基于模块化设计的自动信号测试系统

卜云萍 成丝雨 王道酉 赵 洋 陈 珺

(1.中国洛阳电子装备试验中心，洛阳 471003；2.中国空间技术研究院神舟学院，洛阳 471003)



基于模块化设计的自动信号测试系统

卜云萍1成丝雨2王道酉1赵 洋1陈 珺1

(1.中国洛阳电子装备试验中心，洛阳 471003；2.中国空间技术研究院神舟学院，洛阳 471003)

通过一个应用测量的完整实例，介绍了通过调用VISA库实现对多种接口智能仪器进行程控，通过模块化设计组成一个综合自动信号测试系统的方法。

GPIB；VISA；信号测试系统

0 引言

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，对测试系统提出了更高的要求：能够进行多点测量；能够快速进行动态在线实时测量和控制，满足网上远程数据通信的要求；能够实时快速地进行信号分析和处理。所以，传统仪器为主的测试方式已经不能满足要求，以计算机为核心的虚拟仪器测试系统以显而易见的优势正在逐步取代传统的测试方式，正是基于此种考虑，我们按照实际测试要求构建了此信号测试系统。

1 系统组成及特点

本测试系统实现了对信号源、频谱仪、功率计、示波器和数字表等常用测试仪器的综合控制。系统分割成对每台仪器的单独控制，并通过软件设置实现对系统中不同设备的同步操作，完成静态、动态参数测试。如同时控制信号源和频谱仪，可以完成通信链路衰减测试、天线方向图测试等功能。自动测试系统采用虚拟仪器技术，利用主控计算机显示器的显示功能模拟各测试仪器的控制面板，以图表、曲线、数字等多种形式显示检测结果；利用主控计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理与存储；通过GPIB总线、LAN口或RS232串口等总线控制各测试仪器完成信号的采集、测量，控制打印机打印测试报告，从而构成一套能够完成多种测试功能的自动测试系统。

2.1 系统硬件组成

组建的基于虚拟仪器的信号测试系统主要由包括系统控制器、GPIB接口设备、GPIB接口板卡、LAN接口设备及串行接口设备和各种外设设备等硬件模块组成，其系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

硬件系统中的系统控制器就是指控制和统筹各种接口设备工作的计算机，分为现场计算机和远程计算机。现场计算机是在信号测试现场对各个测试、辅助设备进行控制的计算机，主要用于近距离的测量测试控制；远程计算机用来实现对一个局域网上连接的所有现场计算机和LAN接口设备的控制，或者直接对LAN接口设备进行远程控制。GPIB接口设备，通过GPIB转接卡连接现场计算机，由现场计算机对其进行控制和数据交互。串行口设备直接通过RS232数据传输线连接现场计算机进行设备控制和数据交互。在系统中，现场计算机和远程计算机的功能是可以互换的，可以通过远程计算机控制现场计算机从而完成对各种接口设备的远程控制。

图2 软件结构框图

2.2 系统特点

该系统具有以下显著特点：

1)便携、机动性强。该系统搭建灵活、便捷，可根据实际测试需要，选择使用的测试设备，完成系统的硬件连接，通过系统软件进行测试，并利用网络进行数据交互，很好地满足了快速、网络化工程测试需求。

2)实时、直观性好。测试结果可通过图表、曲线、数字等形式将测试数据实时显示在显示器上，便于及时发现问题。充分利用计算机的高速运算能力，能够实时将数据存储到数据库中，并对测试数据进行分析与处理，出具测试报告。

3)软件兼容、扩展性好。该系统利用虚拟仪器的接口技术完成了系统的模块化设计，大大增强了系统的互换性和可操作性。

3 测试软件设计

该自动测试系统软件设计采用虚拟仪器技术，利用主控计算机强大的软件功能实现对系统中各测试设备的控制，通过GPIB总线、LAN口或RS232串口等总线来完成信号的采集、测量，从而构成一套能够完成多种测试功能的自动测试系统。

该系统的应用软件采用模块化设计，系统主要由设备控制模块、数据的分析和处理模块、数据库管理模块、通信模块、报表生成模块等模块组成。各个模块之间相互独立，这为软件的设计维护和日后升级改进提供了巨大的便利。其系统软件结构框图如图2所示。

