測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理(中國(guó)礦大)第六章計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

第六章計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)第一節(jié)概述

一、計(jì)算機(jī)測(cè)試儀器的發(fā)展歷史

1、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試

在微機(jī)擴(kuò)展槽中插入ADC卡，或用集成有ADC的通用單片機(jī)，自編或調(diào)用采集、分析處理軟件。

2、PC機(jī)為主的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)3、GPIB接口的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以個(gè)人計(jì)算機(jī)為主，由一些高性能ADC、DAC插卡、專(zhuān)用預(yù)處理模塊和專(zhuān)用測(cè)試分析軟件組成的各種數(shù)據(jù)采集儀和分析儀。

以微機(jī)為核心，基于GPIB總線與多臺(tái)專(zhuān)用測(cè)試儀互聯(lián)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)4、個(gè)人儀器與虛擬儀器

以微型計(jì)算機(jī)為核心，輔以一定的硬件設(shè)備，用通用或?qū)Ｓ密浖_(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)儀器功能軟件的新一代測(cè)試儀器。二、計(jì)算機(jī)化測(cè)試儀器的主要特點(diǎn)

1、能對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的分析處理

如基于FFT的時(shí)域和頻域分析，振動(dòng)模態(tài)分析等。2、高精度、高分辨率和高速實(shí)時(shí)分析處理

可用軟件對(duì)非線性誤差進(jìn)行修正；更高位數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，足夠字長(zhǎng)位數(shù)的數(shù)值運(yùn)算，可使測(cè)試分析結(jié)果達(dá)到極高的幅值精度、頻率精度和分辯率；獲得大多數(shù)時(shí)、頻域分析結(jié)果。3、能以多種形式輸出信息

4、多功能

各類(lèi)圖形及圖表能直觀顯示分析結(jié)果，磁盤(pán)存貯便于建立檔案，數(shù)字通信可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程測(cè)試。使用者可任意擴(kuò)充分析處理功能，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)儀器作多種測(cè)試分析，儀器適應(yīng)性強(qiáng)。5、自測(cè)試和故障監(jiān)控儀器的自測(cè)試程序可對(duì)儀器自檢并修復(fù)一些故障。三、計(jì)算機(jī)測(cè)試儀器的基本組成與傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)相比之下，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系增加了微機(jī)部份。典型的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)如圖。1、微機(jī)系統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用。另外，利用其強(qiáng)大的信息處理能力和運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析處理、邏輯判斷、系統(tǒng)的自校正、自診斷等功能。2、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)選路控制、信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換等功能。將傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、整理后，傳送給微機(jī)系統(tǒng)。3、通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本測(cè)試系統(tǒng)與其它系統(tǒng)、儀器儀表的通信。由通信子系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況靈活構(gòu)造不同規(guī)模、不同用途的微機(jī)化測(cè)試系統(tǒng)。通信接口的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，與采用的總線規(guī)范和總線技術(shù)有關(guān)。4、輸出控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象、被測(cè)組件、控制對(duì)象、測(cè)試操作過(guò)程等的自動(dòng)控制。5、基本I/O子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人—機(jī)對(duì)話(huà)。輸入修改系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)置系統(tǒng)工作狀態(tài)、輸出測(cè)試結(jié)果、顯示測(cè)試過(guò)程、記錄測(cè)試數(shù)據(jù)等。第二節(jié)輸入和輸出通道一、信號(hào)輸入通道計(jì)算機(jī)的模擬信號(hào)輸入通道，主要有多路模擬開(kāi)關(guān)（記為MUX），采樣保持電路（記為S/H），A/D轉(zhuǎn)換器及其與微處理機(jī)的接口電路組成。1、多路模擬開(kāi)關(guān)多路模擬開(kāi)關(guān)是可程控的多路“通/斷”的電子開(kāi)關(guān)。目前常用是由八路以上的輸入通道，一路公共輸出，計(jì)算機(jī)通過(guò)地址線和一個(gè)片選端進(jìn)行通道選擇。主要技術(shù)指標(biāo)：導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間。

