本文關(guān)鍵詞：當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展對(duì)基于PC機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的影響，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展對(duì)基于PC機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的影響

類別：行業(yè)知識(shí)  

摘要本文論述了目前計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展對(duì)基于PC機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的影響。計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展包括微處理器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)總線、儀器總線、PC卡和外部解決方案；軟件技術(shù)的發(fā)展，包括操作系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)。關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ISA總線PCI總線儀器總線通用串行總線(USB)多線程LabVIEW虛擬儀器

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機(jī)市場(chǎng)開(kāi)始快速發(fā)展，越來(lái)越多的PC機(jī)應(yīng)用得到開(kāi)發(fā)。PC機(jī)的廣泛應(yīng)用不僅改變了我們的計(jì)算方式，對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)領(lǐng)域也帶來(lái)了革命性的變化。充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，大大突破了傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)在數(shù)據(jù)信號(hào)處理、顯示、傳送、存儲(chǔ)、打印等方面的限制。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)正在飛速發(fā)展，由于使用了越來(lái)越先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，基于PC機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)正向著高速、高效，智能化、多功能化、多樣化發(fā)展。

2計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)發(fā)展的影響

2.1微處理器PC機(jī)微處理器CPU速度不斷提高，采用流水線、RISC結(jié)構(gòu)、cache等先進(jìn)技術(shù)，極大地提高了測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)值處理能力。將12年前的CPU與今天的CPU進(jìn)行比較，可以看到286CPU的時(shí)鐘只有8MHz，而現(xiàn)在PentiumⅡ的時(shí)鐘已達(dá)到200～400MHz，速度提高了25倍，處理能力提高了50～100倍。以Pentium和PentiumⅡ?yàn)榛A(chǔ)的PC機(jī)可以用來(lái)建立復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在以PC機(jī)為基礎(chǔ)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，與計(jì)算機(jī)一起工作的是采集數(shù)據(jù)、提供信號(hào)源和控制信號(hào)的儀器硬件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)使基于PC機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能更加充分利用PC機(jī)資源，，并大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。目前插入式數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)發(fā)展迅速，隨著A/D、D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)，儀器放大器，抗混淆濾波器和信號(hào)波形處理技術(shù)的不斷改進(jìn)，DAQ采樣速率達(dá)到1GB/s，精度高達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個(gè)，并能任意結(jié)合數(shù)字I/O，模擬輸出和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器通道。采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的另一特點(diǎn)。采用DSP技術(shù)，對(duì)高速的數(shù)據(jù)流處理進(jìn)行優(yōu)化和數(shù)學(xué)計(jì)算，增強(qiáng)了采集系統(tǒng)的功能，同時(shí)降低產(chǎn)品成本，并使其具有獨(dú)立控制和實(shí)時(shí)處理的優(yōu)點(diǎn)。DSP使測(cè)試系統(tǒng)的PC主機(jī)從數(shù)據(jù)處理任務(wù)中解脫出來(lái)，可更高效地完成其他任務(wù)，同時(shí)獲得更多的信號(hào)處理能力，并加快數(shù)據(jù)采集率［1］。2.3ISA與PCI總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線(ISA)是一種8位或16位非同步數(shù)據(jù)總線，工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率在8位時(shí)為1MB/s，16位時(shí)為2MB/s［2］。ISA總線在測(cè)試領(lǐng)域已應(yīng)用了16年，在以PC為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集市場(chǎng)中，ISA總線一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算能力和通信能力的差異日益懸殊。對(duì)于相對(duì)較慢的處理速度，基于ISA的數(shù)據(jù)采集卡是有效的，這種卡和其他外圍設(shè)備等待處理時(shí)間，然后發(fā)出中斷，等待響應(yīng)。在一個(gè)ISA總線I/O周期，12MHz時(shí)只有幾個(gè)等待狀態(tài)，而在新的Pentium處理器的200MHz時(shí)則需要100至200個(gè)等待狀態(tài)，這在處理速度上大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的性能。