第四章 計算機輔助測量系統(tǒng)

第四章計算機輔助測量系統(tǒng)

4.5硬件接口和總線系統(tǒng)4.1計算機概述4.6局域網(wǎng)通訊系統(tǒng)4.2虛擬儀器4.3自動測試系統(tǒng)4.4測量程序與儀器控制被測量傳感器過程物理量輸出基于計算機的測量儀器模型放大調理模擬信號A/D轉換器計算機模擬信號數(shù)字信號

隨著信息產(chǎn)業(yè)技術的迅速發(fā)展，當今即便最簡單的電子測量儀器，如數(shù)字萬用表（DMM），也都裝上了計算機接口。目前市面上可以見到大量用于獲取和計算分析測量數(shù)據(jù)的軟、硬件，不接入計算機的測試與測量（T&M）的場合幾乎不復存在，計算機輔助測量（CAT）系統(tǒng)應運而生。4.1計算機概述 由于計算機系統(tǒng)具有管理數(shù)據(jù)采集和進行數(shù)據(jù)處理、存儲及顯示的能力，而成為計算機輔助測試系統(tǒng)及現(xiàn)代測試系統(tǒng)的核心。4.1.1PC機的面世與發(fā)展Apple→IBM5150；286→486→Pentium4PersonalComputer4.1.2PC機的分類結構特點：固定式（臺式）；便攜式（筆記本、掌上型）功能特點：家用型、商務型、工控機4.1.3PC機外形結構主機顯示器鍵盤鼠標音箱主機顯示器鍵盤鼠標音箱音箱經(jīng)典臺式機工業(yè)控制計算機臺式一體機筆記本電腦觸摸板屏幕鍵盤電源按鈕4.1.4計算機系統(tǒng)組成

由硬件（Hardware)和軟件(software)兩大部分組成功能是由硬件和軟件協(xié)同運行而實現(xiàn)的。一、計算機硬件組成及結構主機(中央處理器（CPU)、主板、內(nèi)存、硬盤、光驅等)輸入輸出設備（鍵盤、鼠標、顯示器）外部設備（打印機、移動存儲器、USB數(shù)據(jù)采集卡等）運算器輸出設備控制器輸入設備存儲器指令流控制命令數(shù)據(jù)流主板/母板/系統(tǒng)板：（電路板）計算機的核心：CPU（運算器+控制器）接口轉換器（ICH）LPT軟盤鍵盤鼠標打印機顯示器RS-232USB以太網(wǎng)卡IEC接口測量卡CPU—連接器（MCH）圖形卡RAM硬盤CD-ROMCPUPCI-bus圖4-1典型PC機硬件結構中央處理器-CPUIntel處理器AMD處理器

CPU是計算機的心臟，包括運算器和控制器，是完成各種運算和控制的核心，也是決定計算機性能的最重要的部件。主要的參數(shù)主頻和位數(shù)。計算機配置的CPU的型號實際上代表著計算機的的基本性能水平。

PC機主板的基本結構電池聲卡芯片PCI插槽南橋芯片BIOS芯片電源線插口軟驅插口IDE插口AGP插槽內(nèi)存插槽北橋芯片CPU插槽IO接口IO接口近年來生產(chǎn)的工控機主板一般都集成了以太網(wǎng)卡、聲卡和顯卡。

主板獨立顯卡AGP插槽PC機I/O接口串行接口USB接口網(wǎng)絡接口鍵盤、鼠標接口音頻接口并行接口主板存儲器（AccessMemory）

存儲器是計算機中存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。計算機的存儲器分為兩大部分，一部分為內(nèi)部存儲器或主存儲器，簡稱內(nèi)存或主存；另一部分為外部存儲器或輔助存儲器，簡稱外存或輔存。存儲容量

描述存儲器存儲二進制信息量多少的指標。存儲二進制信息的基本單位是位（bit，b）。一般把8個二進制位組成的通用基本單元叫作字節(jié)（Byte，B）。微型計算機中通常以字節(jié)為單位表示存儲容量。

1024B為1KB;1024KB為1MB;1024MB為1GB;1024GB為1TB

DRAM(DynamicRandom-AccessMemory)，即動態(tài)隨機存儲器最為常見的系統(tǒng)內(nèi)存，常稱為內(nèi)存條。

（1）內(nèi)存儲器（RAM）

RAM(Random-AccessMemory)可稱作系統(tǒng)內(nèi)存，任何時候都可以讀寫，RAM通常是作為操作系統(tǒng)或其他正在運行程序的臨時存儲介質。軟驅外存儲器-軟盤（2）外存儲器外存儲器-硬盤光驅外存儲器-光驅外存儲器-移動硬盤、優(yōu)盤、閃存輸入輸出設備顯示器LCD液晶顯示器：使用了目前最新的全彩顯示技術，而且原理簡單易懂?；旧希麄€液晶顯示技術的概念是利用液晶的物理特性：通電時導通，排列變的有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過，讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。

打印機惠普激光打印機LaserJet1150

惠普DJ3325噴墨打印機映美LQ-200K24針打印機映美FP-660K平推打印機

微型計算機在硬件上普遍采用總線結構，總線結構使系統(tǒng)構成方便，并具有很好的可維護性和可擴展性。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口地址總線AB輸出設備CPU數(shù)據(jù)總線DB控制總線CBI/O接口計算機接口及總線結構

