基于局域网的自动测试设备(ATE)组建技术
基于局域网的自动测试设备（ATE）组建技术
LAN­Based Automatic Test Equipment Building
Technology
李行善梁旭于劲松
北京航空航天大学自动化学院检测与自动化工程系100083
摘要：应用基于局域网的ATE组建技术能显著降低ATE的寿命周期成本，提高ATE的资源复用及可扩展能力，为实现下一代自动测试系统(ATS)结构NxTest提供支持。
深圳居住证怎么办理本文从局域网型ATE的发展沿革着手，介绍这类ATE的拓扑结构以及组建这类系统的一些关键技术，重点讨论网络环境下ATE系统仪器资源的同步、定时和触发技术，以及如何以合成仪器为基础来组建ATE。关键词：自动测试设备，局域网，合成仪器，自动测试系统,LXI。
如何给手机相册加密Abstract:Building an Automatic Test Equipment(ATE)based on LAN can reduce evidently the cost of ATE during its full life cycle.Application of this technology can improve the reuse and expandable ability of ATE,and also provide support for implementation of the Nxtest. This paper begins with the ATE devel
oping history,and introduces the topology structure of LAN-Based ATE and the key technology of building such system.It emphasizes on the synchronization,timing and trigger of ATE resources,and how to build an ATE with synthetic instruments.
Keywords：ATE;LAN;synthetic instruments;ATS;LXI.
1引言
自动测试设备（ATE）的结构，有基于GPIB总线的机柜堆叠（rack­and­stack）式，基于PC（个人计算机）机的插卡仪器式以及基于VXI、PXI的模块化仪器系统等多种形式。GPIB机柜堆叠仪器在测量频率范围、精度及功能方面具有优势，但控制计算机需用GPIB插卡，仪器间通信速度慢，体积、重量大是其主要缺点。PC机插卡式仪器价最廉，体积也较小，但其功能覆盖面很有限，并且使用不方便，故仅仅在便携式或低成本的小型ATE中采用。VXI总线模块化仪器具有较小的体积、重量，很高的信号通道数，其功能覆盖面宽，并且配置灵活，仪器品种也较为齐全。VXI模块化仪器在航空航天及国防工业领域使用较为普遍，也用于制造过程的测试系统及高速数据采集系统。PXI总线模块化仪器具有更小的体积重量，其体积约为同类VXI仪器的1/4，价格也较VXI 产品低，但PXI总线仪器的功能覆盖面有限，仪器品种也远比VXI仪器少。PXI仪器目前主要用于某些军用ATE及工业自动化领域等要求以便携方式完成数据采集任务的场合[1]。
VXI和PXI模块化仪器通过共用机箱、电源及使用计算机屏幕上的软面板而省去了机柜堆叠式仪器中重复使用的仪器机箱、仪器电源、显示面板及各种面板开关、按钮等，达到减小测试系统体积重量的目的。但是，对于那些对体积重量有着更高要求的场合，比如某些军用ATE，这方面的进步仍然是不彻底的，因为无论是VXI还是PXI总线系统，都要求有VXI（或PXI）机箱，至少要用一个零槽控制器。采用外置控制计算机时，还必须在该计算机中插入一个GPIB
卡（使用多系统总线MXI连接VXI机箱时，需插入一个MXI总线控制卡），并且还要使用专门的GPIB或MXI总线电缆。这些都会使整个系统的成本增加，使VXI（或PXI）在体积重量方面的优势打了折扣。
目前，台式PC机都配有高速以太网（LAN）及通用串行接口（USB），网络通信协议及USB即插即用规范使得一个外设可以很容易地接入计算机，而且PC机的Windows操作系统能及时发现它并加载相应的驱动器。测试设备及仪器生产商及时地跟踪这一技术进步，着手开发和推出一些以低成本、高速USB及LAN为标准接口的仪器/设备。用专门的局域网可实现对具有联网能力的各种仪器的局部远程控制，通过Internet则可对其实现更远距离的控制。
