作者 | Stuart Cording（Elektor）

譯者 | 禾沐

測(cè)試有時(shí)是一件單調(diào)和枯燥的事情，尋找故障也十分具有挑戰(zhàn)性。那么，為什么不利用測(cè)試和測(cè)量?jī)x器上的通信接口來簡(jiǎn)化我們的測(cè)試過程呢？本文中我們將探索用Python進(jìn)行控制，不需要昂貴的軟件和授權(quán)的工具。

對(duì)于大多數(shù)開發(fā)者而言，測(cè)試和測(cè)量設(shè)備在工作臺(tái)上只是靜靜地在等待任務(wù)。不過你把設(shè)備轉(zhuǎn)到背面時(shí)，往往會(huì)看到通信接口。只要有合適的軟件，我們就可以控制測(cè)量過程，并收集結(jié)果以供事后分析。尋找偶發(fā)事件和故障，或者在測(cè)試應(yīng)用的多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，這會(huì)非常有幫助。產(chǎn)品下線測(cè)試和元件的分級(jí)也可以用類似方式進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)室電源設(shè)備的遠(yuǎn)程控制

電源控制是一個(gè)很好的起點(diǎn)。大多數(shù)應(yīng)用的硬重置都需要一次電源重啟，更進(jìn)階的測(cè)試可能包括極端電源輸入，甚至是過電壓測(cè)試。這類測(cè)試在汽車中很常見，系統(tǒng)需要能承受400ms的87V輸入（ISO 7637-2）。另一種和電源相關(guān)的常見故障模式是電壓逐漸升高或降低。此時(shí)電路往往會(huì)進(jìn)入欠壓狀態(tài)，不能自行恢復(fù)。最后，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的設(shè)備應(yīng)該能夠設(shè)定電壓和最大電流，特別是系統(tǒng)會(huì)用于不同產(chǎn)品時(shí)。

近年來，實(shí)驗(yàn)室電源設(shè)備的價(jià)格大幅下降，面對(duì)大量低價(jià)的設(shè)備，知名廠商往往不愿意（或者無法）在價(jià)格上競(jìng)爭(zhēng)，而是增加更多功能。我們不知道英國劍橋的Aim and Thurlby Thandar Instruments（Aim-TTi）是不是也是如此，但他們的產(chǎn)品確實(shí)無愧于公司口號(hào)“測(cè)得到的好價(jià)值”。在他們的直流電源產(chǎn)品中，入門級(jí)的EL-R系列（見圖1）值得關(guān)注，特別是如果你想要試著搭建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)。該系列的設(shè)備使用低噪音線性調(diào)節(jié)提供單、雙和三輸出，設(shè)備散熱不使用風(fēng)扇，輸出范圍是30到130W。設(shè)備上有一個(gè)或兩個(gè)LED顯示和模擬控制，一些型號(hào)還包括遙感終端。單輸出的EL302P（支持RS-232接口）和EL302P-USB（支持USB接口）是值得關(guān)注的兩個(gè)型號(hào)，它們的輸出功率為60W，輸出電壓0-30V，電流0-2A。

圖1 EL-R系列直流電源通過串行接口（RS-232或通過USB）實(shí)現(xiàn)的虛擬COM）支持測(cè)試自動(dòng)化（來源：Aim-TTi）

這兩個(gè)型號(hào)的設(shè)備包括軟件驅(qū)動(dòng)，廠家網(wǎng)站上還提供PSU Sequencer工具，幫助用戶通過手動(dòng)或者自動(dòng)的方式逐步調(diào)整電壓/電流設(shè)定（見圖2）。軟件還可以從數(shù)據(jù)表中引入預(yù)先準(zhǔn)備好的序列。

圖2：通過Aim-TTi的PSU Sequencer軟件可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行電壓/電流的重復(fù)設(shè)定（來源：Aim-TTi）

2 用Python進(jìn)行電源控制

根據(jù)你的測(cè)試需要開發(fā)控制軟件也不困難。設(shè)備的硬件RS-232接口的波特率為600到9600，USB接口則會(huì)以一個(gè)虛擬COM口的形式出現(xiàn)。用戶手冊(cè)中給出了全部的命令，稍做規(guī)劃就可以開發(fā)一個(gè)將每個(gè)命令單獨(dú)包裝為函數(shù)/方法的軟件庫。一種方法是運(yùn)用Arduino和一個(gè)RS-232收發(fā)器來控制電源供應(yīng)，這種做法還有可以和其他測(cè)試功能結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，例如信號(hào)傳輸中繼或是捕捉模擬/數(shù)字信號(hào)。