計算機內(nèi)部器件之間，以及這些器件與外設之間的通訊是通過共同的數(shù)據(jù)線——總線系統(tǒng)來實現(xiàn)的。單臺儀器或儀器模塊則是通過接口掛在總線之上。一臺計算機的CPU、RAM、硬盤和CD-ROM需要有一個快速的總線系統(tǒng)來實現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通訊，為此開發(fā)了并行的外部設備互連總線，即PCI總線（1992年），其新的版本有PCI-X（1999年）和PCI-Express（2001年第三代高性能I/O串行總線）。PCI總線

PCI總線通過接口轉換器（HUB）和輸入-輸出設備、LPT（并行口）、RS-232、USB（通用串行總線）、PCMCIA（個人計算機存儲卡國際協(xié)會）和以太網(wǎng)（Ethernet）等接口相連接。其中，接口可以擴展安裝，如并行口的LPT1、LPT2，或RS-232串行口的COM1、COM2等。接口轉換器（ICH）LPT軟盤鍵盤鼠標打印機顯示器RS-232USB以太網(wǎng)卡IEC接口測量卡CPU—連接器（MCH）圖形卡RAM硬盤CD-ROMCPUPCI-bus圖4-1典型PC機硬件結構二、計算機軟件組成 與硬件相比，軟件包括所有計算機非物理組件的“軟”的功能部分。軟件用于信息流的調節(jié)與處理，可以用符號鏈來描述，并為信息機器所讀取和解釋。軟件分為系統(tǒng)程序和應用程序：系統(tǒng)程序控制計算機內(nèi)部運行過程；而應用程序則使計算機能處理用戶提出的任務。

計算機的軟件包含系統(tǒng)軟件和應用軟件兩部分。系統(tǒng)軟件應用軟件操作系統(tǒng)系統(tǒng)應用軟件存儲器管理進程管理設備管理文件管理用戶界面GUI網(wǎng)絡軟件編譯系統(tǒng)系統(tǒng)維護程序工具軟件系統(tǒng)增強軟件辦公數(shù)據(jù)庫圖形圖像游戲娛樂…4.2.1虛擬儀器定義4.2虛擬儀器

所謂的虛擬儀器是指“以軟件為核心，以計算機為載體，通過硬件接口（或總線系統(tǒng)）與測量板卡（或測量硬件平臺）連接在一起，以最大限度地利用計算機系統(tǒng)的軟、硬件資源，使基于計算機的測試系統(tǒng)，不僅能像傳統(tǒng)程控儀器一樣完成測量任務，而且可利用強有力的軟件去代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件功能”。4.2.2虛擬儀器技術的發(fā)展過程

虛擬儀器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。4.2.3儀器定義和功能的轉變傳統(tǒng)儀器:廠商定義虛擬儀器:用戶定義用戶定義虛擬儀器的優(yōu)點：費用性能用戶定義低費用靈活可再用性可重新配置4.2.4虛擬儀器的內(nèi)部功能

虛擬儀器與其它測量儀器一樣，可實現(xiàn)三部分功能，即信號的采集與控制、數(shù)據(jù)的分析與處理及結果的表達與輸出，但是實現(xiàn)上述功能的方式不同，下面按三個部分來敘述。（1）信號采集與控制功能

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/轉換與控制的。硬件平臺由兩部分組成：(a)計算機可以是筆記本計算機、PC機或工作站；(b)儀器硬件：可以是插入式數(shù)據(jù)采集板（含信號調理電路、A／D轉換器、數(shù)字I／O、定時器、D／A轉換器等），或者是帶標準總線接口的儀器，如GPIB儀器、VXI儀器、RS－232儀器等)。

(2)數(shù)據(jù)分析處理功能虛擬儀器充分利用計算機的存儲、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)計處理、數(shù)值計算與分析等。虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器以及智能儀器有更強大的數(shù)據(jù)分析處理功能。

(3)測量結果的表達與輸出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。4.2.5虛擬儀器的構成

虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、儀器硬件和應用軟件和三大要素構成的。傳感器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被測對象應用軟件虛擬儀器系統(tǒng)構成GPIBSerialDAQProcessorUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&DriverSoftware

Measurement Studio

LabVIEW

VI系統(tǒng)有多種構成方式：

PC—DAQ測量系統(tǒng)：是以數(shù)據(jù)采集卡、信號調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)。虛擬儀器構成方式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(ADC)-信號的分析與處理(DSP)-輸出(DAC)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臺上，調用不同的測量軟件就構成了不同功能的儀器。常用虛擬儀器板卡DAQCardIMAQCard4.2.6常見的虛擬儀器軟件平臺LabVIEW4.2.7虛擬儀器實例例1：虛擬儀器溫度測量例2：圖4-2是晶體管直流特性測量儀及其虛擬儀器。在虛擬儀器的軟件界面（計算機顯示屏）上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“部件”所完成的功能是相同的。虛擬儀器實例圖4-2晶體管直流特性測量儀及其虛擬儀器

例3：

在以計算機為核心組成的虛擬測試平臺上，還可通過軟件編程設計來劃分虛擬儀器的界面，以得到對應于不同測量裝置的多個虛擬測量儀器，進而，通過具有不同測量功能的軟件模塊的組合來構建綜合參數(shù)測試系統(tǒng)，如圖4-3所示。圖4-3某型發(fā)動機綜合參數(shù)測試系統(tǒng)的虛擬儀器界面4.3自動測試系統(tǒng)

