智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器課件

第8章智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器8.1被測信號的種類

8.2智能測試系統(tǒng)的基本結構及功能

8.3智能測試系統(tǒng)的設計原則

8.4虛擬儀器技術

思考與練習題

第8章智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器8.1被測信號的種類18.1被測信號的種類

數據采集前，必須對所采集信號的特性有所了解，因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解了被測信號，才能選擇合適的測量方式和采集系統(tǒng)配置。任意一個信號是隨時間而改變的物理量。一般情況下，信號所運載的信息是很廣泛的，如狀態(tài)、速率、電平、形狀、頻率成分等。根據信號運載信息方式的不同，可以將信號分為模擬信號和數字信號。數字(二進制)信號又可分為開關信號和脈沖信號，模擬信號可分為直流信號、時域信號和頻域信號，

如圖8-1所示。

8.1被測信號的種類數據采集前，必須對所采集信號2圖8-1被測信號的分類及其波形(a)被測信號分類；(b)各類被測信號的波形

圖8-1被測信號的分類及其波形38.1.1數字信號第一類數字信號是開關信號。一個開關信號運載的信息與信號的瞬間狀態(tài)有關。TTL信號就是一個開關信號。一個TTL信號如果在2.0～5.0V之間，就定義它為邏輯高電平；如果在0～0.8V之間，就定義為邏輯低電平。第二類數字信號是脈沖信號。這種信號包括一系列的狀態(tài)轉換，信息就包含在狀態(tài)發(fā)生轉化的數目、轉換速率、一個轉換間隔或多個轉換間隔的時間里。安裝在馬達軸上的光學編碼器的輸出就是脈沖信號。有些裝置需要數字輸入，比如一個步進式馬達就需要一系列的數字脈沖作為輸入來控制位置和速度。

8.1.1數字信號48.1.2模擬信號1.模擬直流信號模擬直流信號是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號。直流信號最重要的信息是它在給定區(qū)間內運載的信息的幅度。常見的直流信號有溫度、流速、壓力、應變等。采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號時，需要有足夠的精度以正確測量信號電平。由于直流信號變化緩慢，用軟件計時就夠了，不需要使用硬件計時。

8.1.2模擬信號5

2.模擬時域信號模擬時域信號與其他信號的不同在于它在運載信息時不僅有信號的電平，還有電平隨時間的變化。在測量一個時域信號時，也可以說是一個波形，需要關注一些有關波形形狀的特性，比如斜度、峰值等。為了測量一個時域信號，必須有一個精確的時間序列，序列的時間間隔也應該合適，以保證信號的有用部分被采集到。要以一定的速率進行測量，這個測量速率要能跟上波形的變化。用于測量時域信號的采集系統(tǒng)包括一個A／D轉換器、一個采樣時鐘和一個觸發(fā)器。A／D轉換器的分辨率要足夠高，帶寬要足夠寬，以保證采集數據的精度和高速率采樣；精確的采樣時鐘用于以精確的時間間隔采樣；觸發(fā)器使測量在恰當的時間開始。

2.模擬時域信號6

3.模擬頻域信號模擬頻域信號與時域信號類似。然而，從頻域信號中提取的信息是基于信號的頻率成分，而不是信號的形狀，也不是隨時間變化的特性。用于測量一個頻域信號的系統(tǒng)必須有一個A／D轉換器、一個簡單的時鐘和一個用于精確捕捉波形的觸發(fā)器。系統(tǒng)必須有必要的分析功能，用于從信號中提取頻域信息。為了實現這樣的數字信號處理，可以使用應用軟件或特殊的DSP硬件來迅速而有效地分析信號。模擬頻域信號也很多，比如聲音信號、地球物理信號、傳輸信號等。上述信號分類不是互相排斥的。一個特定的信號可能運載有不只一種信息，可以用幾種方式來定義信號并測量它，也可用不同類型的系統(tǒng)來測量同一個信號，從信號中提取出需要的各種信息。

3.模擬頻域信號78.2智能測試系統(tǒng)的基本結構及功能

8.2.1系統(tǒng)硬件組成

1)微機子系統(tǒng)微機子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，對整個系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，例如進行復雜的信號處理、控制決策、產生特殊的測試信號、控制整個測試過程等。此外，利用微機強大的信息處理能力和高速運算能力，可實現命令識別，邏輯判斷，非線性誤差修正，系統(tǒng)動態(tài)特性的自校正，以及系統(tǒng)自學習、自適應、

自診斷、自組織等功能。

8.2智能測試系統(tǒng)的基本結構及功能8.2.1系統(tǒng)硬件組8圖8-2智能測試系統(tǒng)的典型結構

圖8-2智能測試系統(tǒng)的典型結構92)數據采集子系統(tǒng)及接口數據采集子系統(tǒng)及接口用于和傳感器、測試元件、變送器聯(lián)接，實現參數采集、選路控制、零點校正、量程自動切換等功能。被測參數由數據采集子系統(tǒng)收集、整理后，傳送到微機子系統(tǒng)進行處理。

2)數據采集子系統(tǒng)及接口103)基本I/O子系統(tǒng)及接口基本I/O子系統(tǒng)及接口用于實現人—機對話，輸入或修改系統(tǒng)參數，改變系統(tǒng)工作狀態(tài)，輸出測試結果，動態(tài)顯示測控過程，

實現以多種形式輸出、

顯示、

記錄、

報警等功能。

3)基本I/O子系統(tǒng)及接口114)通信子系統(tǒng)及接口通信子系統(tǒng)及接口用于實現本系統(tǒng)與其他儀器儀表、系統(tǒng)的通信與互聯(lián)。依靠通信子系統(tǒng)，可根據實際問題需求靈活構造不同規(guī)模、不同用途的微機測控系統(tǒng)，如分布式測控系統(tǒng)、集散型測控系統(tǒng)等。通信接口的結構及設計方法與采用的總線技術、總線規(guī)范有關，例如有IEEE-488(或GP-IB)總線、RS-232C總線、STD總線、VXI總線、現場總線等?？偩€技術及規(guī)范不同，需要采用不同的軟硬件接口實現方法及不同的技術平臺支撐。

4)通信子系統(tǒng)及接口125)控制子系統(tǒng)及接口控制子系統(tǒng)實現對被測控對象、被測試組件、測試信號發(fā)生器乃至系統(tǒng)本身和測試操作過程的自動控制。接口根據實際需要以各種形式大量存在于系統(tǒng)中，其作用是完成它所聯(lián)接的設備之間的信號轉換(如進行信號功率匹配、阻抗匹配、電平轉換和匹配)和交換信號（如控制命令、狀態(tài)／數據信號、尋址信號等)傳輸、信號拾取、對信息進行必要的緩沖或鎖存，增強微機自動測試系統(tǒng)的功能。

5)控制子系統(tǒng)及接口138.2.2系統(tǒng)軟件組成設計好測試系統(tǒng)硬件之后，如何充分發(fā)揮微機強大的技術資源和潛力，開發(fā)友好的中文操作平臺，使系統(tǒng)具有良好的管理與控制特性，具有良好的可用性，需要很好的軟件設計技術和設計方法。設計系統(tǒng)軟件時，要經歷軟件結構設計、軟件編制、軟件調試等過程。一般采用模塊化和結構化程序設計方法，即自頂向下的設計方法，適當劃分模塊可提高設計與調試的效率。

8.2.2系統(tǒng)軟件組成14整個測試系統(tǒng)不僅要接收來自于傳感器或變送器的信號，而且要接收和處理來自于控制面板的控制信號或由通信系統(tǒng)傳來的控制命令等信號，還要求系統(tǒng)具有實時處理能力，能實時完成各種測控任務。因此，要合理安排程序的結構。測試系統(tǒng)的軟件通常由監(jiān)控主程序、中斷服務程序、測試算法、通信與控制程序等組成，

