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1、智能测试系统设计智能测试系统设计 前言：测试方法的变化：从单一参数的测试发展为多参数的综合测试；从接触式测试到非接触式测试；从近距离测试到远距离测试等；从需要人工参与过渡到自动完成测试任务。通常把由计算机参与、能自动进行测试、数据处理、自动显示测试结果的系统称为智能测试系统。在这种系统中，整个测试工作是在预先编制好的测试程序统一控制下自动完成的。智能测试系统有三种基本组成形式：小型测试系统常以单片机系统为主机；中、大型测试系统以PC机或工控机为主机；而复杂的测试系统多以单片机为数据处理核心，以PC机或工控机为主机组成多机系统或网络系统。智能测试系统设计内容主要包括硬件电路设计、接口选型设计和软
2、件设计。第1页/共49页4.1 4.1 被测信号种类被测信号种类4.1 被测信号种类第2页/共49页4.2 4.2 系统结构及功能系统结构及功能硬件组硬件组成成1 14.2 智能测试系统的基本结构及功能4.2.1 系统硬件组成 智能测试系统的典型结构如图4-2所示(1)微机子系统 微机子系统是整个系统的核心，对整个系统起监督、管理、控制作用。例如进行复杂的信号处取、控制决策、产生特殊的测试信号、控制整个测试过程等。此外利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，实现命令识别、逻辑判断、非线性误差修正、系统动态特性的自校正、系统自学习、自适应、自诊断、自组织等功能。(2)数据采集子系统及接口 和传
3、感器、测试元件、变送器联接，实现参数采集、选路控制、零点校正、量程自动切换等功能。第3页/共49页4.2 4.2 系统结构及功能系统结构及功能硬件组硬件组成成2 2第4页/共49页4.2 4.2 系统结构及功能系统结构及功能硬件组成硬件组成3 3(3)基本I/O子系统及接口 实现人机交互接口(HMI)功能，完成人机交互作用。用于输入或修改系统参数、改变系统工作状态、输出测试结果、动态显示测控过程、实现以多种形式输出、显示、记录、报警等功能。(4)通信子系统及接口 用于实现本系统与其他仪器仪表、系统的通信与互联功能。(5)控制子系统及接口 系统实现对被控对象、被测试组件、测试信号发生器、甚至于系
4、统本身和测试操作过程的自动控制。按口的作用是完成它所联接的设备之间的信号转换交换、信号传输、信号拾取等功能。第5页/共49页4.2 4.2 基本结构及功能基本结构及功能软件组成软件组成1 14.2.2 系统软件组成u设计过程：软件结构设计、软件编制、软件调试等u设计方法：模块化和结构化程序设计；面向过程和面向对象程序设计u软件组成：监控程序、中断服务程序、测试算法、通信与控制程序等第6页/共49页4.2 4.2 基本结构及功能基本结构及功能软件组成软件组成2 2(1)初始化模块 软件初始化包括中断安排、堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、系统时钟初始化、各变量存储单元初始化、系统参数
5、初始化等。(2)数据采集模块 完成对数据采集电路的控制、测试数据的读取、存储等。(3)测试算法模块 非线性校正、标度变换、量程自动转换、软件抗干扰等。(4)人-机接口 测试结果显示方法：模拟显示、数字显示、混合显示等；控制输入方式：键盘输入、鼠标操作、按键操作、数据手套输入等。(5)通信与控制 实现与上位机或其他仪器仪表、系统的互联与通信控制。软件模块设计与系统采用的通信总线标准、通信协议、通信接口电路等因素有关。第7页/共49页4.2 4.2 基本结构及功能基本结构及功能软件组成软件组成3 3(6)时钟管理 定时功能主要有：数据采样周期定时；控制周期定时；参数显示周期定时；故障监视电路的定时
6、信号等。定时实现方法有硬件、软件和软硬件结合等方法。(7)故障自诊断与处理 是提高系统可靠性和可维护性的重要手段。主要内容包括：开机自检、周期性自诊断、键控自诊断等。(8)中断管理(9)监控程序 主要作用是及时响应来自系统或外部的各种服务请求，有效管理系统软硬件资源。监控程序是系统软件的核心，它调用各种功能模块，形成一有机整体，实现对测试系统的全面管理。第8页/共49页4.3 4.3 智能测试系统的设计原则智能测试系统的设计原则1 14.3 智能测试系统的设计原则4.3.1 组建测试系统的基本原则 组建测试系统的基本原则：使测试系统的基本参数、静态性能及动态性能均达到预先规定的要求。其中预估是
