测试（自动）系统 集成技术 陈长龄 王子斌 1430室 Tel: 83202223
测试（自动）系统集成技术 课 程 简 介 * 测试计量技术及仪器； * 600级，40 h，2学分； * 课堂教学，答疑，自动测试系统演示； * 笔试+考核=学位 2学分， 作业+考核=考查 2学分； * 教材：陈长龄等：自动测试及接口技术 机械 业出版业 2004. 11 * 参考书：张世箕等：自动测试系统 电子科大出版业 张世箕等：电子仪器接口技术 电子科大出版业
测试（自动）系统集成技术 本课程主要讲述内容： n n n 现代自动测试系统体系结构模型和发展概况(§ 1) GPIB(§ 2)和VXI总线(§ 3)接口技术及其电路的设计方 法 器件消息(488. 2)的消息交换控制协议、编码格式、 公用命令(§ 4)和特定的标准命令(SCPI) (§ 5) GPIB测试控制器、VXI内嵌式控制器 作原理和设 计技术(§ 6) 现代自动测试系统的硬件集成技术(§ 7) 测试软件平台技术(§ 8) 。 特别突出现代ATS的系统集成技术
第一章 绪 论 第一节 自动测试系统的出现及意义 一 、自动测试的概念 n 1、什么是测量？测试？计量？ n 2、什么是测量技术 ？ n 3、电子测量（试 ）仪器（ 设备）？ n 4 、测试系统，手动测试系统 ？ n 5、自动测试（系统）？
第一节 自动测试系统的出现及意义 n 1、什么是测量？严密的讲： 把待测量直接或间接地与另一个同类的已知量相 比较，拿这个已知量作为计量单位，定出被测量是该 单位的若干倍或几分之几，这种实验过程就是测量。 换而言之，测量就是通过实验来求出被测量与计 值单位的比值。 n 门捷列也夫（Д. И. Μендлеев）说过 ： *“测 量是认识 自然界的主要 具”； *“有测 量，才有科学”。 n 测试？计量？
第一节 自动测试系统的出现及意义 n n 2、什么是测量技术 ？ 测试中所采用的原理、方法和技术措施称为 测量（试）技术 。 3、电子测量（试 ）仪器（ 设备）？ 基于某种测量技术，利用电子器件和线路技 术组成的装置，用以测量各种电磁参量或产生 供测量用的电信号，称为电子测量仪器。 电子仪器配上适当的换能器（传感 器）能测量几 乎一切非电物理量，泛指测试 仪器（ 设备）。
第一节 自动测试系统的出现及意义 n 4 、测试系统， 习惯上，将为完成某项测试任务而按某种规则有机 构造的互相联接起来的一套测试仪器（设备）称为测试 系统。这是狭义的测试系统，广泛的测试系统还应包括 测量者（人员）、测试对象、和测试环境。 n 手动测试系统 ？ 一个测试系统，由人 操作完成特定测试任务，称 为手动测试系统。
第一节 自动测试系统的出现及意义 5、自动测试系统： 使用具有一定自动化能力的测试系统进行的测量 和实验，称为自动测试 （Automatic measurement and test）； 通常把在人最少参与的情况下，利用计算机执行 程序，控制测试过程并进行数据处理直至以适当 方式给出测试结果的测试系统称为自动测试系统 （Automated Test System — ATS）或自动测试 设备（Automated Test Equipment — ATE）。
第一节 自动测试系统的出现及意义 n n 最初的自动测试系统：扫频测试 系统 计算机技术、自动控制方法的引 入，促进了自动测试系统的发展。
第一节 自动测试系统的出现及意义 n 为军事目的而提出的“万能自动测试系统” n 美国国防部 1956年SETE计划： n n n 缺点： n n n 不依靠任何文献（被测件技术说明书、仪器手册、测试手册） 非熟练人员进行几乎全自动的操作 以电子计算机的速度进行测试 通过编程的灵活性，适应任何具体的测试任务 虽然对测试人员的测试技能的要求降低，但对其测试编程能 力的要求提高； 技术资料虽然由测试软件取代，但软件文档仍然很大； 成果： n 促进了自动测试系统的发展
第一节 自动测试系统的出现及意义 n 图 1 -1 测量频率响应的自动测试系统 开关器 可程控信号发 生器 被测件 可程控 电压表 可程控 直流电源 可程控 计数器 打印机 绘图仪 计算机 频率响应的自动测试系统
