晰、效率也比較高。讀寫速度是驅(qū)動開發(fā)的關(guān)鍵，紅外圖像信號生成要求寫速度達到15MB/s，為了滿足速度使用DMA讀寫方式，硬件中使用的PCI9054橋接芯片提供了兩個獨立的DMA通道，紅外圖像信號和并行信號可以同時獨立讀寫。此外紅外圖像信號要求按幀頻發(fā)出連續(xù)圖像，為了控制幀頻的準確，由硬件按幀頻發(fā)出中斷，軟件收到一個中斷則硬件寫入一幅圖像，軟硬件相互配合連續(xù)產(chǎn)生紅外圖像信號。應用程序不直接調(diào)用驅(qū)動，把調(diào)用驅(qū)動的接口函數(shù)封裝在DLL(動態(tài)連接庫)中使用DeviceIoControl函數(shù)調(diào)用驅(qū)動，使用Event內(nèi)核對象與驅(qū)動同步中斷，方便應用程序調(diào)用。

圖4 模擬信號涓試結(jié)果

4 測試結(jié)果

圖4是模擬信號通過示波器觀察的結(jié)果，圖5是ARINC429信號通過接收以后的結(jié)果。結(jié)果表明本系統(tǒng)比較好的實現(xiàn)了設(shè)計要求，但是需要注意的是由于模擬信號的數(shù)據(jù)大量存儲在內(nèi)存之中，因此當啟動模擬信號軟件以后，內(nèi)存通過PCI總線不斷的將數(shù)據(jù)發(fā)送至板卡的緩沖區(qū)，經(jīng)過計算，數(shù)據(jù)量高達12.8M，此時若設(shè)置其它板卡將得不到響應，因此需要首先設(shè)置數(shù)字信號板卡，NI板卡需要最后設(shè)置并啟動，如此，系統(tǒng)可以相當穩(wěn)定的運行。

圖5 數(shù)字信號測試結(jié)果

5 結(jié)束語

綜上所述，由多臺精密儀器聯(lián)合和ANSI C語言編寫控制程序組成的自動控制系統(tǒng)，可以完成對信號處理設(shè)備的傳輸標定、模擬信號調(diào)試和射頻視頻信號測試，并且可以滿足該信號處理設(shè)備的多個型號的測試要求，該自動湄試平臺硬件配置方便，軟件界面友好，在信號處理設(shè)備的實際測試中取得良好的效果。