自動測試系統(tǒng)是計算機、控制、通訊與測量技術相結合的產(chǎn)物。在自動測試系統(tǒng)中，很少采用電子線路進行信號處理，而主要由計算機軟件模塊來替代傳統(tǒng)測量儀器中的各種功能。自動測試系統(tǒng)通常具有自動校零、自動修正誤差、自動切換量程、重復測量、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、結果判別和自我診斷以及仿真測試等功能。 自動測試系統(tǒng)的設計應滿足如下原則：

（1）高性能原則：測量通道多、采樣頻率高、測量誤差小，數(shù)據(jù)存儲容量大，實時數(shù)據(jù)處理能力強；

（2）軟件設計原則：模塊化、標準化、容錯性；

（3）小型化與自動化原則：便于現(xiàn)場（如工廠、飛機和艦船等特殊環(huán)境）安裝使用，具有完備的系統(tǒng)自檢功能和一定的環(huán)境自適應能力；

（4）可靠性與穩(wěn)定性原則：電磁兼容性設計（如：高頻信號的屏蔽與隔離、接地回路的設計）；盡量減少連接電纜和接插件的數(shù)量。 （5）通用性原則：開放式系統(tǒng)結構，能夠廣泛地適應本行業(yè)或相關行業(yè)不同測試對象的需求，從而提高投資效益。 自動測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是：

采用基于高性能計算機總線技術的硬件平臺；采用分布式、網(wǎng)絡化結構；自主時間同步觸發(fā)；采用模塊化結構；由物理儀器轉向虛擬儀器；小型化、便攜化和通用化；綜合故障診斷系統(tǒng)、測量與計量一體化。4.4測量程序與儀器控制

在可編程測量儀器（或自動測試系統(tǒng)）中，測量程序用于控制測量儀器按預期的方式采集并處理測量數(shù)據(jù)、修正或補償測量誤差、顯示和存儲測量結果。除了要求計算機輔助測量系統(tǒng)能夠正確地采集信號外，還要求測量程序能夠快速響應測量系統(tǒng)的外部或內(nèi)部事件，并具有高可靠性、可擴展性、可移植性和可維護性；同時要求測量界面定義清晰、功能明確、測量控件操作簡便。4.4.1可編程測量儀器

程序語言如果除了純粹的信號采集之外，還要集成其它通用的功能，譬如，測量儀器參數(shù)的設置、測量數(shù)據(jù)的分析計算和測量結果的表示，則用于信號采集和實驗控制的測量程序，應當按相應的功能劃分為各個子程序模塊。 對于實時性要求不高的場合，可應用高級語言來編寫測量系統(tǒng)外部接口的輸入-輸出操作程序；對于那些實時性要求苛刻的場合，或者那些使用數(shù)字信號處理器DSP（DigitalSignalProcessor）或MCU來控制的外部接口，則應采用C語言或匯編語言來編寫輸入-輸出管理程序。

儀器消息（程序消息）儀器消息是指“與儀器設置、儀器狀態(tài)、測量數(shù)據(jù)和測量結果等方面相關的信息，用于引發(fā)相應的儀器功能，通常用一個事先規(guī)定的符號序列來表示儀器消息”。儀器功能是指“儀器按規(guī)定可自主執(zhí)行的一系列動作”。一臺儀器的命令集包含了所有允許的儀器消息，而儀器制造商所提供的標準文本，則具體規(guī)定了儀器消息與儀器功能的對應關系。

可編程儀器的標準命令（SCPI）

SCPI規(guī)范（StandardCommandforProgrammableInstru-ment）致力于保證各種儀器消息的一致性和各種儀器總線的普適性。例如，針對不同制造廠商生產(chǎn)的每一種同類儀器（如函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬用表和示波器等），都用共同的語法來約定一個統(tǒng)一的儀器命令集。

圖形化開發(fā)環(huán)境隨著軟件技術的進步，目前市面上已有越來越多的圖形化開發(fā)環(huán)境可用于編寫對實時性沒有苛刻要求的應用程序，從而大大降低了軟件開發(fā)的復雜性和繁瑣性。在這類軟件開發(fā)環(huán)境中，如NI公司的LabVIEW和安捷倫技術公司的VEE（VisualEngineeringEnvironment）等，用戶可用各個功能模塊來“拼裝”圖形化測量與控制程序，當然，在“拼裝”模塊的過程中，用戶還需要設置必要的模塊參數(shù)。

嵌入式系統(tǒng)在許多應用場合，傳感器通常是與PCI測量板卡連接在一起的。通常希望測量板卡不僅僅輸出數(shù)字化測量值，而且還能承擔信號處理任務。為此，往往將測量板卡和一個特殊的微處理器（如DSP、PowerPC）或現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammableGatesArray，F(xiàn)PGA）集成在一起，以構成嵌入式測量系統(tǒng)。其中，微處理器僅用于開發(fā)測量程序和顯示測量結果。

在嵌入式系統(tǒng)中，程序必須用接近于機器語言（如匯編語言或C語言）來編寫。為了加快測量程序的開發(fā)進度，可借助于某些圖形化軟件工具（如MATALB/Simulink）的自動翻譯功能，將圖形化信號采集與處理程序轉化為C語言程序。