如圖8-3所示。

整個測試系統(tǒng)不僅要接收來自于傳感器或變送器的信號，而且15圖8-3測試系統(tǒng)的軟件組成

圖8-3測試系統(tǒng)的軟件組成161)初始化管理模塊軟件初始化包括中斷安排、堆棧初始化、狀態(tài)變量初始化、各軟件標志初始化、系統(tǒng)時鐘初始化、各變量存儲單元初始化、系統(tǒng)參數初始化等。2)數據采集模塊數據采集模塊完成對數據采集電路的控制、測試數據的讀取與存儲等。3)測試算法模塊測試算法模塊用于非線性校正、

標度變換、

量程自動轉換、

軟件抗干擾等。

1)初始化管理模塊174)人—機接口人—機接口包括顯示管理和鍵盤管理兩個模塊。測試結果的顯示方式有模擬顯示、數字顯示、混合顯示等。系統(tǒng)的鍵盤可采用編碼鍵盤或軟件掃描(非編碼)鍵盤，與系統(tǒng)采用的微處理機類型、鍵盤類型等有關。5)通信與控制模塊通信與控制模塊實現與上位機或其他儀器儀表、其他系統(tǒng)的互聯(lián)及通信控制。該模塊的設計與系統(tǒng)采用的通信總線標準、

通信協(xié)議、

通信接口電路等因素有關。

4)人—機接口186)時鐘管理模塊定時電路及時鐘管理在微機自動測試系統(tǒng)中必不可少，其主要用于數據采樣周期定時、控制周期定時、多參數巡回顯示的顯示周期定時、故障監(jiān)視電路的定時信號等。定時的實現有硬件、軟件和軟硬件結合等方法。6)時鐘管理模塊197)故障自診斷與處理故障自診斷與處理是提高系統(tǒng)可靠性和可維護性的重要手段之一。主要手段有以下三種。

（1）開機自檢：每當電源接通或復位后，系統(tǒng)自動執(zhí)行一次自檢程序，對硬件電路進行一次測試。（2）周期性自診斷：對系統(tǒng)周期性地進行自診斷。（3）

鍵控自診斷：

操作人員按“自診斷”按鍵啟動自診斷功能。

7)故障自診斷與處理208)中斷管理中斷管理針對系統(tǒng)中的各種中斷源和所選用的微處理機的中斷結構，設計相應的中斷處理程序模塊，包括中斷管理模塊和中斷服務模塊。9)監(jiān)控主程序監(jiān)控主程序的主要作用是及時響應來自系統(tǒng)或外部的各種服務請求，有效地管理系統(tǒng)的軟硬件資源，并在系統(tǒng)一旦發(fā)生故障時，能及時發(fā)現和做出相應的處理。監(jiān)控主程序調用功能模塊，形成一個有機整體，實現對測試系統(tǒng)的全面管理，因此監(jiān)控軟件設計成為系統(tǒng)軟件的核心。

8)中斷管理218.3智能測試系統(tǒng)的設計原則

8.3.1組建測試系統(tǒng)的基本原則將傳感器、調理電路、數據采集系統(tǒng)組建為一個測試系統(tǒng)的基本原則是使測試系統(tǒng)的基本參數、靜態(tài)性能及動態(tài)性能均達到預先規(guī)定的要求。組建過程中預估工作是非常重要的。預估工作就是根據對測量系統(tǒng)規(guī)定的參數指標要求，選擇和確定系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)(包括傳感器、調理電路和數據采集系統(tǒng))。如果選擇的環(huán)節(jié)性能過高，雖然能滿足系統(tǒng)性能的要求，但會使成本費用過高；8.3智能測試系統(tǒng)的設計原則8.3.1組建測試系統(tǒng)的基228.3.2組建測試系統(tǒng)的基本方法

圖8-4基本測試系統(tǒng)

8.3.2組建測試系統(tǒng)的基本方法圖8-4基本測試系統(tǒng)23圖中的環(huán)節(jié)S1代表傳感器；環(huán)節(jié)S2代表調理電路。最簡單的調理電路是放大器；環(huán)節(jié)S3代表數據采集系統(tǒng)的核心單元——具有采樣/保持器的A/D轉換器。H1(jω)和H2(jω)分別代表傳感器S1與放大器S2的頻率特性。

圖中的環(huán)節(jié)S1代表傳感器；環(huán)節(jié)S2代表調理電路。最簡單的調241．基本參數的預估基本參數的預估項目主要是分辨率與量程。設測試系統(tǒng)總的靈敏度為S，

可表示為

(8-1)預估時通常按系統(tǒng)的精度與量程以及工作環(huán)境等要求，先確定傳感器類型及其靈敏度值S1，，然后再根據系統(tǒng)要求的分辨率(由量程及精度指標得到)確定A／D轉換器的分辨率；最后，根據A／D轉換器的量程與傳感器的輸出范圍確定放大器的增益。一般要求A／D轉換器的分辨率應稍高于系統(tǒng)要求的分辨率。如果測試系統(tǒng)要求的A／D轉換器分辨率很高(14位以上)，可以考慮采用可編程增益放大器進行自動量程切換以達到所需的分辨率。

1．基本參數的預估(8-1)預估時通常按系統(tǒng)的25

2．動態(tài)性能的預估1)模擬部分傳感器與放大器的頻率特性分別為

(8-2)(8-3)因此，模擬部分總的頻率特性H(jω)為(8-4)2．動態(tài)性能的預估(8-2)(8-3)因此，模26故動態(tài)幅值誤差γ可表示為

(8-5)式中,當HN(jω)=HN(0)時，是信號傳遞功能的理想頻率特性。

一般傳感器為一階或二階系統(tǒng)，放大器為一階系統(tǒng)。當傳感器與放大器均為一階系統(tǒng)時，

這時動態(tài)幅值誤差γ為

(8-6)式中：τ1為傳感器的時間常數；τ2為放大器的時間常數。通常放大器給出的指標是帶寬fb，則。故動態(tài)幅值誤差γ可表示為(8-5)式中,當HN(jω)27將選取的τ1及τ2代人式(8—6)，應使ω=2πfm時滿足允許值，即

│γ│<5％

(8-7)若傳感器為二階系統(tǒng)，

放大器為一階系統(tǒng)，

這時有

(8-8)式中：ω0為傳感器的固有角頻率；ξ為傳感器的阻尼比。如果說明書未給出，則按ξ=0進行預估；τ2為放大器的時間常數，可按帶寬fb求得（τ2=1/(2πfb)）。將選取的τ1及τ2代人式(8—6)，應使ω=2πfm時滿足允28(2)數字部分數字部分與動態(tài)誤差有關的器件指標是A／D轉換器的轉換時間Tc、采樣保持器的孔徑時間TAP和孔徑抖動時間TAJ。

如果不采用采樣／保持器，在保證A／D轉換器轉換誤差不大于量化誤差的條件下，被測號的頻率最大值fH可表示為

(8-9)式中，n是A／D轉換器的位數。

(2)數字部分(8-9)式中，n是A／D轉換器的位數。29如果上述條件不能滿足，則需在A／D轉換器前加采樣／保持器。一般米說TAP的延時影響可以通過軟件提前下達指令的措施消除，故被測信號的頻率最大值fH可表示為

(8-10)式中，TAJ為孔徑抖動范圍，即孔徑不確定度，通常TAJ是TAP的10％～50％。

總的說來，含有傳感器的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)的動態(tài)性能主要受傳感器的限制。

如果上述條件不能滿足，則需在A／D轉換器前加采樣／保持器30

3．靜態(tài)性能的預估靜態(tài)性能的預估就是按總誤差的限定值對組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)進行誤差分配。這是一個從誤差預分配、綜合調整，再分配、再綜合直至選定環(huán)節(jié)的靜態(tài)性能滿足系統(tǒng)性能要求的過程。