2、采樣保持（S/H）電路

在A/D轉(zhuǎn)化期間，應(yīng)保持A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)值不變，以免A/D轉(zhuǎn)換的輸出發(fā)生錯(cuò)誤。這種保持A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號(hào)不變的電路，稱(chēng)為采樣保持電路。

采樣狀態(tài)：電路的輸出始終跟隨輸入模擬信號(hào)；保持狀態(tài)：電路的輸出保持著前一次采樣結(jié)束前瞬時(shí)的輸入模擬量。圖8-3S/H電路基本原理二、A/D通道的結(jié)構(gòu)形式1、每通道具有獨(dú)立的S/H電路和A/D轉(zhuǎn)換器2、多通道分時(shí)共享S/H電路和A/D轉(zhuǎn)換器

3、多通道共享A/D轉(zhuǎn)換器4、主機(jī)算機(jī)管理的各通道獨(dú)立變換和預(yù)處理三、D/A通道的結(jié)構(gòu)形式1、每個(gè)通道有獨(dú)自的D/A轉(zhuǎn)換器

2、多路通道共享D/A轉(zhuǎn)換器第三節(jié)總線和接口技術(shù)

一、概述1、總線的分類(lèi)

按微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層次分：芯片總線最低一級(jí)的總線，用來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片之間的連接，也常稱(chēng)之為元件級(jí)總線。內(nèi)總線比芯片總線高一層次，用來(lái)連接各種插件板，以組成完整的微機(jī)化儀器或系統(tǒng)，常稱(chēng)它為板級(jí)總線。外總線比內(nèi)總線高一層次，用以實(shí)現(xiàn)儀器或系統(tǒng)之間的通信，以組成一種較大的系統(tǒng)，因此又稱(chēng)為通信總線。

按信息位傳送方式分：并行總線同時(shí)并行地傳遞信息的所有位，速度快，但用線多，成本高，不宜遠(yuǎn)距離通信；串行總線把全部信息放在一條或兩條導(dǎo)線上，一位接一位地分時(shí)串行傳遞，其速度慢，但用線少，成本低，適合遠(yuǎn)距離通信。2、總線規(guī)范機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范總線中所規(guī)定的各機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)。電氣規(guī)范總線中所規(guī)定的各電氣參數(shù)。

功能結(jié)構(gòu)規(guī)范。規(guī)定總線上每條信號(hào)的名稱(chēng)和功能、相互作用的協(xié)議等。

3、總線的性能指標(biāo)

總線寬度：數(shù)據(jù)總線的寬度，以位數(shù)(bit)為單位。尋址能力：地址總線的位數(shù)及所能直接尋址的存儲(chǔ)器空間的大小?？偩€頻率：總線周期的倒數(shù)傳輸率：每秒傳送字節(jié)數(shù)總線的通信協(xié)議

4、總線的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程總線完成一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間稱(chēng)為一個(gè)傳輸周期，一般可分成4個(gè)階段：申請(qǐng)分配階段當(dāng)系統(tǒng)總線上有多個(gè)主控模塊時(shí)，要使用總線的主模塊需提出申請(qǐng)，由總線分配仲裁功能確定把下一個(gè)傳輸周期的總線使用權(quán)授權(quán)給申請(qǐng)者。對(duì)于只有一個(gè)主控模塊的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，就無(wú)須這一階段。尋址階段

取得總線使用權(quán)的主模塊通過(guò)總線發(fā)出本次打算訪問(wèn)的從屬模塊或設(shè)備編號(hào)的地址及有關(guān)命令，以啟動(dòng)參與本次傳輸?shù)膹膶倌K，建立數(shù)據(jù)傳輸通路。傳輸數(shù)據(jù)階段

主模塊與從模塊或設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)由源模塊發(fā)出經(jīng)數(shù)據(jù)總線流人目的模塊。結(jié)束階段