儀器控制可編程測量儀器的操作，是由微計算機通過儀器總線向儀器發(fā)送程序消息來實現(xiàn)的。微計算機通常是測量儀器總線的主機，可隨時訪問總線；測量儀器和其它裝置是從機，不能主動請求占用總線，而必須服從主機測量程序的調度。通常，測量儀器是通過一個中斷或一個服務請求來獲得主機的服務。

測量程序的控制測量程序中各個模塊的調用方式有兩種：事件控制和時鐘控制。在事件控制方式中，是以某個確定事件的出現(xiàn)作為觸發(fā)信號，來啟動程序模塊的執(zhí)行；在時鐘控制方式中，是利用時鐘發(fā)生器輸出的信號，來啟動模塊的執(zhí)行。

數(shù)據(jù)處理以測量數(shù)據(jù)的采集和分析計算之間的時間間隔為參照，可將測量過程劃分為離線信號處理、在線信號處理和實時信號處理。

離線信號處理是指：“在信號采集過程結束后，再進行信號處理，也即在信號處理過程中，系統(tǒng)不再采集信號?！睂嶒炇业臏y量大都允許離線信號處理。

在線信號處理是指：“一旦采樣信號可供使用時，就立刻進行后續(xù)的信號處理?！?/p>

實時信號處理是指：“同時進行信號采樣與信號處理?！边@意味著要在事先規(guī)定好的采樣時間間隔內(nèi)完成信號處理或做出必要的響應，不允許存在隨機的等待時間。在過程控制系統(tǒng)中，通常要求進行實時信號處理。

數(shù)值計算在實驗室編寫測量程序時，往往還需要編寫數(shù)值計算程序，并與現(xiàn)成的設備驅動程序和測量與控制管理程序組合在一起，共同完成特定的測試任務。4.4.2計算機輔助測量過程

建立計算機輔助測量系統(tǒng)包括如下幾個步驟（參見圖4-20）： （1）系統(tǒng)化系統(tǒng)化是指將各儀器模塊和微計算機組合成共同完成某一特定測量任務的有機整體。在計算機輔助測量過程中，還要增加下列手動和程控的操作： （2）建立通訊聯(lián)系； （3）分配總線地址； （4）加載儀器（設備）驅動軟件； （5）在主控計算機上加載和啟動測量程序； （6）將測量儀器模塊設置為某一預先定義的基本狀態(tài)； （7）設定數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)； （8）讀出儀器模塊的標識符； （9）執(zhí)行系統(tǒng)自檢；

（10）查詢儀器模塊的狀態(tài)信息。圖4-20計算機輔助測量過程構建測量系統(tǒng)（建立連接、儀器模塊就緒）設置系統(tǒng)參數(shù)、校準數(shù)據(jù)采集儀器的校準設置是否被改變？數(shù)據(jù)采集對測量數(shù)據(jù)進行分析計算（原始數(shù)據(jù)與校準數(shù)據(jù)比較、數(shù)學變換、微分、積分等）表達（給出測量值和測量結果）存儲測量結果建立文檔（記錄完整的測量過程）續(xù)續(xù)是否參數(shù)化參數(shù)化是指對各儀器模塊的技術狀態(tài)進行設定，以確保測量過程能夠按計劃順利運行。具體內(nèi)容如下： （1）選擇測量功能； （2）設置量程和數(shù)據(jù)點數(shù)； （3）選擇濾波器參數(shù)； （4）確定觸發(fā)條件； （5）確定采樣速率。

校準校準的目的是要確定被測量（信號量）與測量系統(tǒng)顯示值之間的關系。在進行校準

數(shù)據(jù)采集信號采集是測量過程中最為本質和最為關鍵的環(huán)節(jié)。對于單次測量而言，測量過程僅被啟動一次，測量結果可以是一個二進制或十進制的數(shù)值，也可以是一個符號序列或一個完整的數(shù)據(jù)段。在測量之前，必須先設置并確定系統(tǒng)的狀態(tài)，且執(zhí)行一些必要的控制動作，有時還需要等待一段時間。單次測量過程包括如下的一系列動作：

（1）觸發(fā)——測量系統(tǒng)獲得一個用于啟動測量的信號； （2）等待測量過程的結束；（3）輸出測量數(shù)據(jù)——要求測量儀器模塊準備好傳送單個或多個測量數(shù)據(jù)； （4）接收測量數(shù)據(jù)——從測量儀器模塊接收測量數(shù)據(jù)以供后續(xù)處理。 對于較復雜的測量過程，可借助于過程控制，將它們分解為多個單次測量。

分析計算分析計算的最終目標在于壓縮數(shù)據(jù)量，以便從所采集的測量信號中獲得特征信息。舉例來說，計算分析的內(nèi)容包括：

（1）借助校準結果從沒有校準的測量數(shù)據(jù)中推算出校準數(shù)據(jù)； （2）剔除野點、平滑濾波； （3）測量曲線的積分或微分； （4）數(shù)據(jù)之間的相關性； （5）信號變換，如計算一個時間信號和位置信號的頻譜； （6）統(tǒng)計特征量的計算等。 除了這些數(shù)值化運算外，有時還需進行邏輯運算，例如，根據(jù)某項指標進行分類等。此外，利用對符號鏈的操作還可改變數(shù)據(jù)格式。

表達表達的作用是把從測量和分析計算中所得到的信息，傳遞給測量系統(tǒng)的操作者。在測量過程結束后就應當及時地給出明確的測量結果，以便對測量過程的質量進行判定，如果必要的話，還需要改變測量原理和測量方法。

