第九章現(xiàn)代測試系統(tǒng)

1、2022-3-27第九章 現(xiàn) 代 測 試 系 統(tǒng)2022-3-27習慣把具有自動化、智能化、可編程化等功能的測試系統(tǒng)稱為現(xiàn)代測試系統(tǒng)。1、智能儀器2、自動測試系統(tǒng)3、虛擬儀器2022-3-271、智能儀器n n 所謂智能儀器是用以形容新的一代測量儀器這類儀器儀表中含有微處理器、單片計算機或體積很小的微型機，有時亦稱為內(nèi)含微處理器的儀器或基于微型機的儀器。這類儀器，因為功能豐富又很靈巧，國外書刊中常簡稱為智能儀器。 2022-3-27 智能儀器的特點智能儀器的特點 （1）具有自動校準的功能； （2）具有強大的數(shù)據(jù)處理能力； （3）具有量程自動切換的功能； （4）具有操作面板和顯示器；（5）具有修

2、正誤差的能力； （6）有簡單的報警功能。2022-3-27自動校準功能一般儀器在使用前都要進行刻度校準。在使用中，隨著儀表溫度升高，元件的參數(shù)往往會發(fā)生變化，還有諸如電網(wǎng)干擾、噪聲等因素的影響，原來校準好的狀態(tài)會受到破壞，導致前后測量的數(shù)據(jù)不一致。智能儀器不僅可以自動校準還可以在測量過程中定期校準。這樣測量的一致性條件校好，減小了誤差。 2022-3-27 電壓輸入自動校正電壓輸入自動校正2022-3-27智能儀器的一般結構：智能儀器的一般結構：在物理結構上，微型計算機微型計算機內(nèi)含于測量儀器。微處理器及其支持部件是整個測試電路的一個組成部分，但是，從計算機的觀點來看，測試電路與鍵盤、GPIB

3、接口、顯示器等部件一樣，僅是計算機的一種外圍設備。二、軟件軟件是智能儀器的靈魂。智能儀器的管理程序也稱監(jiān)控程序，分析、接受、執(zhí)行來自鍵盤或接口的命令，完成測試和數(shù)據(jù)處理等任務。軟件存于ROM或EPROM.2022-3-27 智能儀器的基本組成2022-3-27 智能儀器工作過程1、微處理器接收來自鍵盤或GPIB接口命令，解釋并執(zhí)行這些命令；2、微處理器通過接口發(fā)出各種控制信息給測試電路，以規(guī)定功能、啟動測量、改變工作方式等，3、當測試電路完成一次測量后，微處理器讀取測量數(shù)據(jù)，進行必要的加工、計算、變換等處理，最后以各種方式輸出。2022-3-272、自動測試系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)n一個自動測試系統(tǒng)

4、，一般由四部分組成：第一是微機或微處理器微機或微處理器，它是整個系統(tǒng)的核心；第二是被控制的測量儀器或設備，稱為可程控儀器可程控儀器；第三是接口接口；第四是軟件軟件。自動測試系統(tǒng)基本構成2022-3-27 (一)微機(或微處理器) 這是整個系統(tǒng)的核心。在軟件控制下，微機控制夠個自動測試系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，并對測量數(shù)據(jù)進行某種方式的處理，如計算、變換、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等；最后將測量結果通過打印機、顯示器、磁盤磁卡或電表、數(shù)碼顯示等方式輸出。2022-3-27 (二)可程控儀器或設備 在自動測試過程中，測量儀器或設備的工作，如測量功能、工作頻段、輸出電平、量程等的選擇和調(diào)節(jié)都是由微機所發(fā)控制指令的控制下