或者，Python提供pySerial模塊，利用它可以很容易地編寫一個(gè)Python命令接口模塊（見例1），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制機(jī)制。對(duì)文檔稍加研究，還可以實(shí)現(xiàn)TCP/IP到串口的接口；實(shí)驗(yàn)性的RFC2217備忘錄中定義了這一功能，讓用戶可以在遠(yuǎn)程PC上配置串口接口并實(shí)現(xiàn)通信。

例1：通過pySerial獲取PSU ID的Python代碼

3 示波器和自動(dòng)化

示波器也能夠遠(yuǎn)程控制。示波器有許多功能，從捕獲模擬/數(shù)字信號(hào)到快速傅里葉變換，我們可以在多種自動(dòng)測(cè)試中使用示波器。例如，一些故障需要一系列復(fù)雜事件以特定順序出現(xiàn)才會(huì)發(fā)生。如果你的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了觸發(fā)故障的方法，下一步就是配置示波器捕獲相關(guān)的信號(hào)，幫助尋找故障的原因。

Arduino和樹莓派等開發(fā)板可以通過模擬輸出和數(shù)字信號(hào)很快變成觸發(fā)故障的工具，需要時(shí)還可以增加信號(hào)中繼或是場(chǎng)效應(yīng)管。這些開發(fā)板還能向示波器提供準(zhǔn)確的觸發(fā)信號(hào)，幫助采集分析故障所需的數(shù)據(jù)。

大多數(shù)示波器上有USB和LAN接口，但是一些型號(hào)只支持私有軟件或是只能從瀏覽器上進(jìn)行配置。好消息是，我們已經(jīng)有了一個(gè)基于USB的測(cè)試和測(cè)量類規(guī)格（USBTMC）。類似于存儲(chǔ)設(shè)備類（閃存盤等）和人機(jī)接口設(shè)備類（鍵盤、鼠標(biāo)等），這一USB類預(yù)先定義好了與測(cè)試和測(cè)量設(shè)備交互的命令。

一些示波器支持USBTMC，像是200MHz、2GSa/s（GSa/s：每秒千兆采樣）的B&K Precision 2567B混合信號(hào)示波器（見圖3）。該設(shè)備上搭載4個(gè)模擬頻道，有一個(gè)16頻道的數(shù)字接口，內(nèi)置50MHz隨機(jī)波形產(chǎn)生器，支持高級(jí)觸發(fā)方式。雖然它10.1寸的觸摸屏讓手動(dòng)配置變得十分簡(jiǎn)單，我們同樣可以很容易地通過USB進(jìn)行配置。

圖3 B&K Precision 2560B系列混合信號(hào)示波器的USB接口兼容USBTMC規(guī)格，

可以很容易地用Python進(jìn)行自動(dòng)化（來源：B&K Precision）

4 示波器的遠(yuǎn)程配置

多虧了Alex Forencich在GitHub上的USBTMC開源項(xiàng)目，Python是進(jìn)行示波器遠(yuǎn)程配置的最佳編程語言。在Linux上使用這一模塊需要適當(dāng)?shù)臋?quán)限，在Windows上則需要先安裝PyUSB和libusb。

首先，你需要指定用于識(shí)別USB設(shè)備的廠商（VID）和產(chǎn)品（PID）信息。在Linux上，你可以連接你的設(shè)備，然后在命令行運(yùn)行l(wèi)susb，命令的結(jié)果會(huì)包括這些信息。在Windows上，你可以從設(shè)備管理器的設(shè)備屬性中找到必要的信息。在兩種系統(tǒng)中VID和PID都應(yīng)該是16位的16進(jìn)制數(shù)值。

然后，需要在Python代碼中引入usbtmc模塊，并使用其中的接口（API）。代碼基本上就是在屏幕上打印文字，并讀取鍵盤輸入。USBTMC的本質(zhì)就是和測(cè)試/測(cè)量?jī)x器進(jìn)行通信的包裝層，控制命令是根據(jù)示波器的編程指南實(shí)現(xiàn)的ASCII字符串，其中包含設(shè)備支持的選項(xiàng)。如果設(shè)備支持，也可以使用VISA資源字符串。