保存保存的作用是將采集信號和由此獲得的信息轉移到非易丟失的存儲介質中。這樣，即便在測量過程中斷或結束后，測量數(shù)據(jù)仍能被以后的分析計算所使用。因此，建議將原始數(shù)據(jù)、或經(jīng)校準的測量數(shù)據(jù)、實驗裝置和操作軟件的設置參數(shù)存儲起來，但沒有必要存儲圖形以節(jié)省存儲空間。

建立文檔建立測量文檔是測量過程的重要組成部分，其作用是保存測量過程和測量結果的完整記錄。通過建立文檔，能將產(chǎn)生測量結果的前提和獲得測量結果的設置無歧義、無空缺地記錄在案。只有建立了測量文檔，才能使測量結果應用于解決實際問題或發(fā)表論文，或者按照新的判據(jù)重新分析計算測量數(shù)據(jù)。如果事實表明測量誤差的產(chǎn)生與過程的改變之間具有某種時間上的關聯(lián)性，則可以依據(jù)精心建立的測量文檔進行事后的誤差分析。4.4.3LabVIEW和MATLAB

一、LabVIEW圖形化軟件開發(fā)平臺

LabVIEW是一種圖形化編程語言，其基礎是用圖標（功能模塊）來表示指令，可用圖形化程序也可以表達各種程序結構。在這種面向圖標的編程語言中，編程過程就像電子元器件的布線一樣，很容易實現(xiàn)指令間的互相連接，而其中的連線則表示圖標（即功能模塊）之間存在數(shù)據(jù)的傳遞。被連接的圖標之間的數(shù)據(jù)流，控制著指令的執(zhí)行順序，并允許有多個數(shù)據(jù)通道同步運行。二、MATLAB/Simulink

MATLAB（MATrix

LABoratory）是美國Mathworks公司的產(chǎn)品，最初是一個用于矩陣運算的交互式數(shù)值計算程序，隨后逐漸擴展了各種軟件工具箱、交互式圖形化動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件開發(fā)平臺和軟、硬件混合仿真平臺，其應用范圍幾乎覆蓋了科學技術與工程應用的所有領域。加之MATLAB所特有的強大而便捷的多維繪圖功能，且允許用戶用數(shù)學書寫方式來表達數(shù)值和符號計算，使得MATLAB軟件平臺受到了專業(yè)人士的普遍青睞，并已成為大學生必須掌握的基本軟件工具。

掌握LabVIEW、MATLAB/Simulink和C語言的編程方法和技巧，對于開發(fā)高性價比計算機輔助測量與控制系統(tǒng)是不可或缺的，其重要性怎么強調也不過分。

4.5硬件接口和總線系統(tǒng)

硬件接口是數(shù)據(jù)、消息、地址和指令等進行交換的場所，而總線系統(tǒng)則是通過公用的數(shù)據(jù)線將儀器的硬件接口連接起來。4.5.1基本概念

通信方式從總體來講，計算機中的通信方式有兩種：即串行通信和并行通信。

串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。其只要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的通信，缺點是傳輸速度慢，優(yōu)點是傳輸成本低、適合遠距離傳輸。

并行通信是把一個字符的各數(shù)位用幾條線同時進行傳輸，傳輸速度快，信息率高。但它比串行通信所用的電纜多，故常用在傳輸距離較短（幾米至幾十米）、數(shù)據(jù)傳輸率較高的場合。(a)

串行通信(b)

并行通信

標準化接口硬件接口（以下簡稱接口）是系統(tǒng)中不同的組件、儀器或裝置連接成為有機整體的過渡通道。每一接口都配有特定的設備消息，即接口指令。在那些能被單獨訪問的接口，都有一個以數(shù)字排序的專用地址。 測量儀器通常采用標準化接口，以便于建立一個獨立于制造商的開放式測量系統(tǒng)。一個標準化接口大都具有以下的物理特性：

（1）插頭的結構形式和插針的定義； （2）連接電纜； （3）信號類型和電平要求； （4）數(shù)據(jù)形式和傳輸協(xié)議。 協(xié)議掛在接口上的儀器與計算機之間的通訊信號往往需要通過總線，而總線上的通訊則必須按照一定的規(guī)則（即協(xié)議）來進行。 協(xié)議一般是按照開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OpenSystemInterconnec

tion，OSI）的7層參考模型而制定的，該模型根據(jù)相應的功能將通訊的各個子任務進行結構化分層，并采用總線授權方式來協(xié)調各個參與者對總線的訪問，使它們的傳輸請求能夠在可期待的時間內(nèi)得到滿足，同時避免多個參與者同時使用總線所產(chǎn)生的訪問沖突。 總線授權方式有兩種：其一，由中央控制單元集中分配使用權限；其二，由參與者分散分配使用權限。 在集中方式下，由中央控制單元作為“主機”來控制總線上的通訊，并可隨時訪問總線，余下的設備則作為“從機”。從機無權直接發(fā)送任何消息到總線上，而只有在受到主機邀請后，方可向總線發(fā)送消息，此即所謂的“主從方式”。在主從方式下，中央控制單元或以固定的時間間隔——分時多路訪問（TDMA）各個參與者，或在中斷后通過狀態(tài)查詢（Polling）巡回訪問各個參與者。 在分散分配方式下，控制權屬于各個參與者。例如，在某個時間間隔后，將總線的使用權交給下一個控制單元（令牌傳輸方式，如過程現(xiàn)場總線——Profibus就屬于這種情況）。

