第9章自動檢測的共性技術(shù)及新發(fā)展

1、第第9章章 自動檢測的共性技術(shù)及新發(fā)展自動檢測的共性技術(shù)及新發(fā)展9.2 MEMS9.2 MEMS技術(shù)與微型傳感器技術(shù)與微型傳感器9.3 9.3 虛擬儀器虛擬儀器9.4 9.4 無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡 9.2 MEMS技術(shù)與微型傳感器9.2.1 MEMS技術(shù)技術(shù)9.2.2 微型傳感器MEMS技術(shù)是多學科交叉的新興領(lǐng)域，涉及精技術(shù)是多學科交叉的新興領(lǐng)域，涉及精密機械、微電子材料科學、微細加工、系統(tǒng)與密機械、微電子材料科學、微細加工、系統(tǒng)與控制等技術(shù)學科和物理、化學、力學、生物學控制等技術(shù)學科和物理、化學、力學、生物學等基礎(chǔ)學科。等基礎(chǔ)學科。包含微傳感器、微執(zhí)行器及信號處理、控制電包含微傳感器

2、、微執(zhí)行器及信號處理、控制電路等，利用三維加工技術(shù)制造微米或納米尺度路等，利用三維加工技術(shù)制造微米或納米尺度的零件、部件或集光機于一體，完成一定功能的零件、部件或集光機于一體，完成一定功能的復雜微細系統(tǒng)，是實現(xiàn)的復雜微細系統(tǒng)，是實現(xiàn)“片上系統(tǒng)片上系統(tǒng)”的發(fā)展的發(fā)展方向。方向。9.2.1 MEMS技術(shù)uMEMS（Micro Electro-Mechanical System）通常稱微機電系統(tǒng)。通常稱微機電系統(tǒng)。uMEMS系統(tǒng)系統(tǒng)主要包括微型傳感器、微執(zhí)主要包括微型傳感器、微執(zhí)行器和相應的處理電路三部分。行器和相應的處理電路三部分。1. 微電子機械系統(tǒng)MEMS系統(tǒng)與外界相互作用示意圖 u微型化。傳

3、統(tǒng)的機械加工技術(shù)是在厘米量級，但是微型化。傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)是在厘米量級，但是MEMS技術(shù)主要為微米量級加工，這就使得利用技術(shù)主要為微米量級加工，這就使得利用MEMS技術(shù)制作的器件在體積、重量、功耗方面大技術(shù)制作的器件在體積、重量、功耗方面大大減小，可攜帶性大大提高。大減小，可攜帶性大大提高。u集成化。微型化的器件更加利于集成，從而組成各集成化。微型化的器件更加利于集成，從而組成各種功能陣列，甚至可以形成更加復雜的微系統(tǒng)。種功能陣列，甚至可以形成更加復雜的微系統(tǒng)。2. MEMS技術(shù)的特點u硅基材料。硅基材料。MEMS的器件主要是以硅作為加工材料的器件主要是以硅作為加工材料，這就使制作器件的成本

4、大幅度下降，大批量低成，這就使制作器件的成本大幅度下降，大批量低成本的生產(chǎn)成為可能，而且硅的強度、硬度與鐵相當本的生產(chǎn)成為可能，而且硅的強度、硬度與鐵相當，密度近似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢。，密度近似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢。u制作工藝與制作工藝與IC產(chǎn)品的主流工藝相似。產(chǎn)品的主流工藝相似。2. MEMS技術(shù)的特點uMEMS中的機械不限于力學中的機械，它代表一切中的機械不限于力學中的機械，它代表一切具有能量轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)裙δ艿男?，包括力、熱、具有能量轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)裙δ艿男?，包括力、熱、光、磁、化學、生物等效應。光、磁、化學、生物等效應。uMEMS的目標是的目標是“微機械微機械”與與IC結(jié)合的微系統(tǒng)

