精密測試技術(shù)：CH 6 現(xiàn)代測試系統(tǒng)

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1、第第6 6章章 現(xiàn)代測試系統(tǒng)現(xiàn)代測試系統(tǒng)Modern Measuring Systems6.0 序序 Introduction6.1 計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成 Configuration of the computer-based measurement systems6.2 計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù) Bus technology in computer-based measurement systems6.3 虛擬儀器虛擬儀器 Virtual Instruments6.4 網(wǎng)絡(luò)化測試儀器網(wǎng)絡(luò)化測試儀器 Network-oriented meas

2、uring instrument現(xiàn)代測試系統(tǒng)即計算機化測試系統(tǒng)現(xiàn)代測試系統(tǒng)即計算機化測試系統(tǒng)：l智能儀器、總線儀器、智能儀器、總線儀器、PC儀器、儀器、VXI儀器、虛擬儀器及互換性儀器、虛擬儀器及互換性虛擬儀器等微機化儀器及其自動測試系統(tǒng)；虛擬儀器等微機化儀器及其自動測試系統(tǒng)；l計算機與現(xiàn)代儀器設(shè)備間的界限日漸模糊，配以相應(yīng)軟件和硬計算機與現(xiàn)代儀器設(shè)備間的界限日漸模糊，配以相應(yīng)軟件和硬件的計算機實質(zhì)上相當(dāng)于一臺多功能的通用測量儀器。件的計算機實質(zhì)上相當(dāng)于一臺多功能的通用測量儀器。l計算機與現(xiàn)代儀器設(shè)備日漸趨同，兩者間已表現(xiàn)出全局意義上計算機與現(xiàn)代儀器設(shè)備日漸趨同，兩者間已表現(xiàn)出全局意義上的相通

3、性。的相通性。第第6 6章章 現(xiàn)代測試系統(tǒng)現(xiàn)代測試系統(tǒng) Modern Measuring Systems6.1 6.1 計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成Configuration of the computer-based measurement systems6.1.1 計算機測試系統(tǒng)的框圖計算機測試系統(tǒng)的框圖(Diagram)被測對象傳感器信號調(diào)理多路模擬開關(guān)采樣保持A/D計算機總線D/A低通濾波激勵裝置功率放大CPUROMRAM鍵盤顯示控制邏輯計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成6.1.2 多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān)(Analog Multiplexer)優(yōu)點：

4、優(yōu)點：功耗低、體積小、易于集功耗低、體積小、易于集成、速度快且沒有機械式成、速度快且沒有機械式開關(guān)的抖動現(xiàn)象；開關(guān)的抖動現(xiàn)象；譯碼器A0A1A2OUTS0S1S2S3S4S5S6S7CMOSCMOS場效應(yīng)模擬電子開關(guān)的導(dǎo)通電阻一般在場效應(yīng)模擬電子開關(guān)的導(dǎo)通電阻一般在200200 以下，以下，關(guān)斷時漏電流一般可達(dá)納安級甚至皮安級，開關(guān)時間通常關(guān)斷時漏電流一般可達(dá)納安級甚至皮安級，開關(guān)時間通常為數(shù)百納秒。為數(shù)百納秒。缺點：缺點：導(dǎo)通電阻受電源、模擬信導(dǎo)通電阻受電源、模擬信號電平和環(huán)境溫度變化的號電平和環(huán)境溫度變化的影響。影響。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成6.1.3 A/D轉(zhuǎn)換與

5、轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換Analog to Digital Converter and Digital to Analog Converterl 概念概念將模擬量轉(zhuǎn)換成與其對應(yīng)的數(shù)字量的過程稱為模將模擬量轉(zhuǎn)換成與其對應(yīng)的數(shù)字量的過程稱為模/數(shù)數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，反之，則稱為數(shù)）轉(zhuǎn)換，反之，則稱為數(shù)/模（模（D/A）轉(zhuǎn)換。）轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)上述過程的裝置分別稱為實現(xiàn)上述過程的裝置分別稱為A/D轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。l A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程 采樣：連續(xù)時間信號離散化采樣：連續(xù)時間信號離散化 量化：連續(xù)幅值離散化量化：連續(xù)幅值離散化 編碼：離散幅值數(shù)字化編碼：離散幅值數(shù)字化 計算