5、完成的。這種能接受程序控制并據(jù)之改變內(nèi)部電路工作狀態(tài)，以及完成特定任務的測量儀器稱為儀器的可程序控制，簡稱可程控，或稱程控儀器。顯然程控儀器是組成自動測試系統(tǒng)的基本部分。2022-3-27(三)接 口q 一個自動測試系統(tǒng)中，各儀器和設備之間的接口的總體稱為該自動測試系統(tǒng)的接口系統(tǒng)。顯然，接口系統(tǒng)是自動測試系統(tǒng)達到自動測試目的，使自動測試系統(tǒng)各儀器和設備之間進行有效通信的重要環(huán)節(jié)。q60年代中期以前，接口是專用的和非標準化的，即是專門為某一自動測試系統(tǒng)而設計制造的，設計和制造不具有重復性。2022-3-27 接口的主要任務是在下列方面提供儀器與計算機連接需要的兼容。 機械兼容機械兼容 對接口的最

6、簡單的要求是提供機械兼容，就是要有適當?shù)倪B接器和它們之間的連線。 電磁兼容電磁兼容 接口的第二種作用是使計算機和探器之間有適配的電器特性即在邏輯電平方面要相符合。 數(shù)據(jù)兼容數(shù)據(jù)兼容 一旦接口已使計算機和儀器實現(xiàn)了機械和電器兼?zhèn)渌鼈兙湍芡ㄟ^數(shù)據(jù)線交換電信號信息，但需要某種格式翻譯，有種種編程能力的計算機通常能執(zhí)行這種功能，考慮到速度，往往把這個任務交給接口完成。2022-3-27 自動測試技術源于70年代，發(fā)展至今大致可分為三代，其系統(tǒng)組成結構也有較大的不同。v第一代自動測試系統(tǒng)第一代自動測試系統(tǒng) 第一代自動測試系統(tǒng)多為專用系統(tǒng)，通常是針對某項具體任務而設計的。其結構特點是采用比較簡單的定時器或

7、掃描器作為控制器，其接口也是專用的。因此，第一代測試系統(tǒng)通用性比較差。自動測試系統(tǒng)發(fā)展歷程自動測試系統(tǒng)發(fā)展歷程2022-3-27v第二代自動測試系統(tǒng)第二代自動測試系統(tǒng) 第二代自動測試系統(tǒng)典型方塊圖如圖所示。與第一代自動測試系統(tǒng)的主要不同在于：采用了標準化的通用可程控測量儀器接口總線(IEEE 488)及可程序控制的儀器和測控計算機(控制器)，從而使得自動測試系統(tǒng)的設計、使用和組裝都比較容易。2022-3-272022-3-27v第三代自動測試系統(tǒng)第三代自動測試系統(tǒng) 第二代自動測試系統(tǒng)雖然比人工測試顯示出前所未有的優(yōu)越性，但是在這些系統(tǒng)中，電子計算機并沒有充分發(fā)揮作用，系統(tǒng)中仍是使用傳統(tǒng)的測試設

8、備(只不過是配備了新的標準接口)，整個系統(tǒng)的工作過程基本上還是對傳統(tǒng)人工測試的模擬。于是出現(xiàn)了虛擬儀器虛擬儀器。2022-3-27n虛擬儀器（Virtual Instrument簡稱VI）是計算機技術同儀器技術深層次結合產(chǎn)生的全新概念的儀器，是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是儀器領域內(nèi)的一次革命。虛擬儀器是繼第一代儀器模擬式儀表、第二代儀器分立元件式儀表、第三代儀器數(shù)字式儀表、第四代儀器智能化儀器之后的新一代儀器。虛擬儀器2022-3-271 虛擬儀器的內(nèi)部功能虛擬儀器的內(nèi)部功能 測量儀器的內(nèi)部功能可劃分為：輸入信號的測量、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析處理及測量結果的顯示四個部分。虛擬儀器也不例外，但是實現(xiàn)上述