根據式(8-1)可以寫出系統(tǒng)輸出y的表達式為

(8-11)3．靜態(tài)性能的預估(8-11)31對上式取對數并進行全微分，得

(8-12)(8-13)由于x是被測量，其誤差不屬于測量系統(tǒng)本身的誤差，故這里不予考慮。于是由式(8-13)可得對上式取對數并進行全微分，得(8-12)(8-13)32則

ry=r1+r2+r3

(8-14)式中：ry=dy/y為整機的相對誤差；r1=dS1/S1為S1環(huán)節(jié)的相對誤差；r2=dS2/S2為S2環(huán)節(jié)的相對誤差；r3=dS3/S3為S3環(huán)節(jié)的相對誤差。

如果進一步分析各環(huán)節(jié)本身的誤差因素，

可得

r1=r11+r12+r13+…r2=r21+r22+r23+…r3=r31+r32+r33+…

則ry=r1+r2+r3(8-14)式中：ry=33將r3、r2、r3代入式(8—14)得

ry=r11+r12+r13+…+r21+r22+r23+…+r31+r32+r33+…

式(8—14)用于已知各環(huán)節(jié)誤差的大小和符號時的誤差綜合，故適用于系統(tǒng)誤差。對于以計算機為核心的現代測試系統(tǒng)，由各環(huán)節(jié)的系統(tǒng)誤差產生的整機系統(tǒng)誤差可以通過標定實驗數據進行修正。因此，在靜態(tài)性能的預估時可只關心變化系統(tǒng)誤差(系統(tǒng)不確定度)和隨機誤差(隨機不確定度)，采用方和根法綜合，整機誤差為

(8-15)將r3、r2、r3代入式(8—14)得ry=r1134按照整機性能的要求，引用誤差小于1.0%，則整機的擴展不確定度U≤1.0%。為簡單起見取覆蓋因子ky=3（P≈0.99），則整機標準不確定μrc為

于是式(8-15)的誤差公式用不確定度表示為

按照整機性能的要求，引用誤差小于1.0%，則整機的擴展不358.4虛擬儀器技術

8.4.1虛擬儀器的概念虛擬儀器實質上是一種創(chuàng)新的儀器設計思想，而非一種具體的儀器。換言之，虛擬儀器可以有各種各樣的形式，完全取決于實際的物理系統(tǒng)和構成儀器數據采集單元的硬件類型。圖8-5所示為常見的虛擬儀器方案。

8.4虛擬儀器技術8.4.1虛擬儀器的概念36圖8-5常見的虛擬儀器方案

圖8-5常見的虛擬儀器方案37虛擬儀器的“虛擬”主要表現在以下兩個方面：（1）虛擬儀器的面板是虛擬的。虛擬儀器面板上的各種“圖標”和傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的，由各種開關、按鈕、顯示器等圖標實現儀器電源的通、斷，被測信號的輸入通道、放大倍數等參數的設置以及測量結果的數值顯示和波形顯示等。

虛擬儀器的“虛擬”主要表現在以下兩個方面：38（2）虛擬儀器的測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現的。虛擬儀器是在以PC為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實現儀器的功能的，因為可以通過不同的測試功能軟件模塊的組合來實現多種測試功能。虛擬儀器和傳統(tǒng)的用硬件設計的測量儀器比較有自己獨特的優(yōu)勢，如表8-1所示。

（2）虛擬儀器的測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程39表8-1虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器比較

表8-1虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器比較408.4.2虛擬儀器的組成1．虛擬儀器的硬件平臺構成虛擬儀器的硬件平臺有兩部分：計算機和I/O接口設備。1）計算機計算機一般為一臺PC機或者工作站，

是硬件平臺的核心。

8.4.2虛擬儀器的組成412）I/O接口設備I/O接口設備主要完成被測輸入信號的采集、放大及模/數轉換。不同的總線有其相應的I/O接口硬件設備，如利用PC機總線的數據采集卡/板（簡稱DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串口總線儀器、PXI總線儀器模塊等。虛擬儀器構成方式主要有五種類型，

如圖8-6所示。

2）I/O接口設備42圖8-6虛擬儀器的構成方式

圖8-6虛擬儀器的構成方式43（1）PC-DAQ系統(tǒng)：是以數據采集板、信號調理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。它采用PCI或ISA計算機本身的總線，故將數據采集卡/板(DAQ)插入計算機的空槽中即可。（2）GPIB系統(tǒng)：以GPIB標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。典型的GPIB測試系統(tǒng)由一臺計算機、一塊GPIB接口板和幾臺GPIB儀器組成。GPIB接口板插入計算機的插槽中，建立起計算機與具有GPIB接口的儀器設備之間的通信橋梁。

（1）PC-DAQ系統(tǒng)：是以數據采集板、信號調理電路和44（3）VXI系統(tǒng)：以VXI標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。VXI總線是一種高速計算機總線在儀器領域的擴展。它具有標準開發(fā)、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器商支持等優(yōu)點，應用越來越廣。尤其在組建大中規(guī)模自動測量控制系統(tǒng)，以及對速度、精度要求非常高的場合，有其他儀器無法比擬的優(yōu)點。此外，VXI總線的組建方案其功能最為強大、組建的系統(tǒng)最為穩(wěn)定，但VXI總線在實現強大功能的同時，價格也是十分昂貴的。如果使用計算機來控制VXI總線設備，則需要配備一塊GPIB接口卡，通過GPIB總線與VXI主機箱零槽模塊通信。零槽模塊的GPIB-VXI翻譯器將GPIB的命令翻譯成VXI命令并把各模塊返回的數據以一定的格式傳回主控計算機。

（3）VXI系統(tǒng)：以VXI標準總線儀器模塊與計算機為儀45（4）PXI系統(tǒng)：以PXI標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。PXI(PCIbuseXtentionsforInstrumentation)總線是基于PCI總線的虛擬儀器系統(tǒng)構架，是NI公司于1997年推出的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。PXI在主流PCI計算技術和控制器的基礎上采用流行的奔騰MMX處理器，帶有標準GPIB接口、并／串口、以太網絡接口及顯示器接口，為用戶組建速度高、

成本低、結構緊湊的測試系統(tǒng)提供了可行性。

（4）PXI系統(tǒng)：以PXI標準總線儀器模塊與計算機為儀46（5）串口系統(tǒng)：以Serial標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。無論上述哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都是通過應用軟件將儀器硬件與通用計算機相結合。其中，PC-DAQ測量系統(tǒng)是構成虛擬儀器的最基本的方式，

也是最廉價的方式。

（5）串口系統(tǒng)：以Serial標準總線儀器與計算機為儀47

2．虛擬儀器的應用軟件開發(fā)虛擬儀器，必須有合適的軟件工具。目前已有多種虛擬儀器的軟件開發(fā)工具，主要分為以下兩類：（1）文本式編程語言，如C、VisualC＋＋、VisualBasic、Labwindows/CVI等。（2)圖形化編程語言，如LabVIEW、HPVEE等。這些軟件開發(fā)工具為用戶設計虛擬儀器應用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。LabVIEW圖形化虛擬儀器編程語言和文本式編程語言相比更直觀、可視化更強，因此使用較為廣泛。

2．虛擬儀器的應用軟件48虛擬儀器應用軟件由以下兩大部分構成：(1)應用程序。它包含兩個方面的程序：實現虛擬面板功能的前面板軟件程序和定義測試功能的流程圖軟件程序。

(2)I/O接口儀器驅動程序。這類程序用來完成特定外部硬件設備的擴展、

驅動與通信。

虛擬儀器應用軟件由以下兩大部分構成：498.4.3虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺LabVIEW1.LabVIEW應用程序的構成1）前面板圖8-7所示是一個隨機信號發(fā)生器VI的前面板。它的上面有一個顯示對象，以曲線的方式顯示了所產生的一系列隨機數；還有一個控制對象——開關，可以啟動和停止工作。顯然，并非簡單地畫兩個控件就可以運行，在前面板后還有一個與之配套的流程圖。

8.4.3虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺LabVIEW1.50圖8-7隨機信號發(fā)生器的前面板