6、機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成采樣x(t)模擬信號取樣信號s(t)0ts(t)xs(t)量化編碼數(shù)字信號x(n)0tx(t)0tx(nt)tt0qx(n)000001010011nx(nt)A/DA/D轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程 t：采樣周期q：量化當(dāng)量或量化步長，q=A/d A：信號x(t)取值區(qū)間的大小d：信號x(t)取值等間隔分割的數(shù)目計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成量化誤差量化誤差 Quantization Error 經(jīng)過量化和編碼后得到的數(shù)字信號其幅值必然帶來誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化誤差的大小一般取決于二進(jìn)制編碼的位數(shù)，因為它決定了幅值被分割的間隔數(shù)量d

7、。如采用8位二進(jìn)制編碼時，d=28=256，即量化當(dāng)量為最大可測信號幅值的1/256。當(dāng)采用舍入量化時，最大量化誤差為 q/2，而采用截尾量化時，最大量化誤差為q。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成A/D轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn) 直接比較型直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 將輸入模擬電壓信號直接與作為標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓信號相比較，得到相應(yīng)的數(shù)字編碼。如逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器通過將待轉(zhuǎn)換的模擬輸入量Vi與一個推測信號VR相比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)VR以向Vi逼近。該推測信號VR由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得，當(dāng)VR與Vi相等時，D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量即為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算

8、機測試系統(tǒng)的基本組成D/A轉(zhuǎn)換器比較器D0D1Dn-1Dn數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)鎖存器移位寄存器控制邏輯時鐘STARTEOCVREFViVR逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D原理框圖原理框圖 直接型直接型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器屬于瞬時比較，轉(zhuǎn)屬于瞬時比較，轉(zhuǎn)換速度快，常作為換速度快，常作為數(shù)字信號處理系統(tǒng)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的前端，但缺點是的前端，但缺點是抗干擾能力差?？垢蓴_能力差。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成 間接比較型間接比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 將輸入的模擬信號與參考信號轉(zhuǎn)換為某種中間變量（如時間、頻率、脈沖寬度等等），然后再對其比較得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。如雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器先對輸入模

9、擬電壓Vi進(jìn)行固定時間的積分，然后通過控制邏輯轉(zhuǎn)為對標(biāo)準(zhǔn)電壓VREF進(jìn)行反向積分，直至積分輸出返回起始值，這樣對標(biāo)準(zhǔn)電壓積分的時間T將正比于Vi。Vi越大，反向積分時間越長。若用高頻標(biāo)準(zhǔn)時鐘測量時間T，即可得到與Vi相應(yīng)的數(shù)字量。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成數(shù)字量輸出積分器比較器ViVREF控制邏輯時鐘計數(shù)器t積分輸出TT1T2AB斜率固定(a)(b)雙積分雙積分A/D轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 間接型間接型A/D轉(zhuǎn)換器抗干擾轉(zhuǎn)換器抗干擾能力強，但轉(zhuǎn)換速度慢，能力強，但轉(zhuǎn)換速度慢，常用于數(shù)字顯示系統(tǒng)中。常用于數(shù)字顯示系統(tǒng)中。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成l D/A轉(zhuǎn)

10、換轉(zhuǎn)換 D/A 轉(zhuǎn)換器將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號輸出，其基本要求是輸出信號A與輸入數(shù)字量D成正比，即A=qD其中q為量化當(dāng)量，即數(shù)字量的二進(jìn)制碼最低有效位所對應(yīng)的模擬信號幅值。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成D/A轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理 式中，式中，ai（i=0，1，n-1）等于）等于0或或1，表示二進(jìn)制，表示二進(jìn)制數(shù)的第數(shù)的第i位。即二進(jìn)制數(shù)可表示為位。即二進(jìn)制數(shù)可表示為an-1an-2a2a1a0。根據(jù)二進(jìn)制計數(shù)方法，一個數(shù)是由各位數(shù)碼組合而成根據(jù)二進(jìn)制計數(shù)方法，一個數(shù)是由各位數(shù)碼組合而成的，每位數(shù)碼均有確定的權(quán)值，即的，每位數(shù)碼均有確定的權(quán)值，即為了將數(shù)