应用USBTMC­USB488协议可以很方便地控制一台带USB接口的仪器，其控制方法与控制GPIB仪器完全相同。LAN/GPIB 及USB/GPIB转换器使得对传统的GPIB仪器的控制可以在不使用PC机GPIB插卡
的情况下完成。用带有高速串行接口或以太网接口的仪器来组建测试系统时，由于无需使用VXI（或PXI）机箱及零槽控制器，也用不着专用的PC机插卡，所采用的通信电缆也是低成本的，这就使得采用这种方式来组建ATE，特别是军用的低成本ATE，变成一种十分引人注目的发展趋势了。
高速串行接口（IEEE1394，USB）原本是个人计算机制造商为方便连接各种服务性外部设备（如打印机、扫描仪等）而配置的标准接口，用这类串行接口总线组建测试系统时，虽然在通信速度上可以超过GPIB 总线，并且能获得低成本及小的体积重量方面的好处，但由于存在电缆路由选择很有限和任务关键信号的完备性不足两方面的缺点，目前仅在组建规模较小、空间布局面较窄的测试系统时采用USB一类高速串行接口总线。
以太网是最广泛采用的通信接口，测试设备和仪器生产商纷纷在自己的产品上配置以太网接口。以太网允许多台计算机存取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达100m，若用一个网络集线器（hub），则所包围的半径可达200m，倘若采用光纤接口，则距离可延伸到几千公里。支持高速数据传送是多数功能测试系统及数据采集应用的关键技术要求之一，目前一般的以太网可具有100Mb/s的传输速率，而且已经有了1Gb/s，甚至10Gb/s 的高速以太网，能够满足传输速度方面的要求。综上所述，从发展趋势看，以太网将成为组建各类自动测试系统，尤其是分布式系统的有力工具，研究基于局域网的ATE组建技术，也就成为今后研究ATE/ATS技术的一个重要方面。下文将讨论如下内容：网络型ATE的发展；局域网型ATE的拓扑结构及定时、同步和触发问题；以合成仪器
纸嫁衣4为基础组建ATE；局域网型合成仪器的结构；最后是本文的小结。
2．网络型ATE的发展概况
应用计算机网络技术来组建ATE系统并不是最近才开始的，上世纪80年代的一些ATE已经应用了网络技术。图1所示的B­2飞机的生产过程自动测试设备就是一个例子[6]，该ATE系统称为自动化生产测试设备（APTE），由一个装有总线扩展器及飞机接口设备的推车及一个计算机基地站组成，基地站包括一个文件服务器和8个工作站。推车上放置着测试控制计算机及13个1553B接口组件，用于直接与飞机通信并获取数据。测试时，推车的接口与飞机近距离相连。前端的推车与8个工作站及服务器通过局域网LAN连成系统。
文献[6]所介绍的环境试验测试设备，也是用局域网连接各子系统而构成整个ATE 系统的。但是，在这类早期的网络型ATE 中，网络主要是用来连接系统中各个子站或子系统，其核心的仪器系统或测试系统仍是基于标准的计算机并行总线（如VME，VXI 等）的。在这里局域网的优点并未充分利用。近期开展的基于局域网的ATE组建技术，
图1B2飞机的自动生产测试设备
重点研究如何用局域网来替代以往的GPIB、VXI、PXI等并行总线来组建ATE，达到使ATE配置更灵活
、成本更低、体积更小、重量更轻的目的。图2示出了基于并行总线的ATE与基于局域网的ATE的基本结构。从本质上讲，前者的ATE核心硬件的连接为集中式，可构成以并行总线为基
础的虚拟仪器平台；后者则为分布式，其核心硬件的配置更灵活，扩展更方便，可构成以局域网为基础的合成仪器（Synthetic Instrument）平台。在局域网式ATE的组建中，被网络连接的可以是一个包含多种仪器资源的VXI/PXI机箱，也可以是功能比较单一的具有联网能力的模块（LAN­Enabled Module）。能联网的各种仪器模块将会成为今后一段时间内重点研究和开发的关键硬件部件。这类模块为组建基于局域网的新型模块化仪器系统或分布式测试系统铺平了道路。Agilent Tchnology和VXI T echnology 两公司联合为自动测试系统推出了一个基于局域网的模块化平台标准LXI（LAN eXtensions for Instrumentation），该标准综合利用VXI总线和以太网的优点为用户提供一个经过完善定义的平台，用于开发高性能仪器和其它应用。