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關于模擬自動測試儀的硬件平臺組成原理

來源: http://m.52lvi.cn  類別:實用技術  更新時間:2012-07-12  閱讀
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隨著現(xiàn)代計算機技術和儀器技術的迅速發(fā)展,美國國家儀器公司(NationalInstrument)在20世紀80年代中期提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器利用計算機的強大的計算能力、圖形接口環(huán)境和通信功能,建立虛擬儀器面板,完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)處理和顯示,代替了傳統(tǒng)的儀器并改變了傳統(tǒng)儀器的使用方法,用戶可以根據(jù)自己的需求靈活定義儀器的功能,提高儀器使用效率,大幅地降低儀器的價格和研制周期。

  某型導彈的電路模塊是該型導彈的關鍵部件之一,用以完成制導信號的放大、濾波和增益控制等功能。檢驗這類模塊的各項性能指標是否符合設計要求是導彈在研制及生產(chǎn)過程中的關鍵環(huán)節(jié)。該電路模塊性能測試項目多樣,測試環(huán)境嚴格,測試結(jié)果精度要求很高。為滿足以上的要求,研制一套全方位的導彈電路模塊自動測試儀(以下簡稱自動測試儀)是該電路模塊性能和可靠性的重要保證。

  自動測試儀硬件平臺設計虛擬儀器需要以相應的硬件平臺來支持其虛擬儀器軟件的運行。本自動測試儀主要采用基于PCI總線的插卡式儀器和基于GPIB總線的臺式儀器構(gòu)成其硬件平臺。自動測試儀的硬件平臺組成原理圖如所示。臺式儀器主要包括:程控信號源,程控數(shù)字萬用表。插卡式儀器主要為:多功能數(shù)據(jù)采集卡,功率開關繼電器板卡,多路開關繼電器板卡,繼電器控制I/O板卡。除此之外,自動測試儀的硬件資源還包括多功能穩(wěn)壓電源、測試適配器、輔助的功能電路以及外部測試接口。自動測試儀軟件系統(tǒng)設計NI公司開發(fā)的虛擬儀器編程環(huán)境LabWindows/CVI(Cforvirtualinstrument)以ANSIC語言為內(nèi)核,并與C++兼容,集成了許多測試應用開發(fā)的高級功能函數(shù)庫,如:488庫、串行通信庫、VISA庫、數(shù)據(jù)處理函數(shù)庫、DDE庫等。LabWindows/CVI支持動態(tài)鏈接庫技術(DLL),支持微軟的ActiveX控件技術,具有強大的儀器控制、數(shù)據(jù)采集與分析處理、網(wǎng)絡編程以及數(shù)據(jù)庫編程的功能。

  考慮到自動測試儀的測試需求不僅包含大量的信號檢測和數(shù)據(jù)處理,而且涉及大量的軟件界面圖形處理,結(jié)合虛擬儀器技術的特點,在其開發(fā)過程中選擇LabWindows/CVI作為其軟件開發(fā)工具。為了實現(xiàn)自動測試儀軟件的強大的數(shù)據(jù)處理及分析的功能,將數(shù)據(jù)庫技術引入開發(fā)過程中,采用了微軟的SQLSever2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來對測試過程的各種相關信息進行管理。

  自動測試儀軟件系統(tǒng)采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的軟件設計思想,其結(jié)構(gòu)圖如所示。將所有硬件資源的驅(qū)動程序重新以驅(qū)動程序庫的形式加以組織,測試應用程序通過訪問驅(qū)動程序庫函數(shù)實現(xiàn)對各種硬件資源的操作;通過微軟的數(shù)據(jù)庫ADO(activedataobject)接口,測試應用程序與SQLSever2000數(shù)據(jù)庫連接,實現(xiàn)對各種測試相關信息的訪問操作;自動測試儀的測試應用程序則負責自動測試儀各種軟件功能的實現(xiàn),它是以程序功能模塊的形式來進行編寫的,主要包括以下的功能模塊:測試主界面模塊,用戶管理模塊,數(shù)據(jù)管理模塊,電路自動測試模塊,電路手動測試模塊,指標設定模塊以及測試儀軟件的聯(lián)機幫助模塊。測試應用程序的功能模塊示意圖如所示。