主、從模塊的有關(guān)信息均從系統(tǒng)總線上撤除，讓出總線，以便其他模塊使用總線。

5、總線的數(shù)據(jù)傳輸方式

同步式傳輸

主、從模塊間的傳輸周期是固定的。其中每一步驟的起始時(shí)刻，主、從模塊雙方都要嚴(yán)格定的時(shí)間完成相應(yīng)的動(dòng)作。通常用系統(tǒng)時(shí)鐘作為各模塊動(dòng)作的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。微型計(jì)算機(jī)的CPU與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸就是典型的同步傳輸方式。異步式傳輸為了實(shí)現(xiàn)不同速度模塊的配合，采取異步式傳輸，即主模塊與從屬模塊之間通過(guò)“請(qǐng)求(REQ)和應(yīng)答(ACK)信號(hào)線來(lái)協(xié)調(diào)傳輸過(guò)程而不依賴(lài)于系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，從而增加了模塊選擇的靈活性。二、RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線RS-232C接口總線（RS-RecommededStandard）是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（ElectronicsIndustriesAssociation）1969年公布的用二進(jìn)制數(shù)據(jù)串行傳送的一種標(biāo)準(zhǔn)接口。1、RS232C接口標(biāo)準(zhǔn)接口的聯(lián)接器件

25條信號(hào)線，采用DB-25型25芯標(biāo)準(zhǔn)連接器。信號(hào)電平和邏輯

定義用±12Ｖ標(biāo)稱(chēng)脈沖電平實(shí)現(xiàn)信息傳送，采用負(fù)邏輯。-5V～-15V為邏輯“1”+5V～+15V為邏輯“０”。

-３Ｖ～+３Ｖ為過(guò)渡區(qū)，接口傳送出錯(cuò)。串行通信字符格式

使用起始位和停止位作為異步傳送方式的起止標(biāo)志。每個(gè)字符必須由起始位開(kāi)始，用停止位結(jié)束，稱(chēng)為一幀。數(shù)據(jù)傳送速率

用波特率來(lái)描述數(shù)據(jù)傳送的速率。其定義為每秒時(shí)間內(nèi)傳送串行字符的總位數(shù)，如每秒鐘傳送30個(gè)字符，每個(gè)字符由10位組成，則數(shù)據(jù)傳送速率為300位／s,而波特率或位速率為３００。RS232C接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，波特率在50～19.2K之間共分11個(gè)等級(jí)，由用戶(hù)按數(shù)據(jù)通信設(shè)備的快慢選用。2、RS232C的通信方式最小系統(tǒng)通信方式

三、儀器常用總線USB總線

USB(UniversalSerialBus)通用串行總線。其接口連接簡(jiǎn)單，可在不斷電情況下進(jìn)行連接，具有“即插即用”的功能。GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線

GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)通用接口總線。命令級(jí)兼容的外總線，主要用來(lái)連接各種儀器，組建由微機(jī)控制的中小規(guī)模的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。各種儀器只要配備了這種接口，就可以像搭積木一樣，按要求靈活組建自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。VXI總線

VXI(VMEbusextensionsforinstrumentation)總線結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。它將測(cè)量?jī)x器、主機(jī)架、固定裝置、計(jì)算機(jī)及軟件集為一體，是一種電子插入式工作平臺(tái)。VXI是VME在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，用這樣的總線結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)成高吞吐量的儀器系統(tǒng)是非常理想的。PXI總線PXI(PCIExtensionforInstrumentation)是由美國(guó)NI公司于1997年推出的測(cè)控儀器總線標(biāo)準(zhǔn)，它是以PCI計(jì)算機(jī)局部總線為基礎(chǔ)的模塊儀器結(jié)構(gòu)。PXI是一種專(zhuān)為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺(tái)，具備機(jī)械、電氣與軟件等多方面的專(zhuān)業(yè)特性。第四節(jié)微機(jī)化測(cè)試儀器

一、基于單片機(jī)的測(cè)試儀器

單片機(jī)：把一臺(tái)微機(jī)的主要部件如CPU、ROM、EPROM、RAM、I/O接口、定時(shí)計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等，全部集中在一個(gè)芯片上，一些高性能的單片機(jī)甚至包括有A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、硬件乘除功能部件、通用串行接口、DMA控制器、CRT控制器、EPROM和譯碼驅(qū)動(dòng)器等。二、虛擬儀器虛擬儀器（VirtualInstruments）以微型計(jì)算機(jī)為核心，輔以一定的硬件設(shè)備，用通用或?qū)Ｓ密浖_(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)儀器功能軟件的新一代測(cè)試儀器虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較1、虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu)