1.3 自动测试技术的发展和本书的主要内容

1.3.1 自动测试系统的发展过程

通常可将自动测试系统的发展过程分为三代。第一代自动测试系统的产生最初只是针对传统专用仪器的单机、单参数的手工测试。随着产品的开发和生产中测试项目和测试范围的不断增加，测试的参数数量、工作速度和精度要求也不断提高，特别是一些要求反复测试、高度可靠的场合，利用计算机技术辅助测试可以严格地执行测试规范的要求，也才有可能定时、重复地完成测试过程，从而形成第一代自动测试系统的基本形式。这类系统最初出现在军用设备的检修维护中，面对大量连接电缆的通/断检查，乏味的人工测试很难保证测试质量。而后用于大型的重要工业生产过程的巡回监测，进而扩展到一般领域和科学实验的数据采集和分析。这类系统对于产品质量的监督和生产过程的安全具有明显的促进作用，从而广泛应用在生产过程中。第一代自动测试系统的结构通常以计算机主机为核心，集中配置各种与测试设备互联的接口装置。这些接口一般需要自行开发专用的电子设备，因此存在开发周期长、研制费用高、工作生命期短的缺点。

第二代自动测试系统的主要特点是采用标准的接口和总线，最具有代表性的是CAMAC系统和GPIB总线接口系统。CAMAC（Computer Automatic Measurement and Control）系统的规模比较大，用于宇航、核物理、重要的工业自动化等领域中测试项目繁多、测试内容变化频繁的场合。它采用集中形式的标准机箱，配置标准的各种测试插件设备。插件采用20mm的标准宽度和285.25mm的标准高度。根据不同插件的复杂程度，可以选择不同的单宽和双宽方式。这些测试插件名目齐备，从标准的数据采集器、信号发生器、通路开关，到当时核工业专用的各种测试设备，应有尽有。可以说，CAMAC系统开创了自动测试标准接口系统的先河，成为将这种技术真正用于实际的成功范例。然而，CAMAC系统对于更广泛的民用需要常常显得过于复杂和庞大，于是随着微处理器技术的日益普及，应用更为广泛的GPIB总线接口系统应运而生。与CAMAC系统作为计算机配套设备的形式不同，GPIB总线接口附属于台式仪器本身。作为国际标准，国际上几乎所有的仪器厂家都为自己的仪器配置了这种通用接口。因此，以这种接口总线为基础组建自动测试系统时除了标准的专用电缆外，并不需要其他额外的设备。GPIB系统的一个重要特点是：每台仪器仍然保持自己本身的工作方式和功能特性，系统中的计算机只是通过接口总线管理和协调它们的工作。

第三代自动测试系统的基本思想是要进一步发挥计算机的作用，使系统中的主计算机不但作为系统的管理者和控制者，而且成为测试功能的一个主要组成部分。这样，就有可能通过极为有限的测试硬件设备（如信号源、数采器、开关等），结合计算机的计算功能、存储功能、显示功能、操作功能、通信功能以及其他扩展功能的作用，来代替各式各样的传统测试仪器。这就是虚拟仪器的思想，由于这种思想已经并正在成为现实，从而明显地改变着仪器仪表行业的面貌。

VXI可以看做第三代自动测试系统总线的代表。作为国际标准，VXI继承了GPIB可以不分厂家、国别地在世界范围选择适当测试设备的重要特点。同时，采用新一代背板总线连接的机箱结构，大大提高了系统的工作速度，同时减少了占用空间。更重要的是：作为虚拟仪器，提高了软件的规范化和应用水平。VXI总线即插即用规范的制定，为虚拟仪器系统的结构组建奠定了技术支持与指导，从而使组建一个统一的、开放的虚拟仪器系统成为可能。

第三代自动测试系统总线的发展在VXI出现后并没有停滞，针对VXI结构过于复杂、功能过于完善、售价过于高昂的问题，PXI出现了，基于USB的虚拟仪器出现了，支持各种通信协议的远程控制的自动测试系统也出现了，网络仪器的概念开始进入工程界。

