摘 要

医疗仪器是仪器仪表中的高端科技产品，在功能上要比一般商用型产品复杂得多，从而使医疗仪器电路功能也变得多样而且复杂。因此，医疗仪器的电路测试也比一般的单板测试要求更高更复杂，应用于医疗仪器的自动测试系统的研究也已迫在眉睫。本文基于STM32和LabVIEW设计了一款可对单板上多个测试点进行采集的多路信号采集系统，可对单板上多个测试点进行同时测试，满足快速批量的自动化测试需求。系统分为硬件和软件两个部分，本文对软件部分的设计进行说明，包括上位机与下位机。下位机基于STM32设计，具有多路信号采集、恒流输出、负载电流监控等功能。上位机基于LabVIEW设计，可对测试数据进行显示、记录并生成测试报表，同时可对下位机其他功能进行控制。上、下位机通过Modbus协议进行通讯。经实验验证，本系统满足设计要求，可对多路数据进行采集并生成测试报表，大大了提高测试效率，满足一般医疗仪器的测试需求。

关键字：自动化测试；STM32；LabVIEW；Modbus协议；多路数据采集；

Abstract

Medical instruments are high-end technology products in instrumentation. They are much more complicated in function than general commercial products. As a result, the circuit functions of medical instruments are also varied and complex. Therefore, the medical device's circuit test is also higher and more complex than the common single-board test requirements. The research of the automatic test system applied to medical instruments is also urgently needed. Based on STM32 and LabVIEW, this thesis designs a multi-channel signal acquisition system that can collect multiple test points on a single board. It can test multiple test points on a single board at the same time to meet the requirements of rapid batch automation testing. The system is divided into two parts: hardware and software. This article describes the design of the software part, including the upper computer and the lower computer. The lower machine is based on the STM32 design, with multi-channel signal acquisition, constant current output, load current monitoring and other functions. Based on LabVIEW design, the host computer can display, record and generate test reports for test data, and can control other functions of the lower computer. The upper and lower machines communicate via the Modbus protocol. The experimental verification shows that this system meets the design requirements and can collect and generate test reports for multiple channels of data, which greatly improves the test efficiency and meets the testing requirements of general medical instruments.

Key Words: Automated test;STM32;LabVIEW;Modbus;Multiple data acquisition

目 录

第1章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 国内外发展现状分析 1

1.2.1 国外发展现状 1

1.2.2 国内发展现状 2

1.3 研究目的及意义 2

1.4 研究内容 3

第2章 设计方案 4

2.1 系统功能分析 4

2.2 系统硬件架构 4

2.3 系统软件架构 4

2.4 软件设计方案分析 5

第3章 基于STM32的下位机程序设计 7

3.1 下位机程序总体流程 7

3.2 下位机程序设计 8

3.2.1 STM32时钟配置 8

3.2.2 GPIO端口配置 8

3.2.3 定时器配置 8

3.2.4 串口配置 9

3.2.5 数据采集程序设计 9

第4章 基于LabVIEW的上位机软件设计 12

4.1 软件前面板设计 12

4.2 串口设置模块 12

4.3 下位机输出控制 13

4.4 测试报表 15

第5章 Modbus通信协议的搭建 17

5.1 Modbus通信协议 17

5.2 Modbus协议搭建 19

第6章 实验及分析 22

第7章 总结 25

参考文献 26

致 谢 26

附录 下位机主程序 27

绪论

背景

硬件测试是医疗仪器开发过程中必不可少的过程。测试不仅保证了医疗仪器的性能和质量，而且降低了未来的维护成本。传统的测试方法大多基于手动手动测试。自动化测试是将人工测试的一系列操作转换为机械执行，使测试能够在预定义的条件下自动进行并获得测试结果[1]。自动测试系统（ATS）通常指能够自动执行测量对象的功能，性能指标测试，故障定位和故障诊断的系统。其功能通常包括激励信号，待测信号，分析和处理数据，显示结果。模拟人工操作并预测结果，用自动化测试系统取代手动执行测试大大提高测试的效率和质量，使测试人员免于重复执行相同的测试过程。

国内外发展现状分析

国外发展现状

国外的自动化测试研究的发展开始于上世纪中期，当时主要进行专用设备研究^[2]。随着GPIB总线的出现和计算机技术的发展，测试设备向自动和通用化迈出了重要一步。20世纪80年代，美国制定了各种武器平台和系统的通用自动检测设备研制计划。在20世纪90年代，在美国国防部自动测试系统执行局的指导下，每个军事单位都启动了ATS发展计划，并成功开发了一系列ATS。

美军联合自动化保障系列。该系统能够满足海军现场级，中继级和基地级武器装备的维修需求，有效克服早期使用VAST标准导致系统使用复杂，维护成本高，环境适应性差。

图1.1 新一代自动化测试系统

美国空军“模块化自动测试设备(MATE)”系列：美国率先提出了“模块化自动测试设备”(moduleautomatictestsystem，MATE)标准，该标准最初是基于IEEE-488总线建立的。在八十年代后期，美国空军包括VXI总线标准，并陆续开发了AIS，ESTS和METS等系列化安全设备。并在美国空军中获得了广泛的应用。

ATS技术已慢慢变成设备支持的重要技术方法，新一代自动测试系统的结构体系首先是能够进行信息共享和交互，对测试系统内部组成能够匹配^[3]。测试系统与环境之间以及不同系统之间的信息共享和交互^[4]。关键在于识别通用接口，层和元素，这为标准的制定奠定了基础，尤其是它们的有效性。