7、非常重要的工作。预估工作就是根据对测量系统规定的参数指标要求，选择和确定系统的各个环节（传感器、调理电路、数据采集系统）。正确的预估表现在：根据预估确定的环节组成测试系统后，经过标定实验进行性能评定能达到规定的要求，同时测试系统的总成本最低。预估过程是一个反复设定、权衡调整的过程，属于误差分配问题。第9页/共49页4.3 4.3 智能测试系统的设计原则智能测试系统的设计原则2 24.3.2 组建测试系统的基本方法 图中，S1代表传感器；S2代表放大器；S3代表数据采集系统（A/D环节）；H1(j)和H2(j)分别代表相应环节的频率特性。1.基本参数的预估 2动态性能的预估 3静态性能的预估第1
8、0页/共49页4.3 4.3 智能测试系统的设计原则智能测试系统的设计原则3 31.基本参数的预估 主要项目：分辨力和量程 系统总的灵敏度为：其中，S1为传感器灵敏度；S2为放大器的放大倍数；S3为A/D转换的分度值。预估过程：通常按系统的精度与量程以及工作环境等要求，先确定传感器类型及其灵敏度值S1，然后再根据系统要求的分辨率（由量程及精度指标得到）确定A/D转换器的分辨率；最后，根据A/D转换器的量程与传感器的输出范围确定放大器的增益。预估原则：一般要求A/D转换器的分辨率应稍高于系统要求的分辨率。若系统要求的A/D分辨率很高（14位以上），可考虑采用可编程增益放大器进行自动量程切换以达到
9、所需分辨率。第11页/共49页4.4 4.4 单片机自动测试系单片机自动测试系统统4.4 单片机自动测试系统u特点:作为小型测试系统，以单片机作为系统主机的自动测试系统，结构简单、价格低、测量参数少、功能相对简单。u定义:对模拟信号和数字信号进行分时的数字化测量，从而获得大量数据，用单片机对这些采集数据进行处理的系统称为单片机自动测试系统。u设计内容:包括硬件电路设计和软件设计两方面4.4.1 数据采集系统的结构u多通道数据采集系统结构：多通道共享采样器和AD转换器、多通道共享AD转换器、多通道A/D转换电路和差动数据采集系统四种。最常用的形式是多通道共享采样器与AD转换器结构。第12页/共4
10、9页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构u多路直流信号和时域信号数据采集系统（图4-5）为避免小信号通过模拟开关造成较大的附加误差，在传感器输出小信号时，每个通道应在多路开关前设置放大器；在多路开关后设置一个可编程放大器，利用单片机编程控制放大器的增益，以满足各通道信号的不同增益要求。u频率信号和开关量采集系统（图4-6）：只要将频率量和开关量调节到能满足单片机输入要求的TTL电平即可。第13页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构第14页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构多路开多路开关关1 11.多路
11、开关u作用：轮流切换各被测回路A/D转换电路间通路，以达到分时的目的。u模拟开关的理想情况：开关接通时导通电阻等于零，无附加残余电动势，能不失真地传输模拟信号；开关断开时电阻无穷大，无泄露电流。但由于多通道间相互影响，实际上并不能达到理想情况。u选择和设计模拟多路开关时应考虑的问题（1）通道数目一般为四路、八路或十六路。通道数目增加，开关的寄生电容及泄露电流的影响也增大，降低了传输精度和切换速度。对于输入通道多的情况，可用多个多路开关并联。（2）开关接通电阻要尽量小，关断电阻尽量大。（3）开关切换时间要尽量短。（4）开关的极间电容和寄生电容要小。（5）采集信号的输入方式考虑：有些采集信号的信号
12、源本身具有较大的共模电压，要考虑对共模信号的抑制和使用差分输入方式。第15页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构多路开多路开关关2 2u常用的多路开关 四选一、双四选一、八选一、双八选一、十六选一5种类型 八选一多路开关：4051（5G4051、CD4051、CC4051、AD7501）双四选一：CD4052、AD7502 十六选一：CD4067、AD7506 特点：采用标准双列直插式结构；控制信号直接与TTL电平兼容；转换速度快，导通和关闭时间小于1us，导通电阻一般小于100欧，断开电阻很高。AD7501的内部结构及引脚（图4-7c）8路输入，1路选择输出
13、。选址信号：A0、A1、A2；芯片的允许输入端：EN；芯片电源正、负端及公共地端：VDD、VSS、GND；8路模拟量输入：S1S8；模拟量输出：OUT第16页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构多路开多路开关关3 3第17页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构多路开多路开关关4 4第18页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构多路开多路开关关5 5第19页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构多路开关多路开关6 6AD7502的内部结构及引脚（图4-8c）双路输入
