牛雙誠，趙秀麗，宋振宇

(1.海軍航空工程學(xué)院 科研部，山東 煙臺(tái) 264001； 2.海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)部，山東 煙臺(tái) 264001)

面向信號(hào)儀器同步控制方法研究

牛雙誠1，趙秀麗2，宋振宇1

(1.海軍航空工程學(xué)院 科研部，山東 煙臺(tái) 264001； 2.海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)部，山東 煙臺(tái) 264001)

IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)是IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的新一代面向信號(hào)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn);首先分析了IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)定義的信號(hào)靜態(tài)模型和事件類信號(hào)類型，梳理了可程控測(cè)試儀器的常見觸發(fā)模式;接下來，以任意波形產(chǎn)生器SC53204-J為例，研究了基于IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試儀器信號(hào)同步控制方法，并對(duì)儀器能力建模、儀器驅(qū)動(dòng)編程、信號(hào)資源管理等進(jìn)行了研究，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;該信號(hào)同步控制方法已應(yīng)用在某型自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的軟件平臺(tái)上;應(yīng)用結(jié)果表明，該方法實(shí)現(xiàn)了面向信號(hào)的測(cè)試儀器同步控制，具有較強(qiáng)的適用性和較廣的應(yīng)用前景。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；面向信號(hào)測(cè)試；儀器同步控制；事件類信號(hào)

0 引言

在復(fù)雜裝備的測(cè)試需求中，被測(cè)設(shè)備往往對(duì)輸入的激勵(lì)信號(hào)有著嚴(yán)格的時(shí)序要求，其輸出的響應(yīng)信號(hào)也經(jīng)常一瞬即逝。信號(hào)的同步與精確定時(shí)是自動(dòng)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)，更是大型測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)[1]。

IEEE Std.1641-2010(signal and test definition, STD)是IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的新一代面向信號(hào)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。它采用標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)模型直接描述被測(cè)設(shè)備的測(cè)試需求，與面向儀器測(cè)試方法比，具有面向被測(cè)設(shè)備、與測(cè)試設(shè)備無關(guān)、測(cè)試程序簡(jiǎn)明可移植性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。同時(shí)，它采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式定義信號(hào)模型，消除了信號(hào)定義上的歧義問題和不一致現(xiàn)象[3]。自發(fā)布以來，IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)就獲得了廣泛的關(guān)注，得到了大量的研究和應(yīng)用[4-6]。

IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)在信號(hào)的靜態(tài)模型中定義了同步屬性，用以描述信號(hào)的同步產(chǎn)生與測(cè)量需求。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了事件類信號(hào)，作為一類特殊信號(hào)類型可以用于信號(hào)的同步屬性[3]。

不同于面向儀器測(cè)試方法直接操作測(cè)試儀器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步控制。在面向信號(hào)測(cè)試方法中，對(duì)測(cè)試儀器的操作是間接完成的。因而，研究基于IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試儀器信號(hào)同步控制模型和實(shí)現(xiàn)方法具有重要的意義。

本文首先分析了IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)定義的信號(hào)靜態(tài)模型和事件類信號(hào)類型，梳理了可程控測(cè)試儀器的常見觸發(fā)模式。接下來，以任意波形產(chǎn)生器SC53204-J為例，研究了面向信號(hào)的測(cè)試儀器信號(hào)同步控制方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本文研究的測(cè)試儀器信號(hào)同步控制方法，已經(jīng)在我們開發(fā)的面向信號(hào)軟件平臺(tái)中得到了實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用到某型通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，獲得了較好的應(yīng)用效果。

1 STD 標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)同步

IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)采用信號(hào)建模語言(SML)定義了標(biāo)準(zhǔn)化的基本信號(hào)類型BSC和常用的復(fù)雜信號(hào)類型TSF，TSF由BSC信號(hào)組合而成[3]。