11、字量表示為模擬量，應(yīng)將每一位代碼按其權(quán)為了將數(shù)字量表示為模擬量，應(yīng)將每一位代碼按其權(quán)大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后根據(jù)迭加原理將各位大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后根據(jù)迭加原理將各位代碼對應(yīng)的模擬分量相加，其和即為與數(shù)字量成正比代碼對應(yīng)的模擬分量相加，其和即為與數(shù)字量成正比的模擬量，即實現(xiàn)了的模擬量，即實現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成 T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 VR2R2R2R2RRR2RRFVoR2Ra0an-2an-3an-1S0Sn-3Sn-2Sn-1abc計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成D/A轉(zhuǎn)換器低通濾波器nx

12、(n)tx(t)tx(t)x(n)x(t)x(t)D/A轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程 從D/A轉(zhuǎn)換器得到的輸出 Vo是轉(zhuǎn)換指令來到時刻的一次瞬時值，要恢復(fù)為連續(xù)時域模擬信號，還須通過保持電路進(jìn)行波形復(fù)原。保持電路相當(dāng)于模擬存儲器，其作用是在轉(zhuǎn)換間隔的起始時刻接收D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓脈沖，并保持到下一轉(zhuǎn)換間隔的開始（零階保持器）。保持電路一般通過對輸入數(shù)字信號進(jìn)行鎖存實現(xiàn)。D/A經(jīng)保持器輸出的信號實際為許多矩形脈沖構(gòu)成，須通過低通濾波濾去其中的高頻噪聲，從而恢復(fù)出原信號。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成6.1.4 采樣保持（采樣保持（Sample/Hold）在對模擬信號進(jìn)行 A/D變換時

13、，從啟動變換到變換結(jié)束，需要一定的時間，即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時間。當(dāng)輸入信號頻率較高時，由于孔徑時間的存在，會造成較大的孔徑誤差。l 孔徑時間與孔徑誤差孔徑時間與孔徑誤差 Aperture Time and Aperture Error 為了防止孔徑誤差的產(chǎn)生，必須在 A/D轉(zhuǎn)換開始時將信號電平保持住不變，而在 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化，即對輸入信號處于采樣狀態(tài)。能完成上述功能的器件稱為采樣保持器。l 采樣保持器采樣保持器計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成采樣保持采樣控制信號tt輸出輸入x(t)s(t)采樣保持波形采樣保持波形 采樣保持器在保持階段相當(dāng)于采樣保持器在

14、保持階段相當(dāng)于“模擬信號存儲器模擬信號存儲器”。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成實際保持電壓延時引入誤差應(yīng)保持電壓采樣保持獲得時間SC+控制信號輸入輸出a)b)采樣保持原理采樣保持原理 采樣期間，開關(guān)閉合，輸入跟隨器的輸出給電容器 C快速充電；保持期間，開關(guān)斷開，由于輸出緩沖放大器的輸入阻抗極高，電容器上存儲的電荷將基本維持不變，保持充電時的最終值供A/D轉(zhuǎn)換。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成采樣保持器工作狀態(tài)由外部控制信號控制，由于開關(guān)狀態(tài)的切換需要一定的時間，因此實際保持的信號電壓會存在一定的誤差。這種時間滯后稱為采樣保持器的孔徑時間。實際系統(tǒng)中，是否需要采

15、樣保持電路，取決于模擬信號的變化頻率和 A/D轉(zhuǎn)換時間，通常對直流或緩變低頻信號進(jìn)行采樣時可不用采樣保持電路。采樣保持器的孔徑時間必須遠(yuǎn)小于A/D的轉(zhuǎn)換時間，同時也必須遠(yuǎn)小于信號的變化時間。計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成6.1.5 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成方式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成方式 S/HS/HS/H.A/DA/DA/D.CPUa)計算機測試系統(tǒng)的基本組成計算機測試系統(tǒng)的基本組成S/HA/D多路開關(guān)CPU控制邏輯b).S/HS/HS/H.A/DCPU多路開關(guān)c)控制邏輯6.2 計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)6.2.1 總線的基本概念及其標(biāo)準(zhǔn)化總線的基本

