基于Python語(yǔ)言的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃建軍+李宥謀+劉婧+周歡

摘 要： 通過(guò)分析現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的要求，提出一種基于面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言Python構(gòu)建的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。利用Python語(yǔ)言的高效、靈活和簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，結(jié)合Pyvisa，Pyivi和Web.py等擴(kuò)展模塊提供的強(qiáng)大功能，以及 IVI 和 VISA技術(shù)的后臺(tái)支持，可以快速組建滿足用戶測(cè)試需求且高效的測(cè)試系統(tǒng)；其次利用NumPy，Matplotlib和PyQt4擴(kuò)展模塊能夠準(zhǔn)確地完成對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的各種運(yùn)算處理以及相關(guān)的圖形界面顯示等操作。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高效性、通用性和擴(kuò)展性，使用Python開(kāi)發(fā)虛擬儀器與測(cè)試系統(tǒng)，代碼簡(jiǎn)潔、層次清晰、周期性短，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 測(cè)試系統(tǒng)； Python； Pyvisa； Pyivi； 可互換性

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）04?0039?05

Design and implementation of automatic testing system based on Python

HUANG Jianjun， LI Youmou， LIU Jing， ZHOU Huan

（School of Computer Science and Technology， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710061， China）

Abstract： A kind of automatic testing system based on the object?oriented programming language Python is proposed by analyzing the requirement of the auto testing system for modern industrial production. With the background support of VISA and IVI technology， the efficient testing system satisfying the testing demands of users can be built quickly in combination with the efficient， flexible and concise characteristics of Python language， and the powerful functions of Pyvisa， Pyivi and Web.py extensional modules. Besides， the system can complete each operational processing of testing data and relevant GUI display accurately by means of NumPy， Matplotlib and PyQt4 modules. The result indicates that the system has high efficiency， universality and expansibility. The application of Python for developing the virtual instrument and testing system has the characteristics of concise code， clear hierarchy and short cycle. It has a broad application prospect.

Keywords： testing system； Python； Pyvisa； Pyivi； interchangeability

目前，多數(shù)虛擬儀器和測(cè)控平臺(tái)的開(kāi)發(fā)都使用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，LabVIEW在界面開(kāi)發(fā)部分占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但是LabVIEW調(diào)用Matlab的接口方法比較復(fù)雜，將二者很好的結(jié)合也有一定的難度，這使得LabVIEW在數(shù)據(jù)處理方面顯現(xiàn)出不足。其次，后期系統(tǒng)擴(kuò)展對(duì)LabVIEW代碼進(jìn)行修改的工作量較大，這對(duì)大型的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)很不利。基于LabVIEW的上述不足，本文提出使用Python腳本語(yǔ)言來(lái)編寫可互換儀器測(cè)試系統(tǒng)。Python擁有豐富的擴(kuò)展模塊以及第三方的支持包，PyQt可以快速開(kāi)發(fā)滿足用戶需求的GUI界面，NumPy相當(dāng)于Matlab的Python版本，繼承了Matlab的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力。Pyvisa 和Pyivi 是Python對(duì)NI?VISA和NI?IVI的封裝工具包，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)儀器接口的無(wú)關(guān)性和同類儀器的可互換性提供了很好的支持。Python面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)化的編程可以把程序代碼組織成邏輯塊重復(fù)使用，這一特性也恰恰彌補(bǔ)了LabVIEW在編寫測(cè)試系統(tǒng)中后期修改程序復(fù)雜這一缺陷。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)由多個(gè)測(cè)試子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)硬件連接如圖1所示，每個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的測(cè)試單元，由一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)、一臺(tái)路由器和由該計(jì)算機(jī)控制的若干臺(tái)設(shè)備儀器組成。控制計(jì)算機(jī)和LAN型接口的設(shè)備通過(guò)路由器連接到同一個(gè)局域網(wǎng)中，其他諸如USB，GPIB，RS 232等接口設(shè)備通過(guò)相應(yīng)的接口總線與控制計(jì)算機(jī)相連，這樣不同接口類型的設(shè)備儀器就直接或間接地接入到控制計(jì)算機(jī)，并由控制計(jì)算機(jī)來(lái)發(fā)現(xiàn)、配置和控制。各個(gè)測(cè)試子系統(tǒng)通過(guò)路由器和數(shù)據(jù)備份與存儲(chǔ)服務(wù)器相連，組成整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的局域網(wǎng)。測(cè)試控制管理系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)控制計(jì)算機(jī)的并口向各個(gè)測(cè)試子系統(tǒng)發(fā)送控制指令，使各個(gè)測(cè)試子系統(tǒng)在測(cè)試的某些階段能夠統(tǒng)一動(dòng)作[1]。