能联网的仪器模块是一些仪器及子仪器，这些不带仪器面板的模块以虚拟的方式工作，采用计算机控制与显示。这类仪器具有体积小、模块化（像VXI、PXI 仪器）的优点，并且自带仪器外罩（类似台式仪器），勿需使用插件箱(card cage)。将能联网的模块混合及匹配连接在一起能够满足测试系统的各种需要，因为用软件来灵活配置这些模块能实现各种各样的激励/测量功能。从本质上讲，这类模块形成了一个以局域网作为背板的模块化合成仪器结构。将一些能联网的模块加以组合能构成一个合成仪器平台，而省去了昂贵的（VXI、PXI）机箱及MXI接口，并且使得利用货架产品的PC机及低成本的局域网来组建ATE成为可能。这类ATE执行测量功能时，仪器模
块中运行的软件主要用于采集信号，而运行于PC机中的软件则处理所采集到的信号并将信号数据转换成测量数据。对这些模块可进行各种各样的组合以形成所希望的测量或测试功能。
能联网的模块可使用一组外部触发器硬件（硬件方法）来实现测试系统所要求的定时和同步，也可以应用IEEE­1588协议（软件方法）来实现定时与同步。下一节将重点讨论网络环境下的定时与同步问题。
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3．局域网型ATE的结构、定时与同步[3]
局域网型ATE的基本结构如图3所示，计算机和各仪器资源通过集线器（Hub）、网络接口和电缆连成系统，运行TCP/IP网络通信协议能确保实现高确信度、无差错的通信。TCP/IP栈能提供出错检测及纠错功能。由于采用的是专用局域网，一般情况下也不会与吞吐率发生冲突。
在组建ATE中，能对多台仪器或多个仪器机箱实现定时和同步控制是必须具备的先决条件。在VXI/PXI总线系统中这方面的功能是依靠时钟及同步总线、星形总线以及触发总线来实现的。在基于局域网的ATE 中，可以用几种不同的方法来实现多台仪器或多个机箱间的定时与同步，其中最常用的方法是由系统中的主设备产生一个触发脉冲或者分配一个时钟。主设备的这类信号加到系统中的各台从设备，如图3中虚线所示。这种基本的拓扑结构能提供相对稳定的信号，但是，
由于各台设备拥有不同的内部电
图4使用独立的时钟（或触发）信号发生器时的网络连接
图6实现合成仪器测试系统的框图
路，会引起不相等的门延时，加上从电缆到连接点之间的传输延迟，使得这种基本的结构难以达到很高的定时精度。
提高多个联网单元间同步精度的有效方法是使用一个如图4所示的独立时钟发生器或触发信号发生器，并且使用同类型、同等长度的电缆来分配信号。这种措施能确保每个时钟（或触发）信号都经历大致相同的传输延迟。
实现定时和同步的另一方法是应用网络时间协议（Network Time Protocol ，NTP ）。采用这种方法时，网络单元所接收到的数据中均带有一个64位的时间标记，该标记含有一个带坐标的通用时间。用NTP 方法设计的系统的突出优点是省去了为触发、时钟信号而外接的设备及电缆。测试系统中的所有设备都能用NTP 信号来同步，所导出的系统时钟可加到任何一个仪器机箱或某一仪器模块。高中教师个人总结
4．以合成仪器为基础组建ATE
合成仪器是由共用的硬件模块及可重用硬件组件所构成的一组硬件集合，与一些能仿真传统测试设备功能的软件构件（Building Block ）相配合，合成仪器能实现通常需用专门的电子电路或系统来完成的测试功能[2]。也就是说，通
过将一组核心的硬件组件与一些实现特定的激励和测量操作的软件合成在一起，合成仪器可以灵活方便地实现各种各样的激励与测量功能。采用合成仪器的主要目的就是去掉ATE 系统中的单独的仪器机箱或VXI （PXI ）机箱，以进一步减小ATE 的体积重量。
合成仪器测试系统具有如图5所示的结构[4]。输入信号在进入数据变换（A/D 转换）之前首先要经过信号调理，对于RF 或微波信号还要经过降频变换（Down Conversion ），转换成A/D 转换器所要求的模拟信号形式，A/D 转换后得到的数字信号被处理器处理，形成所要求的测量，结果数据送ATE 主机。来自ATE 主机的数据，经处理器处理后送D/A 转换及信号调理器可产生所要求的输出激励信号。
如果要求产生RF 或微波输出信号，则还需要经过频率变换器完成升频变换（Up Conversion ）。