5、，并結(jié)合的微系統(tǒng)，并向智能化方向發(fā)展。向智能化方向發(fā)展。2. MEMS技術(shù)的特點尺寸效應是MEMS中許多物理現(xiàn)象不同于宏觀現(xiàn)象的一個重要的原因，其主要特征表現(xiàn)在：u微構(gòu)件材料的物理特性的變化。微構(gòu)件材料的物理特性的變化。u力的尺寸效應和微結(jié)構(gòu)的表面效應。在微小力的尺寸效應和微結(jié)構(gòu)的表面效應。在微小尺寸領(lǐng)域，與特征尺寸的高次方成比例的慣性尺寸領(lǐng)域，與特征尺寸的高次方成比例的慣性力、電磁力等的作用相對減弱，而在傳統(tǒng)理論力、電磁力等的作用相對減弱，而在傳統(tǒng)理論中常常被忽略了的、與尺寸的低次方成比例的中常常被忽略了的、與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力、表面張力、靜電力等的作用粘性力、彈性力、表面張

6、力、靜電力等的作用相對增強。相對增強。3. MEMS的理論基礎(chǔ)尺寸效應是尺寸效應是MEMS中許多物理現(xiàn)象不同于宏中許多物理現(xiàn)象不同于宏觀現(xiàn)象的一個重要的原因，其主要特征表現(xiàn)觀現(xiàn)象的一個重要的原因，其主要特征表現(xiàn)在：在：u微摩擦與微潤滑機制對微機械尺度的依賴性以及微摩擦與微潤滑機制對微機械尺度的依賴性以及傳熱與燃燒對微機械尺度的制約。此外，隨著尺寸傳熱與燃燒對微機械尺度的制約。此外，隨著尺寸的減小，表面積的減小，表面積( )與體積與體積( )之比相對增大，因而熱之比相對增大，因而熱傳導、化學反應等的速度將加快。傳導、化學反應等的速度將加快。3. MEMS的理論基礎(chǔ)9.2 MEMS技術(shù)與微型傳感器

7、9.2.1 MEMS技術(shù)9.2.2 微型傳感器微型傳感器u硅壓力傳感器u硅微加速度傳感器u微型流量傳感器u微型氧傳感器u氣相色譜儀9.2.2 微型傳感器幾種常見的微型傳感器硅壓力傳感器硅壓力傳感器是最早用微機械加工工藝制造的傳感器，主要有硅壓阻式和電容式兩種，其中應用最廣的是硅壓阻式。硅電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)硅電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu) 硅壓力傳感器電容式微硅壓力傳感器實例電容式微硅壓力傳感器實例硅微加速度傳感器硅微壓阻式加速度傳感器硅微壓阻式加速度傳感器硅微壓阻式加速度傳感器的另一個典型應用是用作汽車的硅微壓阻式加速度傳感器的另一個典型應用是用作汽車的氣囊和安全帶裝置中的加速度敏感元件。氣囊和安全帶

8、裝置中的加速度敏感元件。為測量心臟壁的運動研制的為測量心臟壁的運動研制的硅微加速度傳感器硅微電容式加速度傳感器硅微電容式加速度傳感器常用于微應力研究和汽車等領(lǐng)域常用于微應力研究和汽車等領(lǐng)域硅微電容式加速度傳感器的缺點是頻率響應范圍窄和需要復硅微電容式加速度傳感器的缺點是頻率響應范圍窄和需要復雜的信號處理電路。雜的信號處理電路。微型流量傳感器壓阻式微型流量傳感器壓阻式微型流量傳感器基于粘滯力的微型流量計結(jié)構(gòu)基于粘滯力的微型流量計結(jié)構(gòu) 利用半導體材料的壓阻效應還可測量流量。所依據(jù)的測量利用半導體材料的壓阻效應還可測量流量。所依據(jù)的測量原理是：利用流體在流動過程中產(chǎn)生的粘滯力或流體通道進出原理是：利

9、用流體在流動過程中產(chǎn)生的粘滯力或流體通道進出口之間的壓力差，帶動傳感器中敏感元件運動或產(chǎn)生變形，這口之間的壓力差，帶動傳感器中敏感元件運動或產(chǎn)生變形，這種運動或變形引起上面的壓敏電阻的阻值發(fā)生變化，通過檢測種運動或變形引起上面的壓敏電阻的阻值發(fā)生變化，通過檢測這種阻值的變化即可測量流體的速度和流量。這種阻值的變化即可測量流體的速度和流量。流體在流動過程中受到障礙物作用時，由于流體的粘滯作用，會在平行于流動方向上產(chǎn)生粘滯力流體在流動過程中受到障礙物作用時，由于流體的粘滯作用，會在平行于流動方向上產(chǎn)生粘滯力 lvKFv1l為障礙物長度為障礙物長度 式中，式中，v為流速為流速為流體粘滯度為流體粘滯度