1.2 系統(tǒng)的軟件組成

該系統(tǒng)由以下5個(gè)主要模塊構(gòu)成，如圖2所示。

儀器發(fā)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)管理模塊，負(fù)責(zé)對(duì)接入到控制計(jì)算機(jī)上的硬件設(shè)備儀器進(jìn)行發(fā)現(xiàn)以及管理本地安裝的IVI驅(qū)動(dòng)，其次對(duì)儀器和具體IVI驅(qū)動(dòng)進(jìn)行相關(guān)信息的查詢。

儀器測(cè)試模塊分為VISA和IVI兩個(gè)測(cè)試模塊。VISA測(cè)試部分負(fù)責(zé)對(duì)驅(qū)動(dòng)不滿足IVI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的儀器設(shè)備進(jìn)行控制；IVI測(cè)試部分用于對(duì)驅(qū)動(dòng)滿足IVI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的儀器進(jìn)行控制。兩部分相結(jié)合，使系統(tǒng)完成對(duì)不同驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的儀器的通用功能的實(shí)現(xiàn)。

虛擬儀器模塊，集成了某類儀器的通用功能，負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)體儀器的操作和對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行處理和顯示。測(cè)試系統(tǒng)中，虛擬儀器模塊可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)充，根據(jù)測(cè)試對(duì)象的不同選調(diào)對(duì)應(yīng)的虛擬儀器模塊。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊，負(fù)責(zé)測(cè)試系統(tǒng)在某一項(xiàng)測(cè)試中所有測(cè)試信息的存儲(chǔ)，包括測(cè)試項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目測(cè)試人員、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試時(shí)間，測(cè)試地點(diǎn)和測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)。該模塊和數(shù)據(jù)備份與存儲(chǔ)服務(wù)器采用C/S模式，其中S端（服務(wù)器端）運(yùn)行在數(shù)據(jù)備份與存儲(chǔ)服務(wù)器上，C端（客戶端）嵌入到虛擬儀器模塊中，在測(cè)試結(jié)束時(shí)由測(cè)試系統(tǒng)啟動(dòng)與服務(wù)器端連接交互并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與更新功能。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示界面（Web）模塊，提供測(cè)試界面的本地瀏覽器訪問(wèn)和遠(yuǎn)程瀏覽器訪問(wèn)模式，瀏覽器完成所有測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

2 Python擴(kuò)展模塊的說(shuō)明

2.1 Pyvisa底層驅(qū)動(dòng)庫(kù)

Pyvisa 是對(duì)已有VISA 庫(kù)進(jìn)行的 Python 格式化封裝的一個(gè)共享庫(kù)，以 NI?VISA作為其包裝的后臺(tái)支撐，可以支持串口，GPIB，GPIB?VXI，VXI，TCP/IP，以及 USB 接口儀器。Python對(duì)VISA庫(kù)的封裝分為頂層（high?level）、中間層（middle?level）和底層（low?level）三層結(jié)構(gòu)，頂層針對(duì)VISA資源管理器和資源的操作集合進(jìn)行面向?qū)ο蟮腜ython化封裝，資源管理器類中實(shí)現(xiàn)了對(duì)接入測(cè)試系統(tǒng)的資源進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。用戶可以使用資源管理器類來(lái)打開(kāi)實(shí)例化的資源派生類對(duì)象，資源類和派生類用Python 的行為方式訪問(wèn)底層資源的屬性和方法；中間層采用Python的綁定方法（Bound Method）對(duì)VISA庫(kù)函數(shù)的操作集合進(jìn)行Python形式的封裝，這一層的作用是將VISA共享庫(kù)的操作函數(shù)用Python腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣用戶就可以很方便地利用Python腳本調(diào)用這些函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)儀器的控制；底層定義了每個(gè)函數(shù)的參數(shù)類型和返回值類型，所有函數(shù)都是針對(duì)VISA庫(kù)采用靜態(tài)方法進(jìn)行定義封裝，Pyvisa的具體封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 Pyivi應(yīng)用程序接口API

