1.3 自動測試技術的發展和本書的主要內容

1.3.1 自動測試系統的發展過程

通常可將自動測試系統的發展過程分為三代。第一代自動測試系統的產生最初只是針對傳統專用儀器的單機、單參數的手工測試。隨著產品的開發和生產中測試項目和測試范圍的不斷增加，測試的參數數量、工作速度和精度要求也不斷提高，特別是一些要求反復測試、高度可靠的場合，利用計算機技術輔助測試可以嚴格地執行測試規范的要求，也才有可能定時、重復地完成測試過程，從而形成第一代自動測試系統的基本形式。這類系統最初出現在軍用設備的檢修維護中，面對大量連接電纜的通/斷檢查，乏味的人工測試很難保證測試質量。而后用于大型的重要工業生產過程的巡回監測，進而擴展到一般領域和科學實驗的數據采集和分析。這類系統對于產品質量的監督和生產過程的安全具有明顯的促進作用，從而廣泛應用在生產過程中。第一代自動測試系統的結構通常以計算機主機為核心，集中配置各種與測試設備互聯的接口裝置。這些接口一般需要自行開發專用的電子設備，因此存在開發周期長、研制費用高、工作生命期短的缺點。

第二代自動測試系統的主要特點是采用標準的接口和總線，最具有代表性的是CAMAC系統和GPIB總線接口系統。CAMAC（Computer Automatic Measurement and Control）系統的規模比較大，用于宇航、核物理、重要的工業自動化等領域中測試項目繁多、測試內容變化頻繁的場合。它采用集中形式的標準機箱，配置標準的各種測試插件設備。插件采用20mm的標準寬度和285.25mm的標準高度。根據不同插件的復雜程度，可以選擇不同的單寬和雙寬方式。這些測試插件名目齊備，從標準的數據采集器、信號發生器、通路開關，到當時核工業專用的各種測試設備，應有盡有。可以說，CAMAC系統開創了自動測試標準接口系統的先河，成為將這種技術真正用于實際的成功范例。然而，CAMAC系統對于更廣泛的民用需要常常顯得過于復雜和龐大，于是隨著微處理器技術的日益普及，應用更為廣泛的GPIB總線接口系統應運而生。與CAMAC系統作為計算機配套設備的形式不同，GPIB總線接口附屬于臺式儀器本身。作為國際標準，國際上幾乎所有的儀器廠家都為自己的儀器配置了這種通用接口。因此，以這種接口總線為基礎組建自動測試系統時除了標準的專用電纜外，并不需要其他額外的設備。GPIB系統的一個重要特點是：每臺儀器仍然保持自己本身的工作方式和功能特性，系統中的計算機只是通過接口總線管理和協調它們的工作。

第三代自動測試系統的基本思想是要進一步發揮計算機的作用，使系統中的主計算機不但作為系統的管理者和控制者，而且成為測試功能的一個主要組成部分。這樣，就有可能通過極為有限的測試硬件設備（如信號源、數采器、開關等），結合計算機的計算功能、存儲功能、顯示功能、操作功能、通信功能以及其他擴展功能的作用，來代替各式各樣的傳統測試儀器。這就是虛擬儀器的思想，由于這種思想已經并正在成為現實，從而明顯地改變著儀器儀表行業的面貌。

VXI可以看做第三代自動測試系統總線的代表。作為國際標準，VXI繼承了GPIB可以不分廠家、國別地在世界范圍選擇適當測試設備的重要特點。同時，采用新一代背板總線連接的機箱結構，大大提高了系統的工作速度，同時減少了占用空間。更重要的是：作為虛擬儀器，提高了軟件的規范化和應用水平。VXI總線即插即用規范的制定，為虛擬儀器系統的結構組建奠定了技術支持與指導，從而使組建一個統一的、開放的虛擬儀器系統成為可能。

第三代自動測試系統總線的發展在VXI出現后并沒有停滯，針對VXI結構過于復雜、功能過于完善、售價過于高昂的問題，PXI出現了，基于USB的虛擬儀器出現了，支持各種通信協議的遠程控制的自動測試系統也出現了，網絡儀器的概念開始進入工程界。