在當(dāng)今多任務(wù)的操作環(huán)境下，為單一應(yīng)用程序消耗如此多的PC機(jī)資源，顯然是不合適的，ISA總線已成為瓶頸［3］。六年前，外圍設(shè)備接口總線(PCI)由Intel公司提出后，立即受到重視并很快得到認(rèn)可，成為PC行業(yè)新的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。PCI總線的出現(xiàn)，很好地解決了ISA總線的瓶頸問(wèn)題。PCI總線是一種同步的獨(dú)立于CPU的32位或64位局部總線，最高工作頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為132MB/s。PCI總線支持無(wú)限讀寫(xiě)突發(fā)方式，PCI總線上的外圍設(shè)備可與CPU并發(fā)工作，從而提高了整體性能。PCI總線還為PC機(jī)平臺(tái)帶來(lái)了真正的即插即用功能，并對(duì)DMA有更強(qiáng)大的支持。以PCI總線為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大大提高了數(shù)據(jù)采集率［4］。2.4儀器總線測(cè)量?jī)x器從1978年有了通用儀器總線(GPIB)后，構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)就方便得多，測(cè)量?jī)x器的程控性能也隨著提高，出現(xiàn)一大批高水平的儀器和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。1987年VXI儀器總線問(wèn)世，這種以VME計(jì)算機(jī)總線為基礎(chǔ)的儀器擴(kuò)展總線，兼?zhèn)溆?jì)算機(jī)和通用儀器總線的優(yōu)點(diǎn)，并以開(kāi)放式規(guī)范供測(cè)試業(yè)使用，形成個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)范，極大限度地促進(jìn)了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展。VXI最適用于多通道，有多個(gè)測(cè)量輸入和輸出的應(yīng)用。VXI具有以下特點(diǎn)：1)開(kāi)放的、多廠家共用的標(biāo)準(zhǔn)使其更加靈活；2)模塊化的VXI硬件單元增加了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性；3)高精密的可控制環(huán)境和更高的信息吞吐量(比IEEE-488快40倍)，使VXI系統(tǒng)具有高可靠性和高性能；4)規(guī)范化的VXIplug&play對(duì)VXI插卡提供標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序，使系統(tǒng)的配置、編程和集成更簡(jiǎn)單、容易，并節(jié)省了使用VXI的開(kāi)發(fā)時(shí)間。1997年下半年，National Instruments公司推出PXI(PCI eXtension for Instrumentation)總線，并作為開(kāi)放式規(guī)范提供儀器測(cè)試業(yè)使用。PXI以CompactPCI為基礎(chǔ)，是PCI擴(kuò)展儀器結(jié)構(gòu)的新型系統(tǒng)級(jí)規(guī)范，它滿足工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械、電氣和軟件特性內(nèi)充分發(fā)揮了PCI總線的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，由于采用了模塊結(jié)構(gòu)，它能夠使用緊湊結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)并把它裝配到一個(gè)堅(jiān)固的PXI機(jī)箱中。這種模塊化的構(gòu)造類似于VXI結(jié)構(gòu)，但由于它基于PCI總線，因此它的設(shè)備成本降低，而運(yùn)行速度增加，體積更加緊湊。而且目前眾多的廠商支持的基于PCI的插卡、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件等都能經(jīng)濟(jì)有效地應(yīng)用于PXI系統(tǒng)中，使PXI系統(tǒng)具有極好的兼容性和可擴(kuò)展性。PXI在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。2.5PC卡和外部解決方案PC卡，以前叫作PCMCIA卡，為不使用ISA或PCI插入卡的筆記本或便攜機(jī)，擴(kuò)展并增強(qiáng)了I/O功能。一些PC卡和便攜機(jī)使用叫CardBus的新總線，該總線基本上是PC卡格式的PCI。PC卡通過(guò)接收大量外部信號(hào)并交與筆記本或便攜機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析，形成一個(gè)功能強(qiáng)大的適于野外作業(yè)的便攜式測(cè)試系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集不一定在PC機(jī)內(nèi)部進(jìn)行。目前許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在PC機(jī)外，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信端口與PC接口。外部解決方案避免了PC機(jī)內(nèi)部的噪聲，特別適合于低電平信號(hào)應(yīng)用。它提供了更大的電子設(shè)計(jì)空間、更好的隔離能力和更方便的連接，并使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能放在與信號(hào)源離得更近的地方。例如遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊，可以通過(guò)1.2km的通信電纜將采集數(shù)據(jù)通過(guò)RS485/RS232轉(zhuǎn)換卡，與PC機(jī)連接。1997年，第一個(gè)通用串行總線(USB)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品出現(xiàn)。通用串行總線是用來(lái)替代當(dāng)前的串行(并行)I/O總線的，其0.5Mb/s的傳輸速率(理論上為1.5Mb/s)比串口115kb/s的速率快得多。USB可以在一個(gè)即插即用鏈中最多支持127個(gè)設(shè)備。USB標(biāo)準(zhǔn)要求在與PC機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)的同一根電纜可以通過(guò)500mA的電流(電源為5V)，這意味著低功耗的基于USB的數(shù)據(jù)采集設(shè)備不需要單獨(dú)外加電源。IEEE 1394總線(也叫FireWire)，是更快的外部高速串行總線，傳輸速率理論值可達(dá)200MB/s。選擇USB和FireWire，插入式數(shù)據(jù)采集卡將由更多的外部解決方案代替［3］。

