第九章微機在測試系統(tǒng)中應用課件

第九章計算機測試系統(tǒng)

1測試技術(shù)洪冶本章重點：數(shù)據(jù)采集理論和技術(shù)。自動測試系統(tǒng)設計方法。智能儀器設計。虛擬儀器系統(tǒng)網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序的編寫2測試技術(shù)洪冶9.1概述

計算機測試系統(tǒng)是傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號處理技術(shù)和計算機技術(shù)在測試領域技術(shù)融合的產(chǎn)物，它既能實現(xiàn)對信號的檢測，又能對測得的信號進行計算、分析、處理和判斷，目前已經(jīng)成為測試系統(tǒng)和測試儀器設計的主體模式。3測試技術(shù)洪冶1、發(fā)展簡史

計算機測試技術(shù)的研究和應用自20世紀60年代開始獲得實質(zhì)性的發(fā)展，隨著一些高性能的ADC、DAC插卡、專用預處理模塊和專用測試分析軟件的相繼出現(xiàn)，產(chǎn)生了以個人計算機為主的各種數(shù)據(jù)采集儀和分析儀。4測試技術(shù)洪冶由于通信、網(wǎng)絡、微米/納米技術(shù)、微機電技術(shù)及新型傳感器技術(shù)的進步，計算機測試系統(tǒng)設計更加靈活。系統(tǒng)設計方式從以單片微機為基礎的智能儀器到到以總線技術(shù)為基礎的自動測試系統(tǒng)和以網(wǎng)絡為基礎的網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)，滿足了測試領域不同的應用需要。5測試技術(shù)洪冶2、計算機測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)測試應用中，按照不同的測試要求，測試系統(tǒng)的設計可以設計成不同的結(jié)構(gòu)形式，大體可分為基本型、標準通用接口型、專用接口型和閉環(huán)控制型等類型。6測試技術(shù)洪冶計算機測試系統(tǒng)主要分為5個部分，即傳感模塊，信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)、計算機平臺和測試軟件平臺。通常數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)和計算機平臺稱為計算機測試系統(tǒng)的硬件平臺，主要結(jié)構(gòu)類型如下?；拘徒Y(jié)構(gòu)基本型是目前計算機測試系統(tǒng)的主要形式，由多路傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡（板）計算機及測試軟件等組成，各部分之間的連接是通過適當?shù)腎/O接口和總線來實現(xiàn)，能完成對多通道和多種參量的自動檢測。7測試技術(shù)洪冶標準通用接口型結(jié)構(gòu)

標準通用接口型測試系統(tǒng)中，所有模塊之間的接口都按照國際標準設計，具有組建方便、通用性好、適用性強、可擴展性和靈活性好等顯著優(yōu)點，應用極為普遍?？赏ㄟ^標準總線將各個臺式測試模塊連接起來，也可將有關插板部件模塊插入標準機箱擴展箱，即可非常方便地構(gòu)成測試系統(tǒng)。專門接口型結(jié)構(gòu)

專用接口型計算機測試系統(tǒng)由具有特定功能的模塊相互連接而成，是更專業(yè)、更大型、性能更優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集速度、通道數(shù)、抗干擾能力及專用數(shù)據(jù)采集和分析處理軟件等性能指標都優(yōu)于標準通用接口型，他在航空、航天、軍事等領域應用較廣。例如，美國Nicolet公司生產(chǎn)的Odyssey型多通道采集記錄分析儀、Pacific公司生產(chǎn)的Pacific-6000型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是在航天測控領域中應用較廣的兩種專用測試系統(tǒng)。8測試技術(shù)洪冶閉環(huán)控制型結(jié)構(gòu)

閉環(huán)控制型是指應用于閉環(huán)控制的測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)作為反饋環(huán)節(jié)，這種閉環(huán)控制系統(tǒng)通常稱為計算機測控系統(tǒng)，一般由實時數(shù)據(jù)采集、實時判斷決策和實時控制等組成。3、計算機測試系統(tǒng)的特點測試系統(tǒng)發(fā)展至今，大體經(jīng)歷了四代發(fā)展歷程，即模擬式、分立元件式、數(shù)字化式以及智能儀器（計算機核心的測試模式）。與傳統(tǒng)測試模式相比，計算機測試系統(tǒng)具有如下特點：高精度、高分辨率高速實時數(shù)據(jù)分析處理性能可靠、穩(wěn)定，維修方便數(shù)據(jù)輸出與存儲方便功能開放性自校準和自診斷功能9測試技術(shù)洪冶8.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在計算機測試系統(tǒng)中，將模擬信號轉(zhuǎn)換為相對應的計算機可使用的數(shù)字信號的過程稱為數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的過程。相應的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多路模擬開關、采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器等部分組成：9.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在計算機測試系統(tǒng)中，將模擬信號轉(zhuǎn)換為相對應的計算機可使用的數(shù)字信號的過程稱為數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的過程。相應的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。10測試技術(shù)洪冶9.2.1多路模擬開關常見的模擬開關有機電式和電子式兩大類。機電式主要包括各種電磁繼電器（如干簧繼電器等）主要用于大電流、高電壓、低速切換場所；電子多路開關由于是集成化無觸點開關，壽命長、體積小且干擾小，主要包括二極管、雙極型晶體管、場效應管等構(gòu)成的開關，主要性能和特點如下：11測試技術(shù)洪冶1、多路模擬開關的工作原理（1）工作原理開關元件—用于切換模擬信號的；驅(qū)動電路—按照控制指令，驅(qū)動開關元件完成通斷轉(zhuǎn)換的。12測試技術(shù)洪冶

工程應用中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采用集成多路模擬開關，因此本節(jié)重點討論集成多路開關。

一般的模擬多路開關必須與地址計數(shù)器和譯碼器配合使用，才能在計算機的控制下分別選通各路模擬信號。集成多路開關將多路開關、計數(shù)器、譯碼器及控制電路集成在一塊芯片上，給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計帶來了很大方便。16路集成多路開關，模擬量輸入部分由16個漏極連在一起的場效應管開關做成，開關驅(qū)動部分包括一個四位計數(shù)器和一個四－十六線譯碼器，如圖所示：13測試技術(shù)洪冶工作原理：計算機送出四位二進制數(shù)，如要選擇第１路輸入信號，則把計數(shù)器置為0001狀態(tài)，經(jīng)四－十六譯碼器后，第1根線輸出高電平，場效應管T1導通，，選中第1路信號。如果要連續(xù)選通第1路到第3路的信號，可以在計數(shù)器加入計數(shù)脈沖，每加入一次脈沖，計數(shù)器的值加1，狀態(tài)依次變?yōu)?001，0010，0011。14測試技術(shù)洪冶2、集成多路模擬開關的應用