1.3.2 PXI和LXI總線系統

盡管VXI總線在性能上以無與倫比的優越性受到很多用戶（特別是軍方用戶）的高度評價，然而由于其結構過于復雜、功能過于完善、因此造成一些中小企業的用戶感到售價過高而難以承受。為此，1997年NI（National Instruments）公司推出了一種稱為PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）的測試系統規范。這個規范的要點是用PC系統中流行的PCI總線來代替結構復雜、用于工業控制的VME總線，因此能把原先為數眾多、物美價廉的PC總線模件直接用于測控系統，也能極為方便地得到那些人們十分熟悉的PC操作系統和各種應用軟件的支持。同時各種用于測試的儀器擴展功能也做了一些簡化（相對VXI），但仍能提供10MHz的系統時鐘、8條非常靈活的觸發總線、星形觸發線和本地總線的支持。另外，PXI系統繼承了VXI的軟件工作方式，也支持VISA標準和諸如LabWindows/CVI、Lab View等面向測試的軟件開發工具，從而使原先在GPIB和VXI系統開發中建立的工作基礎和積累的工作經驗都可以在新的PXI系統開發中繼續發揮作用。

圖1-9是一個PXI系統的外形照片，它看上去與VXI系統很相似，也是采用標準主機箱并配置標準卡式模件，也是通過主機的面板進行操作。與VXI系統相比，PXI系統的速度更快、體積更小、成本較低，但配置功能、電磁兼容性能和可靠性指標則不如VXI規范那樣嚴格。PXI系統的主要問題在于還沒有為所有儀器開發商廣泛認可，因此也還做不到像GPIB和VXI那樣可以不分廠家、國別地根據測試需要自由選購到相應設備的程度。

2004年9月，Agilent公司（原HP公司）和VXI Technology公司為自動測試系統推出了一種基于LAN的模塊化測試平臺標準LXI（LAN eXtensions for Instrumentation）。從自動測試技術、微電子技術和計算機技術的發展情況來看，LXI的提出是開放式標準化測試系統發展中合乎邏輯的結果，是成熟的以太網技術在測試自動化領域應用的拓展。其具體的設想是將非常成熟的以太網技術引入自動測試系統，以替代傳統的測試總線技術。LAN最明顯的作用是替代GPIB，它將保證系統中所有LXI單元能夠在同一個網絡中和平共處，LXI支持IEEE802.3和TCP/IP，試圖為用戶提供一個新的自動測試系統的構架，具有更快的速度和更為簡單的編程方式。

國際LXI聯盟是一個非盈利性的聯盟，旨在測試測量自動化領域LXI標準的建立和發展。目前已包括絕大多數國際著名測試測量公司作為其會員，如R&S、安立、泰克、吉時利等。安捷倫科技在北京宣布，隨著LXI聯盟最新技術規范的發布，將陸續推出多種符合LXI標準的測量產品。LXI總線不受帶寬、軟件和計算機背板體系結構的限制，而且能利用日益增長的以太網吞吐能力，是一種適用于測試系統的新一代基于LAN的模塊化平臺標準。圖1-10為LXI系統的結構和典型產品。

LXI目前已經得到較為普遍的支持，其主要原因如下：

（1）以太網、標準PC和軟件技術非常成熟，且眾多計算機廠家不斷地加大研發及投入力度，使其性能更加完善，能夠滿足測試行業的廣泛應用。

（2）LXI是一種基于網絡的儀器接口規范，為實現各種終端設備之間的同步控制，采用了以太網的精密時間協議（Precision Time Protocol, PTP）。這個協議定義了一個在測量和控制網絡中，與網絡交流、本地計算和分配對象有關的精確同步時鐘，并被接受為IEEE1588，這個網絡同步標準可以在實驗室環境中得到納秒級的時鐘同步誤差，其標準網絡接口也已普及，使LXI技術的前景十分看好。