10、1K為比例系數(shù)為比例系數(shù)懸臂梁在粘滯力懸臂梁在粘滯力vF的作用下發(fā)生形變，產(chǎn)生的表面應力為26bhlFbvblbh式中，式中，為障礙物長度；為障礙物長度； 為梁的根部寬度；為梁的根部寬度； 為梁的根部厚度。為梁的根部厚度。由此引起梁的壓敏電阻阻值的相對變化為由此引起梁的壓敏電阻阻值的相對變化為KvbhllvKKKRRb21226式中，式中，KK ,2為相應的比例系數(shù)。由上式可知，電阻變化率與流速成正比。為相應的比例系數(shù)。由上式可知，電阻變化率與流速成正比。微型流量傳感器電容式微型流量傳感器 利用流體流動過程中形成的壓力差促使電容傳感器極板間距的改變來達到測量流量的目的?；趬翰钭饔玫碾娙菔轿⑿?/p>

11、流量計基于壓差作用的電容式微型流量計微型流量傳感器小型單片硅壓力-流量傳感器主要由一個帶絕熱結(jié)構(gòu)的熱流量傳感器和一個壓力傳感器組成微型氧傳感器薄膜限制電流型的氧傳感器結(jié)構(gòu)薄膜限制電流型的氧傳感器結(jié)構(gòu)氣相色譜儀氣相色譜儀氣相色譜儀 End the 9.29.3 虛擬儀器9.3.1 概述概述9.3.2 系統(tǒng)構(gòu)成9.3.3 軟件結(jié)構(gòu)9.3.4 軟件開發(fā)平臺9.3.1 概述 儀器儀表技術(shù)的發(fā)展兩條主線：儀器儀表技術(shù)的發(fā)展兩條主線：模擬儀表、數(shù)字化儀表模擬儀表、數(shù)字化儀表 智能儀表智能儀表單臺儀器、疊架式儀器系統(tǒng)單臺儀器、疊架式儀器系統(tǒng)虛擬儀器虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 一個獨立的裝置，有一機箱，有操作面板一個

12、獨立的裝置，有一機箱，有操作面板，信號輸入輸出端，還有開關(guān)、旋鈕等。檢，信號輸入輸出端，還有開關(guān)、旋鈕等。檢測結(jié)果輸出的方式有指針式表頭、數(shù)字式和測結(jié)果輸出的方式有指針式表頭、數(shù)字式和圖形等，可能還有打印輸出。圖形等，可能還有打印輸出。一般由以下三大功能塊組成：一般由以下三大功能塊組成：信號的采集和控制、信號的采集和控制、信號的分析與處理信號的分析與處理結(jié)果的表達與輸出。結(jié)果的表達與輸出。 傳統(tǒng)儀器功能塊功能塊全部都是以硬件全部都是以硬件(或固化的軟件或固化的軟件)的形式存的形式存在。這種框架式的結(jié)構(gòu)，決定了傳統(tǒng)的儀表只在。這種框架式的結(jié)構(gòu)，決定了傳統(tǒng)的儀表只能由儀器廠家來定義、制造，用戶無法

13、改變的能由儀器廠家來定義、制造，用戶無法改變的現(xiàn)實?，F(xiàn)實。虛擬儀器的出現(xiàn)計算機技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合：計算機技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合： 充分利用計算機豐富的軟硬件資源，可充分利用計算機豐富的軟硬件資源，可以較大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達、以較大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達、傳遞、存儲等方面的限制，達到傳統(tǒng)儀器傳遞、存儲等方面的限制，達到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。還可以把儀器的三大功無法比擬的效果。還可以把儀器的三大功能全部放在計算機上實現(xiàn)。能全部放在計算機上實現(xiàn)。在計算機中插入數(shù)據(jù)采集卡，然后，用在計算機中插入數(shù)據(jù)采集卡，然后，用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進行