14、，双路输出，是一种双四通道的模拟开关。第20页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构采样采样/保持保持器器1 12.采样/保持电路u定义：采样/保持电路是根据状态控制指令截取输入模拟电压瞬时值（采样过程），并把这一瞬时值保留一段时间（保持时间）的功能单元。u作用：A/D转换需要时间，在转换期间，信号要保持不变才能保证一定的转换精度。为保证转换精度，必须在A/D转换之前加采样保持电路，使得在AD转换期间输入的模拟信号保持不变。u结构组成：采样保持电路（图4-）由输入输出缓冲放大器、模拟开关及控制电路、保持电容（用户外接）组成。u工作原理：采样保持电路有两种工作状态
15、：一是采样状态（电容充电），控制信号由低变高，控制开关合上，电路处于采样状态，输出随输入而变化；二是保持状态，控制信号由高到低开关打开，输出保持充电时的最终电压值。采样保持示意如图4-10所示。第21页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构采样采样/保持保持器器2 2第22页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构采样采样/保持器保持器3 3u采样保持电路的主要参数孔径时间：采样保持电路接到保持命令后开关S由导通变成断开所需的时间。采样时间（捕捉时间）：采样保持电路接到采样命令到采样保持器输出达到当前输入信号值(规定的采样精度)所需
16、的时间。保持电压下降速率：由于电容漏电，导致保持电压下降。馈送、瞬变效应u常用的采样保持器件：LF398（图4-11）、AD582等。uLF398内部结构及引脚（图4-11）电源端（1、4）：可在正负5 18V之间选择两个控制端（7、8）：采样保持的控制指令，7接地时，8接控制信号（大于1.4V），处于采样状态；8接地时，处于保持状态。模拟输入、输出（3、5）第23页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构采样采样/保持器保持器4 4第24页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构放大器放大器1 13.放大器u放大器的作用：传感器的输
17、出信号电平低、内阻高，且常伴随着较高的共模电压，因此传感器的输出信号需要经过高输入阻抗(远大于信号源内阻)、抗共模电压干扰能力强的放大器的放大才能送到A/D转换器。u常用的放大器：测量放大器又称仪器放大器)与可编程增益放大器。(1)测量放大器u集成测量放大器AD627：是美国模拟器件（AD）公司生产的测量放大器，具有体积小、功耗低、精度高、可单电源或双电源供电的特点。u引脚定义及使用（图4-12）引脚：电源端、信号输入、输出端、反馈端、增益调整端。放大增益由引脚1、8间阻抗Rg决定：第25页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构放大器放大器2 2第26页/共49
18、页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构放大器放大器3 3(2)可编程增益放大器u可编程增益的要求 一方面同一被测量所处的环境和时间不同，变化范围可能不同；另一方面被测量不同、变化范围也可能不同。因此测试系统中，要求能自动改变放大器的增益，从而使信号经过放大后、具有合适的动态范围。可编程增益放大器能实现这个功能。uAD526 内部结构图（图413）增益可调的原理：运算放大器的反馈电阻的比例调节由程序控制的多路开关实现。增益设定控制逻辑输入端为A0、A1、A2。第27页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构放大器放大器4 4第28页/共49页
19、4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构A/DA/D转换器转换器1 14.A/D转换器u常用的A/D转换器：8位ADC0801、ADC0809和12位的AD574A等。uA/D转换器与单片机接口设计目的：将两部分信息可靠、简洁地联系起来。u数据线连接u启动A/D转换u判断A/D转换结束第29页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构A/DA/D转换器转换器2 2u判断A/D转换结束 A/D转换结束后，发出A/D转换结束状态信号，通知单片机可以读取A/D转换结果。单片机在判断A/D转换是否结束时，有3种方式。(1)中断方式：将A/D转换器的转换结