  測試應用程序的主界面模塊是測試程序的公共入口,用戶通過它來訪問測試應用程序的各個功能模塊。測試應用程序的用戶管理模塊實現(xiàn)對用戶的分級管理。測試程序的用戶被分為3個級別:系統(tǒng)管理員、工程師和一般操作員。每一個用戶級別的用戶權限和所能進行的操作種類各不相同。系統(tǒng)管理員是自動測試儀軟件的最高權限用戶,能運行測試儀軟件實現(xiàn)的全部功能,測試儀軟件只有而且僅有一個系統(tǒng)管理員;工程師是高級的測試儀軟件用戶,能夠進行所有的與測試相關的操作,但不具有管理測試儀軟件用戶的權限,測試儀軟件允許有多個工程師用戶;一般操作員是測試儀軟件的最低權限的用戶,無管理測試儀軟件用戶的權限,只能進行一般的測試相關操作,不能進行手動測試模塊實現(xiàn)的操作,測試儀軟件允許有多個一般操作員用戶。

  自動測試儀軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖測試應用程序功能模塊示意圖測試應用程序的數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)對各種測試相關信息的統(tǒng)一管理。用戶可以對保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)的所有測試數(shù)據(jù)進行瀏覽、查詢、刪除和打印等一系列操作。測試應用程序中的電路自動測試模塊實現(xiàn)導彈電路模塊全部性能的自動測試功能。該模塊支持用戶對電路模塊性能進行部分及全部的測試,連續(xù)及單步測試等測試方式,在測試過程中,測試結(jié)果會自動動態(tài)顯示出來。實現(xiàn)電路自動測試模塊的軟件界面圖如所示。測試應用程序的電路手動測試模塊以儀器軟面板的形式把自動測試儀所有的硬件資源暴露給用戶,用戶可以按照幫助系統(tǒng)的相關說明按一定的操作順序?qū)ο嚓P資源進行操作,從而以手動方式實現(xiàn)測試功能。

用戶還可以在測試適配器的引出接口上外接相應的測試設備輔助上述的手動測試操作。測試應用程序的指標設定模塊用來設定與電路模塊性能測試相關的指標參數(shù)范圍,便于用戶修改電路模塊的性能指標要求。自動測試儀軟件算法舉例在所構(gòu)造的虛擬儀器硬件平臺基礎上,導彈電路模塊的幾十項測試項目都是用相應的虛擬儀器軟件來實現(xiàn)的,而這類軟件功能的實現(xiàn)又是以相應的算法或程序流程為基礎的。限于本文的篇幅,下文僅以一個實例來說明這類算法或程序流程的設計過程。

在自動測試儀的測試功能中有一項功能是測試導彈電路模塊的工作帶寬。通常進行帶寬測試需要用到頻譜分析儀這樣高級的測試儀器。下面介紹一種在硬件平臺的基礎上軟件實現(xiàn)電路模塊帶寬測試的方法。

從電路的工作原理上來說,該導彈電路模塊屬于放大電路,其帶寬測試原理如所示。圖中橫坐標是輸入信號的頻率,縱坐標是電路的放大倍數(shù)(K)。

fN是電路的額定工作頻率;fL是電路的帶寬下限;fH是電路的帶寬上限。它們之間的關系如下KfN=2KfL=2KfH電路模塊帶寬測試原理圖電路帶寬測試方法的前提是:fN、fL和fH的理論設計值是已知的,并且fN的理論值被認為是實際的電路的額定工作頻率。要保證每次測試時,信號源產(chǎn)生的激勵信號的幅值完全一致,設為A.則求取fL值的循環(huán)搜索算法如下:

(1)用數(shù)字萬用表檢測電路模塊在信號源產(chǎn)生的幅值為A,頻率為fN的激勵信號作用下,輸出信號的電壓值uN,則通帶邊沿的輸出電壓期望值為uideal=uN/2.設定循環(huán)操作的最大步數(shù)M,每次調(diào)整信號源輸出頻率的步長k,并且循環(huán)的步數(shù)m設為0.此外將算法中測量電壓值臨時變量u1、u2初值設為0.

(2)用數(shù)字萬用表檢測電路在信號源產(chǎn)生的幅值為A,頻率為fL理論值的激勵信號作用下,輸出信號的電壓值uL,并把uL值賦給變量u2。

(3)開始循環(huán)。將變量u2的值賦給變量u1,并且讀取當前信號源的激勵信號的頻率賦值給變量Fre.

(4)如果u1值小于通帶邊沿電壓期望uideal值,則Fre=Fre+k;否則Fre=Fre-k.

(5)信號源重新產(chǎn)生幅值為A,頻率為當前頻率值Fre的激勵信號。用數(shù)字萬用表測量當前電路模塊的輸出電壓值uFre,并把uFre值賦給變量u2。循環(huán)步數(shù)m加1.