14、信號處理分析，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，行信號處理分析，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，這就是這就是虛擬儀器虛擬儀器。虛擬儀器 “軟件就是儀器”具有虛擬儀器面板的個人計算機儀器。具有虛擬儀器面板的個人計算機儀器。組成：組成：計算機、模塊化功能硬件和控制軟件。計算機、模塊化功能硬件和控制軟件。l操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器的運行，完成對被測量的采集、分言控制儀器的運行，完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成。析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成。l 在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件

15、才是整個儀表的關(guān)鍵。操作的輸入輸出，軟件才是整個儀表的關(guān)鍵。操作者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。9.3 虛擬儀器9.3.1 概述9.3.2 系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成9.3.3 軟件結(jié)構(gòu)9.3.4 軟件開發(fā)平臺9.3.2 系統(tǒng)構(gòu)成 9.3.2 系統(tǒng)構(gòu)成 1. 1. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方法 2. GPIB2. GPIB儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法 3. VXI3. VXI儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法 1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方法 一個典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由四部分組成。2

16、. GPIB儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法 u GPIB技術(shù)是虛擬儀器發(fā)展的第一階段。uGPIB把可編程儀器與計算機緊密地聯(lián)系起來，從此電子測量由獨立的、手工操作的單臺儀器向組成大規(guī)模自動測試系統(tǒng)的方向邁進。2. GPIB儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法 典型的GPIB測量系統(tǒng)構(gòu)成：u一臺PC機、一塊GPIB接口板卡和若干臺GPIB儀器通過標準的GPIB電纜連接而成。u在標準情況下，一塊GPIB接口板可帶多達14臺儀器，電纜長度可達20米。GPIB技術(shù)可以用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替可以用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測試的誤差。

17、的測試的誤差?？梢灶A先編制好測試程序，實現(xiàn)自動測試，可以預先編制好測試程序，實現(xiàn)自動測試，提高了可靠性和效率。提高了可靠性和效率。GPIB技術(shù)可以方便地將多臺儀器組合起來，形成較大的可以方便地將多臺儀器組合起來，形成較大的自動測試系統(tǒng)，高效、靈活地完成各種不同規(guī)自動測試系統(tǒng)，高效、靈活地完成各種不同規(guī)模的測試任務。模的測試任務?？梢院芊奖愕財U展傳統(tǒng)儀器的功能。因為儀器可以很方便地擴展傳統(tǒng)儀器的功能。因為儀器同計算機連在一起，儀器測量的結(jié)果送到計算同計算機連在一起，儀器測量的結(jié)果送到計算機里，在計算機這邊增加不同的分析處理算法機里，在計算機這邊增加不同的分析處理算法，就相當于增加了儀器的功能。，

18、就相當于增加了儀器的功能。3. VXI儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法 u VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在儀器領(lǐng)域的擴展(VME Extension for Instrumentation)。u優(yōu)點：標準開放、結(jié)構(gòu)緊湊、具有數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持，得到廣泛的應用。3. VXI儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法 u應用：在組建大、中規(guī)模自動測試系統(tǒng)，以及對速度、精度要求較高的場合，有著其它系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點。VXI儀器系統(tǒng)不同的配置方法(1) GPIB控制方案(2) 嵌入式計算機控制方案 (3) MXI總線控制方案 (1)GPIB控制方案u組件組件：插于通用計算機的：

19、插于通用計算機的GPIB接口板，位于接口板，位于VXI零槽的零槽的GPIBVXI/C模塊，連接兩者的模塊，連接兩者的GPIB電纜電纜，一個，一個VXI機箱以及若干個機箱以及若干個VXI儀器模塊。儀器模塊。uGPIB控制方案的數(shù)據(jù)傳輸速率約為控制方案的數(shù)據(jù)傳輸速率約為1Mbytes/s。如。如果使用果使用HS488協(xié)議可使協(xié)議可使GPIB的數(shù)據(jù)傳輸速率提高的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到到1.6Mbytes/s。其中，零槽模塊起。其中，零槽模塊起GPIB和和VXI總總線翻譯器的作用。線翻譯器的作用。(1)GPIB控制方案u優(yōu)點：優(yōu)點：可以利用熟悉的可以利用熟悉的GPIB技術(shù)如同控制一臺技術(shù)如同控制一臺GPI