9、功能的方式不同，下面按三個部分來敘述。（1）信號采集與控制功能）信號采集與控制功能 虛擬儀器是由計算機和儀器硬件組成的硬件平臺，實現(xiàn)對信號的采集、測量/轉(zhuǎn)換與控制的。硬件平臺由兩部分組成：1、計算機可以是筆記本計算機、PC機或工作站；2、儀器硬件：可以是插入式數(shù)據(jù)采集板（含信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字 IO、定時器、DA轉(zhuǎn)換器等），或者是帶標準總線接口的儀器，如 GPIB儀器、VXI儀器、RS232儀器等)。 2022-3-27 (2)數(shù)據(jù)分析處理功能數(shù)據(jù)分析處理功能 虛擬儀器充分利用了計算機的存儲、運算功能，并通過軟件實現(xiàn)對輸入信號數(shù)據(jù)的分析處理。處理內(nèi)容包括進行數(shù)字信號處理數(shù)字濾波統(tǒng)計處

10、理、數(shù)值計算與分析等。虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器以及以微處理器為核心的智能儀器有更強大的數(shù)據(jù)分析處理功能以及以微處理器為核心的智能儀器有更強大的數(shù)據(jù)分析處理功能。 (3) 測量結果的表達測量結果的表達 虛擬儀器充分利用計算機資源如內(nèi)存、顯示器等，對測量結果數(shù)據(jù)的表達與輸出有多種方式，這也是傳統(tǒng)儀器遠不能及的。例如，虛擬儀器可以實現(xiàn)： 通過總線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸； 通過磁盤、光盤硬拷貝輸出； 通過文件存于硬盤內(nèi)存中； 計算機屏幕顯示。2022-3-27VI構成要素構成要素n 虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、應用軟件計算機、應用軟件和儀器硬件和儀器硬件三大要素構成的。計算機與儀器硬件又稱為VI的通

11、用儀器硬件平臺通用儀器硬件平臺。2022-3-27n軟件技術是虛擬儀器的核心技術。常用的儀器用開發(fā)軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。這些軟件已相當完善，而且還在升級、提高。以LabVIEW為例，這是基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI儀器及數(shù)據(jù)采集卡等硬件的系統(tǒng)構成，而且，具有很強的分析處理能力。2022-3-27 VI系統(tǒng)有多種構成方式： PCDAQ測量系統(tǒng)：是以數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。 GPIB系統(tǒng)：是以GPIB標準總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。 VXI系統(tǒng)：是以VXI標準總線

12、儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。 串口系統(tǒng)：是以Seial標準總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)：是以 Fieldbus標準總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。 VIVI構成方式構成方式2022-3-27 被測信號GPIB儀器串口儀器VXI模塊PXI模塊PC-DAQ計算機 I/O接口設備 虛擬儀器的構成方式2022-3-27無論上述哪種VI系統(tǒng)，都是通過應用軟件將儀器硬件與各類計算機相結合，其中PC-DAQ測試系統(tǒng)是構成VI的基本方式。因為，實際上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS是構成各種標準總線儀器的基礎，故虛擬儀器是基于“信息的數(shù)據(jù)采集信息的數(shù)據(jù)采集(ADC)-信號的分

13、信號的分析與處理析與處理(DSP)-輸出輸出(DAC)及顯示及顯示”的結構模式建立通用儀器硬件平臺。在這個通用儀器硬件平在這個通用儀器硬件平臺上，調(diào)用不同的測量軟件就構成了不同功能的臺上，調(diào)用不同的測量軟件就構成了不同功能的儀器儀器。2022-3-271、編程設計圖形化軟件模塊 提供圖形化編程環(huán)境，通過調(diào)用控件、庫函數(shù)原碼模塊進行儀器面板設計和數(shù)據(jù)分析處理。2、儀器驅(qū)動程序（Instrument Drivers)與用戶接口開發(fā)工具（User Interface Development)標準軟件模塊。LabView軟件組成2022-3-272022-3-272022-3-27 虛似儀器和傳統(tǒng)儀器

