一种基于虚拟仪器的通用测控系统

    虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。本文研究了一种基于虚拟仪器技术的自动测试系统，该系统的被测对象为信号处理设备，其任务是把输入信号经特定封装后输出，并通过GPIB和PCI接口控制各种仪器生成、接收多种类型信号、测试设备的各技术参量，进而运用软件程序对测试数据结果进行分析，生成测试报告。和传统的测量系统相比，该系统简化了测试流程、减少了测试中的人工误差，测试过程程序化、自动化、规范化，可以满足多型号信号处理设备的测试需求。本文从总体设计、硬件和软件设计与编程几个方面，详细探讨了自主研发的自动测试系统实现方法，并给出了相应的实验结果。

1 系统总体设计

    自动测试系统的突出优点是系统中各种设备都是可程控的，整个测试工作在预先编制好的测试程序的统一指挥下完成，因而速度快、量程大、误差小，可大量节约人力和时间。现在发展到第三代，虚拟仪器概念的提出及其快速发展更加突显了自动测试系统硬件测试软件化的趋势。然而目前在中高端测试中，传统仪器由于其高性能、高精度、高稳定性仍占主导地位，短期内是虚拟仪器无法取代的。

    考虑到设计出一种满足中高端应用的测控系统，在硬件设备选择时，既使用了安捷伦等公司的高精密示波器、频谱仪等传统测试仪器，也使用了IT公司基于PCI的模拟输出卡等典型虚拟仪器。

    1.1测试需求分析

    为实现高效自动测量，针对接入大量多种类型的数据需求，包括多种背景下的红外图像信号、各种模拟信号、开关信号、总线数字信号(并行数据、RS232, ARINC429等)，需要将这些信号封装为特定结构的PCM帧发送出去，由信号处理设备对接收到的数据结构进行处理。自动测试系统工作主要有三项，一是传输精度标定;二是模拟输人信号测试，三是射频视频信号测试。此外系统还要完成对各个模拟通道输人端口静态电阻的测量。

    传输精度标定包括产生交流、直流标准输入信号，接收并处理测试数据，计算出输入输出信号误差，生成传输系数方程。投入使用前，信号处理设备需要进行通道精度标定，随着设备工作时间增加和周围环境的变化，其通道参数会有所变化，需要对各个通道进行重新标定。

    模拟输人信号测试中需要利用仪器模拟信号处理设备所有需要的输入信号，这些信号要求可并行加载到输入端对应通道。其输出的信号经接收解调后，其中数字信号计算误码率，模拟信号计算峰值与频率等参量并和输入信号进行比较，误差在设计允许范围内则对应通道测试通过。

    射频视频信号测试需要向信号处理设备输入信号源，测试发射机的各参数包括频率、频偏、功率等。

    1.2系统的总体结构

    为了满足信号处理设备的测试项目需求，自动测试系统由软硬件共同组成。该系统从结构上划分为控制模块、信号发生模块和信号接收处理模块，每个结构模块内部按功能划分为标定、模拟输入信号测试和射频视频信号测试子模块。结构模块间为串行关系，而功能子模块间为并行关系。

    控制模块硬件以工控机为基础，软件为系统的主控进程负责记录用户测试参数设置，向信号发生和信号接收处理模块发出命令控制硬件仪器的自检，按用户需要完成标定和测试流程，进行数据分析，自动修改数据库、生成标定数据表格、生成测试报告。

图1自动测试系统总体框图

    信号发生模块硬件由工控机和标定、模块信号测试与射领视频信号测试中所需的信号发生仪器组成。软件由信号发生进程和仪器驱动组成负责接收控制模块发出命令，控制仪器进行对应的操作、产生测试或标定所需信号。

    信号接收解调模块硬件由工控机、信号接收解调卡(接收、解调标定和模拟信号输入测试过程中信号处理设备输出的帧信号)和射频视频信号参数测试仪器组成，软件由信号接收解调进程、主控进程中的射频视频信号测试模块和仪器驱动组成负责接收控制主控程序发出的命令，返回给主控程序接收解调后的信号数据和射频视频信号测试参数。
 

2 系统硬件设计

    整个硬件系统包括两台工控机、12台测试仪器。本系统中的仪器设备主要有两类，一是GPIB接口设备，二是PCI接口设备。在标定与射频视频测试中，对设备的速度与实时性要求不高，但需要控制多台仪器，因而选择了GPIB接口设备。GP1B接口是并行双向总线，通行速率小于1 MHz ,利用GPIB的一个接口可以连接巧个或更多的仪器并和它们进行通信。另外加上两条USB-GPIB线，通过对仪器设置不同的GPIB地址，用两台工控机上的各个USB口就实现了对6台仪器的控制。在模拟信号测试中，对仪器传输速度有很高的要求，为了模拟测试信号处理设备在真实工作环境下能实时处理数十路模拟信号及多种高速传输的数字信号，本系统中除了单路的高速正弦信号是用GPIB接口的任意函数发生器产生，其它信号发生卡均选择了PCI接口设备。PCI总线高达132MB的传输速率，满足了测试对仪器传输速度的要求。