圖8-7隨機信號發(fā)生器的前面板512）流程圖流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒有但編程必須有的東西，例如函數、結構和連線等。圖8-8是與圖8-7對應的流程圖。可以看到流程圖中包括了前面板上的開關和隨機數顯示器的連線端子，還有一個隨機數發(fā)生器的函數及程序的循環(huán)結構。隨機數發(fā)生器通過連線將產生的隨機信號送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設置了一個WhileLoop循環(huán)，

由開關控制這一循環(huán)的結束。

2）流程圖52圖8-8隨機信號發(fā)生器的流程圖

圖8-8隨機信號發(fā)生器的流程圖533）圖標/連接器VI具有層次化和結構化的特征。一個VI可以作為子程序，這里稱為子VI（SubVI），它被其他VI調用。圖標與連接器在這里相當于圖形化的參數。

3）圖標/連接器542.LabVIEW的操作模板1）工具模板（ToolsPalette）

工具模板如圖8-9所示，其子模板見表8-2。該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調試VI程序的工具。如果該模板沒有出現，則可以在Windows菜單下選擇ShowToolsPalette命令以顯示該模板。當從模板內選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成該工具相應的形狀。當從Windows菜單下選擇了ShowHelpWindow功能后，把工具模板內選定的任一種工具光標放在流程圖程序的子程序（SubVI）或圖標上，就會顯示相應的幫助信息。

2.LabVIEW的操作模板55圖8-9工具模板

圖8-9工具模板56表8-2工具模板之子模板

表8-2工具模板之子模板572）控制模板（ControlPalette）控制模板是多層的，其中每一個子模板下還包括多個對象。（注意：只有打開前面板時才能調用該模板。）控制模板用來給前面板設置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個圖標代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的ShowControlsPalette功能打開它，也可以在前面板的空白處點擊鼠標右鍵，以彈出控制模板?？刂颇０迦鐖D8-10所示，

它包括表8-3所示的一些子模板。

2）控制模板（ControlPalette）58圖8-10控制模板

圖8-10控制模板59表8-3控制模板之子模板

表8-3控制模板之子模板60智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器613）功能模板(FunctionsPalette)功能模板是多層的，其中每一個子模板下還包括多個對象。（注意：只有打開了流程圖程序窗口，才能出現功能模板。）功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。若功能模板不出現，則可以用Windows菜單下的ShowFunctionsPalette功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點擊鼠標右鍵，以彈出功能模板。

功能模板如圖8-11所示，

其子模板見表8-4（個別不常用的子模板未包含）。

3）功能模板(FunctionsPalette)62圖8-11功能模板

圖8-11功能模板63表8-4功能模板之子模板

表8-4功能模板之子模板64表8-4功能模板之子模板

表8-4功能模板之子模板65表8-4功能模板之子模板

表8-4功能模板之子模板668.4.4構建一個簡單的虛擬儀器1.DAQ設備的安裝與配置通常情況下，LabVIEW安裝和配置DAQ板卡的主要步驟如圖8-12所示。

圖8-12安裝和配置DAQ板卡的主要步驟8.4.4構建一個簡單的虛擬儀器圖8-12安裝和配置D671)安裝DAQ設備硬件將PCI數據采集卡插到計算機主板上一個空閑的PCI插槽中，接好各種附件，其驅動程序就是NI-DAQ。附件包括一條數據線和一個轉接板，轉接板直接與外部信號連接。在LabVIEW中，DAQ設備與DAQ節(jié)點以及用戶開發(fā)的VI的層次關系如圖8-13所示。

1)安裝DAQ設備硬件68圖8-13DAQ設備與DAQ節(jié)點以及VI的層次關系圖

圖8-13DAQ設備與DAQ節(jié)點以及VI的層次關系圖692)安裝DAQ設備驅動及檢驗在安裝NI-DAQ軟件時，系統(tǒng)會自動安裝一個名為Measurement&AutomationExplorer的軟件，簡稱MAX，該軟件用于管理和配置硬件設備。若DAQ設備安裝成功，可在Measurement&Automation瀏覽窗口看到DAQ設備硬件的型號，

如圖8-14所示。

2)安裝DAQ設備驅動及檢驗70圖8-14Measurement&Automation瀏覽窗口

圖8-14Measurement&Automation713)配置DAQ設備下面介紹如何用MAX配置PCI-6014數據采集卡。（1）運行MAX，在MAX窗口左側的設備管理樹的DevicesandInterfaces選項中，選擇PCI-6014數據采集卡，如圖8-15所示。

3)配置DAQ設備72圖8-15選擇PCI-6014窗口

圖8-15選擇PCI-6014窗口73（2）在PCI-6014數據采集卡窗口選擇Properties...，彈出PCI-6014數據采集卡的配置對話框，如圖8-16所示。

對話框主要有五部分：System，AI，AO，Accessory和OPC(RemoteAccess是遠程控制對話框，

這里不介紹)。

在這個對話框中可以完成對DAQ設備的配置。

（2）在PCI-6014數據采集卡窗口選擇Prope74圖8-16ConfiguringDevice對話框

圖8-16ConfiguringDevice對話框75（3）設置DAQ設備在系統(tǒng)中的設備(Device)編號。在ConfiguringDevice對話框的System頁面中將Device屬性值設為1，如圖8-16所示。另外，該頁面會將DAQ設備在Windows中所占用的資源列出，例如中斷號、內存范圍等。（4）設置模擬輸入(AI)屬性。在ConfiguringDevice對話框的AI頁面中，將Polarity屬性值設為－10.0V～+10.0V，

將Mode屬性值設為Differential(差分輸入)，

如圖8-17所示。

（3）設置DAQ設備在系統(tǒng)中的設備(Device)編76圖8-17ConfiguringDevice對話框的AI頁面

圖8-17ConfiguringDevice對話框的AI77（5）設置模擬輸出(AO)屬性。在ConfiguringDevice對話框的AO頁面中，將Polarity屬性值設為Bipolar(雙極性)，

如圖8-18所示。

圖8-18ConfiguringDevice對話框的AO頁面

（5）設置模擬輸出(AO)屬性。在Configur78（6）設置附件(Accessory)。在ConfiguringDevice對話框的Accessory頁面中，將Polarity屬性值設為所選用的轉接板型號，

如BNC-2080，

如圖8-19所示。

圖8-19ConfiguringDevice對話框的Accessory頁面

（6）設置附件(Accessory)。在Config79（7）設置過程控制(OPC)。在ConfiguringDevice對話框的OPC頁面中，將Polarity屬性值設為Disabled，如圖8-20所示。

圖8-20ConfiguringDevice對話框的OPC頁面

（7）設置過程控制(OPC)。在Configurin80在完成了上述屬性的設置之后，單擊“確定”按鈕。若屬性配制成功，數據采集卡正常工作，單擊ConfiguringDevice對話框System頁面中的“TestResources”按鈕，系統(tǒng)就會彈出一個對話框，告知用戶DAQ設備通過了測試，如圖8-21所示。

在完成了上述屬性的設置之后，單擊“確定”按鈕。81圖8-21ConfiguringDevice對話框System頁面中的TestResources頁面

圖8-21ConfiguringDevice對話框Sys82圖8-22TestPanel窗口

圖8-22TestPanel窗口83

2.DAQ編程DAQ的軟硬件安裝及配置之后，就可以進行DAQ編程。LabVIEW是通過DAQ節(jié)點來控制DAQ設備完成數據采集的，所有的DAQ節(jié)點都包含在Functions模板→AllFunctions子模板→NIMeasurements子模板→DataAcquisition子模板中，如圖8-23所示。