設(shè)備的VID和PID是針對(duì)產(chǎn)品，而不是特定單元的。因此，如果有兩臺(tái)以上同型設(shè)備，可以用它們的序列號(hào)作為第三個(gè)參數(shù)。一般可以從設(shè)備的標(biāo)簽上獲得序列號(hào)，或者通過“*IDN?”命令查詢（見例2）。

例2：通過usbtmc控制B&K Precision示波器的Python代碼

示波器間的主要區(qū)別是帶寬、取樣速度和存儲(chǔ)容量。有時(shí)候，一些型號(hào)上會(huì)搭載實(shí)用的小功能。B&K系列支持矮脈沖觸發(fā)（見圖4），即一個(gè)信號(hào)跨過一個(gè)闕值，但是并未達(dá)到另一個(gè)闕值（例如，負(fù)矮脈沖跨過了較高的電平，而沒有越過較低的電平）。分析故障時(shí)，設(shè)備上的小功能有時(shí)會(huì)非常有幫助。

圖4 矮脈沖觸發(fā)可以幫助尋找沒有完全升起或降低的脈沖（來源：B&K Precision）

5 無顯示的測(cè)試設(shè)備

Red Pitaya的測(cè)試設(shè)備讓我們產(chǎn)生了疑問，每個(gè)工具都需要自己的顯示器嗎？強(qiáng)大的FPGA和以太網(wǎng)接口能夠讓你的PC/筆記本電腦成為用戶界面。Liquid Instruments的Moku:Lab也采用了類似的思路，只有餐盤大小的設(shè)備上有一系列模擬輸入和輸出接口，讓Moku:Lab成為了盒子里的實(shí)驗(yàn)室。

Moku:Lab的正面有四個(gè)BNC接頭（見圖5），右邊的一對(duì)提供模擬輸出，支持1GSa/s（每秒10億）采樣率，分辨率為16位，帶寬大于300MHz（3dB衰減）。左邊的一對(duì)是模擬輸入，帶寬為200MHz（3dB衰減），輸入阻抗50Ω，12位分辨率下采樣率為每頻道500MSa/s（每秒5億）。設(shè)備內(nèi)部的時(shí)基精度好于500ppb。設(shè)備支持觸發(fā)輸入，提供同步多個(gè)單元用的接頭。有線連接通過以太網(wǎng)和USB接口實(shí)現(xiàn)，第二個(gè)USB口還可以用來給平板電腦充電。最后，還有一個(gè)SD卡槽和直流電源接口。

圖5 餐盤大小的Moku:Lab是一臺(tái)12合一的儀器，可以通過Python API進(jìn)行配置（來源：Liquid Instruments）

盡管Moku:Lab上搭載了有線接口，它的設(shè)計(jì)主要是通過Wi-Fi（802.11b/g/n）配合iPad上配套的應(yīng)用使用。在應(yīng)用的用戶界面上可以選擇12種不同的儀器，從我們熟悉的示波器和頻譜分析器，到少見的PID控制器和激光鎖盒。設(shè)備還可以用作數(shù)據(jù)記錄儀，采樣率不到100kSa/s（每秒10萬）時(shí)，存儲(chǔ)上限由插入的SD卡決定（即直接寫入SD卡）；采樣率較高時(shí)，可以以最高1MSa/s（每秒百萬）的速率在內(nèi)部存儲(chǔ)中進(jìn)行記錄。

與其他現(xiàn)代的工具類似，Moku:Lab提供Python API，支持MATLAB和LABVIEW，并附帶數(shù)個(gè)樣例（例3）。設(shè)備可以很快地整合到一個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，也非常適合射頻設(shè)備的大規(guī)模測(cè)試和元件的分級(jí)。

例3：在Moku:Lab上生成隨機(jī)波形的Python代碼

6 節(jié)省時(shí)間、提升準(zhǔn)確性

在復(fù)雜系統(tǒng)中，測(cè)試設(shè)備就是工程師的眼睛，但它們也不是萬能的。偶發(fā)事件很難進(jìn)行跟蹤，只有知道故障成因時(shí)才能提出解決方案。雖然復(fù)雜度各不相同，如今很多測(cè)試和測(cè)量?jī)x器都提供編程API，而易于學(xué)習(xí)的Python往往是首選的編程語言。如果你想要的測(cè)量場(chǎng)景很難觸發(fā)，需要多組操作來完成一輪測(cè)試，或者需要大量重復(fù)操作，那么實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化是解決之道，也許并沒有你想的那么困難。

審核編輯：湯梓紅