第一节 自动测试系统的出现及意义 二、自动测试的意义 n n n 大批量的产品，没有自动测试系统，也是难以想象的； 人们无法进入的有损测试人员健康的场所； 可无人值守了； 业生产过程自动化已在现代化的生产过程中普遍应用； 自动化的突出特点之一是高速度，可以节约大量人力； 依靠具有计算、处理能力的控制器，获得极宽的测量频率和动态范围； 达到多参数、多功能的测试效果； 消除或削弱随机误差和系统误差，获得极高的测量精确度； 带来重大的经济效果； 大大节约了宝贵的高级复杂劳动力, 以改进产品的性能 ；推断出事物 的本质和自然规律 ； 科学技术的发展和进步有赖于测试 。
第二节 现代自动测试系统体系结构 n 从自动测试系统概念出发，可以抽象出现代自动测试 系统模型的构造要素: 可程控测试仪器、测试控制机、 互联标准数字接口和软件系统，如图 1 -2示。 程控设备1 仪器本体 器件功能区 接口功能区 程控设备2 器件功能区 接口功能区 程控设备n …… 器件功能区 接口功能区 数字接 口总线 系统 数字总线 接口功能区 测试应用软件 测试编程语言 操作系统 计算机本体区 测试控制机 测试软件系统 图 1 -2 自动测试系统结构模型
第二节 现代自动测试系统体系结构 n 1．可程控测试设备 （1）可程控操作 （2）有接口功能区 n n n 2．测试控制器 在功能上: 测试控制器应该具有两种能力，第一是设 备间互联的标准接口总线资源管理能力，第二是对测试 系统的测试设备操作控制能力。 在构成上: 硬件方面必须配有标准数字接口，以便 同测试设备相容互联；软件系统中含有测试应用软件开 发环境。
第二节 现代自动测试系统体系结构 n 3．标准数字接口总线系统 n 互联的设备与设备（或说系统与系统）之间的想 象用于信息交接的一部分界面，称之为接口。 为了在开放式互联设备之间实行数字式信息交换 所必须的一整套与设备有关的接口的机械、电气和功 能要素，称为数字接口系统。 n 4．测试应用软件及其开发环境 n n 测试应用软件 软件开发手段: 是指测控计算机提供的操作系统、测 试扩充高级编程语言、数据处理 具软件和程序故障 诊断软件等。 测试应用软件开发环境
第三节 程控设备互联协议 n 程控设备互联协议（或模型）问题，可用图 1 -3描述。可以归纳为物理互联层和程控命令层协 议。 系统器件X 系统器件Y 总线 器件确定的消息 公用命令和询问 语法和数据结构 远地接口消息 D 仪器设计者及 SCPI C B A IEEE 488. 2标准 A GB/T 15946/IEEE 488. 1 标准 B C IEEE 488. 2标准 D层：器件功能；C层：公用系统功能；B层：消息通信功能；A层：接口功能 图 1 -3 互连程控测量设备通信功能层 D 仪器设计者及 SCPI
第三节 程控设备互联协议 一、数字接口总线 n 1．接口与接口系统 n 各个仪器的接口之间必须满足下列几个条件: （1）电气相容 （2）功能相容 （3）机械相容 （4）运行相容 n n 为在互联设备间实行数字式信息交换所必须的 一整套与设备有关的接口的机械、电气和功能要 素，称为数字接口系统。 2．数字接口总线 的发 展 如表 1 -1，在测试领域得以广泛流行的有GPIB，
第三节 程控设备互联协议 二、程控设备的器件数据的标准化 n 程控设备器件数据编码、格式、语义的非 标准化给编程人员造成很大的困难，仍然 制约着ATS的推广应用。 n “IEEEstd 488. 2 -1987: IEEE标 准编码 、格 式、协议 和公用命令” (也称为IEEE 488. 2)。 n 1990年 4月，推出的“可程控仪 器标 准命令 （SCPI）”才使程控设备 器件数据得到标 准化。如图 1 -3所示，它是在IEEE 488. 2的 基础 上，制定了设备设计 者定义 器件功能 层 特定器件数据语义 时应该 遵循的规 范。
第四节 现代自动测试系统类型 一、 关于自动测试系统分类 n 从接口总线特性出发划分自动测试系统类别： 专用自动测试系统；半专用自动测试系统；第二代（ 现代）自动测试系统。 n n n 而现代自动测试系统分类如下: 基于GPIB数字接口总线(也含RS 232、…等): 积木式自动测试系统。 基于VXI、CAMAC、PXI数字接口总线： 模块式自动测试系统。 基于嵌入式μp内总线：智能化仪器系统。 基于多数字接口总线： 多总线融合式自动测试系统。