3計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展的影響

3.1操作系統(tǒng)目前，PC機(jī)已普遍采用Microsoft公司的32位Windows NT或Windows 95作為PC機(jī)操作系統(tǒng)。Windows操作系統(tǒng)的圖形用戶接口(GUI)，大大改善了測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行界面，比起文本界面來(lái)，圖形界面更加友好、美觀、操作方便。Windows NT比Windows95還具有更高的安全性和穩(wěn)定性。Windows NT和Windows95具有多任務(wù)和多線程能力，并可運(yùn)行在單處理器或多處理器的計(jì)算機(jī)上。這種多任務(wù)和多線程能力，尤其是多線程，大大增強(qiáng)了基于PC測(cè)試的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)和儀器I/O應(yīng)用的性能。多線程能力可以防止基于PC的測(cè)試應(yīng)用軟件與插入式數(shù)據(jù)采集卡或使用標(biāo)準(zhǔn)接口的獨(dú)立儀器通信時(shí)產(chǎn)生的堵塞現(xiàn)象。多線程可將用戶界面顯示與數(shù)據(jù)采集分配在不同的線程上，降低數(shù)據(jù)采集與用戶界面顯示間的干擾，使每個(gè)線程能獨(dú)立地以最快速度運(yùn)行，充分提高系統(tǒng)的測(cè)試速度。通過(guò)按時(shí)間占用的多少對(duì)線程進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，多線程能力還可提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力［5］。3.2測(cè)試系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)基于PC的測(cè)試系統(tǒng)可以很方便地根據(jù)需要進(jìn)行測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)。可視編程語(yǔ)言環(huán)境Microsoft公司的Visual C++、Visual BASIC,Borland公司的Delphi的推出，為簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)編程邁出了可喜的一步。而目前嶄新的圖形編程語(yǔ)言環(huán)境，例如National Instruments公司的LabVIEW、LabWindows/CVI，HP公司的VEE，Data Translation公司的DT-VEE等，使得科研人員和工程人員可以擺脫對(duì)專業(yè)編程人員的依賴，并且大大減輕他們的編程負(fù)擔(dān)。以NI公司的LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)為例。LabVIEW為用戶提供了簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)的圖形編程方式，把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把條件功能(圖形)連接起來(lái)的簡(jiǎn)單方式。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言相比，LabVIEW圖形編程方式可以節(jié)省大約80%的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，但其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響［6］。LabVIEW中還集成了大量的生成圖形界面的模板，豐富實(shí)用的數(shù)值分析，數(shù)字處理功能以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能(包括RS232、GPIB、VXI、PXI、數(shù)據(jù)采集卡、網(wǎng)絡(luò)等)。另外，幾十家儀器廠商免費(fèi)提供的數(shù)百種源碼級(jí)儀器驅(qū)動(dòng)程序，為用戶開(kāi)發(fā)儀器控制系統(tǒng)提供了方便。自NI公司引入LabVIEW以來(lái)，虛擬儀器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用空前發(fā)展。

4結(jié)論

正是由于計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，使測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合，推動(dòng)基于PC機(jī)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善。與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，并通過(guò)通信網(wǎng)構(gòu)成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)將不再局限于孤立的或局部控制的儀器系統(tǒng)，而成為信息采集、信息傳輸及信息處理和利用的大系統(tǒng)中的一環(huán)。

作者單位：金達(dá)闕沛文(上海交通大學(xué)上海200030)

參考文獻(xiàn)

[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.虛擬儀器-儀器技術(shù)的重大革命.

  本文關(guān)鍵詞：當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展對(duì)基于PC機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的影響，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。