14、的比較虛似儀器和傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)和維護費用低開發(fā)和維護費用高技 術 是 更 新 周 期 短（0.51年）技 術 更 新 周 期 長（510年）軟件是關鍵硬件是關鍵價格低價格昂貴開放靈活與計算機同步，可重復用和重配置固定可用網(wǎng)絡聯(lián)絡周邊各儀器只可連有限的設備自動、智能化、遠距離傳輸功能單一，操作不便2022-3-27虛擬儀器的分類虛擬儀器的分類: :從技術發(fā)展的角度來看，虛擬儀器走的是兩條技術路線：一條是向高速、高精度、大型自動測試設備（ATE）方向發(fā)展，即GPIB（1975）VXI（1987）PXI（1997）的發(fā)展路線；另一條是向高性能、低成本、普及型系統(tǒng)方向發(fā)展，即PC插

15、卡（1987）并口式（1995）串口USB（1999）的技術路線。 2022-3-27虛擬儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：第一類：第一類：PCPC總線總線插卡型虛擬儀器插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結合。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內(nèi)無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。2022-3-27第二類：并行口式虛擬儀器第二類：并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀

16、器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學實驗室應用。2022-3-27GPIB總線(General Purpose Interface Bus), 即IEEE488通用接口總線,是HP公司在70年代推出的臺式儀器接口總線, 因此又叫HPIB(HPInterface

17、Bus)。 該標準總線在儀器、儀表及測控領域得到了最為廣泛的應用。這種系統(tǒng)是在微機中插入一塊GPIB接口卡,通過24或25線電纜連接到儀器端的GPIB接口。 當微機的總線變化時, 例如采用ISA或PCI等不同總線,接口卡也隨之變更,其余部分可保持不變, 從而使GPIB系統(tǒng)能適應微機總線的快速變化。由于GPIB系統(tǒng)在PC出現(xiàn)的初期問世, 所以有一定的局限性。如其數(shù)據(jù)線只有8根, 用位并行、字節(jié)串行的方式傳輸數(shù)據(jù),傳輸速度最高1y/,傳輸距離20(加驅(qū)動器能達500) 。第三類 GPIB總線方式虛擬儀器2022-3-27第四類：第四類：VXIVXI總線方式虛擬儀器總線方式虛擬儀器VXI總線(VME

18、 busextension for instrumentation)。該總線是VME計算機總線在儀器領域中的擴展, 其中VME總線是一種工業(yè)微機的總線標準, 主要用于微機和數(shù)字系統(tǒng)領域。優(yōu)點：優(yōu)點：系統(tǒng)具有小型便攜、高速數(shù)據(jù)傳輸、模塊式結構、小型便攜、高速數(shù)據(jù)傳輸、模塊式結構、系統(tǒng)組建靈活等特點。系統(tǒng)組建靈活等特點。19981998年修訂的年修訂的2 02 0版本規(guī)范提供版本規(guī)范提供了了6464位擴展能力位擴展能力, ,使數(shù)據(jù)傳輸率最高進一步提高到使數(shù)據(jù)傳輸率最高進一步提高到8080y/y/。缺點：缺點：組建組建VXIVXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，總線要求有機箱、零槽管理器及

19、嵌入式控制器，造價比較高。造價比較高。2022-3-27有三種方法實現(xiàn)計算機至VXI總線儀器的通信：（1）通過IEEE488的VXI總線通信（2）通過MXI總線的VXI總線通信（3）通過裝入控制器內(nèi)的VXI總線通信2022-3-27第五類：第五類：PXIPXI總線方式虛擬儀器總線方式虛擬儀器PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）充分利用了當前最普及的臺式計算機高速標準結構PCI。PXI是一個模塊化的平臺。系統(tǒng)的物理主機是一個擁有2至31個槽位的機箱，有的機箱還帶有內(nèi)置的顯示器和鍵盤。機箱的第一槽（Slot 1）是控制器槽。目前可以使用的控制器有很多，最常見的兩種是嵌入嵌入式控制器式控制器和和MXI-3總線總線橋橋。嵌入嵌入式控制器是專為