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1、第十一章 现代测试系统本讲稿第一页，共四十一页2022/9/191习惯把具有自动化、智能化、可编程化等功能的测试系统称为现代测试系统。1、智能仪器2、自动测试系统3、虚拟仪器本讲稿第二页，共四十一页2022/9/191、智能仪器n n 所谓智能仪器是用以形容新的一代测量仪器这类仪器仪表中含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器。这类仪器，因为功能丰富又很灵巧，国外书刊中常简称为智能仪器。本讲稿第三页，共四十一页2022/9/19 智能仪器的特点智能仪器的特点 （1）具有自动校准的功能；（2）具有强大的数据处理能力；（3）具有量程自动切换的功能；
2、（4）具有操作面板和显示器；（5）具有修正误差的能力；（6）有简单的报警功能。本讲稿第四页，共四十一页2022/9/19自动校准功能一般仪器在使用前都要进行刻度校准。在使用中，随着仪表温度升高，元件的参数往往会发生变化，还有诸如电网干扰、噪声等因素的影响，原来校准好的状态会受到破坏，导致前后测量的数据不一致。智能仪器不仅可以自动校准还可以在测量过程中定期校准。这样测量的一致性条件校好，减小了误差。本讲稿第五页，共四十一页2022/9/19 电压输入自动校正电压输入自动校正本讲稿第六页，共四十一页2022/9/19智能仪器的一般结构：智能仪器的一般结构：一、在物理结构上，微型计算机微型计算机内含
3、于测量仪器。微处理器及其支持部件是整个测试电路的一个组成部分，但是，从计算机的观点来看，测试电路与键盘、GPIB接口、显示器等部件一样，仅是计算机的一种外围设备。二、软件软件是智能仪器的灵魂。智能仪器的管理程序也称监控程序，分析、接受、执行来自键盘或接口的命令，完成测试和数据处理等任务。软件存于ROM或EPROM.本讲稿第七页，共四十一页2022/9/19 智能仪器的基本组成本讲稿第八页，共四十一页2022/9/19 智能仪器工作过程1、微处理器接收来自键盘或GPIB接口命令，解释并执行这些命令；2、微处理器通过接口发出各种控制信息给测试电路，以规定功能、启动测量、改变工作方式等，3、当测试电
4、路完成一次测量后，微处理器读取测量数据，进行必要的加工、计算、变换等处理，最后以各种方式输出。本讲稿第九页，共四十一页2022/9/192、自动测试系统、自动测试系统n一个自动测试系统，一般由四部分组成：第一是微机或微处理器微机或微处理器，它是整个系统的核心；第二是被控制的测量仪器或设备，称为可程控仪器可程控仪器；第三是接口接口；第四是软件软件。自动测试系统基本构成本讲稿第十页，共四十一页2022/9/19(一)微机(或微处理器)这是整个系统的核心。在软件控制下，微机控制够个自动测试系统正常运转，并对测量数据进行某种方式的处理，如计算、变换、数据处理、误差分析等；最后将测量结果通过打印机、显示
5、器、磁盘磁卡或电表、数码显示等方式输出。本讲稿第十一页，共四十一页2022/9/19(二)可程控仪器或设备 在自动测试过程中，测量仪器或设备的工作，如测量功能、工作频段、输出电平、量程等的选择和调节都是由微机所发控制指令的控制下完成的。这种能接受程序控制并据之改变内部电路工作状态，以及完成特定任务的测量仪器称为仪器的可程序控制，简称可程控，或称程控仪器。显然程控仪器是组成自动测试系统的基本部分。本讲稿第十二页，共四十一页2022/9/19(三)接 口q 一个自动测试系统中，各仪器和设备之间的接口的总体称为该自动测试系统的接口系统。显然，接口系统是自动测试系统达到自动测试目的，使自动测试系统各仪
6、器和设备之间进行有效通信的重要环节。q60年代中期以前，接口是专用的和非标准化的，即是专门为某一自动测试系统而设计制造的，设计和制造不具有重复性。本讲稿第十三页，共四十一页2022/9/19 接口的主要任务是在下列方面提供仪器与计算机连接需要的兼容。机械兼容机械兼容 对接口的最简单的要求是提供机械兼容，就是要有适当的连接器和它们之间的连线。电磁兼容电磁兼容 接口的第二种作用是使计算机和探器之间有适配的电器特性即在逻辑电平方面要相符合。数据兼容数据兼容 一旦接口已使计算机和仪器实现了机械和电器兼备它们就能通过数据线交换电信号信息，但需要某种格式翻译，有种种编程能力的计算机通常能执行这种功能，考虑
7、到速度，往往把这个任务交给接口完成。本讲稿第十四页，共四十一页2022/9/19 自动测试技术源于70年代，发展至今大致可分为三代，其系统组成结构也有较大的不同。n第一代自动测试系统第一代自动测试系统 第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。其结构特点是采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是专用的。因此，第一代测试系统通用性比较差。自动测试系统发展历程自动测试系统发展历程本讲稿第十五页，共四十一页2022/9/19v第二代自动测试系统第二代自动测试系统 第二代自动测试系统典型方块图如图所示。与第一代自动测试系统的主要不同在于：采用了标准化的通用可程控测量仪器
8、接口总线(IEEE 488)及可程序控制的仪器和测控计算机(控制器)，从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。本讲稿第十六页，共四十一页2022/9/19本讲稿第十七页，共四十一页2022/9/19v第三代自动测试系统第三代自动测试系统 第二代自动测试系统虽然比人工测试显示出前所未有的优越性，但是在这些系统中，电子计算机并没有充分发挥作用，系统中仍是使用传统的测试设备(只不过是配备了新的标准接口)，整个系统的工作过程基本上还是对传统人工测试的模拟。于是出现了虚拟仪器虚拟仪器。本讲稿第十八页，共四十一页2022/9/19n虚拟仪器（Virtual Instrument简称VI）是计算机