(6)檢查循環(huán)條件:m%M;|u2-uideal|%|u1-uideal|.若條件滿足繼續(xù)從第3步開始循環(huán)。若條件不滿足,則跳出循環(huán)。若因為條件m>M跳出循環(huán),說明fL值沒有找到,操作失。蝗粢驗闂l件|u2-uideal|>|u1-uideal|跳出循環(huán),并且m%M,則fL值找到,操作成功。

在求取fL和fH的算法中還存在一個問題,就是如何嚴格保證求取算法的前提,即每一次信號源產(chǎn)生的激勵信號的幅值完全一致。這里所指的信號不是信號源的輸出,而是加載到被測電路模塊的輸入端的信號。隨著信號源設定的信號頻率發(fā)生變化,由于測試儀的傳輸特性的影響,如果信號源輸出信號的幅度的設定值不發(fā)生變化,則實際上加載到電路模塊信號輸入端的信號幅值是會發(fā)生變化的。為了保證測試的準確,必須設計一個信號源輸出的微調(diào)算法,保證當信號源輸出的頻率發(fā)生變化時,電路模塊輸入端的信號幅值不發(fā)生變化。這個信號源輸出的微調(diào)算法也采用了與上面介紹的搜索算法相類似的設計。

自動測試儀硬、軟件聯(lián)試的關鍵技術在自動測試儀的硬、軟件聯(lián)試的過程中,主要針對以下列舉的一些關鍵問題采用了針對性的技術,使問題得到了較好的解決。

(1)自動測試儀的抗干擾及誤差消除設計。

針對自動測試儀系統(tǒng)的抗干擾及誤差消除設計,23基于虛擬儀器的導彈電路專用模塊自動測試儀主要在硬、軟件兩方面的設計中加以體現(xiàn)。硬件方面:采用適當?shù)钠帘魏徒拥丶夹g,包括:電路模塊測試工作環(huán)境的屏蔽,電路模塊信號傳輸?shù)钠帘危粶y試儀系統(tǒng)的各種接地點的選擇。軟件方面:采用了適當?shù)目垢蓴_及消除誤差的軟件算法,包括:各種測試結(jié)果補償算法以及上文提到的保證電路模塊輸入端信號幅度的信號源輸出微調(diào)算法等。

(2)LabWindows/CVI訪問數(shù)據(jù)庫的接口設計。

LabWindows/CVI編程環(huán)境下對數(shù)據(jù)庫的訪問操作通常是通過NI公司的軟件開發(fā)包SQLToolKits提供給軟件開發(fā)者的。但是,該軟件開發(fā)包數(shù)據(jù)庫操作的流程使用不夠靈活而且操作程序語法較為抽象,不便于開發(fā)者的使用。為此,在本自動測試儀的軟件開發(fā)過程中,使用了微軟的ADO(activedataobject)數(shù)據(jù)庫接口技術。在LabWindows/CVI編程環(huán)境所生成的ADO對象的驅(qū)動程序庫的基礎上,編寫自定義的通用數(shù)據(jù)庫訪問接口函數(shù)并且通過這些接口函數(shù)實現(xiàn)自動測試儀軟件對數(shù)據(jù)庫的各種的訪問操作。

(3)自動測試儀數(shù)據(jù)報表設計。

LabWindows/CVI編程環(huán)境自帶的報表開發(fā)功能比較有限,為此將微軟的自動化服務器技術應用于自動測試儀軟件的開發(fā)過程中。通過在LabWindows/CVI編程環(huán)境中調(diào)用Excel報表對象驅(qū)動程序庫函數(shù),實現(xiàn)了將Excel強大的報表功能嵌入到自動測試儀軟件環(huán)境中。

自動測試儀運行結(jié)果本自動測試儀很好地滿足了導彈電路模塊的幾十項測試項目的測試需求,各種測試參數(shù)的指標均達到了設計要求,并且相對于原先用戶進行手工測試操作大大地節(jié)省了操作時間,同時測試操作的準確度也大大提高。

在構(gòu)建導彈電路模塊自動測試儀硬件平臺的過程中,盡可能地采用了一些知名廠商的成熟的貨架產(chǎn)品,保證了測試儀硬件平臺的通用性和可靠性。測試儀軟件開發(fā)過程中,充分利用各種軟件算法實現(xiàn)測試儀的功能,實踐了虛擬儀器技術的軟件即儀器的思想。同時,將數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)引入了軟件的開發(fā)過程中,通過數(shù)據(jù)庫來管理大量的測試結(jié)果和被測對象的測試信息,使測試程序與測試數(shù)據(jù)分離,既提高了測試軟件的可維護性、可移植性和可靠性又實現(xiàn)了測試技術與數(shù)據(jù)庫技術的有機結(jié)合。本自動測試儀經(jīng)過用戶實際使用的檢驗,使用方便,用戶界面友好,能夠很好地滿足用戶的各種測試需求。并且自動測試儀的軟件具有良好的可移植性,只要稍做改動就可以滿足導彈后繼型號的電路模塊性能測試的需求。中國糧油儀器網(wǎng) http://m.52lvi.cn/

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