2.DAQ編程84圖8-23DataAcquisition子模板

圖8-23DataAcquisition子模板85圖8-24DataAcquisition子模板

圖8-24DataAcquisition子模板86各子模板的主要功能如下：AnalogInput子模板：完成模擬信號的數據采集，將外部模擬信號通過DAQ設備的A／D功能轉化為數字信號，并采集到計算機中。AnalogOutput子模板：完成模擬信號的輸出，將計算機所產生的數字信號通過DAQ設備的D／A功能轉化為模擬信號，然后輸出。DigitalI／O子模板：用于控制DAQ設備的數字I／O功能。Counter子模板：

用于控制DAQ設備的計數器功能。

各子模板的主要功能如下：87CalibrationandConfiguration子模板：用于校準和配置DAQ設備，并且能夠返回DAQ設備的配置信息。由于NI公司在DAQ設備出廠前已經進行了校準，一般情況下，用戶將很少用到CalibrationandConfiguration子模板中的DAQVIs。SignalConditioning子模板：將從溫度傳感器、應變片或熱電偶中采集到的模擬電壓信號轉化為相應的應力單位或溫度單位。在這些VIs中，可以根據特定的精度需求編輯轉換公式。需要注意的一點是，如果用戶編輯了自己的公式，則需將這些VIs另外保存到用戶自己的文件夾中。

CalibrationandConfiguratio88圖8-25是多通道數據采集

圖8-25是多通道數據采集89圖8-26多通道數據采集系統(tǒng)的程序框圖

圖8-26多通道數據采集系統(tǒng)的程序框圖903．設計一個虛擬儀器（VI）的基本步驟通常，設計一個VI的步驟如下：(1)在前面板設計窗口中設置控件，并創(chuàng)建“流程圖”中的端口。首先在前面板開發(fā)窗口使用工具模板中的相應工具，從Controls(控制)模板中選擇并放置好所需控件，進行控件屬性參數設置，標貼文字說明標簽。(2)在流程圖編輯窗口中放置節(jié)點、圖框，并創(chuàng)建前面板控件。在流程圖編輯窗口使用工具模板中的相應工具，從Functions（功能）模板中選擇并放置好所需圖標，它們是流程圖中的“節(jié)點”和“圖框”。

3．設計一個虛擬儀器（VI）的基本步驟91(3)數據流編程。數據流編程就是使用連線工具按數據流的方向將端口、節(jié)點、圖框依次相連，實現數據從源頭按規(guī)定的運行方式到達目的終點。

(3)數據流編程。92(4)運行檢驗。當完成步驟(1)、(2)、(3)后，前面板程序與流程圖圖形化程序的設計則已進行完畢，一個VI已基本建立，是否達到預期功能，還需運行檢驗。有兩種檢驗方式：①仿真檢驗。該檢驗方式不使用I/O接口硬件設備。對VI檢驗運行所需的信號數據采用由“數組”或“信號生成函數”產生的“仿真信號”。②實測檢驗。該檢驗方式通過I/O接口硬件設備，采集輸入標準信號，來檢驗虛擬儀器的功能。仿真檢驗在實測檢驗之前進行，它是虛擬儀器所特有的優(yōu)勢，因為它對反復檢驗、調試及不斷完善改進VI極為方便，是傳統(tǒng)儀器無法采用的檢驗手段。

(4)運行檢驗。當完成步驟(1)、(2)、(3)后，93(5)程序調試技術。利用快捷工具欄中的“運行”、“高亮執(zhí)行”、“單步執(zhí)行”、“斷點設置”進行以下程序調試步驟：①找出語法錯誤。如果存在語法錯誤，則當啟動快捷工具欄的“運行”按鈕時，該按鈕將變成一個折斷的箭頭，程序不能被執(zhí)行。用鼠標左擊該按鈕，則將彈出錯誤清單窗口，窗口中列出了錯誤的項目，然后左擊其中任何一個所列出的錯誤，再左擊“Find”按鈕，則出錯的對象或端口就會變成高亮。

(5)程序調試技術。94②慢速跟蹤程序的運行。利用快捷工具欄中的“高亮執(zhí)行”按鈕，左擊該按鈕，該按鈕圖標變成高亮形式，再點擊“運行”按鈕，程序就以較慢的速度運行。沒有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數據流上的數據值。這樣就可以根據數據流動的狀態(tài)，

跟蹤程序的執(zhí)行。

②慢速跟蹤程序的運行。95③斷點與單步執(zhí)行。為了查找程序中的邏輯錯誤，用戶也許希望框圖程序一個節(jié)點一個節(jié)點地執(zhí)行。使用斷點工具可以在程序的某一地點中止程序執(zhí)行，用探針或者單步執(zhí)行方式查看數據。斷點的設置。用工具模板上的“斷點”工具點擊希望設置或者清除斷點的地方，該處即為所設置的斷點。斷點的顯示。對于節(jié)點或者圖框表示為紅框，對于連線表示為紅點。當VI程序運行到斷點設置處時，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點，以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點被執(zhí)行，下一個將要執(zhí)行的節(jié)點變?yōu)殚W爍，表明它將執(zhí)行。也可以點擊快捷工具欄中的“暫?！卑粹o，這樣程序將連續(xù)執(zhí)行直到下一個斷點。

③斷點與單步執(zhí)行。為了查找程序中的邏輯錯誤，用戶也許希96④設置探針。可以通過設置探針來查看框圖程序流經某一根連接線的數據值。探針的設置方法有二：利用工具模板上的“探針”工具，用鼠標左擊欲放置探針的連接線。把工具模板上的“選擇”工具或“連線”工具放在欲放置探針的連線上，用鼠標右擊該連線，將彈出一個對話框，選擇Probe選項。當探針設置完畢后，會出現一個探針顯示窗口。該顯示窗口中的數據即為該連線上的數據值。

④設置探針。97(6)數據觀察。當檢驗觀察中發(fā)現有錯誤時，可用鼠標點擊“HighlightExecution”按鈕，觀察數據流中各個節(jié)點的數值。

(7)命名存盤。

保存設計好的VI。

(6)數據觀察。當檢驗觀察中發(fā)現有錯誤時，可用鼠標點98

4．LabVIEW程序設計的其他有關問題1)人機交互界面人機交互過程主要是對程序的控制和對程序執(zhí)行結果的觀察，因此人機交互界面的定制包含兩個方面的內容：一是程序運行時界面的顯示模式；二是程序對操作的響應方式?？煽刂频膶ο蟀ò粹o、鍵盤輸入前面板對象和選擇框等。LabVIEW前面板的最大特色是所見即所得，即在編程中排布的界面就是軟件運行時的界面。設計人機交互界面時，主要從審美和方便實用的角度出發(fā)。

4．LabVIEW程序設計的其他有關問題992)定時與對話框LabVIEW提供了許多定時的節(jié)點，它們主要完成關于時間的計算、換算和定時等功能，同時，LabVIEW還提供了一些顯示提示信息的對話框，這些節(jié)點并不處理任何信息，只是輸出用戶信息，對話框包括提示對話框和輸入對話框兩種。3)文件管理LabVIEW的文件管理方式有兩種：一是將各個文件分散獨立保存；二是將相關文件集中起來保存于一個庫文件（*.LLB）中。

2)定時與對話框1004)創(chuàng)建應用程序LabVIEW環(huán)境本身不能產生可執(zhí)行文件，所以在程序完成后，不能脫離LabVIEW環(huán)境運行，這給發(fā)布應用程序帶來了極大的不便。ApplicationBuild工具包彌補了這一不足，它將程序轉換成可執(zhí)行文件，使之能和普通的應用程序一樣運行在操作系統(tǒng)中。

4)創(chuàng)建應用程序1018.4.5虛擬儀器設計舉例例1基于LabVIEW信號發(fā)生器的設計。

設計的信號發(fā)生器應具有系統(tǒng)控制，產生標準正弦波、方波、三角波波形，數據存儲顯示以及輸出模擬信號等功能。1）計算機產生波形的流程框圖在LabVIEW7.0下，