9、技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器模拟式仪表、第二代仪器分立元件式仪表、第三代仪器数字式仪表、第四代仪器智能化仪器之后的新一代仪器。虚拟仪器本讲稿第十九页，共四十一页2022/9/191 虚拟仪器的内部功能虚拟仪器的内部功能 测量仪器的内部功能可划分为：输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结果的显示四个部分。虚拟仪器也不例外，但是实现上述功能的方式不同，下面按三个部分来叙述。（1）信号采集与控制功能）信号采集与控制功能 虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成的硬件平台，实现对信号的采集、测量/转换与控制的。硬件
10、平台由两部分组成：1、计算机可以是笔记本计算机、PC机或工作站；2、仪器硬件：可以是插入式数据采集板（含信号调理电路、AD转换器、数字 IO、定时器、DA转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如 GPIB仪器、VXI仪器、RS232仪器等)。本讲稿第二十页，共四十一页2022/9/19 (2)数据分析处理功能数据分析处理功能 虚拟仪器充分利用了计算机的存储、运算功能，并通过软件实现对输入信号数据的分析处理。处理内容包括进行数字信号处理数字滤波统计处理、数值计算与分析等。虚拟仪器比传统仪器以及以微处理器为虚拟仪器比传统仪器以及以微处理器为核心的智能仪器有更强大的数据分析处理功能核心的智能仪器有
11、更强大的数据分析处理功能。(3)测量结果的表达测量结果的表达 虚拟仪器充分利用计算机资源如内存、显示器等，对测量结果数据的表达与输出有多种方式，这也是传统仪器远不能及的。例如，虚拟仪器可以实现：通过总线网络进行数据传输；通过磁盘、光盘硬拷贝输出；通过文件存于硬盘内存中；计算机屏幕显示。本讲稿第二十一页，共四十一页2022/9/19VI构成要素构成要素n 虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪计算机、应用软件和仪器硬件器硬件三大要素构成的。计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台通用仪器硬件平台。本讲稿第二十二页，共四十一页2022/9/19n软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用开发软件
12、有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以LabVIEW为例，这是基于图形化编程语言G的开发环境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力。本讲稿第二十三页，共四十一页2022/9/19 VI系统有多种构成方式：PCDAQ测量系统：是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。GPIB系统：是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。VXI系统：是以VXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。串口系统：是以Seial标准总线仪器与计算
13、机为硬件平台组成的测试系统。现场总线系统：是以 Fieldbus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。VIVI构成方式构成方式本讲稿第二十四页，共四十一页2022/9/19 被测信号GPIB仪器串口仪器VXI模块PXI模块PC-DAQ计算机 I/O接口设备 虚拟仪器的构成方式本讲稿第二十五页，共四十一页2022/9/19无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与各类计算机相结合，其中PC-DAQ测试系统是构成VI的基本方式。因为，实际上数据采集系统DAS是构成各种标准总线仪器的基础，故虚拟仪器是基于“信信息的数据采集息的数据采集(ADC)-信号的分析与处理信号的分析与处理(DS
14、P)-输出输出(DAC)及显示及显示”的结构模式建立通用仪器硬件平台。在在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测量软件就这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪器构成了不同功能的仪器。本讲稿第二十六页，共四十一页2022/9/191、编程设计图形化软件模块 提供图形化编程环境，通过调用控件、库函数原码模块进行仪器面板设计和数据分析处理。2、仪器驱动程序（Instrument Drivers)与用户接口开发工具（User Interface Development)标准软件模块。LabView软件组成本讲稿第二十七页，共四十一页2022/9/19本讲稿第二十八页，共四十一页2
