基于局域网的自动测试设备（ATE）的建立技术_信息与通信_工程技术_专业信息
局域网？基于自动测试设备的楼宇技术局域网？基于自动测试设备的构建技术李兴山，梁旭，于劲松，北京航空航天大学自动化学院，检验与自动化工程系，北京100083摘要：基于局域网的ATE构建技术的应用显着降低了ATE的生命周期成本，改善了资源ATE的可重用性和可伸缩性，并为实现下一代自动测试系统（ATS）结构NxTest提供支持。本文从基于LAN的ATE的发展历史入手，介绍了这种ATE的拓扑以及构建此类系统的一些关键技术，重点介绍了网络环境中ATE系统仪器资源的同步，定时和触发技术。 ，以及如何使用合成工具作为基础来建立ATE。关键字：自动测试设备，局域网，综合仪器，自动测试系统，LXI。摘要：建立基于LAN的自动测试设备（ATE）可以明显降低ATE在其整个生命周期内的成本。这项技术的应用可以提高ATE的重用性和可扩展性，并为Nxtest的实施提供支持。本文从ATE的发展历史入手，介绍了基于LAN的ATE的拓扑结构以及构建该系统的关键技术。它着重于ATE资源的同步，时序和触发，以及如何使用综合工具建立ATE。局域网合成仪器； ATS； LXI.1简介自动测试设备（ATE）的结构是否具有机架？和？基于GPIB总线的堆栈和基于PC（个人计算机）的插件。基于VXI和PXI等的卡式仪表类型和模块化仪表系统。
GPIB柜式仪器在测量频率范围，精度和功能方面具有优势，但是控制计算机需要GPIB插入卡，并且仪器之间的通讯速度较慢，体积和重量是主要缺点。 PC插入式仪器最便宜且体积小，但是其功能覆盖范围非常有限且使用不便，因此仅用于便携式或低成本小型ATE。 VXI总线模块化仪器体积小，重量轻，信号通道数量多，功能覆盖范围广，配置灵活，并且仪器种类繁多。 VXI模块化仪器通常用于航空航天和国防工业，还用于制造过程测试系统和高速数据采集系统。 PXI总线1线模块化仪器体积更小，重量更轻，体积仅为类似VXI仪器的1/4，并且价格低于VXI产品。但是，PXI总线仪器的功能覆盖范围有限，并且仪器种类远远少于VXI仪器。 。 PXI仪器目前主要用于某些需要便携式数据采集任务的军事ATE和工业自动化领域[1]。 VXI和PXI模块化仪器通过共享机箱，电源并使用计算机屏幕上的软面板，消除了柜式堆叠式仪器中可重复使用的仪器机箱，仪器电源，显示面板，各种面板开关，按钮等的需求。 。小型测试系统的目的是体积和重量。
但是，对于体积和重量要求较高的场合（例如某些军用ATE），由于VXI和PXI总线系统都需要VXI（或PXI）用于机箱，因此该领域的进展仍然不完整。至少需要一个零槽控制器。使用外部控制计算机时，还必须将GPIB卡插入计算机（使用多系统总线MXI连接到VXI机箱时，需要插入MXI总线控制卡），并使用特殊的GPIB或MXI总线电缆。所有这些都会增加整个系统的成本，并使VXI（或PXI）在体积和重量方面都打折。当前，台式计算机配备了高速以太网（LAN）和通用串行接口（USB）。网络通信协议和USB即插即用规范使外围设备可以轻松连接到计算机和PC的Windows。操作系统可以及时找到它并加载相应的驱动器。测试设备和仪器制造商会及时跟踪这一技术进步，并开始开发和发布一些以低成本，高速USB和LAN作为标准接口的仪器/设备。可以使用特殊的局域网来实现具有联网功能的各种仪器的本地远程控制，并且可以通过Internet进行更远程的控制。 USBTMC？ USB488协议可用于通过USB接口方便地控制仪器。控制方法与GPIB仪器完全相同。