国内发展现状

在中国，ATS始于20世纪80年代初。国内市场的快速发展引起了国外公司的关注，许多国外专业仪器公司也开始进入中国市场。凭着先进的技术和优秀的产品，占据了中国的绝大部分仪器市场份额。目前主流的自动化测试系统都是基于GPIB总线技术设计的。随后的十年间，网络技术的快速发展为测试领域带来了新的活力。新世纪以来，大量研究机构开始从事基于网络的自动测试和控制技术的研究。例如，电子科技大学CAT教研室致力于基于网络的分布式自动测试系统关键技术的研究。主要发展基于无线网络GPIB控制器，并于2003年建立了基于以太网的自动测试系统。2007年，国防科技大学航天与材料工程研究所还对基于LXI仪器总线的分布式测试系统进行了研究。

近年来，自动测试系统在国内的发展早已进入全新的阶段^[5]。不再是多台台式仪器，多个VXI机箱的组合，随着越来越多的模块化仪器如PXI，LXI和AXI以及其日益强大的功能，未来的测试系统将集中在较小的PXI/PXI-E，LXI和AXI模块化仪器上。同时，在测试软件开发平台上，由于易于开发和编程，LabWindows/CVI和LabVIEW将成为未来发展的趋势。

研究目的及意义

总之，自动化测试系统正处于发展阶段。本课题所设计的应用于医疗仪器电路的自动化测试系统具有以下意义：

1. 将传统的手工测试人员从复杂繁琐的工作中解放出来；
2. 自动测试将比人工测试更加可靠，将有效提高医疗仪器检测的效率和可靠性，进一步保障医疗设备的性能质量和使用安全；
3. 可以运行更乏味的测试，并且可以在更短的时间内运行更多的测试；
4. 可以执行一些难以或不可能手动执行的测试；
5. 自动化测试可以自动保存测试数据以用于未来的追溯目的；
6. 建立以该系统为基础的医疗设备质量自动监测系统，实现了监测评估程序的智能化和工作模型的数字化。及时发现设备隐患，尽量减少人工检查质量的不确定性，确保检测结果的客观性和准确性。

研究内容

根据对以上研究背景以研究目的进行分析，结合设计任务书相关要求，最终确定需要对以下内容进行研究：

1. 根据对以上研究背景以研究目的进行分析，结合设计任务书相关要求，最终确定需要对以下内容进行研究；
2. 研究使用STM32系列处理器和程序设计来实现软件功能；
3. 学习研究STM32处理器相关的内部资源分配和内存映射，包括RAM，ROM / Flash等；
4. 学习STM32处理器串口及其相关的通信技术（UART转以太网等）；
5. 研究STM32内部ADC及DAC的驱动电路及其使用；
6. 研究学习SPI、CAN、Modbus等通讯协议及使用；
7. 学习IAR嵌入式编程软件的使用；
8. 综合以上内容使用STM32进行程序设计，实现多路单板测试数据采集功能；
9. 学习LABVIEW软件的使用，包括串口通讯、多路数据采集和显示、数据的记录、创建数据报表文件等；
10. 使用LABVIEW软件进行上位机设计，实现一键测试、判定数据是否合格、数据记录等功能。

设计方案

系统功能分析

如前文所述，此系统设计目的在于代替人工进行单板测试，对医疗仪器的功能和性能进行自动化测试。系统分为上位机和下位机两个部分，下位机主要功能为：采集待测板上多个采样点的数据，包括电压、电流等电信号，同时需要提供必要的电压和电流输出，作为待测板的电源或输入信号，以测试待测板的输入功能。上位机对下位机测得的数据进行处理并进行实时显示，同时需对数据进行分析并得出测试结果。上位机要能够自动生成测试报表，以记录测试数据、结果、测试人员、测试时间、测试项目等内容。上下位机要能够进行通信，上位机对下位机数据进行获取，同时控制下位机的输出功能。

系统硬件架构

系统下位机基于STM进行设计，所使用型号为STM32F429ZI，下位机硬件电路的总体架构如下：

图2.1 系统硬件架构

硬件电路以STM32为中心，包括对电压电流信号的采集和处理电路、恒流恒压输出信号及其处理电路、蜂鸣器、继电器等输出模块、串口通信模块、线缆检测模块等，具体设计请参见“医疗仪器自动化测试系统硬件设计”。

系统软件架构

依据2.1节功能分析，系统软件部分分为上位机软件设计、下位机嵌入式软件设计、上下位机通信协议搭建等三个模块进行，具体方案架构如图2.2所示。

软件设计方案分析

图2.2 系统软件架构

上位机上位机和下位机需要进行通信，因此需要使用通信协议。根据设计任务书中“设计多路数据采集测试系统”的要求，设计了两种通信协议方案。

1. 使用SPI协议

SPI协议由Motorola提出，是一种高速，全双工通信总线。广泛地用于ADC、LCD等设备与MCU之间的通信。如图2.1所示，使用SPI协议可以组建由一个主机和多个从机构成的网络，满足设计任务书中“多路数据采集”要求。

当使用这种方案时，每个从机对应一个数据采集模块。每一个模块须包含一个ADC来采集数据、一个SPI模块来收发数据，并连接一块待测板。

图2.3 SPI多设备通信

1. 使用Modbus协议

Modbus是一种应用层协议，用于通过不同类型的总线或网络连接的设备之间的主/从机通信。它是一个请求/回复协议，并提供功能代码提供的服务。该协议支持各种通信接口，比如串行链路、以太网等，支持RS232、RS485等电气接口以及光纤、双绞线、无线等传输介质。

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