当前计算机技术发展对基于PC机自动测试系统的影响

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当前计算机技术发展对基于PC机自动测试系统的影响

类别：行业知识  

摘要本文论述了目前计算机硬件、软件技术的发展对基于PC机自动测试系统的影响。计算机硬件的发展包括微处理器、数据采集系统、计算机总线、仪器总线、PC卡和外部解决方案；软件技术的发展，包括操作系统、测试系统软件的开发。关键词数据采集系统ISA总线PCI总线仪器总线通用串行总线(USB)多线程LabVIEW虚拟仪器

Computer Technology Advancements ImpactPC-Based Automated Test System

Abstract：Recent advancements of computer hardware and software technology impact PC-based automated test system.The advanced hardware include processor,data acquisition system,computer bus,instrument bus,PC card and external solution.The advanced software include operation system and test system software.Key Words：Data acquisition systemISAPCIInstrument bus USBMultithreadLabVIEWVisual instrument

1前言

八十年代后期，PC机市场开始快速发展，越来越多的PC机应用得到开发。PC机的广泛应用不仅改变了我们的计算方式，对自动测试系统领域也带来了革命性的变化。充分利用计算机丰富的软硬件资源，大大突破了传统测试系统在数据信号处理、显示、传送、存储、打印等方面的限制。目前，计算机技术正在飞速发展，由于使用了越来越先进的计算机技术，基于PC机的测试系统正向着高速、高效，智能化、多功能化、多样化发展。

2计算机硬件技术发展的影响

2.1微处理器PC机微处理器CPU速度不断提高，采用流水线、RISC结构、cache等先进技术，极大地提高了测试系统的数值处理能力。将12年前的CPU与今天的CPU进行比较，可以看到286CPU的时钟只有8MHz，而现在PentiumⅡ的时钟已达到200～400MHz，速度提高了25倍，处理能力提高了50～100倍。以Pentium和PentiumⅡ为基础的PC机可以用来建立复杂的自动测试系统。2.2数据采集系统在以PC机为基础的自动测试系统中，与计算机一起工作的是采集数据、提供信号源和控制信号的仪器硬件。数据采集系统(DAS)使基于PC机自动测试系统能更加充分利用PC机资源，，并大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。目前插入式数据采集卡(DAQ)发展迅速，随着A/D、D/A转换技术，仪器放大器，抗混淆滤波器和信号波形处理技术的不断改进，DAQ采样速率达到1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并能任意结合数字I/O，模拟输出和计数器/定时器通道。采用数字信号处理(DSP)芯片，是数据采集系统发展的另一特点。采用DSP技术，对高速的数据流处理进行优化和数学计算，增强了采集系统的功能，同时降低产品成本，并使其具有独立控制和实时处理的优点。DSP使测试系统的PC主机从数据处理任务中解脱出来，可更高效地完成其他任务，同时获得更多的信号处理能力，并加快数据采集率［1］。2.3ISA与PCI总线工业标准结构总线(ISA)是一种8位或16位非同步数据总线，工作频率为8MHz，数据传输率在8位时为1MB/s，16位时为2MB/s［2］。ISA总线在测试领域已应用了16年，在以PC为基础的数据采集市场中，ISA总线一直占据着主导地位，但随着计算机技术的发展，计算能力和通信能力的差异日益悬殊。对于相对较慢的处理速度，基于ISA的数据采集卡是有效的，这种卡和其他外围设备等待处理时间，然后发出中断，等待响应。在一个ISA总线I/O周期，12MHz时只有几个等待状态，而在新的Pentium处理器的200MHz时则需要100至200个等待状态，这在处理速度上大大降低了整个系统的性能。在当今多任务的操作环境下，为单一应用程序消耗如此多的PC机资源，显然是不合适的，ISA总线已成为瓶颈［3］。六年前，外围设备接口总线(PCI)由Intel公司提出后，立即受到重视并很快得到认可，成为PC行业新的事实上的标准。PCI总线的出现，很好地解决了ISA总线的瓶颈问题。PCI总线是一种同步的独立于CPU的32位或64位局部总线，最高工作频率为33MHz，数据传输率为132MB/s。PCI总线支持无限读写突发方式，PCI总线上的外围设备可与CPU并发工作，从而提高了整体性能。PCI总线还为PC机平台带来了真正的即插即用功能，并对DMA有更强大的支持。以PCI总线为基础的数据采集系统大大提高了数据采集率［4］。2.4仪器总线测量仪器从1978年有了通用仪器总线(GPIB)后，构成自动测试系统就方便得多，测量仪器的程控性能也随着提高，出现一大批高水平的仪器和自动测试系统。1987年VXI仪器总线问世，这种以VME计算机总线为基础的仪器扩展总线，兼备计算机和通用仪器总线的优点，并以开放式规范供测试业使用，形成个人计算机仪器系统的统一规范，极大限度地促进了自动测试系统的发展。VXI最适用于多通道，有多个测量输入和输出的应用。VXI具有以下特点：1)开放的、多厂家共用的标准使其更加灵活；2)模块化的VXI硬件单元增加了系统的灵活性和可扩展性；3)高精密的可控制环境和更高的信息吞吐量(比IEEE-488快40倍)，使VXI系统具有高可靠性和高性能；4)规范化的VXIplug&play对VXI插卡提供标准驱动程序，使系统的配置、编程和集成更简单、容易，并节省了使用VXI的开发时间。1997年下半年，National Instruments公司推出PXI(PCI eXtension for Instrumentation)总线，并作为开放式规范提供仪器测试业使用。PXI以CompactPCI为基础，是PCI扩展仪器结构的新型系统级规范，它满足工业级标准，在机械、电气和软件特性内充分发挥了PCI总线的全部优点，由于采用了模块结构，它能够使用紧凑结构的计算机并把它装配到一个坚固的PXI机箱中。这种模块化的构造类似于VXI结构，但由于它基于PCI总线，因此它的设备成本降低，而运行速度增加，体积更加紧凑。而且目前众多的厂商支持的基于PCI的插卡、驱动程序、应用软件等都能经济有效地应用于PXI系统中，使PXI系统具有极好的兼容性和可扩展性。PXI在自动测试系统中，将得到越来越广泛的应用。2.5PC卡和外部解决方案PC卡，以前叫作PCMCIA卡，为不使用ISA或PCI插入卡的笔记本或便携机，扩展并增强了I/O功能。一些PC卡和便携机使用叫CardBus的新总线，该总线基本上是PC卡格式的PCI。PC卡通过接收大量外部信号并交与笔记本或便携机进行计算分析，形成一个功能强大的适于野外作业的便携式测试系统。数据采集不一定在PC机内部进行。目前许多数据采集系统在PC机外，通过标准通信端口与PC接口。外部解决方案避免了PC机内部的噪声，特别适合于低电平信号应用。它提供了更大的电子设计空间、更好的隔离能力和更方便的连接，并使数据采集系统能放在与信号源离得更近的地方。例如远程数据采集模块，可以通过1.2km的通信电缆将采集数据通过RS485/RS232转换卡，与PC机连接。1997年，第一个通用串行总线(USB)数据采集产品出现。通用串行总线是用来替代当前的串行(并行)I/O总线的，其0.5Mb/s的传输速率(理论上为1.5Mb/s)比串口115kb/s的速率快得多。USB可以在一个即插即用链中最多支持127个设备。USB标准要求在与PC机进入系统的同一根电缆可以通过500mA的电流(电源为5V)，这意味着低功耗的基于USB的数据采集设备不需要单独外加电源。IEEE 1394总线(也叫FireWire)，是更快的外部高速串行总线，传输速率理论值可达200MB/s。选择USB和FireWire，插入式数据采集卡将由更多的外部解决方案代替［3］。