LAN / GPIB和USB / GPIB转换器无需使用PC GPIB卡即可完成对传统GPIB仪器的控制。当使用带有高速串行接口或以太网接口的仪器来构建测试系统时，由于不需要使用VXI（或PXI）机箱和零插槽控制器，也不需要特殊的PC插件卡中，所使用的通讯电缆也很便宜，这使得采用这种方法来建立ATE，尤其是低成本的军用ATE，已成为非常引人注目的发展趋势。高速串行接口（IEEE1394，USB）最初是个人计算机制造商配置的标准接口自动测量设备，以促进各种服务外围设备（例如打印机，扫描仪等）的连接。使用这种类型的串行接口总线构建测试系统时，由于电缆布线受限和完整性不高的缺点，虽然通信速度可以超过GPIB总线，并且具有成本低，体积小，重量轻的优点。关键任务信号，目前仅在建筑规模上。高速串行接口总线（例如USB）用于空间狭小且狭窄的测试系统。以太网是使用最广泛的通信接口，测试设备和仪器制造商已在其产品上配置了以太网接口。以太网允许多台计算机访问测试网络，而不会引起控制器冲突。
一般的点对点以太网连接距离可以达到100m。如果使用集线器，则半径可达200m。如果使用光纤接口，则距离可以扩展到数千公里。支持高速数据传输是大多数功能测试系统和数据采集应用程序的关键技术要求之一。目前，一般的以太网可以具有100Mb / s的传输速率，并且已经有1Gb / s甚至10Gb / s的高速以太网，可以满足传输速度的要求。总之，从发展趋势的角度来看，以太网将成为构建各种自动测试系统（尤其是分布式系统）的强大工具。基于局域网的ATE构建技术的研究将成为未来ATE / ATS技术研究的重要组成部分。方面。下面将讨论以下内容：基于网络的ATE的开发；基于LAN的ATE的拓扑，时序，同步和触发；基于合成仪器的ATE的构造；基于局域网的合成仪器的结构；以及本文的摘要。 2.基于网络的ATE的发展概述计算机网络技术在构建ATE系统中的应用尚未开始。 1980年代的一些ATE已经应用了网络技术。图1所示的B-2飞机生产过程的自动测试设备就是一个例子[6]。 ATE系统称为自动生产测试设备（APTE），它由配备有总线扩展器和飞机接口设备的推车组成。还有一个计算机基站，该基站包括一个文件服务器和8个工作站。
一台测试控制计算机和13个1553B接口组件放在推运车上，用于直接与飞机通信并获取数据。在测试过程中，推车的接口在近距离连接到飞机。前端推车以及8个工作站和服务器通过局域网LAN连接以形成系统。文献[6]中介绍的环境测试设备还使用局域网连接每个子系统，以形成整个ATE系统。但是，在这种早期的网络ATE中，网络主要用于连接系统中的各个变电站或子系统，而核心仪器系统或测试系统仍基于标准的计算机并行总线（例如VME，VXI）。 B2飞机的自动生产测试设备等）这里没有充分利用局域网的优势。的。基于LAN的ATE形成技术的最新发展，2着重于如何使用LAN代替诸如GPIB，VXI，PXI等以前的并行总线来形成ATE，从而使ATE配置更加灵活，成本更低，更小巧，并且打火机。目标。图2显示了基于并行总线的ATE和基于LAN的ATE的基本结构。从本质上讲，以前的ATE核心硬件连接是集中的，可以形成基于并行总线的激励资源（仪器或D / A）并行接口测量资源（仪器或A / D）并行接口转换开关程序控制的电源并行接口并行接口并行总线（VXI，PXI，GPIB，MXI）a）集中式ATE硬件资源，用于连接仪器或模块化仪器或模块化仪器或模块程控电源网络接口网络接口网络接口网络接口以太网（高速局域网）网络，光纤网络）B）局域网类型ATE的硬件资源连接图2集中式ATE和分布式ATE基本结构仪器的优点），并配有仪器盖（类似于台式仪器），无需使用卡笼。
可联网模块的混合和匹配可以满足测试系统的各种需求，因为可以使用软件灵活地配置这些模块，以实现多种激励/测量功能。本质上，这种类型的模块以局域网为背板形成了模块化的合成仪器结构。结合一些可以联网的模块可以形成一个综合的仪器平台，从而消除了对昂贵的（VXI，PXI）机箱和MXI接口的需要，并使得可以在货架产品和低成本LAN上使用PC来构建ATE。当这种类型的ATE执行测量功能时，仪器模块中运行的软件主要用于收集信号，而PC中运行的软件则处理收集到的信号并将信号数据转换为测量数据。这些模块可以通过各种方式组合以形成所需的测量或测试功能。可以联网的模块可以使用一组外部触发硬件（硬件方法）来实现测试系统所需的定时和同步，或者使用IEEE？ 1588协议（软件方法）实现定时和同步。下一节将重点讨论网络环境中的时序和同步问题。基本的虚拟仪器平台；后者是分布式的，其核心硬件配置更加灵活，扩展更加方便，可以形成基于局域网的综合仪器平台（Synthetic Instrument）。在建立局域网ATE时，连接的网络可以是包含多个仪器资源的VXI / PXI机箱，也可以是具有联网功能的单功能模块（启用LAN的模块）。