15、022/9/19本讲稿第二十九页，共四十一页2022/9/19 虚似仪器和传统仪器的比较虚似仪器和传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开发和维护费用低开发和维护费用高技 术 是 更 新 周 期 短（0.51年）技 术 更 新 周 期 长（510年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备自动、智能化、远距离传输功能单一，操作不便本讲稿第三十页，共四十一页2022/9/19虚拟仪器的分类虚拟仪器的分类:从技术发展的角度来看，虚拟仪器走的是两条技术路线：一条是向高速、高精度、大型自动测试设备（ATE）方向发展，即GPIB（1975
16、）VXI（1987）PXI（1997）的发展路线；另一条是向高性能、低成本、普及型系统方向发展，即PC插卡（1987）并口式（1995）串口USB（1999）的技术路线。本讲稿第三十一页，共四十一页2022/9/19虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：第一类：第一类：PCPC总线总线插卡型虚拟仪器插卡型虚拟仪器这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比
17、较昂贵。本讲稿第三十二页，共四十一页2022/9/19第二类：并行口式虚拟仪器第二类：并行口式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。本讲稿第三十三页，共四十一页2022/9/19第三类：
18、第三类：GBIBGBIB总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器GPIB总线(General Purpose Interface Bus),即IEEE488通用接口总线,是HP公司在70年代推出的台式仪器接口总线,因此又叫HPIB(HPInterfaceBus)。该标准总线在仪器、仪表及测控领域得到了最为广泛的应用。这种系统是在微机中插入一块GPIB接口卡,通过24或25线电缆连接到仪器端的GPIB接口。当微机的总线变化时,例如采用ISA或PCI等不同总线,接口卡也随之变更,其余部分可保持不变,从而使GPIB系统能适应微机总线的快速变化。由于GPIB系统在PC出现的初期问世,所以有一定的局限性。如
19、其数据线只有8根,用位并行、字节串行的方式传输数据,传输速度最高1y/,传输距离20(加驱动器能达500)。第三类 GPIB总线方式虚拟仪器本讲稿第三十四页，共四十一页2022/9/19第四类：第四类：VXIVXI总线方式虚拟仪器总线方式虚拟仪器VXI总线(VME busextension for instrumentation)。该总线是VME计算机总线在仪器领域中的扩展,其中VME总线是一种工业微机的总线标准,主要用于微机和数字系统领域。优点：优点：系统具有小型便携、高速数据传输、模块式结构、系统小型便携、高速数据传输、模块式结构、系统组建灵活等特点。组建灵活等特点。19981998年修订
20、的年修订的2 02 0版本规范提供了版本规范提供了6464位扩展能位扩展能力力,使数据传输率最高进一步提高到使数据传输率最高进一步提高到8080y/y/。缺点：缺点：组建组建VXIVXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。高。本讲稿第三十五页，共四十一页2022/9/19有三种方法实现计算机至VXI总线仪器的通信：（1）通过IEEE488的VXI总线通信（2）通过MXI总线的VXI总线通信（3）通过装入控制器内的VXI总线通信本讲稿第三十六页，共四十一页2022/9/19第五类：第五类：PXIPXI总线方式虚拟仪器总线方式虚拟
21、仪器PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构PCI。PXI是一个模块化的平台。系统的物理主机是一个拥有2至31个槽位的机箱，有的机箱还带有内置的显示器和键盘。机箱的第一槽（Slot 1）是控制器槽。目前可以使用的控制器有很多，最常见的两种是嵌入嵌入式控制器式控制器和和MXI-3总线总线桥桥。嵌入嵌入式控制器是专为式控制器是专为PXI机机箱箱空空间设计的间设计的常常规计算机。规计算机。MXI-3 则则是一种是一种通过通过台式计算机控制台式计算机控制PXI机机箱箱的扩展器，的扩展器，机箱中的其它槽位被称为外部设备槽，
22、用于插置功能模块，就像计算机里的PCI槽（23）一样。本讲稿第三十七页，共四十一页2022/9/19一个PXI 系统通过MXI-2 连接VXI 机箱，就像在VXI 背板上直接插入了一个VXI嵌入式控制器一样。工程师可以由PXI控制器设置所有的系统设备并与之通信，从而将一个已有的VXI 系统合并到一个新的PXI 系统中。工程师们可以根据需要逐步的将他们的VXI系统升级到PXI。本讲稿第三十八页，共四十一页2022/9/19使用MXI-3，台式计算机上的CPU 可以透明地设置和控制PXI/CompactPCI 模块。在BIOS和操作系统看来，PXI模块就像插在PC上的PCI板卡一样。MXI-3和P
23、XI 机箱组合是扩展系统I/O 的一个极佳选择。从结构上说，MXI-3 是一个PCI到PCI的桥（PCI-PCI bridge）。一块PCI MXI-3板卡插在台式计算机上，并与插在PXI机箱控制器槽内的PXI MXI-3模块通过电缆相连，实现通信。本讲稿第三十九页，共四十一页2022/9/19图3.PXI 配置的灵活性本讲稿第四十页，共四十一页2022/9/19智能仪器和虚拟仪器区别n智能仪器和虚拟仪器的区别在于它们所用的微机是否与仪器测量部分融合在一起，也即采用专门设计的微处理器、存储器、接口芯片组成的系统，还是用现成的PC机配以一定的硬件及仪器测量部分组合而成的系统。本讲稿第四十一页，共四十一页2022/9/19