在圖1所示的信號(hào)靜態(tài)模型中，IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)為信號(hào)模型定義了同步屬性(Sync)用于啟動(dòng)信號(hào)的操作(產(chǎn)生或測(cè)量等)。同步屬性只能使用事件類(Event)信號(hào)類型。當(dāng)同步事件發(fā)生時(shí)，信號(hào)開始工作。當(dāng)同步事件再次發(fā)生時(shí)，信號(hào)重新啟動(dòng)工作。對(duì)于信號(hào)源(Source)，同步事件可以同步多路信號(hào)的產(chǎn)生。對(duì)于傳感器(Sensor)，則可以同步信號(hào)的測(cè)量。

圖1 信號(hào)的靜態(tài)模型

IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)定義了3種事件類信號(hào)，可以用于信號(hào)的同步屬性：

1)基于時(shí)間的事件，當(dāng)特定時(shí)間條件滿足時(shí)，產(chǎn)生事件流輸出。該類事件以一定的時(shí)間周期產(chǎn)生具有特定時(shí)間間隔的事件流，主要包括時(shí)鐘信號(hào)(Clock)和時(shí)間性事件信號(hào)(TimedEvent)。

2)基于信號(hào)的事件，該類事件用于監(jiān)視一個(gè)外部信號(hào)，當(dāng)特定條件滿足時(shí)產(chǎn)生事件流輸出。被監(jiān)視的信號(hào)每滿足條件一次，產(chǎn)生一次事件流輸出。原則上，任何一個(gè)傳感器類信號(hào)都可以用作事件，但一個(gè)事件類信號(hào)卻不可以用作傳感器或信號(hào)源。

3)基于事件的事件，IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)允許對(duì)事件類信號(hào)進(jìn)行與、或、非、計(jì)數(shù)等邏輯操作以產(chǎn)生復(fù)雜的事件流。

2 可程控儀器的觸發(fā)模式

現(xiàn)代可程控測(cè)試儀器一般提供觸發(fā)功能用于信號(hào)的同步和精確定時(shí)，常見的觸發(fā)模式有手動(dòng)(面板)觸發(fā)、軟件觸發(fā)、總線觸發(fā)、外部觸發(fā)等。其中，手動(dòng)觸發(fā)是通過觸摸面板的按鍵啟動(dòng)儀器操作；軟件觸發(fā)適用于遠(yuǎn)程控制，儀器在每次接收總線觸發(fā)命令時(shí)啟動(dòng)操作；總線觸發(fā)是儀器接受來自總線的觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)啟動(dòng)操作；外部觸發(fā)則用于儀器接受外部的觸發(fā)信號(hào)輸入[7]。

SC53204-J是成都天奧測(cè)控技術(shù)有限公司的40 M SPS任意波形/數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。該儀器是VXI總線儀器，擁有4個(gè)模擬信號(hào)通道，能夠分別獨(dú)立輸出正弦波、方波、三角波、鋸齒波和任意波[8]。

SC53204-J提供了以上幾種常見的觸發(fā)模式。如圖2所示，該儀器的外部觸發(fā)是由儀器的外觸發(fā)系統(tǒng)監(jiān)視前面板的觸發(fā)輸入信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到特定條件時(shí)觸發(fā)波形輸出。該儀器的外部觸發(fā)是TTL電平觸發(fā)，可以選擇上升沿或下降沿觸發(fā)樣式。

圖2 SC53204-J外觸發(fā)工作原理

3 解決方案

本文以成都天奧測(cè)控技術(shù)有限公司的任意信號(hào)發(fā)生器SC53204-J為例，研究了IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)中面向信號(hào)的測(cè)試儀器同步控制方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。下面描述其實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 儀器能力建模

首先對(duì)SC53204-J的儀器能力實(shí)施建模，其主要思路如下：

1)把外觸發(fā)系統(tǒng)建模為基于信號(hào)事件類型的物理信號(hào)資源TrigMonitor，其信號(hào)類型定義為Instantaneous(Voltage)?？紤]到外觸發(fā)系統(tǒng)采用的是TTL電平，該信號(hào)資源的觸發(fā)條件設(shè)定為電平大于2.4 V(上升沿觸發(fā))或小于0.4 V(下降沿觸發(fā))。