（3）國際LXI聯盟在眾多系統集成商和工程師中的調查表明，人們普遍希望利用通用的PC接口和總線，而不是昂貴的測試測量的專用接口總線。

1.3.3 自動測試的應用領域

隨著技術的進步和社會的發展，自動測試在軍/民兩個方面都得到了廣泛的應用。在軍事上，越來越多的武器裝備配置了自動化和信息化設備，而設備中的電子裝置的比例更是越來越高。這些設備的可靠性至關重要，在戰場上一旦出現問題，輕則貽誤戰機，重則帶來毀滅性的后果。以現代軍用飛機為例，航空電子設備的性能和質量已經成為作戰效能的決定因素。美國空軍的統計數據表明：F15戰斗機的航空電子設備的故障率已占整個飛機故障率的一半，而其維護工時則超過整個飛機所用工時的三分之一。美國軍方一直認為：測試是設備維護的重要組成部分，并于20世紀70年代提出了測試性概念，20世紀80年代頒布了“電子系統及設備測試性大綱”（軍用標準MIL-STD-2165）,20世紀90年代則推行“綜合診斷”軍用標準MIL-STD-1814的要求。同時大力發展ATE（自動測試設備）和METS（活動電子測試設備）等技術，以降低維修成本和人員要求，縮短維修時間。這些措施的結果，使每架飛機20年的使用保障費用由原先出廠價的3.3倍減少到0.9倍。這樣看來，自動測試已經成為確保軍用飛機作戰適用性和降低使用保障費用的一項關鍵技術。

可靠性通常表現在兩個方面：一是產品本身的質量可靠性，如平均無故障時間指標；二是出現故障后要求能夠迅速查明原因，及時處理，即可維護性。軍用電子設備數量巨大，要求處理故障迅速，而工作環境和空間又極其有限，而且很多場合甚至要求單兵作戰，操作人員的專業知識和工作經驗也很難達到理想的要求，這些都是不能不采用自動測試方法的基本原因。有關資料顯示，某些產業固定資產的三分之一是儀器儀表和計算機，很多重要科研項目的儀器開支超過總研制經費的一半。為了適應軍用系統對快速故障診斷的迫切要求，“可測性設計”方法在產品設計階段預先為自動測試建立各種必要的條件，從而使自動測試的作用事半功倍。

再看民用領域，提高產品質量和確保生產安全始終是企業的兩項基本工作。在冶金、電力、石化、輕工、建材等連續生產的過程中，每時每刻需要檢測各種工藝流程的工作狀態，從而確保各種工藝參數和質量參數。為了確定設備維護周期和大修的時機，還要檢測和處理各種有關的安全參數和能耗參數，集數據采集、系統辨識和專家系統為一體的自動測試技術能夠很好地解決這些問題。機電產品量大面廣，針對五花八門的產品，從測試思想、測試方法，到測試的工作量都要求采用自動測試技術方能滿足需要。在環保、氣象、水文、地震的長期監測中，各種支持網絡通信功能的自動化測試系統更是比比皆是。隨著人民生活水平的提高，供電、供水、供氣、供暖的計量逐步要求實現自動化管理，自動測試將信息獲取和處理的結果直接轉入信息的應用。醫療儀器、食品檢驗、室內裝修則關系千家萬戶，自動測試將更能確保測試結果，克服測試過程中的人為因素。在高科技領域，新的測試內容和測試要求層出不窮，專用的儀器設備開發往往趕不上新產品的推出，有時只是為了某種新思想和新概念的研究并不值得都去開發新的專用儀器，如通信行業，對于新的載波調制方法、新的協議分析，虛擬儀器則有更大的市場需求。

需要指出，自動測試以及相關儀器儀表的重要性，不僅體現在其行業本身的產值，更重要的是它對國民經濟發展的輻射作用和影響力。有關資料顯示：美國儀器儀表行業只占國民經濟的4%，但對國民經濟發展的影響面卻高達66%。隨著知識經濟、信息時代的到來，科技發展的步伐加快，必然要求測試更好、更快地滿足需要，自動測試技術應在科學研究和經濟發展中發揮更大的作用。