Pyivi支持IVI?COM和IVI?C兩種類型的驅(qū)動(dòng)，是對(duì)測(cè)試主機(jī)上的所有IVI驅(qū)動(dòng)進(jìn)行的一層 Python形式的包裝，能夠滿足符合IVI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的儀器互換特性以及IVI引擎所提供的一些功能。Pyivi對(duì)兩種類型的特定IVI驅(qū)動(dòng)分別使用ctypes和comtypes進(jìn)行分裝，兩種形式對(duì)IVI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的儀器的類驅(qū)動(dòng)都進(jìn)行了封裝，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用IVI類驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)儀器的互換性。Pyivi通過(guò)ctypes類與IVI?C類型驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信，通過(guò)comtypes類與IVI?COM類型驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信。Pyivi使用工廠模式對(duì)兩種類型驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先將接口設(shè)計(jì)為一個(gè)抽象工廠類，定義儀器的共有屬性。應(yīng)用程序通過(guò)Pyivi調(diào)用IVI類驅(qū)動(dòng)時(shí)，工廠類會(huì)根據(jù)應(yīng)用程序傳入的參數(shù)來(lái)選擇IVI?C或者IVI?COM類型的IVI特定驅(qū)動(dòng)進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)的調(diào)用。

Pyivi的接口設(shè)計(jì)如圖4所示，圖4中儀器類指Pyivi模塊所支持的儀器類別，包括示波器類、頻譜分析儀類和信號(hào)發(fā)生器類[2]。

3 系統(tǒng)模塊功能實(shí)現(xiàn)

3.1 儀器發(fā)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)管理模塊的設(shè)計(jì)

程序?qū)隤yvisa，Pyivi模塊，調(diào)用Pyvisa模塊的資源管理器函數(shù)來(lái)掃描測(cè)試系統(tǒng)各接口上的儀器設(shè)備，調(diào)用Pyivi模塊來(lái)查看管理測(cè)試主機(jī)的驅(qū)動(dòng)，查詢確定驅(qū)動(dòng)的具體信息以便后續(xù)測(cè)試部分的需求，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

import pyvisa as visa

import pyivi

rm=visa.ResourceManager（）

#打開(kāi)本地的默認(rèn)資源管理器，并以引用rm的形式返回

rm_list=rm.list_resources（[query=u？*：：INSTR]）

#列出rm中所掃描到的硬件接口設(shè)備

openinstr=rm.open_resource

（resource_name，[access_mode= ，open_timeout=0]）

#打開(kāi)rm中的某一個(gè)硬件設(shè)備，并將會(huì)話資源以openinstr引用的形式返回

instrinfo=openinstr.query（′*IDN？′）

#查詢打開(kāi)儀器的詳細(xì)硬件信息，保存在instrinfo中

instrmanufacturer=openinstr.manufacturer_name

#查詢儀器的廠商信息

instrmodelname=openinstr.model_name

#查詢?cè)搩x器的具體型號(hào)

ivisoftmods=pyivi.software_modules

#列出本地安裝的所有IVI特定驅(qū)動(dòng)

tktdsmod=ivisoftmods[′tktds1k2k′]

#訪問(wèn)指定的 tktds1k2k 驅(qū)動(dòng)

supinstrtype=tktdsmod.specialized_instrument_type（）

#查詢?cè)擈?qū)動(dòng)所支持的儀器類型

drivertype=tktdsmod.flavours（）

#查詢?cè)擈?qū)動(dòng)所屬類型（IVI?C 或者IVI?COM）

supmodnames=tktdsmod.supported_instrument_models（）

#該驅(qū)動(dòng)所支持的儀器型號(hào)

通過(guò)上述代碼，可以確定測(cè)試儀器的具體硬件信息和測(cè)試主機(jī)上的驅(qū)動(dòng)類型以及驅(qū)動(dòng)所支持的儀器類型。