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實際采樣點可能多達幾十個、甚至幾百個，而一片模擬多路開關的通道最多時有8路。以典型集成模擬開關CD4501進行介紹。（1）CD4501芯片結(jié)構(gòu)及工作原理CD4501芯片的結(jié)構(gòu)及管腳功能如圖15測試技術(shù)洪冶該型芯片采用16腳雙列直插式封裝，8通道單刀結(jié)構(gòu)，允許雙向使用，即可用于多到一的切換輸出，也可用于一到多的輸出切換。CD4501由三根地址線A，B，C及控制線的狀態(tài)來選擇8路中的一路，（低電平），芯片使能，其真值表如表所示。16測試技術(shù)洪冶（1）多路模擬開關的通道擴展方法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實際采樣點通常較多，因此需要對通道進行擴展。測試應用中，通常將多個多路開關加以組合，構(gòu)成多個通道，通道數(shù)一般為2n個。CD4501為8路模擬開關，如果采樣通道數(shù)超過8個，需要進行通道擴展，主要采用以下三種方法：將n片CD4501加以組合，用門電路（如或門、反相器等）組成地址譯碼器，產(chǎn)生n個選址信號（相當于片選信號，低電平有效），分別接各片CD4501的禁止端，即可把通道數(shù)擴展為8n個。將n片CD4501加以組合，采用集成的地址譯碼器產(chǎn)生n個選址信號。將n片CD4501加以組合，另外使用一片CD4501完成地址譯碼功能。17測試技術(shù)洪冶如圖所示為32路選1電路，從0~31，共32個通道18測試技術(shù)洪冶9.2.2采樣/保持電路采樣/保持電路（S/H）是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)中的重要組成部分，其基本功能是“凍結(jié)”時變信號的瞬時值，以確保信號A/D轉(zhuǎn)換時間內(nèi)模擬信號基本保持不變，以確保轉(zhuǎn)換精度，而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化。因此，采樣保持電路在保持階段相當于一個“模擬信號存儲器”。：19測試技術(shù)洪冶

采樣保持電路在原理上由一個開關和一個電容構(gòu)成，電容用于存儲模擬電壓，開關用于轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，因此采樣保持電路本質(zhì)上是一種具有信號輸入、信號輸出以及由外部指令控制的模擬門電路。1、工作原理20測試技術(shù)洪冶工作原理如下：

t1時刻前，控制信號為高電平，模擬開關K閉合，模擬輸入信號UI通過開關K加到電容CH上，使得電容CH端電壓UC跟隨模擬輸入信號UI的變化，這段時間為跟蹤期或采樣時間段。圖中t1前，t2-t3，t4-t5等時間段均為跟蹤期。t1時刻，控制信號為低電平，模擬開關K斷開，此時電容CH上的電壓UC保持模擬開關斷開瞬間的UI值不變并等待A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，這段時間為保持期。圖中t1-t2，t3-t4等時間段均為保持期。t2時刻保持結(jié)束，新一個跟蹤（采樣）時刻到來，控制信號重新為高電平，模擬開關K重新閉合，電容CH端電壓UC又跟隨模擬輸入信號UI的變化。采樣/保持過程配合A/D轉(zhuǎn)化過程進行變化，因此性能參數(shù)指標的匹配在數(shù)據(jù)采集過程中顯得尤為重要。。21測試技術(shù)洪冶采樣/保持電路是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件，具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：跟蹤狀態(tài)。接收模擬輸入信號，并精確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令為止。保持狀態(tài)。對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進行保持。

采樣/保持電路是在“保持”命令發(fā)出的瞬間進行采樣，而在“跟蹤”命令發(fā)出時，采樣/保持電路跟蹤模擬輸入量，為下次采樣做準備。22測試技術(shù)洪冶采樣/保持電路可以采用電子元器件來實現(xiàn)，實際構(gòu)建的測試系統(tǒng)多數(shù)采用集成芯片。采樣/保持電路的基本結(jié)構(gòu)有串聯(lián)型和反饋型。2、基本電路23測試技術(shù)洪冶串聯(lián)型采樣/保持電路

串聯(lián)型采樣/保持電路如上圖a所示。途中A1和A2分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提高采樣/保持電路的輸入阻抗，減少輸出阻抗以便與前級和后級電路連接。

當開關K閉合時，采樣/保持器處于跟蹤狀態(tài)。由于A1是高增益放大器，其輸出電阻很小，模擬開關K的導通電阻很小，輸入信號通過A1對電容CH的充電速度很快，CH的電壓將跟蹤輸入電壓UI的變化，而A2也接成電壓跟隨器，具有較高的輸入電阻，電容CH上的電荷泄放比較慢。當Ｋ斷開時，采樣保持器從跟蹤狀態(tài)變?yōu)楸３譅铙w，CH沒有充放電回路，理想狀態(tài)下CH上的電壓與A2的輸出電壓一致并保持K斷開瞬間UI的最終值上。24測試技術(shù)洪冶反饋型采樣/保持電路

反饋型采樣保持電路如圖b所示，輸出電壓UO反饋到輸入端，使A1和A2共同組成一個跟隨器。開關K1和K2關系互補，當K1閉合時，K2斷開；K2閉合時，K1斷開。當K1閉合，K2斷開時，兩塊運放A1和A2共同組成一個跟隨器，采樣／保持器工作于跟蹤狀態(tài)。當K1斷開，K2閉合時，采樣/保持電路工作與保持狀態(tài)。此時，保持電容CH的端電壓UC保持在K1斷開瞬間UI的值上，使UO與UI的值保持一致。在保持狀態(tài)，影響輸出電壓精度的因素是保持狀態(tài)前瞬間A1運放的失調(diào)電壓。所以，這種類型的采樣/保持電路的精度高于串聯(lián)型。25測試技術(shù)洪冶3、采樣/保持電路的主要性能參數(shù)采樣/保持電路的主要性能參數(shù)如圖所示：捕捉時間TAC

捕捉時間TAC是指當采樣保持電路從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤（采樣）狀態(tài)時，采樣/保持電路的輸出從保持狀態(tài)的值變化到當前的輸入值所需要的時間，如上圖所示。捕捉時間包括邏輯輸入開關的動作時間、保持電容的充電時間、放大器的設定時間等。26測試技術(shù)洪冶孔徑時間TAP孔徑時間TAP是指保持命令發(fā)出后，直到模擬開關K完全斷開所需要的時間。采樣保持電路中，模擬開關從閉合到完全切斷需要一定的時間，當接收到保持指令時，采樣/保持電路的輸出并不保持在指令發(fā)出瞬間的輸入值上，而會跟著輸入變化一段時間。由于這段時間的存在，延遲了采樣時間，因此計算機控制A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣的過程應考慮預留出該段時間。保持電壓的衰減率當采樣/保持器處于保持狀態(tài)時，由于保持電容CH泄漏電流的存在，使得保持電壓有一定衰減，下降值隨保持時間增大而增大，衰減速率用保持電壓的下降率來表示式中