握手為了避免數(shù)據(jù)的丟失，接收方必須將準備好接收的狀態(tài)通知發(fā)送方，并在無法再處理其它數(shù)據(jù)的緊急情況下，停止數(shù)據(jù)的傳輸，有時接收方還有可能要求發(fā)送方重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。用于組織經(jīng)由總線傳輸?shù)倪^程信息，如“操作準備就緒”、“接收準備就緒”或者“數(shù)據(jù)有效”等，稱為握手。單工數(shù)據(jù)傳輸只支持數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸；半雙工數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸，但是，在某一時刻，只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，它實際上是一種切換方向的單工通信；全雙工數(shù)據(jù)通信允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，因此，全雙工通信是兩個單工通信方式的結合，它要求發(fā)送設備和接收設備都有獨立的接收和發(fā)送能力。

傳輸

接口轉換器接口轉換器使帶有不同設備接口之間的通訊成為可能。在類似于RS-232和RS-485的接口中，只需將數(shù)據(jù)線上不同的電平之間建立相互映射關系，就可實現(xiàn)二者的轉換。如果這種映射已經(jīng)存在的話，只要把硬件握手轉換成軟件握手即可。

協(xié)議轉換器協(xié)議轉換器的作用是改變信息的“打包”，或者說改變攜帶信息的數(shù)據(jù)結構，但并不改變數(shù)據(jù)的編碼（信息）和信號的物理特性。4.5.2串行通訊接口

在數(shù)據(jù)傳輸速率要求不太高的場合下，通常利用串行接口來實現(xiàn)儀器設備之間的通訊。

RS-232接口修訂版RS-232C是在1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)公布的串行通信標準，該標準定義了9針或25針的SUB-D插頭作為連接器。對數(shù)據(jù)交換來說，這兩種插頭具有完全相同的特性，不過，目前25針連接器已經(jīng)很少有人使用了。

RS-232串行接口一般使用9針的Sub-D連接器，也成為COM口，多數(shù)PC機主板提供兩個COM口，分別成為COM1和COM2.9針COM口和通過串行電纜和串行儀器或設備的9口接頭連接。（引腳排列與定義見書P121表4-1）可實現(xiàn)半雙工或全雙工信號傳輸。RS-232C標準給出了數(shù)據(jù)信號和控制信號的電平及其變化范圍，限定了傳輸電纜的長度（小于15m），規(guī)定了串行數(shù)據(jù)傳速率范圍（O～20kbps）。RS-232C標準可以滿足大多數(shù)IPC點對點（PTP）通訊的基本要求，覆蓋了工控機所使用的波特率范圍（50～9600bps）。兩臺RS-232儀器之間所能達到的傳輸距離取決于所使用的電纜和波特率。由于允許使用高電壓和大的電壓允差（邏輯1：-3～-12；邏輯0：+3～+12），這一距離可跨越幾十米之遠。

RS-422接口串行接口RS-422是利用差分傳輸方式來增大通訊距離和可靠性的，它在發(fā)送端使用2根信號線發(fā)送同一信號(2根線的極性相反)，在接收端對這兩根線上的電壓信號相減得到實際信號。在這兩根信號線中，用-2～-6V的電壓編碼表示邏輯1，而用+2～+6V的電壓編碼表示邏輯0。這種差分傳輸方式可以有效地抑制共模干擾，增大通訊距離。在數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbps時，最遠傳輸距離可達1200m。與RS-232一樣，RS-422也可以實現(xiàn)全雙工通訊。

RS-485接口其電器標準與RS-422完全相同，其差異在于：當RS-485線路空閑(即不傳送信號)時，線路處于高阻(或掛起)狀態(tài)，允許被其它設備占用，也即具有RS-485接口的儀器設備可以連成網(wǎng)絡。如果僅僅是兩個儀器設備進行點對點的遠距離通訊，使用RS-422接口與使用RS-485接口的效果是一樣的，不過，RS-485僅能實現(xiàn)半雙工通訊方式。 RS-485和RS-422總線最多可支持32個節(jié)點，但如果使用特制的485芯片，則可支持128個或256個節(jié)點，甚至400個節(jié)點。由于RS-485和RS-422具有諸多優(yōu)點，現(xiàn)已被大量采用，然而，由于普通工控機很少直接配置RS-485或RS-422通訊接口，因此，必須使用RS-232/RS-485或者RS-232/RS-422接口轉換器，才能建立IPC的遠距離數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

圖4-5基于RS-485網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)RS-485數(shù)據(jù)采集模塊帶有以太網(wǎng)接口的工業(yè)控制主板現(xiàn)場控制室RP485-2IRSP485Hub-S52RP485-2IRP485-2I485/232接口服務器

CAN總線

CAN（ControllerAreaNetwork）是控制器局域網(wǎng)的簡稱，主要用于各種過程（設備）的監(jiān)測與控制。 CAN最初是由德國的Bosch公司為汽車監(jiān)測與控制系統(tǒng)而設計的，目前已不再局限于汽車行業(yè)。由于CAN總線本身的獨到之處，國際上越來越多的大公司采用了這一工業(yè)數(shù)據(jù)通訊技術，并已形成了國際標準（ISO11898）。 圖4-6所示的例子是利用虛擬串口軟件，通過IPC-CAN接口卡和CAN-RS232轉換器、CAN-RS485和CAN—USB轉換器等設備，可以在一條普通雙絞線上連接建立多達2048個串口設備，其通訊距離可達10km甚至更遠。CAN-bus虛擬串口網(wǎng)絡串口設備1，2，…CAN—/RS-232CAN—RS-485轉換器CAN—USBIPC-CAN接口卡圖4-6基于CAN-bus分布式遠程測量與控制系統(tǒng)表4-2串行通訊接口（總線）的性能指標