实现图5所示的合成仪器结构，可采用图6所示的框图。图中“信号调理+降频变换+A/D 转换+信号处理”构成合成仪器的测量部分；而“信号处理+D/A 转换+升频变换+信号调理”构成合成仪器的激励部分；“通信与控制”为合成仪器的通信接口及内部控制单元，“电源及稳压”单元为合成仪器提
供所需的电源。
从图5、6所示的核心硬件结构出发，可对合成仪器做出如下定义：合成仪器是这样一类仪器，它使用某种开放式的结构，将一些通用的、
可重复使用的构件块组合在一
给小朋友儿童节祝福图3局域网型ATE 的基本结构
起，合成产生各种各样的测试功能。采用合成仪器来组建下一代ATE/ATS，具有如下两方面的优点：首先，采用模块化的核心硬件代替物理测量仪器可以显著地降低ATE的体积重量；第二，同样的核心硬件结构可用于各种不同的测试系统，去掉了冗余的硬件和软件，从而降低了ATE的成本。总之，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一项关键技术[5]。
任何合成仪器的心脏部分都是用作测量的A/D转换器以及用于激励的D/A转换器。在组建ATE时，实际所采用的合成仪器并不一定要求包含图6所示的全部硬件构件，需要包含哪些构件取决于测试需求。例如仅用于测量的合成仪器，则只需要包含以A/D转换器为基础的、与测量功能有关的几个硬件构件。数字信号处理以及通信与控制构件，赋予合成仪器某些初级智能和可编程能力，通过对合成仪器编程，使得采用通用的A/D、D/A转换器，能够实现针对需求的专门的测量、激励的功能。合成仪器的通信构件则是它与外界的接口。为了实现以合成仪器为基础的ATE系统，需要定义一种标准的总线结构，沿用ATE历史上常用的VXI 及PXI总线是一种选择，但由于这类总线需要采用专门的机箱和背板，使进一步减小ATE系统的体积重量方面受到限制。因此，采用局域网代替背板型总线来构成下一代模块化的合成仪器测试系统就成为了引人注目的发展趋势。为实现此目标而推出的LXI标准建立在高速以
太网技术的基础之上，能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）并且以太网技术已有很长的历史，技术成熟，使得按LXI标准能很容易地实现个人计算机与仪器的连接。为使合成仪器能具备高速联网能力，在研制合成仪器时，需按LXI标准设计其通信接口，使其满足高速以太网的通信要求。不久的将来，LXI会变成用于组建各类军用测试系统的一种首选高速I/O总线。
5．几点结论
纵观模块化仪器的发展，基于局域网来组建ATE是引人注目的发展趋势，因为这样做能显著减小ATE的体积重量，降低成本及系统复杂性，增强其配置灵活性；局域网ATE中，仪器/设备间的定时、同步和触发问题需要着重研究，予以解决；以合成仪器为基础来组建局域网ATE是实现下一代自动测试系统体系结构NxTest的一个重要方面[7]，LXI标准为此提供了有力的支持，而使合成仪器能具备高速联网能力则是实现这一目标的关键技术措施之一。
参考文献
[1]G.Drenkow,Future Test System Architectures,AUTOTESTCON’2004.
[2]L.A.Orlidge and E.D.Stoll,Measurement Hardware Emulator:Synthetic Instrument and CASS,AUTOTESTCON’99.
[3]J.Semancik,Ethernet­Based Instrumentation for A TE, AUTOTESTCON’2004.
[4]J.L.Orlet and G.L.Murdock,Practical Implementation of Synthetic Instrumentation, AUTOTESTCON’2004
[5]G.Heftman,Future Military Test Systems Hinge on Synthetic Instrument Development, Defense Electronics,November2004.
[6]李行善，VXI总线在航空自动测试设备中的应用，全国第二届VXI技术专题报告会论文集，1997年.
[7]于劲松，李行善，下一代自动测试系统体系结构与关键技术，计算机测量与控制，2005年01期第1—4页.

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