I—保持電容CH的漏電流。為了減小保持電壓衰減率，設計時應采用優(yōu)質(zhì)電容CH。27測試技術(shù)洪冶4、采樣/保持電路的應用采樣頻率的選擇測試系統(tǒng)中，對有限帶寬的模擬信號進行采樣，只有在采樣頻率至少2倍于信號最高頻率，才能保證不失真地恢復模擬信號，因此有：28測試技術(shù)洪冶解：從題中可以看出，與和相比，可以忽略根據(jù)采樣頻率計算公式，有：實例分析：已知采樣/保持電路的捕捉時間孔徑時間，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間（時鐘頻率為640kHz），計算系統(tǒng)可采集的最高輸入信號頻率。

測試系統(tǒng)所采用的采樣/保持電路大都集成在一塊集成芯片上，芯片內(nèi)不包含保持電容，因此需要外接，容量大小根據(jù)用戶的需要選擇。一般來講，采樣頻率越高，保持電容越小，反之采樣頻率低，但要求精度較高時可選用較大的電容。典型采樣/保持集成芯片的選用29測試技術(shù)洪冶采樣/保持集成芯片有以下三類：

通用芯片：AD583K，AD582，LF398（298，198）等；高速芯片：THS-0025，THC-0300等；高分辨率芯片，如SHA1144等。以AD582芯片為例進行介紹：AD582是美國AnalogDevices公司生產(chǎn)的通用型采樣/保持芯片（國產(chǎn)型號5G582）。它由一個高性能的運算放大器，低漏電阻的模擬開關和一個由結(jié)型場效應管集成的放大器組成。該芯片采用14腳雙列直插式封裝，其管腳及結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。30測試技術(shù)洪冶

應用中，腳1位同相輸入端，腳9為反相輸入端，保持電容CH接在腳6與腳8之間，腳11和腳12為邏輯控制器，腳3和腳4接直流調(diào)零電位器，腳10和腳5是正負電源，腳2，7，13和14為空腳（Nc）。下圖為AD582的常用電路。31測試技術(shù)洪冶AD582是反饋型采樣/保持芯片，保持電容接在運算放大器A2的輸出端（腳8）和反相輸入端（腳6）之間。該種接法增益為１，輸出不反相，可以實現(xiàn)以較小的電容獲得較高的采樣速率。當精度要求不高（±0.1%）而速度要求較高時，可選CH＝100pF，這樣捕捉實踐。當精度要求較高（±0.015%）時，為減小反饋的影響并減緩保持電壓的下降，應去CH＝1000pF。。32測試技術(shù)洪冶9.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC（AnalogtoDigitalConverter），而數(shù)/模轉(zhuǎn)換器則是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC（DigitaltoAnalogConverter），用于把微處理器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號。目前，A/D芯片或D/A芯片均以集成在芯片上，設計測試系統(tǒng)時，無需了解其內(nèi)部電路的細節(jié)，重點在于掌握芯片的外部特性和使用方法。

1、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的分類A/D轉(zhuǎn)換器的分類方法從“量化是一種比較過程”這一基本概念出發(fā)，從比較的角度可以分為兩種類型，直接比較型和間接比較型：33測試技術(shù)洪冶直接比較型

將輸入的采樣模擬量直接與作為標準的基準電壓相比較，得到按數(shù)字編碼的離散量或直接得到數(shù)字量，主要包括連續(xù)比較、逐次比較等。這類轉(zhuǎn)換屬瞬時比較，速度較快，但抗干擾能力差。間接比較型

將輸入的采樣模擬量與基準電壓轉(zhuǎn)變成中間物理量，然后進行比較，然后將比較得到的時間（t）或頻率（f）進行數(shù)字編碼。這類轉(zhuǎn)換屬平均值響應，轉(zhuǎn)換速度慢，但抗干擾能力強，有雙斜式、脈沖調(diào)寬型、積分型、自動校準積分型等類型。34測試技術(shù)洪冶A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標A/D轉(zhuǎn)換器可以將聲、光、壓力以及溫度等隨時間連續(xù)變化的非電物理量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號采樣，轉(zhuǎn)換成具有一定精度的數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標主要有以下幾個方面。分辨率

分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬輸入信號的最小變化量，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示。設A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，滿量程電壓為FSR，則分辨率定義為35測試技術(shù)洪冶

滿量程電壓為10V的12位A/D轉(zhuǎn)換器，則轉(zhuǎn)換器對模擬輸入電壓的分辨能力為2.44mV；如果滿量程5V的8位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨能力為19.6mV。目前常用的A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)一般有8位、10位、12位、14位及16位等。精度A/D轉(zhuǎn)換器的精度分為絕對精度和相對精度。（1）絕對精度

絕對精度定義為對應于輸出數(shù)據(jù)的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。絕對誤差一般在范圍內(nèi)。絕對誤差包括增益誤差、偏移誤差、非線性誤差，也包括量化誤差。36測試技術(shù)洪冶（2）相對精度

相對精度定義為絕對精度與滿量程電壓值之比的百分數(shù)。即

所謂相對就是相對于滿量程電壓值，因此分辨率很高的A/D轉(zhuǎn)換器，可能因為溫度飄移、線性不良等原因，并不一定具有很高的精度。

量程是指A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號的電壓范圍，如0V~5V，-5V~+5V，0V~10V，-10V~+10V。量程37測試技術(shù)洪冶轉(zhuǎn)換速率是指能夠重復進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒鐘轉(zhuǎn)換的次數(shù)。轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率（1）轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換時間是指按照規(guī)定的精度將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出所需要的時間。一般用微秒（μs）或毫秒（ms）來表示。通常轉(zhuǎn)換時間是根據(jù)模擬輸入電壓值來規(guī)定的，也有根據(jù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來確定的，如逐次逼近型A/D型轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間是恒定的。也有轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間與待轉(zhuǎn)換的信號的值有關。（2）轉(zhuǎn)換速率38測試技術(shù)洪冶溫度系數(shù)和增益系數(shù)溫度系數(shù)和增益系數(shù)均表示A/D轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度，一般用每攝氏度溫度變化所產(chǎn)生的相對誤差作為指標，以ppm/oC為單位表示。A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換是一個具有反饋回路的閉路系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換器可劃分為比較環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)及比較標準（D/A轉(zhuǎn)換器）。其工作原理為：將待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號Vin與一個“推測”信號V1相比較，根據(jù)推測信號是大于還是小于輸入信號來決定減小還是增大該推測信號，以便向模擬輸入信號逼近。推測信號有D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得，當推測信號與模擬輸入信號“相等”時，向D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字即為對應的模擬輸入的數(shù)字。39測試技術(shù)洪冶40測試技術(shù)洪冶雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成，如圖8-12a所示。其工作原理是將未知電壓Vx轉(zhuǎn)換成時間值來間接測量的，所以雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器也叫做T-V型A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換過程為，開關先把Vx采樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間T的正向積分，時間T到后，開關將與Vx極性相反的基準電壓VREF輸入到積分器進行反相積分，到輸出為零伏時停止反相積分。41測試技術(shù)洪冶2、數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理D/A轉(zhuǎn)換器主要分為并行D/A轉(zhuǎn)換器和串行D/A轉(zhuǎn)換器，在基本組成上可分為四個部分：電阻網(wǎng)絡、模擬切換開關、基準電源和運算放大器。42測試技術(shù)洪冶