16、概念及其標(biāo)準(zhǔn)化總線是一組互聯(lián)信號線的集合總線是一組互聯(lián)信號線的集合是設(shè)備與設(shè)備之間傳送信息的公用信號線是設(shè)備與設(shè)備之間傳送信息的公用信號線可同時掛接多個模塊或設(shè)備可同時掛接多個模塊或設(shè)備計算機系統(tǒng)中信息的互相傳遞通過總線實現(xiàn)。計算機系統(tǒng)中信息的互相傳遞通過總線實現(xiàn)。l總線總線 Bus計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)l總線的分類總線的分類根據(jù)總線上傳輸信息：地址總線、數(shù)據(jù)總線以及控制總線；根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次：芯片(間)總線、(系統(tǒng))內(nèi)總線、(系統(tǒng)間)外總線；根據(jù)信息傳遞方式：并行總線和串行總線。l總線標(biāo)準(zhǔn)化總線標(biāo)準(zhǔn)化 信號級兼容 輸入和輸出信號線的數(shù)量、各信號的定義、傳遞方 式和傳

17、遞速度、信號邏輯電平和波形、信號線的輸 入阻抗和驅(qū)動能力等。命令級兼容 除了對接口的輸入、輸出信號建立統(tǒng)一規(guī)范外，對接口的命令系統(tǒng)也建立統(tǒng)一規(guī)范，包括命令的定義和功能、命令的編碼格式等。程序級兼容 在命令級兼容的基礎(chǔ)上，對輸入、輸出數(shù)據(jù)的定義和編碼格式也建立統(tǒng)一的規(guī)范。不論在何種層次上兼容的總線，接口的機械結(jié)構(gòu)都應(yīng)建立統(tǒng)一規(guī)范，包括接插件的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸、引腳定義和數(shù)量、插件板的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸等。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)6.2.2 總線的通信方式總線的通信方式外設(shè)CPU總線接口邏輯讀操作請求讀應(yīng)答輸入讀操作請求讀應(yīng)答輸出寫操作請求寫應(yīng)答輸入寫操作請求寫應(yīng)答輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)C

18、PUCPU與外設(shè)并行應(yīng)答式通信原理與外設(shè)并行應(yīng)答式通信原理 對于串行總線，硬件應(yīng)答線不存在，此時就必須由軟件根據(jù)規(guī)定的通信協(xié)議來實現(xiàn)應(yīng)答信息的交互。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)6.2.3 測控系統(tǒng)內(nèi)部總線測控系統(tǒng)內(nèi)部總線l ISA/PC104/AT96總線總線 起源起源 IBM PC/XT計算機應(yīng)用應(yīng)用 面向特定CPU，80 x86以及Pentium。發(fā)展發(fā)展PC/XT8位PC/ATISA 16位PC104AT96EISA32位計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)l VME/VXI總線總線 VME：Versa Module EuropeVersa：Motorol

19、a公司68000處理器總線。VMEbus：采用高可靠的針式連接器非復(fù)用32位異步總線，總線速度自動與器件速度適配傳輸32位、16位和8位數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)塊傳輸方式傳輸單一數(shù)據(jù)時最大速率為19MB/s,傳輸數(shù)據(jù)塊時最大速率為30MB/sVME64 將總線數(shù)據(jù)寬度提升到64位，最大數(shù)據(jù)傳輸速度為 80MB/s。VME64x 總線規(guī)范將總線速度提高到了320MB/s。7條菊花鏈中斷線計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)VXI：VMEbus eXtension for Instrumentation，是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。是在VME總線、Eurocard標(biāo)準(zhǔn)（機械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)）和IEEE

20、 488等的基礎(chǔ)上制訂的開放性儀器總線標(biāo)準(zhǔn)。VXI 系統(tǒng)最多可包含 256 個裝置，主要由主機箱、零槽控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅(qū)動軟件、系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用組成新系統(tǒng)。VXI總線組織VXI聯(lián)盟VXI總線即插即用(VXI Plug&Play，VPP)系統(tǒng)聯(lián)盟計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)l PCI/CompactPCI總線總線 PCI：Peripheral Component Interconnect，由PCISIG(PCI Special Interest Group)制定PCI局部總線是微型機上的處理器/存儲器與外圍控制部件、外圍