名稱性能指標RS-232CRS-422RS-485USBCAN傳輸形式Bit串行全雙工、點對點Bit串行全雙工、點對點Bit串行半雙工、多點Bit串行點對點Bit串行多點、多宿主數(shù)據(jù)傳輸率（bps）20k10M10M1.5M、12M480M1M/40m最遠傳輸距離（m）1512001200510k抗干擾能力一般強強一般較強PC標準接口是否否是否即插即用---是-4.5.3并行通訊總線

在自動測試系統(tǒng)中，常用的并行數(shù)據(jù)連接總線有GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus，通用接口總線）、PCI（PeripheralControllerInterface，外圍設備接口）、VXI（VMEbus

eXtensuionsforInstrumentation,VME總線儀器擴展）和PXI（PCIeXtensuionsforInstrumentation，PCI總線儀器擴展）等四種。一、GPIB總線

GPIB是獨立儀器上的一種最通用的I/O接口，是專門為計算機與可編程儀器的連接而設計的。GPIB源于美國HP公司的HP-IB（惠普接口總線，1975年），最初的標準定義了總線的電氣、機械和功能規(guī)范以及軟件通訊協(xié)議。2003年發(fā)布最初規(guī)范的更新版本——IEEE488.1-2003，定義了一種高速數(shù)據(jù)傳輸模式。GPIB使用字位并行（8bits）、字節(jié)串行的異步通訊方式，數(shù)據(jù)傳送速率最高可達8Mbps。

GPIB儀器是由儀器本體、一塊GPIB接口卡和一個24腳（扁形接口插座）數(shù)字化并行總線組成，如圖4-8.并行總線由16根信號線盒8根接地返回線組成。臺式計算機連接器臺式計算機插卡筆記本電腦連接器筆記本電腦連插卡GPIB儀器圖4-8GPIB接口卡、連接器和GPIB儀器實例USB—GPIB轉換器 GPIB不是標準的IPC總線，IPC也不直接提供GPIB接口，故而從IPC到GPIB儀器的連接需要通過一個GPIB接口卡實現(xiàn)。常用的GPIB接口卡是基于標準的PCI總線，可直接插入計算機的PCI插槽中；也可采用USB—GPIB轉換器，一端是與IPC連接的USB接口，另一端則是與儀器連接的GPIB接口。 GPIB儀器既可以獨立使用，又可以利用GPIB總線把可編程儀器與PC聯(lián)系起來，而且還可以用多臺儀器來構建綜合參數(shù)自動測試系統(tǒng)。二、PCI總線 從1992年創(chuàng)立至今，PCI總線已成為事實上的計算機標準總線。PCI總線具有即插即用和中斷共享等優(yōu)點。圖4-9給出了利用PCI數(shù)據(jù)采集卡的應用實例。 從數(shù)據(jù)寬度來看，PCI總線有32bit和64bit之分；從總線速度來看，PCI總線有33MHz和66MHz之分。目前常用的是32bit@33MHz,其數(shù)據(jù)傳輸速率可達100Mbps。改進版PCI-X總線為64bit@133MHz，其數(shù)據(jù)傳輸速率超過了1Gbps。ADCDACDigitalCntr/Timer圖4-9基于PCI數(shù)據(jù)采集卡的計算機測量與控制系統(tǒng)模擬I/O數(shù)字I/O時鐘控制 PCI的最新版本PCIExpress——PCle繼承了傳統(tǒng)PCI／PCI—X插卡的軟件優(yōu)勢，但把并行總線替換為高速串行總線。PCIe軟件模塊與PCI/PCI—X軟件模塊完全兼容，在不需要修改設備驅動程序或操作系統(tǒng)的前提下，即可在任意的PCIe系統(tǒng)上啟動、運行PCI/PCI—X應用程序。 在PCIe串行總線上的通訊，是以數(shù)據(jù)包的通訊協(xié)議來實現(xiàn)的，其單線單向數(shù)據(jù)的最高傳輸率可達6.4Gbps。

三、VXI總線

VXI在對VME（VersaModuleEurocard）總線進行擴展的同時，保留了VME系統(tǒng)的模塊化特點。與基于GPIB的疊堆式（Rack&Stack）儀器系統(tǒng)相比，VXI成功地減小了儀器系統(tǒng)的尺寸，并提高了系統(tǒng)的集成化水平，如圖4-10所示。VXI系統(tǒng)具有結構緊湊、數(shù)據(jù)傳輸率高（80Mbps）、信息吞吐量大、定時觸發(fā)和時間同步精確、以及系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點。由于VXI系統(tǒng)不僅易于組建、使用靈活，而且有功能覆蓋面廣的各種插卡可資選用，因此，在組建中大規(guī)模自動測試系統(tǒng)以及對系統(tǒng)響應速度、準確度要求較高的場合，VXI系統(tǒng)有著其它總線系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。圖4-10VXI插卡和VXI機箱