1.3.2 PXI和LXI总线系统

尽管VXI总线在性能上以无与伦比的优越性受到很多用户（特别是军方用户）的高度评价，然而由于其结构过于复杂、功能过于完善、因此造成一些中小企业的用户感到售价过高而难以承受。为此，1997年NI（National Instruments）公司推出了一种称为PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）的测试系统规范。这个规范的要点是用PC系统中流行的PCI总线来代替结构复杂、用于工业控制的VME总线，因此能把原先为数众多、物美价廉的PC总线模件直接用于测控系统，也能极为方便地得到那些人们十分熟悉的PC操作系统和各种应用软件的支持。同时各种用于测试的仪器扩展功能也做了一些简化（相对VXI），但仍能提供10MHz的系统时钟、8条非常灵活的触发总线、星形触发线和本地总线的支持。另外，PXI系统继承了VXI的软件工作方式，也支持VISA标准和诸如LabWindows/CVI、Lab View等面向测试的软件开发工具，从而使原先在GPIB和VXI系统开发中建立的工作基础和积累的工作经验都可以在新的PXI系统开发中继续发挥作用。

图1-9是一个PXI系统的外形照片，它看上去与VXI系统很相似，也是采用标准主机箱并配置标准卡式模件，也是通过主机的面板进行操作。与VXI系统相比，PXI系统的速度更快、体积更小、成本较低，但配置功能、电磁兼容性能和可靠性指标则不如VXI规范那样严格。PXI系统的主要问题在于还没有为所有仪器开发商广泛认可，因此也还做不到像GPIB和VXI那样可以不分厂家、国别地根据测试需要自由选购到相应设备的程度。

2004年9月，Agilent公司（原HP公司）和VXI Technology公司为自动测试系统推出了一种基于LAN的模块化测试平台标准LXI（LAN eXtensions for Instrumentation）。从自动测试技术、微电子技术和计算机技术的发展情况来看，LXI的提出是开放式标准化测试系统发展中合乎逻辑的结果，是成熟的以太网技术在测试自动化领域应用的拓展。其具体的设想是将非常成熟的以太网技术引入自动测试系统，以替代传统的测试总线技术。LAN最明显的作用是替代GPIB，它将保证系统中所有LXI单元能够在同一个网络中和平共处，LXI支持IEEE802.3和TCP/IP，试图为用户提供一个新的自动测试系统的构架，具有更快的速度和更为简单的编程方式。

国际LXI联盟是一个非盈利性的联盟，旨在测试测量自动化领域LXI标准的建立和发展。目前已包括绝大多数国际著名测试测量公司作为其会员，如R&S、安立、泰克、吉时利等。安捷伦科技在北京宣布，随着LXI联盟最新技术规范的发布，将陆续推出多种符合LXI标准的测量产品。LXI总线不受带宽、软件和计算机背板体系结构的限制，而且能利用日益增长的以太网吞吐能力，是一种适用于测试系统的新一代基于LAN的模块化平台标准。图1-10为LXI系统的结构和典型产品。

LXI目前已经得到较为普遍的支持，其主要原因如下：

（1）以太网、标准PC和软件技术非常成熟，且众多计算机厂家不断地加大研发及投入力度，使其性能更加完善，能够满足测试行业的广泛应用。

（2）LXI是一种基于网络的仪器接口规范，为实现各种终端设备之间的同步控制，采用了以太网的精密时间协议（Precision Time Protocol, PTP）。这个协议定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟，并被接受为IEEE1588，这个网络同步标准可以在实验室环境中得到纳秒级的时钟同步误差，其标准网络接口也已普及，使LXI技术的前景十分看好。