3.2 儀器測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

儀器測(cè)試模塊，VISA測(cè)試部分負(fù)責(zé)完成普通的測(cè)試功能，適用于驅(qū)動(dòng)不滿足IVI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)備；IVI測(cè)試部分適用于驅(qū)動(dòng)符合IVI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)備，它既可以完成VISA部分的通用功能的測(cè)試，同時(shí)還能夠滿足儀器設(shè)備互換性的要求。以獲取泰克TDS2410B示波器波形數(shù)值為例進(jìn)行簡(jiǎn)要的代碼說(shuō)明如下：

VISA測(cè)試部分：

instr=rm.open_resource（"USB0：：0x0699：：0x0368：：c010850：：INSTR"）

vals=instr.query_binary_values（′curv？′，datatype=′d′， is_big_

endian=True）

其中，rm為資源管理器的引用，利用open_resource（）方法建立與設(shè)備的連接，“USB0：：0x0699：：0x0368：：c010850：：INSTR”參數(shù)為本測(cè)試中連接示波器的實(shí)際硬件地址，將打開(kāi)的連接儀器以會(huì)話句柄instr的形式返回。VISA測(cè)試的波形獲取采用query_binary_values（）方法，參數(shù)含義分別為：獲取波形的SCPI儀器指令、返回的波形數(shù)據(jù)類型為double型以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用大端格式。

IVI測(cè)試部分代碼如下：

iviscope=pyivi.ivi_instrument

（"USB0：：0x0699：：0x0368：：c010850：：INSTR"，"TDS2410B"，

simulate=False，flavour=′IVI?C′） //IVI實(shí)際測(cè)量

iviscope=pyivi.ivi_instrument

（"dummy address"，"TDS2410B"，simulate=True，flavour=

′IVI?C′） //IVI仿真測(cè)量

iviscpvals=iviscope.fetch_waveform（）

調(diào)用Pyivi 模塊的ivi_instrument（）方法建立測(cè)試系統(tǒng)與IVI設(shè)備的連接，支持仿真和實(shí)際測(cè)量?jī)煞N方式，第一個(gè)參數(shù)為實(shí)體儀器的硬件地址，若采取仿真模式則該參數(shù)應(yīng)為字符串“dummy address”；第二個(gè)參數(shù)為實(shí)體儀器的具體型號(hào)，本測(cè)試中選擇泰克的TDS2410B型示波器；第三個(gè)參數(shù)對(duì)仿真和實(shí)際測(cè)量?jī)煞N方式進(jìn)行選擇，為False則代表實(shí)際測(cè)量，Ture則為仿真模式；第四個(gè)參數(shù)對(duì)IVI?C和IVI?COM兩種類型驅(qū)動(dòng)進(jìn)行選擇，由于多數(shù)的IVI型儀器廠商都會(huì)提供IVI?C類型驅(qū)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通用性，這里選擇IVI?C型驅(qū)動(dòng)。

建立好的儀器連接以會(huì)話引用iviscope返回，基于該引用實(shí)現(xiàn)對(duì)連接儀器的控制。獲取波形數(shù)據(jù)直接調(diào)用儀器會(huì)話的fetch_waveform（）方法。硬件地址和儀器型號(hào)兩個(gè)參數(shù)本文可以通過(guò)儀器發(fā)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)管理模塊獲得，Pyivi會(huì)根據(jù)傳入的IVI儀器型號(hào)，自動(dòng)在后臺(tái)IVI驅(qū)動(dòng)中查詢匹配該儀器型號(hào)的特定的IVI驅(qū)動(dòng)，完成IVI類驅(qū)動(dòng)到IVI特定驅(qū)動(dòng)再到具體儀器的映射，實(shí)現(xiàn)了儀器設(shè)備的可互換性。

3.3 虛擬儀器模塊的開(kāi)發(fā)

虛擬儀器模塊的開(kāi)發(fā)采用PyQt4和NumPy擴(kuò)展模塊，PyQt4負(fù)責(zé)界面的開(kāi)發(fā)，NumPy負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行滿足需求的處理。整體虛擬儀器模塊的開(kāi)發(fā)采用界面層和邏輯控制層分開(kāi)設(shè)計(jì)的方式，這樣數(shù)據(jù)的采集與處理與最終的結(jié)果顯示分開(kāi)進(jìn)行，利用QObject類中的connect（）方法將界面按鈕事件的信號(hào)和邏輯控制塊對(duì)應(yīng)的槽函數(shù)（事件處理函數(shù)）綁定即可。利用PyQt進(jìn)行界面開(kāi)發(fā)的步驟如下：