20、束信号接至单片机的中断信号输入端，一旦转换结束，单片机响应中断后，执行中断服务程序，读取A/D转换结果。该方法判断效率高，实时性好，且不影响单片机的其他工作。(2)程序查询方式：计算机执行查询程序，监视并响应A/D转换器的状态。该方式判断方法简单、直观，且可靠性好，但实时性差。(3)软件延时方式：计算机程序按照略大于A/D转换时间的原则进行延时后，直接读取A/D转换结果。该方式不需连接转换结束信号线，硬件电路相对简单，但转换效率低，实时性差。第30页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构驱动电路驱动电路5.驱动电路 设计接口电路时，必须考虑接口的驱动能力。u接口
21、负载的影响 负载过大会使系统工作不正常；负载过多，会增大驱动电路的等效电容，产生信号延迟和失真。u驱动电路的分类（按信号传输距离）：板内（近距离）驱动，主要考虑器件的输入负载大小；长线驱动，不仅要考虑负载能力，还要考虑信号反射、抗干扰能力等。第31页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构单片机的选择单片机的选择1 16.单片机的选择原则u常见产品 Intel公司的MCS-51系列8位单片机、MCS96系列16位单片机；Motorola公司的MC68系列单片机；Zilog公司的Z8系列单片机等u带A/D转换器的单片机：如PHLIPS公司的83C552，有一8路输入
22、的10位ADC，可用于多路模拟量测量。u低功耗设计选择：Microchip公司的MAX16Cxx系列单片机，是低功耗、低成本便携式职能仪器较为适意的微控制器。u大数据量处理选择：Intel公司的80196系列单片机，以及专用的DSP芯片等。第32页/共49页4.4.1 4.4.1 数据采集系统的结构数据采集系统的结构单片机的选择单片机的选择2 2u总结 单片机的应用开发是一个实践性、经验性很强的工作。新的单片机不断推广应用，选用单片机的空间也越来越大。在实际工作中，选择单片机时要充分考虑测试系统的功能要求和用户环境，同时兼顾设计者的实际经验，尽量选用既符合系统功能要求，又是设计者较为熟悉或短时
23、间内能很快掌握的单片机机型。第33页/共49页4.4.2 4.4.2 单片机自动测试系统的软件结构单片机自动测试系统的软件结构1 14.4.2 单片机自动测试系统的软件结构 单片机自动测试系统典型的软件结构主要包括准备程序、键功能程序等，如图4-14。1.准备程序(1)初始化：将系统中所有命令、状态以及有关存储单元置位成初试状态。(2)自检程序：检查程序存储器、数据存储器以及硬件功能是否正常（如系统间的通信应答）。(3)提示符显示：显示正常标记，等待键扫描（人机交互）。(4)键扫描等待：对所有按键进行查询，当有键按下时，便进入键功能软件控制。2.键功能程序 是一组由散转指令控制选择的键功能程序
24、模块，每个模块完成按键所指定的功能，完成信号测量、数据处理、显示、打印等功能。第34页/共49页4.4.2 4.4.2 单片机自动测试系统的软件结构单片机自动测试系统的软件结构2 2第35页/共49页4.4.3 4.4.3 标度变换标度变换1 14.4.3 标度变换 被测试的各种参数都有不同的数值和量纲，这些参数经A/D转换后，统一变为0-M个数码，这些数码虽然代表参数值的大小，但并不表示带有量纲的参数值，必须转换成有量纲的数值才能进行显示和打印。这种转换称为标度变换或工程量转换。1.线性参数标度变换 是最常用的标度变换方法，其前提是参数值与A/D转换结果（采样值）之间呈线性关系，如下式所示：
25、式中：A0、Am为参数量程的下限和上限，Ax为参数测量值（工程值），N0、Nm、Nx分别为A0、Am、Ax所对应的A/D值（采样值）。第36页/共49页4.4.3 4.4.3 标度变换标度变换1 1 式中：A0、Am为参数量程的下限和上限，Ax为参数测量值（工程值），N0、Nm、Nx分别为A0、Am、Ax所对应的A/D值（采样值）。特殊情况的简化算式：在参数量程起点，A/D值为零（N0=0）；参数量程起点为零（A0=0），对应的A/D值也为零（N0=0）。工程值 A0 Ax Am 数字量 N0 Nx Nm第37页/共49页4.4.3 4.4.3 标度变换标度变换3 32.非线性参数标度变换 如