（3）国际LXI联盟在众多系统集成商和工程师中的调查表明，人们普遍希望利用通用的PC接口和总线，而不是昂贵的测试测量的专用接口总线。

1.3.3 自动测试的应用领域

随着技术的进步和社会的发展，自动测试在军/民两个方面都得到了广泛的应用。在军事上，越来越多的武器装备配置了自动化和信息化设备，而设备中的电子装置的比例更是越来越高。这些设备的可靠性至关重要，在战场上一旦出现问题，轻则贻误战机，重则带来毁灭性的后果。以现代军用飞机为例，航空电子设备的性能和质量已经成为作战效能的决定因素。美国空军的统计数据表明：F15战斗机的航空电子设备的故障率已占整个飞机故障率的一半，而其维护工时则超过整个飞机所用工时的三分之一。美国军方一直认为：测试是设备维护的重要组成部分，并于20世纪70年代提出了测试性概念，20世纪80年代颁布了“电子系统及设备测试性大纲”（军用标准MIL-STD-2165）,20世纪90年代则推行“综合诊断”军用标准MIL-STD-1814的要求。同时大力发展ATE（自动测试设备）和METS（活动电子测试设备）等技术，以降低维修成本和人员要求，缩短维修时间。这些措施的结果，使每架飞机20年的使用保障费用由原先出厂价的3.3倍减少到0.9倍。这样看来，自动测试已经成为确保军用飞机作战适用性和降低使用保障费用的一项关键技术。

可靠性通常表现在两个方面：一是产品本身的质量可靠性，如平均无故障时间指标；二是出现故障后要求能够迅速查明原因，及时处理，即可维护性。军用电子设备数量巨大，要求处理故障迅速，而工作环境和空间又极其有限，而且很多场合甚至要求单兵作战，操作人员的专业知识和工作经验也很难达到理想的要求，这些都是不能不采用自动测试方法的基本原因。有关资料显示，某些产业固定资产的三分之一是仪器仪表和计算机，很多重要科研项目的仪器开支超过总研制经费的一半。为了适应军用系统对快速故障诊断的迫切要求，“可测性设计”方法在产品设计阶段预先为自动测试建立各种必要的条件，从而使自动测试的作用事半功倍。

再看民用领域，提高产品质量和确保生产安全始终是企业的两项基本工作。在冶金、电力、石化、轻工、建材等连续生产的过程中，每时每刻需要检测各种工艺流程的工作状态，从而确保各种工艺参数和质量参数。为了确定设备维护周期和大修的时机，还要检测和处理各种有关的安全参数和能耗参数，集数据采集、系统辨识和专家系统为一体的自动测试技术能够很好地解决这些问题。机电产品量大面广，针对五花八门的产品，从测试思想、测试方法，到测试的工作量都要求采用自动测试技术方能满足需要。在环保、气象、水文、地震的长期监测中，各种支持网络通信功能的自动化测试系统更是比比皆是。随着人民生活水平的提高，供电、供水、供气、供暖的计量逐步要求实现自动化管理，自动测试将信息获取和处理的结果直接转入信息的应用。医疗仪器、食品检验、室内装修则关系千家万户，自动测试将更能确保测试结果，克服测试过程中的人为因素。在高科技领域，新的测试内容和测试要求层出不穷，专用的仪器设备开发往往赶不上新产品的推出，有时只是为了某种新思想和新概念的研究并不值得都去开发新的专用仪器，如通信行业，对于新的载波调制方法、新的协议分析，虚拟仪器则有更大的市场需求。

需要指出，自动测试以及相关仪器仪表的重要性，不仅体现在其行业本身的产值，更重要的是它对国民经济发展的辐射作用和影响力。有关资料显示：美国仪器仪表行业只占国民经济的4%，但对国民经济发展的影响面却高达66%。随着知识经济、信息时代的到来，科技发展的步伐加快，必然要求测试更好、更快地满足需要，自动测试技术应在科学研究和经济发展中发挥更大的作用。