計算機產生波形的流程框圖如圖8-27所示。

8.4.5虛擬儀器設計舉例102圖8-27計算機產生波形流程框圖

圖8-27計算機產生波形流程框圖1032）軟件設計（1）前面板的設計。根據傳統(tǒng)信號發(fā)生器面板控鍵的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分別在設計面板上放入模擬實際信號發(fā)生器控鍵的數據輸入控鍵、顯示器、數據輸出控件、開關和選擇器。顯示器用于顯示輸出的信號波形；數據輸入控鍵用于輸出信號的信號頻率、采樣頻率、采樣數、振幅和相位；數據輸出控鍵則用于選擇信號類型。

設計的前面板如圖8-28所示。

2）軟件設計104圖8-28虛擬信號發(fā)生器的前面板

圖8-28虛擬信號發(fā)生器的前面板105（2）流程圖的設計。①對于虛擬信號發(fā)生器而言，它的主要功能就是為我們提供激勵信號，所以在流程圖設計中，我們首先要選擇一個產生信號的圖標以及用于循環(huán)控制的While循環(huán)。在流程圖設計窗口中打開Functions模塊，執(zhí)行AllFunctions→Analyze→SignalGeneration→BasicFunctionGenerator.VI操作，通過開關選擇信號類型。執(zhí)行AllFunctions→Structures→WhileLoop操作，調入While循環(huán)。（2）流程圖的設計。106圖8-29虛擬信號發(fā)生器的程序框圖

圖8-29虛擬信號發(fā)生器的程序框圖107②運行檢驗。當完成了設計后，若流程圖設計窗口工具條中的箭頭圖標顯示為，就說明我們的流程圖設計是正確的，

接下來可以運行檢驗該程序了。

在前面板中，輸入所使用的板卡設備號和輸出信號所接的輸出通道號，把頻率和幅度調節(jié)到需要的刻度值，點擊窗口工具條中的箭頭圖標或在Operate選項中選擇Run運行程序。若將控件調至產生方波，則將在示波器中看到生成的波形。

②運行檢驗。108

例2利用研華I/O接口設備PCI1711型數據采集板卡組成數據采集系統(tǒng)。該PCI測試系統(tǒng)可以采集和顯示一路信號，參數為：頻率范圍0～1MHz；幅值范圍0.1～6V。信號由第0通道輸入。

1）驅動軟件的安裝與設置PCI1711型數據采集板卡是非NI公司的采集卡，在安裝了研華公司的板卡驅動程序后，必須安裝LabVIEW驅動程序。其DAQ節(jié)點在AllFunctions→UserLibraries中，

如圖8-30所示。利用研華I/O接口設備PCI1711型數據采集板卡組成數據采集系統(tǒng)。該PCI測試系統(tǒng)可以采集和顯示一路信號，參數為：頻率范圍0～1MHz；幅值范圍0.1～6V。信號由第0通道輸入。例2利用研華I/O接口設備PCI1711型數據采集板1091）驅動軟件的安裝與設置PCI1711型數據采集板卡是非NI公司的采集卡，在安裝了研華公司的板卡驅動程序后，必須安裝LabVIEW驅動程序。其DAQ節(jié)點在AllFunctions→UserLibraries中，如圖8-30所示。

2）軟件設計設計的前面板如圖8-31所示，程序框圖如圖8-32所示。

1）驅動軟件的安裝與設置110圖8-30非NI公司的采集卡DAQ子模板圖8-30非NI公司的采集卡DAQ子模板111圖8-31用PCI1711設計的數據采集系統(tǒng)前面板

圖8-31用PCI1711設計的數據采集系統(tǒng)前面板112圖8-32用PCI1711設計的數據采集系統(tǒng)程序框圖

圖8-32用PCI1711設計的數據采集系統(tǒng)程序框圖113思考與練習題

1.被測信號的種類有哪些？2.試述智能測試系統(tǒng)的硬件組成與軟件組成。3.試述智能測試系統(tǒng)的設計原則。4.什么是虛擬儀器？它與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別是什么？5.虛擬儀器的硬件平臺有哪兩部分？它的構成形式有幾種？6.PC-DAQ有哪些功能？7.如何構建一個簡單的虛擬儀器？

思考與練習題1.被測信號的種類有哪些？114第8章智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器8.1被測信號的種類

8.2智能測試系統(tǒng)的基本結構及功能

8.3智能測試系統(tǒng)的設計原則

8.4虛擬儀器技術

思考與練習題

第8章智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器8.1被測信號的種類1158.1被測信號的種類

數據采集前，必須對所采集信號的特性有所了解，因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解了被測信號，才能選擇合適的測量方式和采集系統(tǒng)配置。任意一個信號是隨時間而改變的物理量。一般情況下，信號所運載的信息是很廣泛的，如狀態(tài)、速率、電平、形狀、頻率成分等。根據信號運載信息方式的不同，可以將信號分為模擬信號和數字信號。數字(二進制)信號又可分為開關信號和脈沖信號，模擬信號可分為直流信號、時域信號和頻域信號，

如圖8-1所示。

8.1被測信號的種類數據采集前，必須對所采集信號116圖8-1被測信號的分類及其波形(a)被測信號分類；(b)各類被測信號的波形

圖8-1被測信號的分類及其波形1178.1.1數字信號第一類數字信號是開關信號。一個開關信號運載的信息與信號的瞬間狀態(tài)有關。TTL信號就是一個開關信號。一個TTL信號如果在2.0～5.0V之間，就定義它為邏輯高電平；如果在0～0.8V之間，就定義為邏輯低電平。第二類數字信號是脈沖信號。這種信號包括一系列的狀態(tài)轉換，信息就包含在狀態(tài)發(fā)生轉化的數目、轉換速率、一個轉換間隔或多個轉換間隔的時間里。安裝在馬達軸上的光學編碼器的輸出就是脈沖信號。有些裝置需要數字輸入，比如一個步進式馬達就需要一系列的數字脈沖作為輸入來控制位置和速度。

8.1.1數字信號1188.1.2模擬信號1.模擬直流信號模擬直流信號是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號。直流信號最重要的信息是它在給定區(qū)間內運載的信息的幅度。常見的直流信號有溫度、流速、壓力、應變等。采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號時，需要有足夠的精度以正確測量信號電平。由于直流信號變化緩慢，用軟件計時就夠了，不需要使用硬件計時。

8.1.2模擬信號119

2.模擬時域信號模擬時域信號與其他信號的不同在于它在運載信息時不僅有信號的電平，還有電平隨時間的變化。在測量一個時域信號時，也可以說是一個波形，需要關注一些有關波形形狀的特性，比如斜度、峰值等。為了測量一個時域信號，必須有一個精確的時間序列，序列的時間間隔也應該合適，以保證信號的有用部分被采集到。要以一定的速率進行測量，這個測量速率要能跟上波形的變化。用于測量時域信號的采集系統(tǒng)包括一個A／D轉換器、一個采樣時鐘和一個觸發(fā)器。A／D轉換器的分辨率要足夠高，帶寬要足夠寬，以保證采集數據的精度和高速率采樣；精確的采樣時鐘用于以精確的時間間隔采樣；觸發(fā)器使測量在恰當的時間開始。

2.模擬時域信號120

3.模擬頻域信號模擬頻域信號與時域信號類似。然而，從頻域信號中提取的信息是基于信號的頻率成分，而不是信號的形狀，也不是隨時間變化的特性。用于測量一個頻域信號的系統(tǒng)必須有一個A／D轉換器、一個簡單的時鐘和一個用于精確捕捉波形的觸發(fā)器。系統(tǒng)必須有必要的分析功能，用于從信號中提取頻域信息。為了實現這樣的數字信號處理，可以使用應用軟件或特殊的DSP硬件來迅速而有效地分析信號。模擬頻域信號也很多，比如聲音信號、地球物理信號、傳輸信號等。上述信號分類不是互相排斥的。一個特定的信號可能運載有不只一種信息，可以用幾種方式來定義信號并測量它，也可用不同類型的系統(tǒng)來測量同一個信號，從信號中提取出需要的各種信息。