21、附加卡之間的互連機構(gòu)，它規(guī)定了互連機構(gòu)的協(xié)議、電氣、機械以及配置空間規(guī)范。在電氣方面還專門定義了5V和3.3V的信號環(huán)境。PCI局部總線規(guī)范是當(dāng)今微型機行業(yè)事實上的標(biāo)準(zhǔn)，也是業(yè)界微型機系統(tǒng)及產(chǎn)品普遍遵循的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)PCI局部總線的主要特點局部總線的主要特點地址、數(shù)據(jù)多路復(fù)用的高性能32位或64位同步總線。高性能和高帶寬。支持猝發(fā)工作方式，在33MHz總線時鐘、32/64位數(shù)據(jù)通路時可達(dá)到峰值132/264MB/s的帶寬。66MHz總線時鐘下，可達(dá)到264/528MB/s。PCI總線獨立于處理器，通用性強，適用面廣。多主能力。允許PCI總線的主

22、設(shè)備能對等地訪問總線上的任何主設(shè)備或目標(biāo)設(shè)備。PCI的配置空間規(guī)范能保證全系統(tǒng)的自動配置，即插即用。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)CompactPCI總線總線PCI總線的電氣規(guī)范總線的電氣規(guī)范+標(biāo)準(zhǔn)針孔連接器（標(biāo)準(zhǔn)針孔連接器（IEC-1076-4-101）+歐洲卡規(guī)范（歐洲卡規(guī)范（IEC297/IEEE 1011.1）CompactPCI是當(dāng)今最新的一種工業(yè)計算機總線標(biāo)準(zhǔn)。是當(dāng)今最新的一種工業(yè)計算機總線標(biāo)準(zhǔn)。CompactPCI通過改造現(xiàn)行的通過改造現(xiàn)行的 PCI規(guī)范，使其成為無源底規(guī)范，使其成為無源底版總線式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。版總線

23、式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。CompactPCI 的基本系統(tǒng)設(shè)計成的基本系統(tǒng)設(shè)計成8塊卡，并可通過塊卡，并可通過 PCI PCI 橋芯片進(jìn)行擴(kuò)展。利用橋電橋芯片進(jìn)行擴(kuò)展。利用橋電路技術(shù)，也可將路技術(shù)，也可將CompactPCI與別的總線組成混合系統(tǒng)。與別的總線組成混合系統(tǒng)。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)l PXI總線總線 PXI：PCI eXtension for Instrumentation，是開放式、模塊化的儀器總線，是PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。PXI與CompactPCI完全兼容，PXI與CompactPCI模塊可以在同一系統(tǒng)中共存而不發(fā)生沖突。PXI擴(kuò)充了CompactPCI規(guī)

24、范，對提供優(yōu)異的機械完整性及易裝易卸的PCI硬件定義了堅固的結(jié)構(gòu)形式。PXI增加了觸發(fā)總線、用于高速定時的系統(tǒng)參考時鐘、用于進(jìn)行多板精確同步的星形觸發(fā)總線以及相鄰儀器模塊進(jìn)行高速通訊的局部總線。更能滿足儀器用戶的需要。PXI總線采用成熟 PC技術(shù)，與 PC100%兼容。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)6.2.4 測控系統(tǒng)外部總線測控系統(tǒng)外部總線RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(Electronic Industry Association)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。l RS-232C總線總線 RS-232C規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒300、600、1200、2400、48

25、00、9600、19200等波特。RS-232C 總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號線，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232C 通信距離受負(fù)載電容影響。若采用 150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；電容量減小，通信距離可以增加。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)RS-232C傳輸?shù)男盘栯娖綄Φ貙ΨQ，其邏輯0電平規(guī)定為+5+15V之間，邏輯1電平規(guī)定為-5-15V之間，因此，計算機系統(tǒng)采用 RS-232C通訊時需經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換接口。RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，一般用于20m以內(nèi)的通信。RS-2

26、32C未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的連接器，同樣是 RS-232C 接口卻可能互不兼容。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)l RS-449/RS-423A/422A/485總線總線 RS-449是一種物理接口功能標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)連接器。其電氣標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)RS-423A或RS-422A以及RS-485。RS-423A和RS-422A分別給出在RS-449應(yīng)用中對電纜、驅(qū)動器和接收器的要求。RS-423A給出采用非平衡(單端)發(fā)送、差分接收接口；RS-422A 采用平衡(雙端)驅(qū)動、差分接收接口。RS-423A/422A 比RS-232C傳輸信號距離長、速度快，最大傳輸率可達(dá)10Mbps（RS-422A