并行D/A的位數(shù)與輸入數(shù)碼的位數(shù)相同，對應輸入數(shù)碼的每一位都設有信號輸入端，用以控制相應的模擬切換開關，把基準電壓UREF接到電阻網(wǎng)絡上，工作原理如圖所示：并行D/A轉(zhuǎn)換器工作原理43測試技術(shù)洪冶

電阻網(wǎng)絡將基準電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娏骰螂妷?，在運算放大器的輸入端進行總加。放大器的輸出則反映輸入數(shù)碼的大小。

設輸入數(shù)字量：

則：

并行D/A轉(zhuǎn)換器中，最常用的電阻網(wǎng)絡為“T”形網(wǎng)絡。以12位T形網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器原理來分析，如圖所示44測試技術(shù)洪冶12位D/A轉(zhuǎn)換器由12個串聯(lián)分路開關、27個精密電阻和一個運算放大器組成。電阻網(wǎng)絡只用R及2R兩種規(guī)格的電阻。電阻網(wǎng)絡的輸出接至運算放大器，若反饋電阻Rf的值為3R，則總的輸出電壓UO為：45測試技術(shù)洪冶串行D/A轉(zhuǎn)換器工作原理串行D/A轉(zhuǎn)換器應用于數(shù)字量以串行方式輸入的場合。串行D/A轉(zhuǎn)換器的工作節(jié)拍tC是和串行二進制數(shù)碼定時同步的，在時鐘同步下控制D/A轉(zhuǎn)換器一位接一位地工作。串行二進制脈沖轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換器的模擬電壓輸出UO為46測試技術(shù)洪冶D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標主要包括：分辨率D/A轉(zhuǎn)換器分辨率定義為最小輸出電壓（對應的輸入數(shù)字量只有最低有效位為“1”）與最大輸出電壓（對應的輸入數(shù)字量所有有效位全為“1”）之比。如n位D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率為。在實際應用中，分辨率的表示方法也用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示。非線性誤差與線性度D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差定義為實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，并以該偏差相對于滿量程的百分數(shù)度量。47測試技術(shù)洪冶建立時間建立時間反映D/A轉(zhuǎn)換從一個穩(wěn)態(tài)值向另一個穩(wěn)態(tài)值過渡的時間長短。不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間也不同，一般從幾個毫微秒到幾個微秒。若輸出為電流則建立時間相對較短，若輸出形式為電壓，則建立時間主要是輸出運算放大器所需要的響應時間。48測試技術(shù)洪冶9.2.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方式1、微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集板卡、微型計算機及外設等組成，其中數(shù)據(jù)采集板卡包括信號調(diào)理模塊、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊。采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。1、微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集板卡、微型計算機及外設等組成，其中數(shù)據(jù)采集板卡包括信號調(diào)理模塊、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊。采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。49測試技術(shù)洪冶2、分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)是以總線技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、Ethernet網(wǎng)絡技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)等為支撐的網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)采集技術(shù)，如圖所示：50測試技術(shù)洪冶9.3自動測試系統(tǒng)

自動測試系統(tǒng)通常意義上講指采用計算機控制技術(shù)，能實現(xiàn)自動化測試的系統(tǒng)，能自動完成激勵、測量、數(shù)據(jù)處理并顯示或輸出結(jié)果。9.3.1自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點

自動測試系統(tǒng)（ATS—AutomaticTestSystem）通常是以計算機為核心，通過程控指令的指揮，能自動完成預定測量任務而組合起來的測量儀器和其他設備的有機整體。自動測試系統(tǒng)包括五部分：51測試技術(shù)洪冶52測試技術(shù)洪冶9.3.2自動測試系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1、第一代自動測試系統(tǒng)

第一代自動測試系統(tǒng)以專用系統(tǒng)為主，系統(tǒng)的設計通常是針對某項具體任務。系統(tǒng)中，計算機與被測目標之間，計算機與測試儀器之間以及測試儀器之間的接口沒有標準化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。1、第一代自動測試系統(tǒng)

第一代自動測試系統(tǒng)以專用系統(tǒng)為主，系統(tǒng)的設計通常是針對某項具體任務。系統(tǒng)中，計算機與被測目標之間，計算機與測試儀器之間以及測試儀器之間的接口沒有標準化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。53測試技術(shù)洪冶2、第二代自動測試系統(tǒng)

第二代自動測試系統(tǒng)的主要特點標準接口、標準總線，即采用標準通用的可程控測量儀器接口總線（IEEE488，IEEE538等）以及可程序控制的儀器和測控計算機（控制器）。第二代自動測試系統(tǒng)中，代表性的是IEEE488，CAMAC（IEEE538）標準接口系統(tǒng)。2、第二代自動測試系統(tǒng)

第二代自動測試系統(tǒng)的主要特點標準接口、標準總線，即采用標準通用的可程控測量儀器接口總線（IEEE488，IEEE538等）以及可程序控制的儀器和測控計算機（控制器）。第二代自動測試系統(tǒng)中，代表性的是IEEE488，CAMAC（IEEE538）標準接口系統(tǒng)。54測試技術(shù)洪冶3、第三代自動測試系統(tǒng)

第三代自動測試系統(tǒng)的特點是以計算機為核心，并取代傳統(tǒng)電子設備的大部分功能，成為測量儀器的一個不可分割的組成部分，與測試系統(tǒng)榮為一體。自動測試系統(tǒng)建化為由微型計算機、通用硬件和軟件部分組成。55測試技術(shù)洪冶9.4智能儀器

智能儀器是計算機技術(shù)與測量儀器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計算機或微處理器的測量儀器，它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能的作用（表現(xiàn)為智能的延伸或加強等）。

9.4.1智能儀器的組成

智能儀器實際上是一個專用的微型計算機系統(tǒng)，由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分主要包括主機電路、模擬量輸入/輸出通道、人-機接口電路、通信接口電路，其通用接口框圖如圖所示。56測試技術(shù)洪冶57測試技術(shù)洪冶9.4.2智能儀器的性能特點

智能儀器是計算機技術(shù)與測量儀器相結(jié)合的產(chǎn)物，具有的軟件系統(tǒng)使儀器在測試過程中具有智能。相對于傳統(tǒng)的以模擬電子技術(shù)和純硬件為基礎的儀器系統(tǒng)，智能儀器具有如下特點：友好的人機交互性能較高的自動化測量性能集成化和模塊化促進了儀器的高性能智能儀器的網(wǎng)絡化58測試技術(shù)洪冶9.4.3智能儀器的典型功能

智能儀器的主要特征是以微處理器為核心進行工作，因而智能儀器具有強大的控制和數(shù)據(jù)處理功能，使測量儀器在實現(xiàn)自動化、改善性能、增強功能以及提高精度和可靠性等方面發(fā)生了較大的變革。