2)根據(jù)4個(gè)模擬信號(hào)通道提供的信號(hào)能力，為其建模物理信號(hào)資源。例如,信號(hào)資源SinSource_1使用儀器通道1，并提供正弦信號(hào)Sinusoid(Voltage)的信號(hào)源能力，輸出到端口CH1_HI和CH1_LO。

3)4個(gè)模擬信號(hào)通道所支持的物理信號(hào)資源的同步屬性設(shè)定為TrigMonitor可選。

下面是SC53204-J儀器的INI文件格式的信號(hào)能力描述片段：

[TrigMonitor]

Role = "Event"

Module = "外觸發(fā)系統(tǒng)"

MeasureAttribute = "ampl"

Sync = ""

Gate = ""

[TrigMonitor->Signal]

Type = "Instantaneous(Voltage)"

condition = "GT 2.4V | LT 0.4V"

[TrigMonitor->Port]

Type = "TwoWire"

hi = "TRG_HI"

lo = "TRG_LO"

[SinSource_1]

Role = "Source"

Module = "通道1"

Sync = "TrigMonitor"

Gate = ""

[SinSource_1->Signal]

Type = "Sinusoid (Voltage)"

ampl = "range 0 V to 10 V"

frequency = "range 1 Hz to 40 MHz "

[SinSource_1->Port]

Type = "TwoWire"

hi = "CH1_HI"

lo = "CH1_LO"

[SinSource_2]

Role = "Source"

Module = "通道2"

Sync = "TrigMonitor"

Gate = ""

......

3.2 儀器驅(qū)動(dòng)編程

對(duì)儀器物理信號(hào)資源的程序控制需要儀器驅(qū)動(dòng)程序的支持。接下來，為SC53204-J開發(fā)了面向信號(hào)的儀器驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理信號(hào)資源的編程控制。

在面向信號(hào)的儀器驅(qū)動(dòng)程序中，物理信號(hào)資源依據(jù)其信號(hào)角色具有不同的函數(shù)接口[6]，其設(shè)計(jì)思路如下。

1)TrigMonitor信號(hào)資源具有事件角色的函數(shù)接口(IEvent)。其函數(shù)接口及功能包括：

(1)Setup函數(shù)，根據(jù)虛擬信號(hào)資源的信號(hào)屬性設(shè)置儀器觸發(fā)模式(觸發(fā)源和觸發(fā)沿)；

(2)Run函數(shù)，設(shè)置外觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)入就緒狀態(tài)，等待觸發(fā)信號(hào)；

(3)Stop函數(shù),外觸發(fā)系統(tǒng)停止接收觸發(fā)信號(hào)。

2)4個(gè)模擬信號(hào)通道提供的信號(hào)資源，如SinSource_1，具有信號(hào)源角色的函數(shù)接口(ISource)。其函數(shù)接口及功能如下：

(1)Setup函數(shù)，設(shè)置所在儀器通道的參數(shù)配置。如果虛擬信號(hào)資源的同步屬性是TrigMonitor，則設(shè)置該儀器通道為外部觸發(fā)模式，如果同步屬性為空，則設(shè)置為立即輸出模式；

(2)Run函數(shù)，啟動(dòng)所在儀器通道的運(yùn)行。如果虛擬信號(hào)資源的同步屬性是TrigMonitor，則進(jìn)入觸發(fā)等待模式，如果同步屬性為空，則立即輸出波形；

(3)Change函數(shù)，當(dāng)虛擬信號(hào)資源屬性發(fā)生改變時(shí)，修改所在儀器通道的參數(shù)設(shè)置；

(4)Stop函數(shù)，所在儀器通道停止工作，不再輸出波形，也不再接收同步信號(hào)。

3.3 信號(hào)資源管理

資源管理器是面向信號(hào)儀器控制方法的核心軟部件，負(fù)責(zé)管理信號(hào)資源，并根據(jù)測(cè)試程序中的測(cè)試需求完成虛擬信號(hào)資源與物理信號(hào)資源之間的映射。

信號(hào)的同步屬性設(shè)置增加了信號(hào)資源管理的難度，尤其當(dāng)多個(gè)信號(hào)資源同步到一個(gè)事件資源時(shí)。資源管理器的工作步驟總結(jié)如下：

1)資源管理器啟動(dòng)時(shí)，讀取系統(tǒng)中所有測(cè)試儀器的信號(hào)能力描述；

2)資源管理器接收測(cè)試程序中的信號(hào)需求——虛擬信號(hào)資源及其屬性設(shè)置；

3)完成虛擬信號(hào)資源與空閑物理信號(hào)資源之間的匹配：

(1)如果虛擬信號(hào)資源的信號(hào)同步屬性為空，資源分配時(shí)只考慮其信號(hào)能力的符合性及端口的可達(dá)性；

(2)如果虛擬信號(hào)資源的信號(hào)同步屬性非空，則需要判斷物理信號(hào)資源的信號(hào)同步屬性是否有匹配的可選事件資源，若同步屬性是基于信號(hào)的事件資源，還需要判斷事件資源的端口可達(dá)性；

(3)如果多個(gè)信號(hào)資源同步到同一個(gè)事件資源時(shí)，需要綜合考慮所有信號(hào)資源和事件資源信號(hào)能力的符合性及端口的可達(dá)性。當(dāng)所有條件都滿足時(shí)，資源分配成功；

4)資源分配成功時(shí)，調(diào)用測(cè)試儀器的面向信號(hào)儀器驅(qū)動(dòng)程序，初始化儀器設(shè)置，將物理信號(hào)資源的函數(shù)接口與虛擬信號(hào)資源的句柄綁定并返回給測(cè)試程序，最后更新物理信號(hào)資源的狀態(tài)。如果資源分配不成功，則返回錯(cuò)誤信息；

5)測(cè)試程序釋放虛擬信號(hào)資源時(shí)，資源管理器將測(cè)試儀器恢復(fù)為默認(rèn)設(shè)置，并標(biāo)記使用的物理信號(hào)資源為空閑狀態(tài)；

6)資源管理器退出運(yùn)行時(shí)，釋放所有虛擬信號(hào)資源和物理信號(hào)資源，關(guān)閉測(cè)試儀器會(huì)話，卸載內(nèi)存中的儀器驅(qū)動(dòng)程序。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們對(duì)上節(jié)的測(cè)試儀器信號(hào)同步控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如圖3所示，定義四路正弦信號(hào)的虛擬信號(hào)資源source_1～4,并同步到基于信號(hào)的事件資源monitor。當(dāng)信號(hào)電平超過2.4 V時(shí)，觸發(fā)四路信號(hào)源輸出。接下來，我們用DC_SIGNAL信號(hào)源作為外部同步信號(hào)。

圖3 測(cè)試程序信號(hào)圖

在本實(shí)驗(yàn)中，采用天奧公司的SC53204-J儀器實(shí)現(xiàn)四路信號(hào)源和基于信號(hào)的事件，采用安捷倫公司的直流電源Ag N6742B模擬外部同步信號(hào)。

下面是以TPL(測(cè)試過程語言)撰寫的測(cè)試程序片段：

Setup Voltage inst GT 2.4 V as event monitor;

Setup Sinusoid amplitude 3 V,

frequency 40 KHz

sync to monitor

as source source_1;

Setup Sinusoid amplitude 3 V,

frequency 40 KHz

sync to monitor

as source source_2;

......

Connect source_1 TwoWire to

hi SC53204_J::CH1_HI

lo SC53204_J::CH1_LO;

Connect source_2 TwoWire to

hi SC53204_J::CH2_HI

lo SC53204_J::CH2_LO;

......