27、電纜長度120米，RS-423A電纜長度15米）。若采用較低的傳輸速率，如90 000bps，最大距離可達(dá)1200米。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)RS-232C、RS-423A、RS422A電氣連接圖電氣連接圖 計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)RS-485是RS-422A的變型。RS-422A為全雙工，可同時發(fā)送與接收；RS-485則為半雙工，在某一時刻，只能有一個發(fā)送器工作。RS-485是一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，它擴(kuò)展了RS-422A的性能，允許雙導(dǎo)線上一個發(fā)送器驅(qū)動多達(dá)32個負(fù)載設(shè)備。負(fù)載設(shè)備可以是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器（發(fā)送器和接收器的組合）。RS

28、-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485 可以非常方便地聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式測控系統(tǒng)。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)RS485網(wǎng)絡(luò)接線圖網(wǎng)絡(luò)接線圖 計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)l GPIB總線總線 GPIB：General Purpose Interface Bus，是計算機和儀器間的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，它是最早的儀器總線，屬于命令級兼容的并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。典型的 GPIB 測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器。每臺 GPIB 儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。GPIB按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連

29、接方式為總線方式，儀器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元。GPIB 總線上最多可連接 15臺設(shè)備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為 500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)l USB/IEEE-1394 USB：Universal Serial Bus，USB1.1應(yīng)用于中低速外部設(shè)備，傳輸速度有低速 1.5Mbps 和全速 12Mbps兩種。USB2.0 兼容 USB1.1，其速度可高達(dá)480Mbps，支持多媒體應(yīng)用。USB接口支持熱插拔，USB設(shè)備單獨使用自己的保留中斷，為USB設(shè)計的驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件可以自動啟動，無需用戶干預(yù)，“

30、即插即用”。USB采用Hub或“級聯(lián)”方式，一個USB控制器理論上可以連接多達(dá)127個外設(shè)，而每個外設(shè)間線纜長度可達(dá)5米。USB接口提供內(nèi)置電源。能向低壓設(shè)備提供 5V的電源，降低了設(shè)備的成本并提高了性價比。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)IEEE-1394（FIREWIRE）也是一種高效的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 1394可以在一個端口上連接多達(dá)63個設(shè)備，設(shè)備間采用樹形或菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。IEEE 1394標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種總線模式，即：Backplane模式和Cable模式。其中Backplane模式支持12.5、25、50Mbps的傳輸速率；Cable模 式 支 持100、20

31、0、400Mbps的傳輸速率。目前正在開發(fā)1Gbps的版本。IEEE-1394的主機和外設(shè)的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于USB系統(tǒng)，因而，成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比USB為高。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)l 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線 Field Bus現(xiàn)場總線是過程自動化和制造自動化現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。主要解決的智能化儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信，以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題?，F(xiàn)場總線的技術(shù)特點：利用數(shù)字信號代替模擬信號，抗干擾性強。開放式互連網(wǎng)絡(luò)。只需一對傳輸線（現(xiàn)場總線）互連，易于維護(hù)。系統(tǒng)的自治性強。與DCS相比，現(xiàn)場總線減少了專 用的I/O裝置

32、及控制站，把DCS控制站的功能塊分 散到現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)了徹底的分散控制。降低了 成本，提高了可靠性。計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)計算機測試系統(tǒng)的總線技術(shù)常用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)常用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) 基金會現(xiàn)場總線FF(Foundation Field Bus)、LonWorks(Local Operation Network)、Profibus(Process Field Bus)、CAN(Control Area Network)、HART(Highway Addressable Remote Transduscer)、DeviceNet、WorldFIP等;6.3 虛擬儀器虛擬儀器 Virtual I