1.3.4 自動測試技術的發展規律

回顧自動測試系統的發展過程，可以發現其發展的某些規律：

（1）自動測試的發展與經濟和技術的發展同步，經濟、技術發展越快，需要測試的范圍就越寬，對自動測試的要求就越高。著名科學家門捷列夫指出“科學是從測量開始的”，反過來測量又將極大地促進科學的發展。由于越來越多的被測對象已經不再是能夠直接度量的物理量，而是作為某些過程或系統的參數，因此單純的測量（Measurement）變為復雜的測試（Testing）。即需要對被測對象施加某種激勵，同時測取某種響應，然后通過計算來得到這種被測對象的參數結果。激勵和響應在時間上可能是一個過程（時間序列），空間上可能是多個變量。測試的方法也不止一種，可能需要重復進行和交叉驗證。這樣比較復雜的測試過程當然需要依靠自動測試系統，而且隨著測試領域和測試工作量的急速擴大，自然沒有可能完全依靠專用的傳統儀器了。

（2）像許多技術的發展一樣，自動測試的發展最初來自軍事上的需要。自動測試發展到了一定程度后，也如同其他一些新技術一樣，會突破原先軍事任務的狹隘范圍，并在更廣闊的天地得到更廣泛的發展。作為現代自動測試研究工作的開端，美國軍方在20世紀50年代中期，曾針對軍用電子裝備的維護問題，提出了一種所謂“萬能”自動測試設備的概念。其目標為：實際上不必依靠測試技術文件，由非熟練人員進行全自動操作，并以計算機速度完成測試。這種設想并未達到預期的要求，盡管實現了計算機控制，但測試系統的響應遠非計算機的速度；對儀器直接操作者的要求降低了，但卻需要增加一些新的技術支持者；常規的文件資料被計算機軟件代替了，可又多了一些新的軟件資料。總之，貪大求全導致系統復雜，不僅使其價格昂貴，而且性能的提高反而受到某些限制。不過盡管如此，這種思想仍然主導著自動測試的發展，其原因就在于軍事任務復雜情況的實際需要和不惜代價的實際條件。然而，當自動測試進入民用領域后，人們就不能不采取一些新的對策了。生產過程中遇到的被測對象常常是大量相同或相似的產品，人們對被測對象往往擁有完全的控制權。民用自動測試系統往往可以針對被測對象最關鍵的環節，選擇最有利的時機，進行有限目標的有效測試。這時所采用的測試策略、測試指標、測試方法、測試設備也都有更多的選擇，自動測試技術可能具有更為廣闊的應用前景。

（3）談到具體自動測試系統的結構，真可以說是“分久必合，合久必分”。先是集中管理方式的大型接口結構的CAMAC系統發展為分散到各普通臺式儀器設備中的GPIB接口總線系統，以后又發展為VXI和PXI系統的集中式總線背板機箱，再到USB小盒和分布式的網絡設備，直到LXI系統和合成儀器，并以網絡代替總線。自動測試系統發展的歷史表明，集中與分散、全面與專業、性能與成本這幾對基本矛盾始終影響著設計者的權衡取舍。沒有固定的模式，只有實事求是、與時俱進的要求。然而，標準化、小型化、系統化、智能化、軟件化的趨勢也是十分明顯的，能否不分廠家國別、按測試任務的需要選擇測試設備是標準化工作是否成功的重要標志，盡量采用通用計算機及其軟件來代替專用設備的虛擬儀器思想也確實是自動測試技術在今后一段時間的努力方向。

（4）信息技術對自動測試系統發展所起的關鍵作用值得注意。自動測試不僅與信息的獲取（各種傳感器）密切相關，也與信息的傳遞聯系緊密。從GPIB和VXI等專門用于測試系統的接口和總線，到虛擬儀器、網絡儀器概念的形成，處處分享著通信技術的最新成果。同時，自動測試結果早已不再滿足于人的眼觀手記，信息的處理和存儲已經成為自動測試的基本組成部分。加上故障診斷、預報預測等與測試密切相關的信息技術，自動測試也已直接影響到信息的應用。這樣，自動測試的發展一方面應當緊密聯系實際被測對象的實際需要，利用現代物理、化學、生物科學成果不斷擴展測試的范圍和提高測試的精度。另一方面就是要緊跟信息技術，從信息的獲取，到信息的傳遞、信息的存儲、信息的處理，乃至信息的應用。總之，就是要緊緊抓住傳感器和數據采集核心技術的同時，不斷地從通信技術、計算機技術和軟件技術的發展中汲取推動力量。