    在标定模块中，由于传输精度标定不要求实时性，但对输入信号精度有较高要求，因此使用了精密电源和任意函数发生器产生单路直流和交流标准信号。对多通道依次标定，使用了数据采集/开关单元用于自动切换标准信号到被标定信号通道。此外数据采集/开关单元有自带欧姆表可实现输入端静态电阻测试。

    在模拟箱入信号侧试模块中，采用了2块NI623模拟输出卡，每块可提供32路的模拟信号输出，设计要求60路缓变信号和8路窄脉冲信号，但由于实际侧试中不可能同时使用所有通道信号，因此其中有4路信号是缓变信号和窄脉冲信号复用的。任意函数发生器用于产生精确的高速正弦信号，其余数字信号发生器见图1。由于信号处理设备要求信号幅度范围大于仪器可提供范围，因此增加了匹配器放大模拟信号与正确模拟信号处理设备的输入信号。

    在射频视频信号侧试模块中，使用了任意函数发生器产生信号源，联合使用了领谱仪、示波器对信号处理设备发射机的各参数进行侧试，使用了功率计对信号处理设备的工作功率进行侧试。标定模块、模拟信号侧试模块、射预视孩信号讨试模块中均使用了任意函数发生器，但由于3项工作不会同时进行，因此任意函数发生器只需一台，3个模块复用。

    不同型号的信号处理设备输入端通道数不同，要求不同参数的信号。信号通过控制仪器产生，为了满足现有多种型号设备和未来发展的需求，系统所选信号发生仪器可产生的信号参数范围和通道数均大于现有各型号设备浦试需要。不同型号信号处理设备通过定制不同的电缆与自动侧试系统相连，实现了自动侧试系统的通用性，满足不同型号信号处理设备的侧试需求，也降低了测试成本。

3 系统软件设计

    本自动侧试系统软件在windows 2000下开发，采用了Labwindows/CVI作为软件开发平台。

    3.1系统软件框架结构

    按照系统框图连接好设备，工控机通过GPIB和PCI接口对仪器进行设置，之后控制仪器获得所需的输出数据，对数据进行分析，打印测试结果。系统主界面如图2所示。软件工作的基本流程如图3所示。

    3.2软件设计

    软件系统由3个进程组成，主控进程、信号发生进程和信号接收处理进程，其中主控进程和信号接收处理进程运行在一台工控机上，信号发生进程运行在另一台工控机上。进程间的通信是软件设计的一个重点。由于主控进程与信号发生进程不在一台工控机上，两者用交叉线相连，进程间的通信利用了Labwindows/CVI的TCP支持数据库提供的库函数，主控程序发送TCP数据包到信号发生进程，信号发生进程通过数据包的首字节判断不同的数据包，做出对应的操作控制仪器，并返回消息到主机进程以确认数据包被正确发送。主控进程与信号接收处理进程间的命令传送利用了Windows操作系统提供的基本通信工具“消息”。进程间的数据交互利用了Windows提供的文件映射内核对象，信号接收处理进程把接收信号数据写入文件映射内核后，发送消息通知主控进程，主控进程读取数据进行一系列数据分析，以判断信号处理设备状态。

图2 系统主界面
 

图3 软件基本流程图

    红外图像信号与并行信号发生卡驱动及应用程序的设计是软件设计的另一个重点。红外图像信号与并行信号发生卡是自行研制的，与其它购买的仪器提供驱动相比，需要开发驱动。使用了DDK工具包开发WDM驱动程序，其代码简洁、结构清晰、效率也比较高。读写速度是驱动开发的关键，红外图像信号生成要求写速度达到15MB/s，为了满足速度使用DMA读写方式，硬件中使用的PCI9054桥接芯片提供了两个独立的DMA通道，红外图像信号和并行信号可以同时独立读写。此外红外图像信号要求按帧频发出连续图像，为了控制帧频的准确，由硬件按帧频发出中断，软件收到一个中断则硬件写入一幅图像，软硬件相互配合连续产生红外图像信号。应用程序不直接调用驱动，把调用驱动的接口函数封装在DLL(动态连接库)中使用DeviceIoControl函数调用驱动，使用Event内核对象与驱动同步中断，方便应用程序调用。

图4 模拟信号涓试结果

4 测试结果

    图4是模拟信号通过示波器观察的结果，图5是ARINC429信号通过接收以后的结果。结果表明本系统比较好的实现了设计要求，但是需要注意的是由于模拟信号的数据大量存储在内存之中，因此当启动模拟信号软件以后，内存通过PCI总线不断的将数据发送至板卡的缓冲区，经过计算，数据量高达12.8M，此时若设置其它板卡将得不到响应，因此需要首先设置数字信号板卡，NI板卡需要最后设置并启动，如此，系统可以相当稳定的运行。

图5 数字信号测试结果

5 结束语

    综上所述，由多台精密仪器联合和ANSI C语言编写控制程序组成的自动控制系统，可以完成对信号处理设备的传输标定、模拟信号调试和射频视频信号测试，并且可以满足该信号处理设备的多个型号的测试要求，该自动湄试平台硬件配置方便，软件界面友好，在信号处理设备的实际测试中取得良好的效果。