Enable monitor TwoWire on

hi SC53204_J::TRG_HI

lo SC53204_J::TRG_LO;

......

Disable monitor;

Disconnect source_1, ..., source_4;

Reset source_1, ..., source_4, monitor;

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SC53204-J儀器的4個(gè)模擬信號(hào)通道被設(shè)置為外部觸發(fā)模式，外部觸發(fā)系統(tǒng)被設(shè)定為上升沿觸發(fā)。當(dāng)直流信號(hào)源的輸出信號(hào)從0 V變?yōu)? V時(shí)，四路信號(hào)源同步輸出正弦波形。

5 結(jié)語

本文提出了基于IEEE 1641標(biāo)準(zhǔn)的面向信號(hào)測(cè)試儀器同步控制方法，并以任意信號(hào)產(chǎn)生器SC53204-J為例實(shí)現(xiàn)了基于信號(hào)的事件和多路信號(hào)的同步產(chǎn)生。該方法具有適用性，也可以用于信號(hào)的同步測(cè)量等場(chǎng)景。

我們?cè)谀承妥詣?dòng)測(cè)試設(shè)備的軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用了本文的測(cè)試儀器信號(hào)同步控制方法。應(yīng)用結(jié)果表明，該方法實(shí)現(xiàn)了面向信號(hào)的測(cè)試儀器同步控制，具有較強(qiáng)的適用性和較廣的應(yīng)用前景。

[1] 雷振山, 常貴寧. 大規(guī)模測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的同步采樣技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2007, 28(4): 748-751.

[2] 杜 里,張其善. 電子裝備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009,17(6)：1019-1021.

[3] IEEE Standard Coordinating Committee. IEEE Std 1641-2010 IEEE standard for signal and test definition[S]. USA: IEEE, 2010.

[4] Cornish M, Brown M. Implementing IEEE 1641-a demonstration of portability[C]. Autotestcon,2005. IEEE. IEEE, 2005: 144-152.

[5] Cornish M. Implementing IEEE 1641-compilation techniques (to IVI driver code)[C]. AUTOTESTCON, 2009 IEEE. IEEE, 2009: 317-321.

[6] 牛雙誠, 宋振宇, 孫保良. 面向信號(hào)的儀器控制模型研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2015, 23(11): 3904-3908.

[7] 趙會(huì)兵. 虛擬儀器技術(shù)規(guī)范與系統(tǒng)集成[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2003.

[8] 成都天奧測(cè)控技術(shù)有限公司. SC53204-J 40MSPS 任意波形/數(shù)字信號(hào)發(fā)生器用戶手冊(cè)[Z].2003,12.

Research on Signal-oriented Instrument Synchronization Control Method

Niu Shuangcheng1, Zhao Xiuli2, Song Zhenyu1

(1.Department of Scientific Research，Yantai 264001; 2.Department of Basic Sciences, NAEI, Yantai 264001)

IEEE 1641 (STD) is a new standard developed by IEEE SCC20 for signal-oriented test. This paper first analyzes signal static model and event signal definition proposed by the standard, and combs common trigger modes of programmable instruments. Next, illustrated by the example of arbitrary waveform generator SC53204-J, it studies instrument synchronization control methods based on IEEE 1641 standard, and discusses instruments capability modeling, instruments driver programming and signal resource management. Finally, it verifies the method by experiments. The method has been applied on a software platform of an automatic test equipment. Application results show that this method implements signal-oriented instrument synchronization controlling, and has strong applicability and wide application prospect.

ATS; signal-oriented test; instrument synchronization control; event signal

2016-04-13；

2016-05-19。

“泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助。

牛雙誠(1974-)，男，河北新河人，博士，主要從事計(jì)算機(jī)軟件、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、電子設(shè)備故障診斷、可測(cè)試性方向的研究。

1671-4598(2016)07-0129-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.034

TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A