可以联网的各种仪器模块将成为未来关键研发的关键硬件组件。这些模块为基于局域网建立新的模块化仪器系统或分布式测试系统铺平了道路。安捷伦技术与VXI技术公司联合推出了基于局域网的模块化平台标准LXI（用于仪器仪表的LAN扩展），该平台全面利用了VXI总线和以太网的优势，为用户提供了一个定义明确的平台。开发高性能仪器和其他应用程序。可以联网的仪器模块是一些仪器和子仪器。这些不带仪表板的模块以虚拟方式工作，并由计算机控制和显示。这种仪器具有较小的尺寸和模块化（如VXI，PXI3。LAN型ATE的结构，时序和[3]）。同步LAN型ATE的基本结构如图3所示。计算机和各种仪器资源都通过集线器（Hub）网络将网络接口和电缆连接到系统中，TCP / IP网络通信协议可确保实现高信心，无错误的通信，TCP / IP堆栈可提供错误检测和错误校正功能。由于它是专用的局域网，因此通常下载不会与吞吐率冲突。
建立ATE的前提是要实现多台仪器或多台仪器机箱的定时和同步控制。 VXI / PXI总线系统的这一方面是通过时钟和同步总线，星型总线和触发总线来实现的。在基于LAN的ATE中，可以使用几种不同的方法来实现多个仪器或多个机箱之间的定时和同步。最常见的方法是由系统中的主设备生成触发脉冲或分配时钟。来自主设备的这种信号被添加到系统中的每个从设备，如图3中的虚线所示。这种基本拓扑可以提供相对稳定的信号，但是因为每个设备具有不同的内部3电信号输入VXI机箱信号输出RF /微波模拟数字数据信号处理变频信号调制数据转换器转换器图5 ATE系统的综合仪器测试系统结构VXI机箱PXI机箱PC集线器触发信号可以连接到仪器（模块）图3 LAN类型ATE基本结构PC集线器时钟或触发信号发生器可以连接到仪器（模块）的CAT 5电缆电路上，会引起不平等的门延迟，加上从电缆到连接点的传输延迟，产生相同类型，等长的信号使用独立的时钟（或触发）信号发生器时，导线的基本结构很难达到较高的设置精度。
合成仪器测试系统具有图5所示的结构，可有效提高多个联网单元之间的同步精度[4]。在进入输入信号的数据转换（A / D转换）结构之前，请使用如图4所示的独立时钟进行信号调理。对于RF或微波或触发信号发生器，请使用相同的类型和相同的类型。信号必须进行下转换（下等长电缆以分配信号。此措施可以确保转换），并且A / D转换器所需的每个时钟（或触发）信号都经历大致相同的模拟信号形式，即数字A / D转换后获得的信号传输延迟。处理器对其进行处理以形成所需的测量值。实现定时和同步的另一种方法是使用网络数据将数据发送到ATE主机。来自ATE主机的数据，即网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）。处理器对其进行处理，并将其发送到D / A转换器和信号调节器。使用此方法时，网络单元接收到的数据会生成所需的输出激励信号。如果要求生成具有包含RF或微波输出信号的64位时间戳，则必须通过频率变化传递带有坐标的通用时间。使用NTP方法设置转换器以完成上转换。