20、B儀器一樣來控制儀器一樣來控制VXI儀器系統(tǒng)，且系統(tǒng)造價儀器系統(tǒng)，且系統(tǒng)造價低。低。u缺點：缺點：由于由于GPIB總線的數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠低于總線的數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠低于VXI總線，形成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換的瓶頸?？偩€，形成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換的瓶頸。(2)嵌入式計算機控制方案組件：組件：一個一個VXI機箱，插于機箱，插于VXI零槽的嵌零槽的嵌入式計算機模塊，若干入式計算機模塊，若干VXI儀器模塊以及儀器模塊以及VXI軟件開發(fā)平臺。一個嵌入式計算機模軟件開發(fā)平臺。一個嵌入式計算機模塊除具有塊除具有VXI系統(tǒng)控制功能外，還具有一系統(tǒng)控制功能外，還具有一臺通用臺通用PC機的全部功能。機的全部功能。(2)嵌

21、入式計算機控制方案優(yōu)點：優(yōu)點：所有的模塊均插在所有的模塊均插在VXI機箱的背板總機箱的背板總線上，能實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳送線上，能實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳送(40Mbytes/s左右左右)，且體積最緊湊，是實現(xiàn)，且體積最緊湊，是實現(xiàn)VXI自動測自動測試系統(tǒng)的最佳配置方案。試系統(tǒng)的最佳配置方案。缺點：缺點：配置方案的造價及升級費用均較高。配置方案的造價及升級費用均較高。 (3)MXI總線控制方案u組件：組件：一個一個VXI機箱，插于通用計算機的機箱，插于通用計算機的VXI接接口板，位于口板，位于VXI零槽的零槽的VXIMXI模塊，連接兩模塊，連接兩者的者的MXI電纜，若干電纜，若干VXI儀器模塊以及儀器模塊

22、以及VXI軟件軟件開發(fā)平臺。開發(fā)平臺。uM X I 是 由 美 國 國 家 儀 器 公 司是 由 美 國 國 家 儀 器 公 司 ( N a t i o n a l Instruments，簡稱，簡稱NI)提出的一種多系統(tǒng)擴展接提出的一種多系統(tǒng)擴展接口總線，相當于把口總線，相當于把VXI機箱的背板總線拉到外部機箱的背板總線拉到外部計算機上來，同時可實現(xiàn)多個計算機上來，同時可實現(xiàn)多個VXI機箱間的機箱間的32位位數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換。 (3)MXI總線控制方案u它可以直接把它可以直接把VXI內(nèi)存空間映射到外部計算機上內(nèi)存空間映射到外部計算機上，因此在提高數(shù)據(jù)傳輸速率方面有很多的優(yōu)勢。，因此在提高數(shù)

23、據(jù)傳輸速率方面有很多的優(yōu)勢。uPCI8000系列，總線傳輸速率可達系列，總線傳輸速率可達23Mbytes/s，峰值傳輸速率可達，峰值傳輸速率可達33Mbytes/s。性能指標已接。性能指標已接近嵌入式計算機。近嵌入式計算機。 (3)MXI總線控制方案u它可以直接把它可以直接把VXI內(nèi)存空間映射到外部計算機上內(nèi)存空間映射到外部計算機上，因此在提高數(shù)據(jù)傳輸速率方面有很多的優(yōu)勢。，因此在提高數(shù)據(jù)傳輸速率方面有很多的優(yōu)勢。uPCI8000系列，總線傳輸速率可達系列，總線傳輸速率可達23Mbytes/s，峰值傳輸速率可達，峰值傳輸速率可達33Mbytes/s。性能指標已接。性能指標已接近嵌入式計算機。近

24、嵌入式計算機。MXI總線控制方案特點：l優(yōu)點：優(yōu)點：綜合了第一種方案使用外部計算綜合了第一種方案使用外部計算機靈活方便、易于升級以及第二種方機靈活方便、易于升級以及第二種方案高性能的優(yōu)點，且造價適中。同時案高性能的優(yōu)點，且造價適中。同時還可以在外部計算機上加插還可以在外部計算機上加插GPIB接接口卡、數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)更大規(guī)模的口卡、數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)更大規(guī)模的系統(tǒng)集成。系統(tǒng)集成。MXI總線控制方案特點：l缺點：缺點：與內(nèi)嵌式方案相比，體積偏大，與內(nèi)嵌式方案相比，體積偏大，數(shù)據(jù)傳輸速率偏低。數(shù)據(jù)傳輸速率偏低。三種VXI控制方案比較lGPIB控制方案：控制方案：適用于對總線控制的適用于對總線控制的實

