基于PC上位机构建测试系统研究

叶小燕 滕飞

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

【摘 要】随着科技的不断发展，人们对测试设备的要求越来越高，目前测试系统正朝着微型、低耦合度、高可重用性和强扩展能力等方向发展，以PC上位机模式构建的测试系统应运而生。这种模式构建的测试系统凭借低成本和高可靠性衍生出非常多的产品，并被广泛应用于工业测试和控制领域。文章旨在分析PC上位机测系统共性工作原理，结合以散热系统测试研究的风洞测试系统案例，为搭建测试系统提供参考和帮助。

【关键词】PC；上位机；测试系统

【中图分类号】TP182 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）07-0053-03

0 前言

随着计算机制造技术的进步，PC性价比不断提高，利用其高速的数据处理能力替代昂贵且功能单一的DSP等芯片，已经成为各大测试系统集成商的首选方案。在此环境下，很多兼容PC接口的多功能采集卡产品及软件问世，极大地降低了构建测试系统的复杂度，可快速搭建基于PC上位机的测试系统。

1 含有PC上位机的测试系统模型

目前，绝大部分PC上位机测试系统可以使用松耦合和嵌入式2种模型来理解，以下内容中，PC上位机称上位机。下面重点介绍这2种模型。

1.1 松耦合模型

如图1所示，松耦合模型中，采集卡只负责数/模或者模/数转换。由于采集卡功能相对薄弱，因此具备很好的松耦合特性，可以替换成多种模块连接不同的传感器。而测试系统的绝大部分功能由上位机完成，因此可以极大地降低了硬件成本。若自主开发测试软件，则整个测试系统的成本几乎就是硬件费用。目前，这种松耦合模式被各大测试系统集成商广泛采用。

松耦合模型的缺点：由于上位机完成了绝大部分工作，使得整个测试系统的性能和可靠性大大依赖于上位机。在系统运行过程中，上位机必须正常工作，不能待机也不能出现故障。一旦上位机出现异常，整个系统崩溃后就会停止测试。并且，上位机的资源是由操作系统进行控制，而最常用的Windows操作系统定时为毫秒级，基于Windows工作的上位机将不能实现超过毫秒级的高速资源调度。使用DMA（Direct Memory Access）技术也只能实现将数据高速写入内存，通常用于数据采集，不能实现高速、复杂的I/O控制。

因此，松耦合模型适用于中、小型测试系统，尤其是微型便携的测试系统。由于其松耦合特性，系统扩展能力较好，这取决于总线I/O的类型和数量。PC的可靠性及其性能随着电子制造技术的提升而不断提高，松耦合模型可以满足常规测试需求。

1.2 嵌入式模型

与松耦合模型不同，嵌入式模型（如图2所示）削弱了上位机功能，在此基础上加入了嵌入式模块。使用嵌入式模块进行数据处理、信号调理和数据存储。利用嵌入式模块的高速和高可靠性，提升了测试系统的整体性能，同时弥补了松耦合模型不能进行资源高速控制的不足。

嵌入式模型的优势：由于上位机仅用于人机交互，通常用于系统的配置和数值、预警等显示功能，使整个测试系统在测试阶段不再依赖于上位机；当测试系统运行时，即使上位机出现错误而停止通信，受影响的只是数据显示等人机交互功能，其他模块可正常工作，待上位机故障排除后，整个系统的显示功能恢复正常。这样就极大地提高了系统的稳定性和可靠性。

嵌入式模型的不足：引入嵌入式模块后虽然提升了整个测试系统的复杂度，不但要考虑上位机的通信和异常处理，还要进行嵌入模块的程序编写，使软硬件成本提高，增加了整个系统的组建费用。由于嵌入式模块写入程序后很少变更，因此一旦系统组建后，整个系统的灵活性和扩展性就大大地降低了，具有很强的定制性。

综上所诉，嵌入式模型适用于大型测试系统，利用高速嵌入式模块可以实现精确的微秒级定时和低延迟I/O控制，其性能完全适用于大量通道而长时间系统测试，如耐久性等测试。

2 松耦合模型构建的风洞测试系统

风洞测试系统软件使用Labview编写，运行在上位机。用于对环境的仿真及模拟现实散热测试，下面对Labview进行简要介绍。

2.1 Labview简介

Labview是美国国家仪器（NI）公司研制的编程环境，可以运行在上位机的图形化开发语言。由于使用C语言编写，运行效率极高。可以使工程师不用过多地考虑硬件底层而专注于数据分析、处理和人机交互，快速开发满足需求的测试系统。

2.2 风洞测试系统结构

如图3所示，整个系统由三大部分组成：①风源。由马达带动叶片旋转产生，马达转速由电流比例控制的泵控制。②风道。在图3中用圆柱体表示，用于模拟实际环境，同时减少外界不稳定因素对测试带来的扰动。③风场测量。由6个光栅风速传感器构成，根据从上到下6个传感器的测量值，可以近似绘制风场分布图。

2.3 风洞测试系统上位机程序分析

图4、图5为系统的人机交互界面，实现了系统配置、数据采集、设备控制、数据储存等功能。

如图6和图7所示，在数据采集阶段，使用通知器的主从双循环结构进行控制，主循环进行数据采集，待采集缓冲区中数据长度达到设定值时，输出数据至缓冲队列，此时通知器告知从循环进行数据处理。在数据采集进行的同时，从循环进入执行阶段，从缓冲队列中获取数据，进行数据处理，并把处理好的数据输出一个电子表格的临时文件。这样就构成了一个主循环控制从循环结构，互不干扰，实现采集和处理的同时而又异步进行。

这种结构的优点是实现低运行速率环境下的高速采集。高速采集的数据使用DMA技术先存入缓冲区，再从缓冲区抽取定长数据进行处理。数据处理和显示实际上滞后于数据采集，并且对缓冲区的长度有要求，本系统缓冲区长度设置为采样率的50倍，可根据实际情况进行合理设置。这种略微滞后并不影响使用，实际则不会超过0.2 s的延时。

如图7、图8所示，在数据处理的时候已经实时记录数据。当数据采集结束，点击“Upload”按钮时（如图4），执行的是重命名和移动文件操作。由于数据一直在记录，可以避免突发异常引起的数据丢失。当出现测试中断时，只需要查找预先设定的临时文件目录，把文件重命名即可查看数据，提高了测试系统的数据安全性，使整个系统更加可靠。

3 结论

在满足性能的前提下，使用PC上位机代替传统硬件，实现更强大的功能，实现测试系统的低成本、高性能、轻量化，这是使用上位机构建测试系统的最终目的。

參 考 文 献

[1]雷振山，肖成勇，魏丽，等.Labview高级编程与虚拟仪器工程应用[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[2]靳鸿.测试系统设计原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3]郭军.测试系统技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

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

[责任编辑：钟声贤]

【作者简介】叶小燕，女，广西北海人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司助理工程师，从事汽车电器产品研发工作。