1.3.5 測試工程師的責任和本書的主要內容

鑒于自動測試技術在現代企業生產和科學研究過程中的重要作用，測試工程師的工作已經成為一項專門的業務領域。測試工程師需要根據科研和生產的需要，了解測試要求、選擇測試內容，然后制定測試計劃、建立測試方案和策略，選購、維護和校驗測試儀器和設備、編寫測試大綱和測試流程，同時針對具體的測試任務，組建測試系統、編寫測試軟件，有時還要開發測試設備。測試進行過程中要檢查測試質量，測試完成后要審查測試報告并提出意見。自動測試和虛擬儀器技術的發展，為測試自動化提供了更寬闊的發展空間。本書將集中討論自動測試系統和虛擬儀器的基本原理和開發技術，力圖為測試工程師在這一領域開展工作建立必要的基礎。

本書第1章首先介紹基于計算機的自動測試系統與虛擬儀器的基本概念和主要特點，分析其發展過程，討論其發展方向，闡述其在信息技術中的地位，以及其與控制技術、通信技術和計算機技術的關系，進而指出測試工程師的基本任務和本書的主要內容。

數據采集器是基于數字信號的計算機系統獲取實際物理對象中連續被測物理量的主要手段，采樣和量化是其中最重要的環節。本書將在第2章討論不同形式的A/D轉換技術，闡述放大器、隔離器、濾波器、多路開關等通道調理電路的基本原理，以及微處理器控制的硬件接口和軟件結構，分析采樣過程、采樣方式和采樣參數的影響。

為了組建自動測試系統時能夠不分廠家、國別地自由選擇需要的設備，需要掌握諸如GPIB通用接口總線和VXI儀用總線系統等專門用于自動測試系統的國際標準。本書將在第3章和第4章就它們的工作原理、協議要點、開發方法和應用示例展開討論，并對諸如IEEE488.2、SCPI、VISA標準的基本內容和要點進行簡明的介紹和解釋，同時以LabWindows/CVI和VB為例說明使用常用軟件編程工具的方法。

鑒于現代自動測試系統中常將測試設備配置到空間中分布在不同位置的被測對象附近，因此連接這些測試設備的通信方式及其相關的通信協議和通信設備就顯得至關重要。本書將在第5章從最基礎的RS-232串行通信及其在電信網中的調制解調技術談起，介紹其原理、協議和設備。并結合具體的自動測試系統示例說明其應用方法。然后通過TCP/IP和無線通信技術的概況介紹，說明實現遠程網絡儀器的某些方法。

虛擬儀器的基本思想是強調通用計算機及其軟件在測試系統中的作用。本書將在第6章重點介紹USB作為PC與外設連接的主要接口，開發虛擬儀器裝置的通用方法。同時，展示應用該方式開發的一些典型儀器設備，進而說明這種虛擬儀器的發展方向。

作為自動測試系統的典型應用形式，本書第7章討論PCB電子功能模件的測試技術。首先介紹ATE的基本概念，然后分別討論路內測試、功能測試、總線測試和邊界掃描測試等具體技術。

針對計算機測試系統中軟件開發和系統組建的實際需要。本書將在第8章討論離散傅里葉變換和FFT算法、數字濾波器設計方法和應用示例、基于時間序列建模的系統辨識原理和數理統計的應用方法。并結合大型旋轉機械的狀態監測與故障診斷系統和小型心電監測系統，介紹自動測試系統和虛擬儀器的典型開發過程，內容涉及傳感器配置、鎖相環倍頻、專家系統、信號處理、系統辨識、操作界面等有關技術。