硬件故障的自檢

所謂自檢就是利用事先編制好的檢測程序?qū)x器的主要部件進行自動檢測，并對故障進行定位。智能儀器自檢的內(nèi)容可以根據(jù)實際需要設置,通常包括對面板鍵盤、顯示器、ROM、RAM、總線、接插件等的檢查。59測試技術(shù)洪冶自動測量功能

智能儀器的典型特點是實現(xiàn)了測量過程的自動化。智能儀器通常都含有自動量程轉(zhuǎn)換、自動零點調(diào)整、自動校準功能，有的儀器還能進行自動觸發(fā)電平調(diào)節(jié)。這樣，儀器操作人員就省去了大量繁瑣的人工調(diào)節(jié)，同時也提高了測試精度。由于不同儀器的功能及性能差別很大，因而測試過程自動化的設計應結(jié)合具體儀器考慮。9.4.4智能儀器的發(fā)展趨勢

以新型傳感器為基礎應用領域不斷細化智能儀器的微型化智能儀器的網(wǎng)絡化智能儀器系統(tǒng)的規(guī)范化和標準化智能信息處理的人工智能化60測試技術(shù)洪冶9.5虛擬儀器系統(tǒng)9.5.1概述9.5..2虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)9.5.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介9.6.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例測試技術(shù)洪冶1986年美國國家儀器公司（NI）提出了虛擬儀器的概念，標志著一種完全采用新檢測理念、新儀器結(jié)構(gòu)、新檢測方法、新開發(fā)手段的儀器系統(tǒng)的誕生。通常意義上說，虛擬儀器就是利用I/O接口設備完成信號的采集、測量與調(diào)理，利用計算機軟件來實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理，利用計算機顯示器來模擬傳統(tǒng)儀器控制面板來輸出檢測結(jié)果，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器基于計算機總線和模塊化儀器總線技術(shù)，硬件實現(xiàn)了模塊化、系列化，同時利用計算機及軟件將多種檢測功能集成于一體的方法不僅縮短了檢測時間，而且也提高了檢測的精度。測試技術(shù)洪冶9.5.1概述虛擬儀器用于檢測技術(shù)的背景

計算機科學和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，有力地促進了多年來發(fā)展相對緩慢的儀器技術(shù)。目前正在研究的第三代自動測試系統(tǒng)中，計算機處于核心地位，計算機軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成了一個有機整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設計觀念等都發(fā)生了突破性的變化，這種突破性變化所帶來的是新的儀器概念——虛擬儀器VI（VirtualInstrument）。測試技術(shù)洪冶虛擬儀器的基本概念

第一代儀器是模擬式儀器儀表。主要結(jié)構(gòu)是基于電磁機械式機構(gòu)，其測量結(jié)果是依靠指針顯示，也稱為模擬指示儀表，如模擬萬用表、模擬函數(shù)發(fā)生器、指針式電壓表等。第二代是數(shù)字化儀器。將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以數(shù)字形式輸出與顯示出結(jié)果。如數(shù)字萬用表、數(shù)字存儲示波器、數(shù)字電壓表等。第三代是智能儀器。內(nèi)部有微處理器，可進行自動檢測，可以替人腦具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，故稱“智能”儀器，其主要功能模塊是硬件與固化的軟件，對開發(fā)和應用仍不靈活。隨著計算機硬件技術(shù)、軟件技術(shù)、總線技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了全新概念的第四代儀器——虛擬儀器。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合在一起，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。在以PC機為基礎的虛擬儀器中，一個典型的虛擬儀器系統(tǒng)包括：計算機、VI軟件、數(shù)據(jù)采集卡、硬件接口、電荷放大器、傳感器和連接電纜等。其中，VI軟件占主導地位。測試技術(shù)洪冶虛擬儀器的應用前景

自1986年NI公司提出了虛擬儀器的概念后，虛擬儀器技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在科研、開發(fā)、測量、計量、測控等領域得到了廣泛的應用。由于虛擬儀器的接口具有通用性、開放性，很容易將現(xiàn)有設備儀器聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程檢測與控制，實現(xiàn)大規(guī)模自動化，而且儀器資源的充分利用、檢測成本的降低，測控系統(tǒng)的功能提高，其應用范圍的大大拓展等特點，在將來的發(fā)展中定會使其在全球優(yōu)勝劣汰中脫穎而出。專家分析預測在中國市場將有50%的儀器為虛擬儀器。測試技術(shù)洪冶9.5.2虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)虛擬儀器的功能組成

如圖12-1所示，虛擬儀器應用程序?qū)⒖蛇x硬件（如GPIB、VXI、RS232、DAQ板）和軟件結(jié)合在一起實現(xiàn)儀器模塊之間的通信、定時和觸發(fā)。軟件為檢測人員構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。

測試技術(shù)洪冶9.5.2虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)虛擬儀器的實現(xiàn)基礎1．虛擬儀器的硬件基礎

在虛擬儀器中，插入式數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）是最常用的接口形式之一，其功能是將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集到計算機中。目前插入式數(shù)據(jù)采集卡已具有兆赫級的采樣速度，精度高達24位，具有可靠性高、功能靈活、性能/價格比高等特點。用數(shù)據(jù)采集卡配以計算機平臺和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集控制儀器/系統(tǒng)，如信號發(fā)生器、電路和器件測試儀等。2．虛擬儀器的軟件基礎

在虛擬儀器系統(tǒng)中強調(diào)“軟件構(gòu)成儀器”的概念，硬件僅僅是為了解決信號的輸入與輸出，軟件才是整個儀器的關鍵。用戶可以根據(jù)自己需要定義儀器的功能，通過修改軟件的方法很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，并可以方便地同外設、網(wǎng)絡及其他應用連接。虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)主要包括：儀器I/O接口軟件、儀器驅(qū)動程序和應用軟件三部分。測試技術(shù)洪冶9.5.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介LabVIEW的主要特點LabVIEW最大的特點就是圖形化編程。除了圖形化特點以外，LabVIEW還具有以下特點：

1．功能強大的函數(shù)庫，提供了用于輸入/輸出、控制、分析和數(shù)據(jù)顯示的幾百個內(nèi)置函數(shù)，用戶可以直接調(diào)用，提高了工作效率。

2．LabVIEW具有內(nèi)置32位程序編譯器。

3．靈活的程序調(diào)試手段?？稍O置斷點、單步運行、高亮執(zhí)行及設置探針等程序調(diào)試手段來檢查程序設計中的錯誤。

4．開放式的開發(fā)平臺，LabVIEW可通過ActiveX技術(shù)應用、動態(tài)數(shù)據(jù)交換、調(diào)用庫函數(shù)、代碼接口節(jié)點等實現(xiàn)與其他應用程序的鏈接，使檢測人員在LabVIEW中能方便地使用其他軟件開發(fā)編譯的模塊。