33、nstruments6.3.1 概述概述虛擬儀器：Virtual Instruments簡稱VI虛擬儀器是基于計算機的自動化測試儀器系統(tǒng)，虛擬儀器利用加在計算機上的一組軟件與儀器模塊相連接，將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示。軟件即儀器The software is the instrument虛擬儀器打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)廠家定義，用戶無法改變的模式，利用虛擬儀器，用戶可以很方便地組建自己的自動測試系統(tǒng)。虛擬儀器虛擬儀器6.3.2 虛擬儀器的出現(xiàn)虛擬儀器的出現(xiàn)電子測量儀器的發(fā)展電子測

34、量儀器的發(fā)展 模擬儀器模擬儀器：如指針式萬用表、晶體管電壓表等借助指針來顯示最終結(jié)果。數(shù)字化儀器數(shù)字化儀器：如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計等，將模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號測量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果。智能儀器智能儀器：內(nèi)置微處理器，既能進(jìn)行自動測試又具有一定的數(shù)據(jù)處理能力。虛擬儀器虛擬儀器：由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)由計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器虛擬儀器虛擬儀器結(jié)構(gòu)虛擬儀器結(jié)構(gòu) 測控對象數(shù)據(jù)采集卡GPIB接口儀器RS-232C儀器現(xiàn)場總線設(shè)備其它計算機硬件VXI儀器PXI儀器USB儀器數(shù)據(jù)采集與控制計算機結(jié)果表達(dá)打印文件圖形

35、顯示數(shù)據(jù)分析與處理數(shù)字濾波FFT統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)輸出其它虛擬儀器虛擬儀器虛擬儀器優(yōu)點虛擬儀器優(yōu)點 融合計算機強大的硬件和軟件資源，實現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，增加了系統(tǒng)靈活性。同時，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、存儲、人機交互等方面的限制。基于計算機總線和模塊化儀器總線，硬件模塊化、系列化，提高了系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性。基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，廣泛支持各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)?？煞奖愕貥?gòu)建自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)測量、控制過程的智能化、網(wǎng)絡(luò)化?；谟嬎銠C的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。硬、軟件均具有開放性、可重復(fù)使用及互換性等特點。用戶可根據(jù)自己的需要，選用不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建

36、時間。虛擬儀器虛擬儀器虛擬儀器系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 自動測試系統(tǒng)應(yīng)用軟件DAQ驅(qū)動程序VXI驅(qū)動程序PXI驅(qū)動程序GPIB驅(qū)動程序VISA庫DAQ儀器VXI儀器PXI儀器GPIB儀器自動測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)自動測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)虛擬儀器虛擬儀器6.3.3 虛擬儀器的硬件虛擬儀器的硬件l 計算機硬件平臺計算機硬件平臺l 測控功能硬件測控功能硬件GPIBVXIPXIPC插插卡卡式式：基于計算機標(biāo)準(zhǔn)總線的內(nèi)置（如ISA、PCI、PC/104等）或外置（如USB、IEEE-1394等）功能插卡，其核心主要是DAQ（Data AcQuisition，數(shù)據(jù)采 集）卡。虛擬儀器虛擬儀器6.3.4

37、虛擬儀器的軟件虛擬儀器的軟件l VISA（Virtual Instrumentation software Architecture)虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，實質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)的 I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。一般稱這個I/O函數(shù)庫為VISA庫。是計算機與儀器之間的軟件層連接，以實現(xiàn)對儀器的程控。l 儀器驅(qū)動程序完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。l 應(yīng)用軟件虛擬儀器虛擬儀器虛擬儀器應(yīng)用軟件的編制 基于通用編程軟件 Visual Basic，Visual C+，.net，Delphi等專業(yè)圖形化編程軟件 美國HP公司的VEE和HPTIG 美國NI公司的LabVIEW

38、 和Lab windows/CVI 美國Tektronis公司的EzTest和TekTNS 美國HEM Data公司的SnapMarter平臺軟件等應(yīng)用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。如頻域分析的功率譜估計、FFT、FHT、逆FFT、逆FFT和細(xì)化分析等；時域分析的相關(guān)分析、卷積運算、反卷運算、均方根估計、差分積分運算和排序等；數(shù)字濾波等。虛擬儀器虛擬儀器6.3.5 基于基于Labview的虛擬儀器示例的虛擬儀器示例LabVIEW 提供了交互式的圖形化開發(fā)環(huán)境，采用圖形化編程語言G語言，其程序表現(xiàn)為框圖的形式。LabVIEW程序包括三部分：前面板（Panel）：VI的交互式用戶接口。數(shù)據(jù)流框圖（D