3.模擬頻域信號1218.2智能測試系統(tǒng)的基本結構及功能

8.2.1系統(tǒng)硬件組成

1)微機子系統(tǒng)微機子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，對整個系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，例如進行復雜的信號處理、控制決策、產生特殊的測試信號、控制整個測試過程等。此外，利用微機強大的信息處理能力和高速運算能力，可實現命令識別，邏輯判斷，非線性誤差修正，系統(tǒng)動態(tài)特性的自校正，以及系統(tǒng)自學習、自適應、

自診斷、自組織等功能。

8.2智能測試系統(tǒng)的基本結構及功能8.2.1系統(tǒng)硬件組122圖8-2智能測試系統(tǒng)的典型結構

圖8-2智能測試系統(tǒng)的典型結構1232)數據采集子系統(tǒng)及接口數據采集子系統(tǒng)及接口用于和傳感器、測試元件、變送器聯(lián)接，實現參數采集、選路控制、零點校正、量程自動切換等功能。被測參數由數據采集子系統(tǒng)收集、整理后，傳送到微機子系統(tǒng)進行處理。

2)數據采集子系統(tǒng)及接口1243)基本I/O子系統(tǒng)及接口基本I/O子系統(tǒng)及接口用于實現人—機對話，輸入或修改系統(tǒng)參數，改變系統(tǒng)工作狀態(tài)，輸出測試結果，動態(tài)顯示測控過程，

實現以多種形式輸出、

顯示、

記錄、

報警等功能。

3)基本I/O子系統(tǒng)及接口1254)通信子系統(tǒng)及接口通信子系統(tǒng)及接口用于實現本系統(tǒng)與其他儀器儀表、系統(tǒng)的通信與互聯(lián)。依靠通信子系統(tǒng)，可根據實際問題需求靈活構造不同規(guī)模、不同用途的微機測控系統(tǒng)，如分布式測控系統(tǒng)、集散型測控系統(tǒng)等。通信接口的結構及設計方法與采用的總線技術、總線規(guī)范有關，例如有IEEE-488(或GP-IB)總線、RS-232C總線、STD總線、VXI總線、現場總線等?？偩€技術及規(guī)范不同，需要采用不同的軟硬件接口實現方法及不同的技術平臺支撐。

4)通信子系統(tǒng)及接口1265)控制子系統(tǒng)及接口控制子系統(tǒng)實現對被測控對象、被測試組件、測試信號發(fā)生器乃至系統(tǒng)本身和測試操作過程的自動控制。接口根據實際需要以各種形式大量存在于系統(tǒng)中，其作用是完成它所聯(lián)接的設備之間的信號轉換(如進行信號功率匹配、阻抗匹配、電平轉換和匹配)和交換信號（如控制命令、狀態(tài)／數據信號、尋址信號等)傳輸、信號拾取、對信息進行必要的緩沖或鎖存，增強微機自動測試系統(tǒng)的功能。

5)控制子系統(tǒng)及接口1278.2.2系統(tǒng)軟件組成設計好測試系統(tǒng)硬件之后，如何充分發(fā)揮微機強大的技術資源和潛力，開發(fā)友好的中文操作平臺，使系統(tǒng)具有良好的管理與控制特性，具有良好的可用性，需要很好的軟件設計技術和設計方法。設計系統(tǒng)軟件時，要經歷軟件結構設計、軟件編制、軟件調試等過程。一般采用模塊化和結構化程序設計方法，即自頂向下的設計方法，適當劃分模塊可提高設計與調試的效率。

8.2.2系統(tǒng)軟件組成128整個測試系統(tǒng)不僅要接收來自于傳感器或變送器的信號，而且要接收和處理來自于控制面板的控制信號或由通信系統(tǒng)傳來的控制命令等信號，還要求系統(tǒng)具有實時處理能力，能實時完成各種測控任務。因此，要合理安排程序的結構。測試系統(tǒng)的軟件通常由監(jiān)控主程序、中斷服務程序、測試算法、通信與控制程序等組成，

如圖8-3所示。

整個測試系統(tǒng)不僅要接收來自于傳感器或變送器的信號，而且129圖8-3測試系統(tǒng)的軟件組成

圖8-3測試系統(tǒng)的軟件組成1301)初始化管理模塊軟件初始化包括中斷安排、堆棧初始化、狀態(tài)變量初始化、各軟件標志初始化、系統(tǒng)時鐘初始化、各變量存儲單元初始化、系統(tǒng)參數初始化等。2)數據采集模塊數據采集模塊完成對數據采集電路的控制、測試數據的讀取與存儲等。3)測試算法模塊測試算法模塊用于非線性校正、

標度變換、

量程自動轉換、

軟件抗干擾等。

1)初始化管理模塊1314)人—機接口人—機接口包括顯示管理和鍵盤管理兩個模塊。測試結果的顯示方式有模擬顯示、數字顯示、混合顯示等。系統(tǒng)的鍵盤可采用編碼鍵盤或軟件掃描(非編碼)鍵盤，與系統(tǒng)采用的微處理機類型、鍵盤類型等有關。5)通信與控制模塊通信與控制模塊實現與上位機或其他儀器儀表、其他系統(tǒng)的互聯(lián)及通信控制。該模塊的設計與系統(tǒng)采用的通信總線標準、

通信協(xié)議、

通信接口電路等因素有關。

4)人—機接口1326)時鐘管理模塊定時電路及時鐘管理在微機自動測試系統(tǒng)中必不可少，其主要用于數據采樣周期定時、控制周期定時、多參數巡回顯示的顯示周期定時、故障監(jiān)視電路的定時信號等。定時的實現有硬件、軟件和軟硬件結合等方法。6)時鐘管理模塊1337)故障自診斷與處理故障自診斷與處理是提高系統(tǒng)可靠性和可維護性的重要手段之一。主要手段有以下三種。

（1）開機自檢：每當電源接通或復位后，系統(tǒng)自動執(zhí)行一次自檢程序，對硬件電路進行一次測試。（2）周期性自診斷：對系統(tǒng)周期性地進行自診斷。（3）

鍵控自診斷：

操作人員按“自診斷”按鍵啟動自診斷功能。

7)故障自診斷與處理1348)中斷管理中斷管理針對系統(tǒng)中的各種中斷源和所選用的微處理機的中斷結構，設計相應的中斷處理程序模塊，包括中斷管理模塊和中斷服務模塊。9)監(jiān)控主程序監(jiān)控主程序的主要作用是及時響應來自系統(tǒng)或外部的各種服務請求，有效地管理系統(tǒng)的軟硬件資源，并在系統(tǒng)一旦發(fā)生故障時，能及時發(fā)現和做出相應的處理。監(jiān)控主程序調用功能模塊，形成一個有機整體，實現對測試系統(tǒng)的全面管理，因此監(jiān)控軟件設計成為系統(tǒng)軟件的核心。

8)中斷管理1358.3智能測試系統(tǒng)的設計原則

8.3.1組建測試系統(tǒng)的基本原則將傳感器、調理電路、數據采集系統(tǒng)組建為一個測試系統(tǒng)的基本原則是使測試系統(tǒng)的基本參數、靜態(tài)性能及動態(tài)性能均達到預先規(guī)定的要求。組建過程中預估工作是非常重要的。預估工作就是根據對測量系統(tǒng)規(guī)定的參數指標要求，選擇和確定系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)(包括傳感器、調理電路和數據采集系統(tǒng))。如果選擇的環(huán)節(jié)性能過高，雖然能滿足系統(tǒng)性能的要求，但會使成本費用過高；8.3智能測試系統(tǒng)的設計原則8.3.1組建測試系統(tǒng)的基1368.3.2組建測試系統(tǒng)的基本方法

圖8-4基本測試系統(tǒng)