（1） 利用QtDesigner創(chuàng)建GUI；

（2） 根據(jù)需要添加各種部件，并在部件的屬性編輯器中修改部件的相應(yīng)屬性，保存該ui文件；

（3） 通過(guò)Pyuic4工具將ui文件轉(zhuǎn)換成Python腳本文件，命令為：Pyuic4?o xxx.py xxx.ui；

（4） 通過(guò)調(diào)用生成GUI的類來(lái)運(yùn)行該程序；

（5） 對(duì)GUI的各個(gè)控件編輯對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)和槽函數(shù)，利用connect（）進(jìn)行綁定。

3.4 測(cè)試數(shù)據(jù)顯示界面設(shè)計(jì)

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示界面采用Web.py擴(kuò)展模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搭建，在測(cè)試主機(jī)上搭建HTTP服務(wù)器，測(cè)試系統(tǒng)軟件采用B/S結(jié)構(gòu)，這樣既可以通過(guò)本地瀏覽器訪問(wèn)數(shù)據(jù)顯示界面也可以通過(guò)遠(yuǎn)端主機(jī)訪問(wèn)測(cè)試主機(jī)請(qǐng)求顯示界面[3]，具體的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器代碼如下：

urls = （′/′，′index′，′/system_test′，′Test′）

#定義網(wǎng)頁(yè)的索引響應(yīng)函數(shù)

class index：

def GET（self）：

return "歡迎登錄測(cè)試平臺(tái)！"

...

return test_datas（）

def test_datas（）： #統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)

...

reutrn datas #返回測(cè)試數(shù)據(jù)

Class Test（object）：

def GET（self）：

return "測(cè)試數(shù)據(jù)顯示界面！"

def data_handle（self， datas）： #對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

...

return test_result #返回?cái)?shù)據(jù)的處理結(jié)果

def display（self， test_result）： #顯示測(cè)試結(jié)果

...

if __name__ == "__main__"：

app = web.application（urls， global（））

app.run（）

4 系統(tǒng)測(cè)試

搭建測(cè)試系統(tǒng)所需軟件環(huán)境，采用DSO?X 4052A 和Tektronix TDS2014B兩臺(tái)不同型號(hào)的示波器對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的IVI測(cè)試部分、VISA測(cè)試部分、IVI儀器仿真功能和儀器的可互換性進(jìn)行測(cè)試，其中，Tektronix TDS2014B為IVI型示波器，系統(tǒng)整體測(cè)試流程圖如圖5所示。

測(cè)試中，對(duì)接入測(cè)試系統(tǒng)中的Tektronix TDS2014B示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)波形獲取，波形選擇鋸齒波，實(shí)體儀器和虛擬示波器軟面板波形如圖6所示。IVI互換性測(cè)試，將示波器換作DSO?X 4052A 型號(hào)，波形選擇三角波，示波器軟面板獲取的實(shí)際波形如圖7所示。

系統(tǒng)IVI仿真測(cè)試中，選取Tektronix TDS2014B示波器，在IVI測(cè)量部分選擇儀器仿真，示波器軟面板波形如圖8所示。

5 結(jié) 論

本測(cè)試系統(tǒng)將各個(gè)測(cè)試子系統(tǒng)通過(guò)交換機(jī)連接到同一局域網(wǎng)中，測(cè)試子系統(tǒng)中控制主機(jī)與各個(gè)測(cè)試儀器設(shè)備也處于一個(gè)局域網(wǎng)中，系統(tǒng)對(duì)外兼容GPIB，LAN，RS 232和USB等接口類型的儀器，同時(shí)支持符合IVI標(biāo)準(zhǔn)的儀器的互換操作，做到同一應(yīng)用程序可以對(duì)同類不同型號(hào)的儀器設(shè)備進(jìn)行控制。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)充性，VISA支持的儀器類都可以在此系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試控制，用戶只需要根據(jù)測(cè)試需求開(kāi)發(fā)相應(yīng)儀器設(shè)備類的軟面板即可，無(wú)需更改系統(tǒng)軟件架構(gòu)。其次，測(cè)試系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，有助于大量測(cè)試數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)管理，給今后對(duì)測(cè)試設(shè)備的某項(xiàng)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘提供數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)

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