39、iagram）：相當(dāng)于儀器的電路結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)流的方式實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的處理。圖標(biāo)連接端口(Connector)：相當(dāng)于儀器中的某個集成電路，是對子程序（subVIs）的調(diào)用形式，是VI程序的可選部分。虛擬儀器虛擬儀器LabVIEW振動信號處理程序示例振動信號處理程序示例 虛擬儀器虛擬儀器LabVIEW振動信號處理VI運行界面：時域波形圖 虛擬儀器虛擬儀器LabVIEW振動信號處理VI運行界面：頻譜圖 虛擬儀器虛擬儀器6.3.6 虛擬儀器的發(fā)展趨勢虛擬儀器的發(fā)展趨勢l 總線與驅(qū)動程序的標(biāo)準(zhǔn)化l 硬/軟件的模塊化l 硬件模塊的即插即用化l 編程平臺的圖形化l IVI(Interchangeable

40、Virtual Instruments，可互換虛擬儀器)6.4 網(wǎng)絡(luò)化測試儀器網(wǎng)絡(luò)化測試儀器 Network-oriented measuring instruments6.4.1 概述概述 將測得數(shù)據(jù)（信息）通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給異地的精密測量設(shè)備或高檔次的微機化儀器去分析、處理；繼“計算機就是儀器”和“軟件就是儀器”概念之后，“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的概念確切地概括了儀器的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢。實現(xiàn)測量信息的共享；掌握網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處信息的實時變化的趨勢；通過具有網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的儀器將數(shù)據(jù)傳至原端即現(xiàn)場。網(wǎng)絡(luò)化測試儀器網(wǎng)絡(luò)化測試儀器6.4.2 基于現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)基于現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng) 現(xiàn)場總線接

41、口微計算機信號獲取單元傳感器現(xiàn)場總線接口微計算機信號驅(qū)動單元執(zhí)行機構(gòu)現(xiàn)場總線接口微計算機信號獲取單元傳感器現(xiàn)場總線測控單元監(jiān)控計算機#1監(jiān)控計算機#N網(wǎng)絡(luò)化測試儀器網(wǎng)絡(luò)化測試儀器6.4.3 面向面向INTERNET的網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)化測試儀器網(wǎng)絡(luò)化測試儀器6.4.4 網(wǎng)絡(luò)化測試儀器與系統(tǒng)實例網(wǎng)絡(luò)化測試儀器與系統(tǒng)實例 l 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器 其它網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)橋/路由器計算機控制總線網(wǎng)絡(luò)智能傳感器節(jié)點壓力智能傳感器節(jié)點溫度智能執(zhí)行器節(jié)點閥門智能執(zhí)行器節(jié)點繼電器智能執(zhí)行器節(jié)點電機網(wǎng)絡(luò)化測試儀器網(wǎng)絡(luò)化測試儀器l 網(wǎng)絡(luò)化示波器和網(wǎng)絡(luò)化邏輯分析儀 Agilent 16700B網(wǎng)絡(luò)化邏輯分析儀可

42、實現(xiàn)任意時間、任何地點對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問，實時地獲得儀器的工作狀態(tài)；通過友好的用戶界面，可對遠(yuǎn)程儀器的功能加以控制，狀態(tài)進(jìn)行檢測；還能將遠(yuǎn)程儀器測得的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迅速傳遞給本地計算機。Tektronix TDS7000快速實時示波器除了具有十分直觀的圖形用戶界面以及不受限制地使用各種與Windows兼容的軟件和硬件設(shè)備等優(yōu)點外，其極強的聯(lián)網(wǎng)能力使其可以成為測試網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，與網(wǎng)絡(luò)連接后，使用者可以與他人共享文件、使用打印資源、瀏覽網(wǎng)上發(fā)布的相關(guān)信息，并可直接從TDS7000收發(fā)EMAIL。網(wǎng)絡(luò)化測試儀器網(wǎng)絡(luò)化測試儀器l 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障分析診斷系統(tǒng) 基于WEB的遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障分析診斷系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)化測試儀器網(wǎng)絡(luò)化測試儀器基于WEB的遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障分析診斷系統(tǒng)界面