该仪表系统的突出优点是，无需触发器和时钟即可实现图5所示的合成仪表的结构，并且可以使用外部设备和信号线。测试系统框图如图6所示。在图中，“信号调节+降频设备可以与NTP信号同步，并且派生的转换+ A / D转换+信号处理”构成合成仪器的测量系统时钟可以添加到任何仪器机架或特定数量部分； “信号处理+ D / A转换+上转换仪器模块。+信号调理”构成了合成仪器的激励部分； “通信网络的仪器（模块）。4. ATE综合仪器基于综合仪器一组由共享硬件模块和可重用硬件组件组成的硬件集合。信号与某些软件组件（Building Block）匹配通常可以通过特殊的电子电路或系统完成的测试功能来实现合成仪器的功能[2]，也就是说，通过输入一组核心硬件组件和一些软件来实现在特定的激励和测量操作中，合成仪器可以灵活方便地实现各种激励和测量功能自动测量设备，使用合成仪器的主要目的是在ATE系统中卸下单独的仪器机架或VXI（PXI）机架，以进一步减小体积和ATE的权重。“ 4信息和控制”是合成仪器的通讯接口和内部控制单元，“电源和稳压”单元，用于合成仪表升压频率信号调理，下变频A / D转换，D / A转换通信以及控制电源和稳压数字信号处理。实现仪器测试系统的综合框图，该框图提供了所需的电源。
从图5、6中所示的核心硬件结构开始，可以定义合成工具：合成工具是一种使用某种开放结构并结合了一些常见和可重复的工具的类型。一起产生各种测试功能。使用合成仪器构成下一代ATE / ATS具有以下优点：首先，使用模块化核心硬件代替物理测量仪器可以显着减小ATE的体积和重量。其次，相同的核心硬件结构可以用于各种不同的测试系统，从而消除了冗余的硬件和软件，从而降低了ATE的成本。简而言之，合成仪器技术是用于减小测试系统尺寸并降低系统复杂性的关键技术[5]。任何合成仪器的核心都是用于测量的A / D转换器和用于激励的D / A转换器。在构造ATE时，实际使用的合成器并不一定要求包括图6所示的所有硬件组件。需要包括哪些组件取决于测试要求。例如，用于测量的合成仪器仅需要包含与基于A / D转换器的测量功能相关的几个硬件组件。数字信号处理以及通信和控制组件使合成仪器具有一些主要的智能性和可编程性。通过对合成仪器进行编程，可以使用通用A / D和D / A转换器来实现特定的测量，激励功能。
合成仪器的通讯组件是其与外界的接口。为了实现基于合成仪器的ATE系统，有必要定义一个标准的总线结构。可以选择遵循ATE历史上常用的VXI和PXI总线。但是，由于这样的总线需要特殊的底盘和底板，因此进一步减小ATE系统的体积和重量是有限的。因此，使用局域网代替背板总线来形成下一代模块化合成仪器测试系统已经成为一个明显的发展趋势。为实现这一目标而推出的LXI标准基于高速以太网技术，可以支持下一代自动测试系统结构NxTest的各种高性能测试应用[7]。由于以太网具有很高的速度（10Gb / s），并且以太网技术历史悠久且技术成熟，因此很容易根据LXI标准连接个人计算机和仪器。为了使合成仪器具有高速联网能力，在开发合成仪器时，有必要根据LXI标准设计其通信接口，以满足高速以太网的通信要求。在不久的将来，LXI将成为构建各种军事测试系统的首选高速I / O总线。 ATE的建立是一个引人注目的发展趋势，因为它可以显着减少ATE的体积和重量，降低成本和系统复杂性，并增强其配置灵活性。在LAN ATE中，仪器/设备之间的定时，同步和触发存在问题。它需要专注于研究和解决它；基于合成仪器的LAN ATE的建立是实现下一代自动测试系统体系结构NxTest的重要方面[7]。 LXI标准为此提供了强有力的支持，并使合成仪器具有高速联网功能是实现该目标的关键技术措施之一。
参考文献[1] G。 Drenkow，未来测试系统架构，AUTOTESTCON'2004.[2] LA Orlidge和ED Stoll，测量硬件仿真器：合成仪器和CASS，AUTOTESTCON'99.[3] J. Semancik，以太网？基于ATE的仪表，AUTOTESTCON'2004.[4] JL Orlet和GL Murdock，综合仪表的实际实现，AUTOTESTCON'2004 [5] G。 Heftman，关于合成仪器开发的未来军事测试系统，国防电子，200年11月4.[6]李兴山，VXI总线在航空自动测试设备中的应用，第二届全国VXI技术研讨会论文集，[7]于劲松，李兴山，下一代自动测试系统的体系结构和关键技术，计算机测控，2005，01，pp.1-4。 5.一些结论着眼于基于局域网5的模块化仪器的发展