26、果传感器的输出特性是非线性的，如热敏电阻值温度特性的指数变化规律、热电偶的电压值温度特性的非线性规律等，需要重新建立标度变换公式。变换方法：一般而言，许多传感器的非线性输出特性变量关系写不出一个简单公式，或能写出，但计算困难，这时可用查表法进行标度变换。实例：热敏电阻电桥测温（图4-16）第38页/共49页4.4.3 4.4.3 标度变换标度变换4 4u建立标度变换参量对应表 整个参量变换过程为：温度热敏电阻值电桥输出电压A/D转换数字量（1）测量出温度测试回路的电阻-电压特性曲线（2）根据热敏电阻值温度特性（图4-17），得出温度-电压特性。（3）按照A/D转换器的位数及相应的电压值范围，从
27、温度-电压特性得出相应的电压数值量-温度特性表。如测温范围为35-450C，选8位A/D转换器进行单极性转换，则测温电路中热敏电阻应选择350C时使电桥平衡的阻值，通过计算得到相应的温度-电压-数字量对应特性（表4-7）。数字量数字量23H24H25H 26H27H.电压电压/V1.41.441.481.521.56.温度温度/0C45.0044.0043.0042.0041.00.第39页/共49页4.4.3 4.4.3 标度变换标度变换5 5u使用参量对应表：将参量对应表编程固化在单片机的EPROM中，当采集到数字量后，通过查表就能准确得出环境温度值。实例：PC数据采集系统标度变换（压缩机
28、性能综合测试系统）温度1（0 100度）温度2（0 200度）压力1（0 1MPa）压力2（-100 900KPa）差压（0 30KPa）420mA15V DC数字量工程值测量值250欧姆电阻传感器A/D第40页/共49页4.4.3 4.4.3 标度变换标度变换6 6第41页/共49页4.4.4 4.4.4 单片机自动测试系统设计单片机自动测试系统设计1 14.4.4 单片机自动测试系统的设计1.温度自动测试系统设计 系统设计要求：对某冷库8个冷冻室进行温度巡回测试，被测量温度范围-30+5度，温度测试精度小于1度，要求基于单片机设计测试系统。(1)硬件电路设计 硬件电路如图4-18（同图3-
29、9）所示。采用8031作为主芯片，扩展4KB的外部程序存储器，设计4位数据显示电路，8路温度采集信号分别接到ADC的8个输入端。u温度/电压转换电路：选用AD590温度传感器，放大电路选用AD627，将被测温度转换并放大到0-5V范围，然后送ADC0809的输入端。u模数转换电路与8031的接口：模数转换选用内部带锁存器和8路模拟开关的ADC0809，它的分辨率为1/256，完全能满足1度的精度要求。第42页/共49页4.4.4 4.4.4 单片机自动测试系统设计单片机自动测试系统设计2 2第43页/共49页4.4.4 4.4.4 单片机自动测试系统设计单片机自动测试系统设计3 3uADC08
30、09片内带三态输出锁存器，可直接与8031相接。u8031的P0口：一方面经锁存器74LS373与P2口组成16位地址线，用来扩展存储器；另一方面作为数据口，获取A/D转换后的数据，同时P0.0P0.2组成地址线，与ADC0809的通道选择控制端ADDA、ADDB、ADDC相连，用于选择ADC0809的输入通道。uADC0809与8031采用中断方式获取数据。(2)软件设计 系统软件主要包括主程序和中断服务子程序，系统流程如图4-19所示。u主程序功能：负责整个系统的管理工作、如对8031外部中断方式进行设置、建立数据指针、置通道初值、启动A/D转换、显示采集结果等。u中断服务程序功能：读取A
31、/D转换后的数据、更改通道号及数据存储器地址指针并判断8个通道是否采集完毕，未完则继续启动下一个通道；若8个通道已转换完毕、则重新设置通道号初值，再次启动IN0通道。第44页/共49页4.4.4 4.4.4 单片机自动测试系统设计单片机自动测试系统设计4 4第45页/共49页4.4.4 4.4.4 单片机自动测试系统设计单片机自动测试系统设计5 52.水塔水位测控系统 控制原理（图420）：图中虚线表示允许水位变化的上、下限。在正常情况下，应保持水位在虚线范围之内。为此，在水塔内的不同高度安装固定不动的3根金属棒，以感知水位变化情况。水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到对水位控制的目的。供水时，水位达到上限、降到下限和处于上下限之间时，三根金属棒间的导通关系不同，b、c两端的状态也不同，只要测出b、c两点的TTL电平的高低，就可实现对水塔水位的控制。第46页/共49页4.4.4 4.4.4 单片机自动测试系统设计单片机自动测试系统设计6 6第47页/共49页4.4.4 4.4.4 单片机自动测试系统设计单片机自动测试系统设计7 7第48页/共49页感谢您的观看。第49页/共49页