1.3.4 自动测试技术的发展规律

回顾自动测试系统的发展过程，可以发现其发展的某些规律：

（1）自动测试的发展与经济和技术的发展同步，经济、技术发展越快，需要测试的范围就越宽，对自动测试的要求就越高。著名科学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的”，反过来测量又将极大地促进科学的发展。由于越来越多的被测对象已经不再是能够直接度量的物理量，而是作为某些过程或系统的参数，因此单纯的测量（Measurement）变为复杂的测试（Testing）。即需要对被测对象施加某种激励，同时测取某种响应，然后通过计算来得到这种被测对象的参数结果。激励和响应在时间上可能是一个过程（时间序列），空间上可能是多个变量。测试的方法也不止一种，可能需要重复进行和交叉验证。这样比较复杂的测试过程当然需要依靠自动测试系统，而且随着测试领域和测试工作量的急速扩大，自然没有可能完全依靠专用的传统仪器了。

（2）像许多技术的发展一样，自动测试的发展最初来自军事上的需要。自动测试发展到了一定程度后，也如同其他一些新技术一样，会突破原先军事任务的狭隘范围，并在更广阔的天地得到更广泛的发展。作为现代自动测试研究工作的开端，美国军方在20世纪50年代中期，曾针对军用电子装备的维护问题，提出了一种所谓“万能”自动测试设备的概念。其目标为：实际上不必依靠测试技术文件，由非熟练人员进行全自动操作，并以计算机速度完成测试。这种设想并未达到预期的要求，尽管实现了计算机控制，但测试系统的响应远非计算机的速度；对仪器直接操作者的要求降低了，但却需要增加一些新的技术支持者；常规的文件资料被计算机软件代替了，可又多了一些新的软件资料。总之，贪大求全导致系统复杂，不仅使其价格昂贵，而且性能的提高反而受到某些限制。不过尽管如此，这种思想仍然主导着自动测试的发展，其原因就在于军事任务复杂情况的实际需要和不惜代价的实际条件。然而，当自动测试进入民用领域后，人们就不能不采取一些新的对策了。生产过程中遇到的被测对象常常是大量相同或相似的产品，人们对被测对象往往拥有完全的控制权。民用自动测试系统往往可以针对被测对象最关键的环节，选择最有利的时机，进行有限目标的有效测试。这时所采用的测试策略、测试指标、测试方法、测试设备也都有更多的选择，自动测试技术可能具有更为广阔的应用前景。

（3）谈到具体自动测试系统的结构，真可以说是“分久必合，合久必分”。先是集中管理方式的大型接口结构的CAMAC系统发展为分散到各普通台式仪器设备中的GPIB接口总线系统，以后又发展为VXI和PXI系统的集中式总线背板机箱，再到USB小盒和分布式的网络设备，直到LXI系统和合成仪器，并以网络代替总线。自动测试系统发展的历史表明，集中与分散、全面与专业、性能与成本这几对基本矛盾始终影响着设计者的权衡取舍。没有固定的模式，只有实事求是、与时俱进的要求。然而，标准化、小型化、系统化、智能化、软件化的趋势也是十分明显的，能否不分厂家国别、按测试任务的需要选择测试设备是标准化工作是否成功的重要标志，尽量采用通用计算机及其软件来代替专用设备的虚拟仪器思想也确实是自动测试技术在今后一段时间的努力方向。

（4）信息技术对自动测试系统发展所起的关键作用值得注意。自动测试不仅与信息的获取（各种传感器）密切相关，也与信息的传递联系紧密。从GPIB和VXI等专门用于测试系统的接口和总线，到虚拟仪器、网络仪器概念的形成，处处分享着通信技术的最新成果。同时，自动测试结果早已不再满足于人的眼观手记，信息的处理和存储已经成为自动测试的基本组成部分。加上故障诊断、预报预测等与测试密切相关的信息技术，自动测试也已直接影响到信息的应用。这样，自动测试的发展一方面应当紧密联系实际被测对象的实际需要，利用现代物理、化学、生物科学成果不断扩展测试的范围和提高测试的精度。另一方面就是要紧跟信息技术，从信息的获取，到信息的传递、信息的存储、信息的处理，乃至信息的应用。总之，就是要紧紧抓住传感器和数据采集核心技术的同时，不断地从通信技术、计算机技术和软件技术的发展中汲取推动力量。