5．支持多種操作系統(tǒng)。LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh等多種版本。

6．強大的Internet功能，支持常用網(wǎng)絡協(xié)議，易于構(gòu)建基于計算機網(wǎng)絡的測試系統(tǒng)。

7．集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能。測試技術(shù)洪冶9.5.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介LabVIEW的硬件接口LabVIEW本身提供了超過400個儀器驅(qū)動器，如果檢測人員使用的是相應硬件，只需用其提供的DAQWizard功能，組合幾個數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)陳述和用戶界面子VI即可快速、容易地創(chuàng)建自己的虛擬儀器。如果不是，LabVIEW還提供了通用的硬件接口（包括IEEE488（GPIB），RS232/422和VXI，以及插入式的A/D，D/A和數(shù)字式I/O板），任何提供了Windows驅(qū)動程序（DLL，VXD）的硬件都可以在LabVIEW下正常工作。

LabVIEW自身包含超過170種的分析功能，包括信號發(fā)生/仿真、數(shù)字信號處理、數(shù)字濾波器、時間、頻率合并分析以及脈沖/入口探測等。此外，允許檢測人員自己編寫C和Matlab代碼實現(xiàn)特定功能，直接嵌入VI中，當作子VI來運行。測試技術(shù)洪冶9.5.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介LabVIEW應用程序的構(gòu)成

前面板（也稱之為人機界面）是程序與用戶交流的窗口，可以設置各種輸入控制參數(shù)和觀察輸出量。

1．前面板（FrontPanel）測試技術(shù)洪冶9.5.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介LabVIEW應用程序的構(gòu)成

程序框圖是VI的圖形化源代碼，是實現(xiàn)程序的核心，可以把它想象成傳統(tǒng)儀器機箱中用來實現(xiàn)功能的零部件，控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。2．程序框圖（BlockDiagram）測試技術(shù)洪冶9.5.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介LabVIEW應用程序的構(gòu)成

VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個VI可以作為子程序，這里稱為子VI（sub—VI），被其他VI調(diào)用。圖標表示在其他程序中被調(diào)用的子程序。而連接器表示圖標的輸入/輸出口，類似于子程序的參數(shù)端口。3．圖標/連接器（Icon/Connector）測試技術(shù)洪冶9.5.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介LabVIEW的模板簡介

在LabVIEW的用戶界面上包括三種模板：工具模板（ToolsPalette）、控件模板（ControlsPalette）和函數(shù)模板（FunctionsPalette），通過它們即可實現(xiàn)程序的開發(fā)。測試技術(shù)洪冶9.5.3圖形化編程語言——LabVIEW簡介程序的運行與調(diào)試1）找出語法錯誤2）設置執(zhí)行程序高亮3）斷點與單步執(zhí)行4）探針1．程序的運行2．程序的調(diào)試測試技術(shù)洪冶9.5.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的硬件部分1．人體溫度檢測系統(tǒng)在硬件方面，主要采用NI6014多功能信號采集卡和DAQ模組。

1）NI6014多功能信號采集卡

2）DAQ模組

DAQ卡屬于熱敏電阻，其阻值隨溫度的變化而變化。2．通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡來測量信號時，需考慮連接模式（單點式或差動式輸入）、精度、工作電壓范圍、取樣速率、增益等。

1）模式

2）精度

3）工作電壓范圍

4）增益

5）取樣速率

6）干擾測試技術(shù)洪冶9.5.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的軟件部分

首先建立人體溫度檢測系統(tǒng)所需要的人機界面（前面板），希望可以直觀的觀測檢測時溫度值，以及整個檢測過程中溫度的變化曲線，如圖12-7所示。

1．人機界面測試技術(shù)洪冶9.5.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的軟件部分

程序框圖設計必須與人機界面相對應，使其能夠控制和操縱定義在人機界面上的輸入和輸出功能。2．程序框圖測試技術(shù)洪冶9.5.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的檢測原理

基于LabVIEW虛擬儀器的人體溫度檢測系統(tǒng)將溫度信號采集輸入后進行運算，得出實際溫度，同時完成實時顯示、報警等功能，其程序流程圖如圖12-9所示。1．人體溫度檢測系統(tǒng)的程序流程圖測試技術(shù)洪冶9.5.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的檢測原理

由于人體溫度主要由血液運輸經(jīng)過動脈或靜脈所產(chǎn)生。一般情況下，耳朵溫度較接近人體體溫，而手指溫度則偏低，且手指溫度易受外在溫度上升或下降的影響，所以耳朵溫度和手指溫度之間存在一定的溫度差。采用人體溫度檢測系統(tǒng)測量體溫時，手指溫度的測量相對簡單、方便，因此，考慮通過測量手指溫度X加上它與耳朵溫度的差值△T，就可以得出實際的人體溫度（耳溫）T，即T=△T+X（℃）。為了得到比較準確手指溫度與耳朵溫度的溫度差（△T），必須進行多次反復測溫?，F(xiàn)在，在一百次測溫取樣中，取每十次人體溫度求平均值，最后算出平均溫度差。表12-5為其中五次溫度值，可以看出耳朵溫度（人體體溫）與手指溫度的平均值分別為36.88℃、212.70℃，平均溫度差為12.18℃。2．人體溫度測量原理測試技術(shù)洪冶9.5.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的運行結(jié)果

人體在正常狀態(tài)下，人體溫度檢測系統(tǒng)檢測手指溫度，界面顯示溫度由35.18℃變化到37.26℃的曲線，如圖12-10所示。人機界面顯示溫度為修正的溫度，即測量溫度加上12.18℃溫度差。所以，當人體溫度是37.26℃時，實際手溫為29.08℃。1．正常狀態(tài)測試技術(shù)洪冶9.5.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的運行結(jié)果

當手拿過一杯溫度為22.00℃的水后，可以驗證手溫下降約6.05℃。用人體溫度檢測系統(tǒng)測量體溫時，測出手溫為23.03℃，而人體正常手溫為29.08℃，隨著時間的推進，溫度以等差方式上升，溫度差大，上升速度較快，逐步恢復到37.26℃，如圖12-12所示。

2．低溫狀態(tài)測試技術(shù)洪冶9.5.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的運行結(jié)果

當手拿過一杯溫度為40.00℃的水后，可以驗證手溫上升約2.23℃，用人體溫度檢測系統(tǒng)測量體溫時，溫度以等差方式下降，過程與冷溫情況相似。最后，溫度恢復到37.26℃，溫度變化得過程如圖12-14（a）和（b）所示。3．高溫狀態(tài)測試技術(shù)洪冶9.5.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的運行結(jié)果

測量人體溫度時，通常會有高溫、正常、低溫三種情形。由圖12-16可知，在正常情況下，人體溫度會快速上升，保持水平穩(wěn)定狀態(tài)，低溫需要等待6分鐘，高溫則需要等待35分鐘后，人體溫度曲線才會顯示水平穩(wěn)定狀態(tài)，最后得到人體的正確溫度。4．三種人體溫度比較測試技術(shù)洪冶9.5.4基于LabVIEW虛擬儀器在檢測技術(shù)中的應用實例人體溫度檢測系統(tǒng)的運行結(jié)果