3.1 设备接口控制模块

这个模块通过调用VISA I/O函数库来实现控制计算机和仪器通讯功能。模块主要包括I/O接口VISA软件和仪器驱动程序，其中I/O接口软件驻留于虚拟仪器系统的系统管理器——计算机系统中，是实现计算机系统与仪器之间命令与数据传输的桥梁和纽带，为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件层，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础和核心；仪器驱动程序是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现；仪器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过I/O软件所提供的统一基础与格式的函数库(VISA库)的调用来实现。该系统的仪器控制模块完成对串行口设备、GPIB接口设备及LAN等接口设备的I/O通信。

3.2 通信模块

通信模块负责自动测试方式下不同设备之间的数据交换和通信从而完成相应的测试功能。这个模块是根据测试任务要求，进行测试过程配置，选择所需的测试设备进行初始化，设置测试点，对系统中的测试设备发送程控指令，控制测试设备进行相应的操作，并对测量结果进行记录，其流程如图3所示。

图3 通信模块程序流程图

3.3 数据库模块

数据库设计必须满足对测试全过程产生的需要记录数据的准确有效的管理要求，首先要进行测试过程表设计，主要包括仪器程控指令表、测试过程信息表、测试原始数据表和测试数据处理表，其中仪器程控指令表用于调用程控指令来控制测试设备完成相应的功能；测试过程信息表主要存储测试任务的公共信息，主要包括测试文件名、测试设备名、设备编号、测试时间、温度、湿度、测试人员及备注等字段名，表中的记录与系统的每次测试过程相对应，即每次测试都将在表中添加一行数据来记录测试过程的真实情况；测试原始数据表是为了记录测试原始数据而建立的数据表，它也是随测试过程而随机产生的，每台设备的每次测试过程都将根据测试人员的命名产生一个数据表，该类表主要包括功能、量程、频率、测量值及检定时间等字段名，全面记录测试产生的所有数据。同时数据库还提供按不同条件对各种数据的查询功能。

3.4 数据处理和分析模块

数据处理和分析模块主要用于对测试的数据按要求进行相应的分析处理、显示，主要完成对测试结果的粗大误差剔除、求和及求极值等运算处理、测试数据的重新组合以及处理结果的显示，从而完成系统的功能扩展。

3.5 报表生成模块

该模块包括测试报告格式设计、测试报告管理以及测试报告输出三部分。测试报告是以存储的表格样式形式来显示和输出的。系统内置了测试报告模板，将报告模板中需要填充的部分以变量代替，即制作定位符。按照具体的测试任务要求，系统选择需要的参数自主生成测试报告，同时还具备测试报告的输入、输出、删除等管理功能。

4 系统应用

下面以频谱测试为例说明系统使用过程，图4为其设备连接示意图。

系统中主控计算机同时调用信号源和频谱仪来完成测试功能，在完成系统硬件连接以后，操作系统软件先对弹出的信号源软界面进行频率、功率等参数设置，再对频谱仪软界面进行频率、跨度、带宽和扫描时间等参数设置，然后设置信号源射频输出。测试开始后，在频谱仪界面中捕捉到该信号，因为采用了虚拟仪器技术，所有上述过程均在主控计算机有频谱图实时显示。对于感兴趣的测试数据，可选择保存频点数据或者保存频谱图数据进行存储操作，将原始数据同步保存到数据库中，并提供测试数据查询、频谱图回放、测试报告打印等服务，测试频谱图如图5所示。

图4 设备连接框图

图5 频谱图显示

5 结束语

在该套自动测试系统中，虚拟仪器技术的采用赋予系统非常强大的仪器控制功能，系统可支持GPIB接口、RS-232串行接口、USB(通用串行总线)和LAN等多种仪器接口，具有很好的通用性和灵活性；通过系统的模块化设计，为系统的扩展和维护提供了便利；在数据管理方面，建立了系统数据库，实现了对数据库的访问。系统采用中文图形界面，操作使用简便，利用计算机对测试数据进行存储、管理、回放，降低了测试人员的工作强度，减少了人为操作可能带来的失误，提高了工作效率，在工程实践应用中具有广泛借鉴价值。

[1] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通.北京：清华大学出版社，2007

[2] 张海波，刘缨，周彤，黄海宇.基于LabVIEW的信号发生器自动校准系统，计量技术，2007(11)

[3] 秦红磊，路辉，郎荣玲，等.自动测试系统——硬件及软件技术.北京：高等教育出版社，2007

[4] 刘思久，张礼勇.自动测试系统与虚拟仪器原理·开发·应用.北京：电子工业出版社，2009

[5] 王磊，陶梅.精通LabVIEW 8.0.北京：电子工业出版社，2007

[6] 方杰，魏群，康艳.基于VISA COM的数字示波器波形自动采集与分析系统研究，计量技术，2013(5)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.11