第四节 现代自动测试系统类型 二、 积木式自动测试系统 n n n n 基于GPIB可程控测试设备数字接口总线组建的自动测试系统， 称为积木式自动测试系统。如图 1 -1所示意的自动测试系统 ， 或称“迭叠式自动测试系统”。 主要特点是： （1）测试系统组建灵活、方便，GPIB设备利用率高。 （2）测试系统规模较小，如：最多不能超过15台设备，总线 长度小于20米。 （3）总线型连接方式，组建方便、可靠性好。 （4）数据（比特）并行传输，传输速率较低。 （5）组建成测试系统的设备资源冗余量较大。 GPIB积木式自动测试系统是小型实验室试验研究测试系统。
第四节 现代自动测试系统类型 n 图 1 -1 测量频率响应的自动测试系统 开关器 可程控信号发 生器 开关器 被测件 可程控 计数器 可程控 电压表 可程控 直流电源 打印机 计算机 GPIB, RS 232, …… 绘图仪
第四节 现代自动测试系统类型 三、智能仪器系统 n n n 含有μP系统（微型计算机）的仪器，如最早的美国 DANA公司的9000系列计数器、Systron Donner公司的 7115数字电压表等。与传统电子测量仪器相比，含有 μP的仪器不但具有测试功能，还有数据存储、数据处 理与分析、多参数计算、自动校准、自动检查、自动诊 断、输出控制与通信的能力。 将含μP的仪器称为“Smart Instruments”，或 “Instruments based microcomputer”更贴切些。 图 1 -4给出了一台实时采样数字存储示波器（DSO） 样机组成框图，它是典型智能（μP）化仪器系统。
第四节 现代自动测试系统类型 图 1 -4 数字存储示波器样机组成 n ISA总线 数字电路 模拟电路 Vin 1 CH 1（与CH 2相同） Vin 2 μpc fs CH 2调理 EXT ADC μpc ACQEN fw fs 外触发调理 采集RAM fw ACQEN PCA 6154单板微机 CPU ROM DRAM SSD VGA FDD IDE PS 2 数字时基 μpc TRIARM 触发 调 理 SYSTRI μpc COM 1 COM 2 DOS 监控程序 固态电子盘 TFT屏 软盘驱动 硬盘驱动 键盘、鼠标 主触发器 μpc 仪器面板盘 数字控制接口 μpc 模拟控制接口 光耦 信号采集测试功能 GPIB口 GPIB总线 嵌入式μP监控系统
第四节 现代自动测试系统类型 四、模块式仪器系统 n n 程控仪器＋标准外总线＋测控计算机=积木式自动测 试系统 测试功能件＋内总线＋嵌入式μP系统=智能化仪器系 统 将仪器中的测试功能电路板模块（插件）化，插入 计算机内总线槽上，组建计算机辅助测试系统。1980 年某些仪器厂家研制单卡仪器（IAC—Instruments—on —a—card），就是最早的模块式计算机内总线仪器系 统。 1989国际上VXIbus联合体推出“VMEbus e. Xtensions for Instrumentation VXIbus system Specification. Revision 1. 3” , 电子测量领域内的模块式仪器自动
第四节 现代自动测试系统类型 n n 图 1 -5为一个VXI模块式仪器系统示意图。
第四节 现代自动测试系统类型 五、 虚拟仪器系统 n n n 利用计算机强大的图形 具和在线帮助功能，建立图 形化的虚拟仪器面板，以完成对仪器功能的控制、数据 处理和分析、显示结果；则这种包含实际仪器操作、使 用信息的软件与PC机结合构成的仪器，就称为虚拟仪器。 虚拟仪器基本要素为：可重配置的测试功能模块硬 件集合体（或称是硬件平台），虚拟仪器软件包（或称 操作软件平台）、计算机系统和计算机与硬件集合体的 互联总线，如图 1 -6所示。
第四节 现代自动测试系统类型 n 图 1 -6 虚拟仪器基本要素示意图 n 应用软件包 仪器硬件平台 应用软件开发环境 C、VB、Lab. View Labwindows/CVI 总 线 仪器驱动器 VXIbus、GPIB D A C D M A SP E D M C 计算机系统 接口驱动软件 输出信号 操作软件平台 虚拟仪器基本要素示意图 信号输入