綜上所述，人體不管是正常狀態(tài)、低溫狀態(tài)或高溫狀態(tài)，用人體溫度檢測系統(tǒng)測量，從DAQ卡傳送至計算機，可以由LabVIEW人機界面，直觀了解人體的準確溫度，雖然有人為溫度誤差和系統(tǒng)溫度誤差，但都在可以控制的允許范圍內(nèi)，所以比一般溫度計測量準確性更高，檢驗速度更快，且可記錄人體溫度變化過程，而且如果有發(fā)燒情況，可以讓醫(yī)療人員能快速分析人體情況，迅速進行治療和隔離。5．結(jié)論測試技術(shù)洪冶

重點討論DCS的MAP/TOP通信協(xié)議、現(xiàn)場總線的CAN協(xié)議與FF協(xié)議、以及以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，對上述三種測控系統(tǒng)組建涉及的開發(fā)組態(tài)軟件進行詳細介紹，并給出基于三種網(wǎng)絡測控系統(tǒng)的典型實例。

9.6基于網(wǎng)絡的測控技術(shù)

85測試技術(shù)洪冶

9.6.1開放系統(tǒng)互聯(lián)（ISO/OSI）標準模型

OSI參考模型劃分原則：網(wǎng)中各結(jié)點都有相同的層次，相同的層次具有同樣的功能；同一結(jié)點內(nèi)相鄰層之間通過接口通信；每一層使用下層提供的服務，并向其上層提供服務；不同結(jié)點的同等層按照協(xié)議實現(xiàn)對等層之間的通信。86測試技術(shù)洪冶O(jiān)SI參考模型的數(shù)據(jù)傳輸

9.6.1開放系統(tǒng)互聯(lián)（ISO/OSI）標準模型

87測試技術(shù)洪冶9.6.2MAP/TOP通信協(xié)議

MAP規(guī)約的主要內(nèi)容

MAP規(guī)約是按照OSI七層模型的框架，從ISO及IEEE802，EIA等國際組織已有的文件和標準中選擇合適的內(nèi)容之后，組合成適合于控制領域中網(wǎng)絡互聯(lián)的分層協(xié)議。技術(shù)辦公系統(tǒng)協(xié)議（TOP）

一種為辦公室系統(tǒng)通信定義局域網(wǎng)的一些規(guī)范和協(xié)議的開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議，與生產(chǎn)自動化協(xié)議（MAP）相連。88測試技術(shù)洪冶9.6.3通信接口

RS-232C接口RS-422、RS-423接口RS-485接口89測試技術(shù)洪冶9.6.4測控組態(tài)軟件

“組態(tài)”的概念是伴隨著集散型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)的。測控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SupervisoryControlandDataAcquisition，SCADA）的軟件平臺工具，具有豐富的設置功能，使用方式靈活。90測試技術(shù)洪冶9.6.2現(xiàn)場總線網(wǎng)絡測控技術(shù)（FCS）

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）借助設備、儀表的計算能力，來實現(xiàn)以往無法設想的各種復雜計算，形成真正意義上的分散在生產(chǎn)現(xiàn)場的完整控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)運行的可靠性。91測試技術(shù)洪冶

現(xiàn)場總線技術(shù)簡介

幾種有影響的現(xiàn)場總線FF總線LonWorksPROFIBUSCANHARTControlNet92測試技術(shù)洪冶

CAN總線

CAN總線幀結(jié)構(gòu)

93測試技術(shù)洪冶

CAN總線

CAN總線系統(tǒng)的設計

軟件設計的關鍵是通信程序的編寫。通信程序主要包括初始化子程序、發(fā)送子程序和接收子程序三個部分。

94測試技術(shù)洪冶

FF總線

FF總線的通信參考模型95測試技術(shù)洪冶

FF總線

FF總線通信協(xié)議96測試技術(shù)洪冶

FF總線

FF總線通信控制器基金會現(xiàn)場總線通信圓卡

97測試技術(shù)洪冶

FF總線

主CPU

主CPU負責實現(xiàn)基金會現(xiàn)場總線的高層協(xié)議，即第2，7，8層。FF通信控制器

主要功能是減輕主CPU通信工作的負擔，完成總線信號的發(fā)送和接收，串行數(shù)據(jù)的編碼和解碼，幀檢驗序列的生成和驗證，信息幀的打包和解包等功能。

98測試技術(shù)洪冶

FF總線

媒體連接單元MAU

接收和發(fā)送符合FF規(guī)范的物理信號，包括對通信控制器傳來的信號限制頻帶，向總線上耦合信號波形，接收總線上耦合的信號波形，對接收波形的濾波和預處理等。MAU的功能是執(zhí)行通信控制器的TTL電平信號與現(xiàn)場總線物理介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栔g的轉(zhuǎn)換，具體電路根據(jù)所采用的物理介質(zhì)的不同而不同。99測試技術(shù)洪冶

FF總線

基金會現(xiàn)場總線通信控制器的功能總線信號的接收和發(fā)送

通信控制器需根據(jù)基金會現(xiàn)場總線的物理層標準，正確地實現(xiàn)總線信號的接收和發(fā)送。串行數(shù)據(jù)的編碼和解碼

發(fā)送方必須采用數(shù)據(jù)編碼的方式，將時鐘信息隱藏在數(shù)據(jù)中發(fā)送出去；接收方對接收到的信號解碼，從中還原出時鐘信號，以達到接送雙方同步。100測試技術(shù)洪冶

FF總線

信息幀的打包和解包通信控制器在接收到來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)包后，需加上前導碼、幀前定界碼和幀尾定界碼才能用于傳輸；幀校驗序列的生成和驗證

在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，通信控制器一邊發(fā)送數(shù)據(jù)，一邊對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行相應的CRC計算處理，直到本幀的最后一位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。101測試技術(shù)洪冶

FF總線

自動地址識別

接收數(shù)據(jù)時，通信控制器能對接收信息中的地址進行識別，驗證本站點是否需要使用這些信息。如果需要使用，則將數(shù)據(jù)接收完，然后交給主CPU；否則放棄本幀數(shù)據(jù)，接著偵聽下一幀數(shù)據(jù)。102測試技術(shù)洪冶

測控系統(tǒng)組態(tài)

1.控制策略圖形組態(tài)的功能

提供多種控制器件庫、圖形控制和功能軟件，可組態(tài)各種顯示與控制功能，創(chuàng)建畫面和信息并將其與輸入點連接，以圖形形式顯示系統(tǒng)操作狀態(tài)。103測試技術(shù)洪冶

測控系統(tǒng)組態(tài)

2.控制算法組態(tài)的實現(xiàn)用功能塊法組態(tài)的一個典型的PID控制回路如圖

CEST為常數(shù)設定，AI為模擬量輸入，SUB為減法運算器，PID為控制算法，AO為模擬量輸出。

104測試技術(shù)洪冶

測控系統(tǒng)組態(tài)

2.控制算法組態(tài)的實現(xiàn)105測試技術(shù)洪冶

測控系統(tǒng)組態(tài)