8.3.2組建測試系統(tǒng)的基本方法圖8-4基本測試系統(tǒng)137圖中的環(huán)節(jié)S1代表傳感器；環(huán)節(jié)S2代表調理電路。最簡單的調理電路是放大器；環(huán)節(jié)S3代表數據采集系統(tǒng)的核心單元——具有采樣/保持器的A/D轉換器。H1(jω)和H2(jω)分別代表傳感器S1與放大器S2的頻率特性。

圖中的環(huán)節(jié)S1代表傳感器；環(huán)節(jié)S2代表調理電路。最簡單的調1381．基本參數的預估基本參數的預估項目主要是分辨率與量程。設測試系統(tǒng)總的靈敏度為S，

可表示為

(8-1)預估時通常按系統(tǒng)的精度與量程以及工作環(huán)境等要求，先確定傳感器類型及其靈敏度值S1，，然后再根據系統(tǒng)要求的分辨率(由量程及精度指標得到)確定A／D轉換器的分辨率；最后，根據A／D轉換器的量程與傳感器的輸出范圍確定放大器的增益。一般要求A／D轉換器的分辨率應稍高于系統(tǒng)要求的分辨率。如果測試系統(tǒng)要求的A／D轉換器分辨率很高(14位以上)，可以考慮采用可編程增益放大器進行自動量程切換以達到所需的分辨率。

1．基本參數的預估(8-1)預估時通常按系統(tǒng)的139

2．動態(tài)性能的預估1)模擬部分傳感器與放大器的頻率特性分別為

(8-2)(8-3)因此，模擬部分總的頻率特性H(jω)為(8-4)2．動態(tài)性能的預估(8-2)(8-3)因此，模140故動態(tài)幅值誤差γ可表示為

(8-5)式中,當HN(jω)=HN(0)時，是信號傳遞功能的理想頻率特性。

一般傳感器為一階或二階系統(tǒng)，放大器為一階系統(tǒng)。當傳感器與放大器均為一階系統(tǒng)時，

這時動態(tài)幅值誤差γ為

(8-6)式中：τ1為傳感器的時間常數；τ2為放大器的時間常數。通常放大器給出的指標是帶寬fb，則。故動態(tài)幅值誤差γ可表示為(8-5)式中,當HN(jω)141將選取的τ1及τ2代人式(8—6)，應使ω=2πfm時滿足允許值，即

│γ│<5％

(8-7)若傳感器為二階系統(tǒng)，

放大器為一階系統(tǒng)，

這時有

(8-8)式中：ω0為傳感器的固有角頻率；ξ為傳感器的阻尼比。如果說明書未給出，則按ξ=0進行預估；τ2為放大器的時間常數，可按帶寬fb求得（τ2=1/(2πfb)）。將選取的τ1及τ2代人式(8—6)，應使ω=2πfm時滿足允142(2)數字部分數字部分與動態(tài)誤差有關的器件指標是A／D轉換器的轉換時間Tc、采樣保持器的孔徑時間TAP和孔徑抖動時間TAJ。

如果不采用采樣／保持器，在保證A／D轉換器轉換誤差不大于量化誤差的條件下，被測號的頻率最大值fH可表示為

(8-9)式中，n是A／D轉換器的位數。

(2)數字部分(8-9)式中，n是A／D轉換器的位數。143如果上述條件不能滿足，則需在A／D轉換器前加采樣／保持器。一般米說TAP的延時影響可以通過軟件提前下達指令的措施消除，故被測信號的頻率最大值fH可表示為

(8-10)式中，TAJ為孔徑抖動范圍，即孔徑不確定度，通常TAJ是TAP的10％～50％。

總的說來，含有傳感器的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)的動態(tài)性能主要受傳感器的限制。

如果上述條件不能滿足，則需在A／D轉換器前加采樣／保持器144

3．靜態(tài)性能的預估靜態(tài)性能的預估就是按總誤差的限定值對組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)進行誤差分配。這是一個從誤差預分配、綜合調整，再分配、再綜合直至選定環(huán)節(jié)的靜態(tài)性能滿足系統(tǒng)性能要求的過程。

根據式(8-1)可以寫出系統(tǒng)輸出y的表達式為

(8-11)3．靜態(tài)性能的預估(8-11)145對上式取對數并進行全微分，得

(8-12)(8-13)由于x是被測量，其誤差不屬于測量系統(tǒng)本身的誤差，故這里不予考慮。于是由式(8-13)可得對上式取對數并進行全微分，得(8-12)(8-13)146則

ry=r1+r2+r3

(8-14)式中：ry=dy/y為整機的相對誤差；r1=dS1/S1為S1環(huán)節(jié)的相對誤差；r2=dS2/S2為S2環(huán)節(jié)的相對誤差；r3=dS3/S3為S3環(huán)節(jié)的相對誤差。

如果進一步分析各環(huán)節(jié)本身的誤差因素，

可得

r1=r11+r12+r13+…r2=r21+r22+r23+…r3=r31+r32+r33+…

則ry=r1+r2+r3(8-14)式中：ry=147將r3、r2、r3代入式(8—14)得

ry=r11+r12+r13+…+r21+r22+r23+…+r31+r32+r33+…

式(8—14)用于已知各環(huán)節(jié)誤差的大小和符號時的誤差綜合，故適用于系統(tǒng)誤差。對于以計算機為核心的現代測試系統(tǒng)，由各環(huán)節(jié)的系統(tǒng)誤差產生的整機系統(tǒng)誤差可以通過標定實驗數據進行修正。因此，在靜態(tài)性能的預估時可只關心變化系統(tǒng)誤差(系統(tǒng)不確定度)和隨機誤差(隨機不確定度)，采用方和根法綜合，整機誤差為

(8-15)將r3、r2、r3代入式(8—14)得ry=r11148按照整機性能的要求，引用誤差小于1.0%，則整機的擴展不確定度U≤1.0%。為簡單起見取覆蓋因子ky=3（P≈0.99），則整機標準不確定μrc為

于是式(8-15)的誤差公式用不確定度表示為

按照整機性能的要求，引用誤差小于1.0%，則整機的擴展不1498.4虛擬儀器技術

8.4.1虛擬儀器的概念虛擬儀器實質上是一種創(chuàng)新的儀器設計思想，而非一種具體的儀器。換言之，虛擬儀器可以有各種各樣的形式，完全取決于實際的物理系統(tǒng)和構成儀器數據采集單元的硬件類型。圖8-5所示為常見的虛擬儀器方案。

8.4虛擬儀器技術8.4.1虛擬儀器的概念150圖8-5常見的虛擬儀器方案

圖8-5常見的虛擬儀器方案151虛擬儀器的“虛擬”主要表現在以下兩個方面：（1）虛擬儀器的面板是虛擬的。虛擬儀器面板上的各種“圖標”和傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的，由各種開關、按鈕、顯示器等圖標實現儀器電源的通、斷，被測信號的輸入通道、放大倍數等參數的設置以及測量結果的數值顯示和波形顯示等。

虛擬儀器的“虛擬”主要表現在以下兩個方面：152（2）虛擬儀器的測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現的。虛擬儀器是在以PC為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實現儀器的功能的，因為可以通過不同的測試功能軟件模塊的組合來實現多種測試功能。虛擬儀器和傳統(tǒng)的用硬件設計的測量儀器比較有自己獨特的優(yōu)勢，如表8-1所示。

（2）虛擬儀器的測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程153表8-1虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器比較

表8-1虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器比較1548.4.2虛擬儀器的組成1．虛擬儀器的硬件平臺構成虛擬儀器的硬件平臺有兩部分：計算機和I/O接口設備。1）計算機計算機一般為一臺PC機或者工作站，

是硬件平臺的核心。

8.4.2虛擬儀器的組成1552）I/O接口設備I/O接口設備主要完成被測輸入信號的采集、放大及模/數轉換。不同的總線有其相應的I/O接口硬件設備，如利用PC機總線的數據采集卡/板（簡稱DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串口總線儀器、PXI總線儀器模塊等。虛擬儀器構成方