第四节 现代自动测试系统类型 n 将完整仪器模块组合在一起，配以适当的虚拟仪器软件，可 以组建成庞大的多功能、多参数、高性能的自动测试系统。在 某些场合下，由原始功能模块构成小系统，借以软件来重新组 合，可以模拟某些特定的仪器。例如图 1 -7 n 示波器 A SH— ADC DSP 15. 60 电压表 频 谱 仪 任意波发 生 函数发生 A DAC 脉冲发生 图 1 -7 虚拟仪器功能示意图 DSP
第五节 网络化测试技术 n n n 两个问题摆在测试 程师面前： （1）异地测试系统间通信怎样解决？ （2）GPIB和VXIbus是测试领域专用接口总线，计 算机是通用的 业产品。通用的计算机发展快、价格 低、测试专用总线发展慢、成本高。两者在发展上无 法匹配？ 从拓展测试设备定义的角度出发，将从任何地点、 在任何时间都能够获取到测量数据的所有硬件、软件 条件的有机集合，称为“网络化测试仪器”。 使用网络化测试设备，构造网络化测试环境，需要 解决那些问题呢？先举个例子来说明。NI公司为 用户 提供了一种Ethernet--GPIB控制器: NI GPIBENET/100。使用连接方式如图 1 -8示
第五节 网络化测试技术 图 1 -8示 n Ethernet PC 作站 Internet 网络 Ethernet GPIB-ENET/100 GPIB总线 仪器 1 ┅ 仪器n Intranet应用
第五节 网络化测试技术 n n n 通过上述举例说明要解决好如下几个问题： （1）网际间协议的转接 （a）物理层和数据链路层 （b）网络层以上 （2）操作系统 （3）测试应 用程序开发环 境软 件系统 （4）注意支持测试 系统 操作的实时 性 自动测试 系统 网络 化是可能的，有人认为 网络 化 测试 技术 是一种涵盖范围 更宽 、应 用领 域更广的全新 现 代测试 技术 ，是今后测试 技术发 展的必然方向之一。 但就目前来说 ，还 只能借助现 在广泛流行的、先进 的 计 算机网络 技术 。
(1)
(2)
(3) n ATS
第六节 自动测试软件平台技术 广义上讲，除测试应用软件外，还包括：计算机操作系 统、测试编程语言、数据库软件和程序诊断软件等等， 它们的集成可称为“自动测试软件平台”。 n 使用测试扩充编程语言，但明显存在不足： （1）掌握至少一种编程语言和编程方法； （2）掌握不断发展、更新的多种程控仪器的数字接口和 千变万化的程控命令代码； （3）软件 程师的劳动成果仅能在特定ATS上运行，几 乎不能移植、扩展。 n 各行各业提出：“软件自动生成”。 图形编程软件、图形化编程 具、或可视化测试环 境等，目前较流行的有： ES-VATE(UESTC) 、 VEE、 Lab. VIEW、Lab. Windows/CVI、等。 n
自动测试系统的发展 n 第三代自动测试系统 n n 在硬件上充分发挥计算机的作用 在测试技术中引入数字信号处理的方法 测试软件 信号重建 波形分析 计算机 谱分析 采样/接受 激励源 DUT 统计分析 逻辑分析
§ 1. 思 考 题 2. 现代自动测试系统的特点是什么 ？ 3. 现代自动测试系统的结构模型？ 4. 现代自动测试系统的分类？各类 的特点？
§ 2. 5. 3 器件接口功能配置与附加要求 n 表 2 -3 最小GPIB接口功能集配置 n 必备的接口功能功能子集能力 n 源挂钩 SH 1: 全部能力 受挂钩 AH 1: 全部能力 讲 者 T 5、T 6、TE 5或TE 6: 基本讲、串行查询、若有MLA则不受命 听 者 L 3、L 4、LE 3或LE 4: 基本听、若有MTA则不受命 服务请求 SR 1: 全部能力 器件清除 DC 1: 全部能力 n 选择的接口功能功能子集能力 n n n n n 远控本控 RL 0或RL 1: 无能力或全部能力 并行查询 PP 0或PP 1: 无能力或全部能力 器件触发 DT 0或DT 1: 无能力或全部能力 控者 C 0或C 4带C 5、C 7 C 9或C 11: 无能力或响应SRQ和同步取控、发送接口 消息，选择控者转移和并行查询能力 电气接口 E 1或E 2: 集电极开路或三态门
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