現(xiàn)代流行的計算機總線不支持VXI總線結構，所以不能充分利用計算機軟硬件優(yōu)勢，導致了VXI系統(tǒng)成本高，應用受到限制。1997年9月，美國NI公司發(fā)布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范——PXI，它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術擴展成適合于測量與控制應用的機械、電氣和軟件規(guī)范，建立了一種新的儀器體系結構。雖然，在結構形式上，PXI與VXI總線類似，如圖4-11所示，但PXI的核心是CompactPCI結構和MicrosoftWindows軟件，它直接采用當今主流計算機的PCI總線，在保留PCI總線與CompactPCI模塊結構之全部優(yōu)越性能的同時，增強了儀器必備的機械、電氣和軟件等方面的性能。四、PXI總線圖4-11PXI機箱、插卡及軟件界面 PXI的軟件結構有四層：系統(tǒng)管理軟件、應用程序、儀器驅動程序和I/O接口。這種結構可以使測試管理與程序的開發(fā)變得更加簡捷，加之，PXI總線的機械、電氣和軟件特性是建立在PC的基礎之上的，是以熟悉PCI儀器系統(tǒng)的開發(fā)者，只需花很少的時間和經(jīng)費，便可將PC的軟、硬件資源直接應用于更堅固的PXI系統(tǒng)中。4.5.4總線平臺的比較 基于GPIB總線、PCI總線、VXI總線和PXI總線的自動測試系統(tǒng)（ATS），它們因其所用總線的不同而各具不同的優(yōu)缺點，因而各有與之相適應的應用范圍。 GPIB儀器適合于實時性要求不太高，但測量精度要求高的場合。GPIB儀器的不足之處是：GPIB接口的速度慢、系統(tǒng)體積大、總線傳輸距離較短，且當同時使用多臺儀器時，需要增加額外的電路以來滿足同步觸發(fā)的需求。 PCI-ATS在性能、靈活性、易操作性和高性價比等方面具有優(yōu)勢。PCI數(shù)據(jù)采集與控制板卡具有與PC插卡相同的尺寸，將它直接插入PC的PCI總線插槽中，就可充分利用PC的資源來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、故障分析與診斷、或者過程控制等功能。 PCI-ATS的缺點是：缺乏標準化的時間同步觸發(fā)線，抗干擾和電磁兼容性較差，且不能滿足大功率和高散熱率的應用需求。除此之外，由于PC的插槽有限，難以容納大規(guī)模的模擬與數(shù)字通道。 利用VXI-板卡（主要用于多通道的數(shù)字信號的測量）與GPIB-臺式儀器（主要針對性能要求嚴格的射頻/微波信號測量）相結合來組建的ATS，是過去20年軍工企業(yè)普遍遵從的主流原則和典范。這與美國在90年代提倡采用流行商用儀器（Commer-cialOfftheShell，COTS）來構建軍用自動測試系統(tǒng)有很大關系，它可以極大地降低整個測試系統(tǒng)的組建、開發(fā)、維護、替換和升級的成本。 PXI-板卡與PCI-板卡完全兼容，因而在許多場合下，它們可以互相替代。不過，PXI-板卡的價格要高得多，性能也更加優(yōu)越。用戶如果打算將現(xiàn)有的PCI-ATS轉向PXI-ATS，則只需增加PXI機箱及部分硬件投資，原有的軟件不加任何修改即可在PXI-ATS上運行。同時，由于PXI規(guī)范了機箱內(nèi)部器件的工作環(huán)境，并擁有比PC更多的擴展槽，因此，PXI-ATS可在更惡劣環(huán)境下正常工作，其應用領域也更加廣泛。 不同的測試任務對測試系統(tǒng)有不同的要求，基于任何一種總線的自動測試系統(tǒng)都不可能涵蓋所有的測試需求。大體而言，GPIB-ATS適用于獨立儀器應用廣泛的技術領域，如電子技術領域；PCI-ATS通常適用于實時性和精度要求不太高的過程控制、教學實驗和實驗室內(nèi)的常規(guī)測試；PXI-ATS適合于一般要求的工業(yè)系統(tǒng)的自動測試；VXI-ATS適用于速度高、頻帶寬、數(shù)據(jù)流大的自動測試，尤其適用于武器裝備系統(tǒng)的自動測試。4.6局域網(wǎng)通訊系統(tǒng) 前面介紹的三種主要的測試系統(tǒng)的體系結構（GPIB、VXI和PXI）存在如下問題：

GPIB:

雖然GPIB是一種傳統(tǒng)和應用最為廣泛的儀器總線標準，但它的數(shù)據(jù)傳輸率要比其它體系結構慢得多，且最多只能外接14臺儀器，還必須在IPC中安裝接口卡，需要昂貴的外接電纜。

VXI:

這種體系結構需要配置昂貴的機箱、0槽控制器和專用接口。

PXI:

除了需要與VXI類似的經(jīng)費投入外，PXI的尺寸、功率和EMI問題也限制了此類PC插卡儀器的應用范圍。

隨著局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）普及應用，安捷倫和VXI技術公司率先利用LAN技術對儀器進行擴展——LXI（LANeXtensionforInstrumentation，局域網(wǎng)儀器擴展），它包括經(jīng)典的臺式儀器（ClassicInstrument），無面板模塊化儀器（ModularInstrument）和合成儀器(SyntheticInstrument，SI)。 隨著LXI儀器的持續(xù)增長，用戶將在基于GPIB、PXI和VXI的測試系