1.3.5 测试工程师的责任和本书的主要内容

鉴于自动测试技术在现代企业生产和科学研究过程中的重要作用，测试工程师的工作已经成为一项专门的业务领域。测试工程师需要根据科研和生产的需要，了解测试要求、选择测试内容，然后制定测试计划、建立测试方案和策略，选购、维护和校验测试仪器和设备、编写测试大纲和测试流程，同时针对具体的测试任务，组建测试系统、编写测试软件，有时还要开发测试设备。测试进行过程中要检查测试质量，测试完成后要审查测试报告并提出意见。自动测试和虚拟仪器技术的发展，为测试自动化提供了更宽阔的发展空间。本书将集中讨论自动测试系统和虚拟仪器的基本原理和开发技术，力图为测试工程师在这一领域开展工作建立必要的基础。

本书第1章首先介绍基于计算机的自动测试系统与虚拟仪器的基本概念和主要特点，分析其发展过程，讨论其发展方向，阐述其在信息技术中的地位，以及其与控制技术、通信技术和计算机技术的关系，进而指出测试工程师的基本任务和本书的主要内容。

数据采集器是基于数字信号的计算机系统获取实际物理对象中连续被测物理量的主要手段，采样和量化是其中最重要的环节。本书将在第2章讨论不同形式的A/D转换技术，阐述放大器、隔离器、滤波器、多路开关等通道调理电路的基本原理，以及微处理器控制的硬件接口和软件结构，分析采样过程、采样方式和采样参数的影响。

为了组建自动测试系统时能够不分厂家、国别地自由选择需要的设备，需要掌握诸如GPIB通用接口总线和VXI仪用总线系统等专门用于自动测试系统的国际标准。本书将在第3章和第4章就它们的工作原理、协议要点、开发方法和应用示例展开讨论，并对诸如IEEE488.2、SCPI、VISA标准的基本内容和要点进行简明的介绍和解释，同时以LabWindows/CVI和VB为例说明使用常用软件编程工具的方法。

鉴于现代自动测试系统中常将测试设备配置到空间中分布在不同位置的被测对象附近，因此连接这些测试设备的通信方式及其相关的通信协议和通信设备就显得至关重要。本书将在第5章从最基础的RS-232串行通信及其在电信网中的调制解调技术谈起，介绍其原理、协议和设备。并结合具体的自动测试系统示例说明其应用方法。然后通过TCP/IP和无线通信技术的概况介绍，说明实现远程网络仪器的某些方法。

虚拟仪器的基本思想是强调通用计算机及其软件在测试系统中的作用。本书将在第6章重点介绍USB作为PC与外设连接的主要接口，开发虚拟仪器装置的通用方法。同时，展示应用该方式开发的一些典型仪器设备，进而说明这种虚拟仪器的发展方向。

作为自动测试系统的典型应用形式，本书第7章讨论PCB电子功能模件的测试技术。首先介绍ATE的基本概念，然后分别讨论路内测试、功能测试、总线测试和边界扫描测试等具体技术。

针对计算机测试系统中软件开发和系统组建的实际需要。本书将在第8章讨论离散傅里叶变换和FFT算法、数字滤波器设计方法和应用示例、基于时间序列建模的系统辨识原理和数理统计的应用方法。并结合大型旋转机械的状态监测与故障诊断系统和小型心电监测系统，介绍自动测试系统和虚拟仪器的典型开发过程，内容涉及传感器配置、锁相环倍频、专家系统、信号处理、系统辨识、操作界面等有关技术。