3.測控組態(tài)系統(tǒng)

測控組態(tài)系統(tǒng)是用于工業(yè)自動化和過程監(jiān)視與控制的應用測控軟件，它為自動化工程提供人機接口或SCADA系統(tǒng)。通過測控組態(tài)軟件的使用，可使操作方便，并能直觀地獲取現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，達到實時監(jiān)視的目的，從而能夠快速地查找到遠程現(xiàn)場測控設備的故障，提高勞動生產(chǎn)率。106測試技術(shù)洪冶

TCP/IP協(xié)議

TCP/IP協(xié)議棧除了TCP/IP協(xié)議外，還包括UDP、Telnet、FTP、HTTP、ICMP、ARP等多個協(xié)議，在不同的層次上完成各自的功能。107測試技術(shù)洪冶

TCP/IP協(xié)議

1.TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡分層

108測試技術(shù)洪冶

TCP/IP協(xié)議

2.IP協(xié)議

IP提供的服務有兩個特征：無連接的服務這是IP最重要的特征。IP協(xié)議采用無連接的數(shù)據(jù)報機制，IP只負責將報文段發(fā)往相應的目的地，而不管它是否真的能正確到達.而可靠性則是由TCP來負責的。點對點的傳送點對點通信的一個最大問題是路由選擇。109測試技術(shù)洪冶

TCP/IP協(xié)議

IP數(shù)據(jù)報格式

110測試技術(shù)洪冶

TCP/IP協(xié)議

3.傳輸控制協(xié)議TCP111測試技術(shù)洪冶

TCP/IP協(xié)議

4.用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP頭結(jié)構(gòu)

112測試技術(shù)洪冶

TCP/IP協(xié)議

TCP的主要機制包括

編號與確認適應性重發(fā)用窗口進行流量控制擁塞控制“三次握手”113測試技術(shù)洪冶

Internet-Intranet-Infranet

1.Internet

Internet的直接意思就是“互相連接的網(wǎng)絡”。

Internet開始是由美國國防部資助的稱Arpanet的網(wǎng)絡，原始的Arpanet早已被擴展和替換了，現(xiàn)在由其后代Internet所取代。

114測試技術(shù)洪冶

Internet-Intranet-Infranet

2.IntranetIntranet簡介

Intranet分兩種：一種是廣義上的，即在公司內(nèi)部使用的Internet技術(shù)另一種是狹義上的，即指公司內(nèi)部所使用的萬維網(wǎng)。115測試技術(shù)洪冶

Internet-Intranet-Infranet

Intranet特點采用TCP/IP協(xié)議，因IP協(xié)議能妥善處理局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的通信，是Internet的通用語；采用HTML/SMTP及其他公開標準；緊供單位內(nèi)部使用；安全性。

116測試技術(shù)洪冶

Internet-Intranet-Infranet

3. InfranetInfranet將為業(yè)務價值鏈帶來的好處體現(xiàn)在：客戶應用可以向網(wǎng)絡自動請求所需的安全性、質(zhì)量和帶寬級別。提供動態(tài)保證，即按客戶應用所需的性能和安全級別交付應用?？墒惯\營商在全球公網(wǎng)上支持并提供高級業(yè)務的擴展。117測試技術(shù)洪冶

9.6.3.3測控系統(tǒng)組態(tài)

1.以太網(wǎng)企業(yè)自動化測控系統(tǒng)模型

工業(yè)測控系統(tǒng)用以太網(wǎng)工廠自動化（EthernetforPlantAutomation，EPA）通信標準是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙等信息網(wǎng)絡通信技術(shù)的分布式現(xiàn)場總線標準。118測試技術(shù)洪冶EPA控制系統(tǒng)模型119測試技術(shù)洪冶

測控系統(tǒng)組態(tài)

2.以太網(wǎng)企業(yè)自動化組態(tài)軟件總體設計

120測試技術(shù)洪冶

發(fā)展方向（IPv6）

IPv4采用32位地址長度，只有大約43億個地址，估計在2005~2010年間將被分配完畢，而IPv6采用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。

121測試技術(shù)洪冶

發(fā)展方向（IPv6）

1.IPv6基本協(xié)議

IPv6（InternetProtocolVersion6）的數(shù)據(jù)包頭與IPv4相比得到了大大的簡化122測試技術(shù)洪冶

發(fā)展方向（IPv6）

2.IPv6地址格式

IPv6有8個字段。每個字段的最大值為16384，但在書寫時用四位的十六進制數(shù)字表示，并且字段與字段之間用“：”隔開，而不是原來的“.”。

123測試技術(shù)洪冶

發(fā)展方向（IPv6）

3.地址配置

IPv6把自動將IP地址分配給用戶的功能作為標準功能。只要機器一連接上網(wǎng)絡便可自動設定地址。它有兩個優(yōu)點：一是最終用戶用不著花精力進行地址設定；二是可以大大減輕網(wǎng)絡管理者的負擔。124測試技術(shù)洪冶

發(fā)展方向（IPv6）

4.路由協(xié)議

IPv6的路由有三種形式

形式描述使用CIDR路由像Ipv4一樣使用longest-prefixmatch路由使用路由頭如果基于供應商選擇，策略或服務質(zhì)量的考慮，一個有單播地址的IPv6數(shù)據(jù)包攜帶路由頭，那么這個數(shù)據(jù)包將順序經(jīng)過路由頭中指定的各個路由器。升級Ipv4路由協(xié)議將IPv4路由協(xié)議升級，使他們能夠處理IPv6地址用于單播地址unicast：OSPF，RIP-2，IS-IS，BGP4＋，…用于組播地址multicast：MOSPF，PIM，…125測試技術(shù)洪冶

9.6.4典型應用

本節(jié)詳細分析作者研制開發(fā)的基于Internet的小型多功能轉(zhuǎn)子軸承遠程測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計及其工作原理。

126測試技術(shù)洪冶

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖127測試技術(shù)洪冶

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)采用直流電機，電機控制電路采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器。該測控系統(tǒng)功能如下：能夠同時測量多個參量，包括振動、壓力、溫度等物理量；能夠快速進行動態(tài)在線實時測量和控制，滿足網(wǎng)上遠程試驗的要求；能夠?qū)崟r快速進行信號的實時分析處理。

128測試技術(shù)洪冶

系統(tǒng)測控實例

在本系統(tǒng)中是基于數(shù)據(jù)傳輸和JavaBeans組件技術(shù)實現(xiàn)遠程測控129測試技術(shù)洪冶

130測試技術(shù)洪冶

基于Internet的遠程測控

實際遠程實驗過程中轉(zhuǎn)子振動量的時域信號波形和頻譜圖。

從其頻譜圖中可以看出，幅值最大的橫坐標位置就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率，轉(zhuǎn)動頻率的幅值總是遠大于其他位置。131測試技術(shù)洪冶9.7基于板卡的數(shù)據(jù)采集編程實例與網(wǎng)絡通訊程序?qū)嵗訴B為例：

！.動態(tài)鏈接庫dll的編