3计算机软件技术发展的影响

3.1操作系统目前，PC机已普遍采用Microsoft公司的32位Windows NT或Windows 95作为PC机操作系统。Windows操作系统的图形用户接口(GUI)，大大改善了测试系统的运行界面，比起文本界面来，图形界面更加友好、美观、操作方便。Windows NT比Windows95还具有更高的安全性和稳定性。Windows NT和Windows95具有多任务和多线程能力，并可运行在单处理器或多处理器的计算机上。这种多任务和多线程能力，尤其是多线程，大大增强了基于PC测试的数据采集卡(DAQ)和仪器I/O应用的性能。多线程能力可以防止基于PC的测试应用软件与插入式数据采集卡或使用标准接口的独立仪器通信时产生的堵塞现象。多线程可将用户界面显示与数据采集分配在不同的线程上，降低数据采集与用户界面显示间的干扰，使每个线程能独立地以最快速度运行，充分提高系统的测试速度。通过按时间占用的多少对线程进行优先级划分，多线程能力还可提高系统的响应能力［5］。3.2测试系统软件的开发基于PC的测试系统可以很方便地根据需要进行测试软件开发。可视编程语言环境Microsoft公司的Visual C++、Visual BASIC,Borland公司的Delphi的推出，为简化计算机编程迈出了可喜的一步。而目前崭新的图形编程语言环境，例如National Instruments公司的LabVIEW、LabWindows/CVI，HP公司的VEE，Data Translation公司的DT-VEE等，使得科研人员和工程人员可以摆脱对专业编程人员的依赖，并且大大减轻他们的编程负担。以NI公司的LabVIEW虚拟仪器平台为例。LabVIEW为用户提供了简单、直观、易学的图形编程方式，把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成菜单或图标提示的方法选择功能(图形)，并用线条把条件功能(图形)连接起来的简单方式。与传统的编程语言相比，LabVIEW图形编程方式可以节省大约80%的程序开发时间，但其运行速度却几乎不受影响［6］。LabVIEW中还集成了大量的生成图形界面的模板，丰富实用的数值分析，数字处理功能以及多种硬件设备驱动功能(包括RS232、GPIB、VXI、PXI、数据采集卡、网络等)。另外，几十家仪器厂商免费提供的数百种源码级仪器驱动程序，为用户开发仪器控制系统提供了方便。自NI公司引入LabVIEW以来，虚拟仪器的开发和应用空前发展。

4结论

正是由于计算机软、硬件技术的发展，使测试技术与计算机技术深层次结合，推动基于PC机的自动测试系统不断发展和完善。与计算机网络联接，并通过通信网构成大规模网络，自动测试系统将不再局限于孤立的或局部控制的仪器系统，而成为信息采集、信息传输及信息处理和利用的大系统中的一环。

作者单位：金达阙沛文(上海交通大学上海200030)

参考文献

[1]GeraldJacob.PCAdvancementsImpactDAS.EEEvaluation Engineering,1995;34(11):20～26[2]Paul O'Shea.Increase the Speed of Your PC-Based Test System.EE-Evaluation Engineering,1997;36(6):36～39[3]Tom Desantis,Allen Tracht.Time Is Up for ISA-Based Data Acquisition.EE-Evaluation Engineering,1997:36(11):12～16[4]Muneeb Khalid.Data Acquisition Gains New Highs With PCI.EE-Evaluation Engineering,1997;36(5):10～15[5]Tamra Kerns,The Advantages of Multithreads Applica-tions.EE-Evaluation Engineering,1998;37(2):76～79[6]National Instruments.虚拟仪器-仪器技术的重大革命.

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