25、時性要求不高，并需在系統(tǒng)中集成較實時性要求不高，并需在系統(tǒng)中集成較多多GPIB儀器的場合；儀器的場合；l嵌入控制方案：嵌入控制方案：由于在系統(tǒng)的體積、控由于在系統(tǒng)的體積、控制速率和電磁兼容方面具有優(yōu)勢，因而制速率和電磁兼容方面具有優(yōu)勢，因而在性能要求較高和投資較大的場合，如在性能要求較高和投資較大的場合，如航天、軍用等應用領(lǐng)域倍受青睞；航天、軍用等應用領(lǐng)域倍受青睞；三種VXI控制方案比較lMXI控制方式：控制方式：具有較高的性能價格比具有較高的性能價格比，便于系統(tǒng)擴展和升級，適用于在各種，便于系統(tǒng)擴展和升級，適用于在各種實驗室中實現(xiàn)科研系統(tǒng)以及對體積要求實驗室中實現(xiàn)科研系統(tǒng)以及對體積要求不高的

26、場合使用。不高的場合使用。9.3 虛擬儀器9.3.1 概述9.3.2 系統(tǒng)構(gòu)成9.3.3 軟件結(jié)構(gòu)軟件結(jié)構(gòu)9.3.4 軟件開發(fā)平臺9.3.3 軟件結(jié)構(gòu) 1. 1. 與設備無關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)與設備無關(guān)的軟件結(jié)構(gòu) 2. 2. 測試管理測試管理 3. 3. 測試程序測試程序( (虛擬儀器功能模塊虛擬儀器功能模塊) )層層 4. 4. 儀器驅(qū)動層儀器驅(qū)動層 5. I/O5. I/O接口接口 1.與設備無關(guān)的軟件結(jié)構(gòu) l軟件主要分為軟件主要分為4層結(jié)構(gòu)：層結(jié)構(gòu)：測試管理層、測試管理層、測試程序?qū)?、測試程序?qū)?、儀器驅(qū)動層儀器驅(qū)動層I/O接口層。接口層。l過去要自己制作這過去要自己制作這4個軟件層，開發(fā)相當艱苦

27、。個軟件層，開發(fā)相當艱苦。1.與設備無關(guān)的軟件結(jié)構(gòu) l虛擬儀器標準的出現(xiàn)虛擬儀器標準的出現(xiàn):使這些軟件層的設計均以使這些軟件層的設計均以“與設備無關(guān)與設備無關(guān)”為特征，為特征，極大地改善了開發(fā)環(huán)境。極大地改善了開發(fā)環(huán)境。虛擬儀器的本質(zhì)是面向?qū)ο?，由不同開發(fā)人員采用虛擬儀器的本質(zhì)是面向?qū)ο?，由不同開發(fā)人員采用不同開發(fā)工具編寫的測試程序可用方便地集成在一不同開發(fā)工具編寫的測試程序可用方便地集成在一個系統(tǒng)中。個系統(tǒng)中。 與設備無關(guān)特征lI/O接口軟件與儀器驅(qū)動程序接口軟件與儀器驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了工實現(xiàn)了工業(yè)標準化，且由儀器制造廠隨儀器配套業(yè)標準化，且由儀器制造廠隨儀器配套提供。提供。l標準測試開發(fā)工具標

28、準測試開發(fā)工具包含了大量不同類型包含了大量不同類型、預先編好的程序庫，用于數(shù)據(jù)分析、預先編好的程序庫，用于數(shù)據(jù)分析、顯示、報表等。顯示、報表等。與設備無關(guān)特征l測試管理軟件測試管理軟件具有強大、靈活的性能來具有強大、靈活的性能來滿足用戶廣泛的需求。滿足用戶廣泛的需求。l虛擬儀器軟件工具的一個重要特征虛擬儀器軟件工具的一個重要特征：用戶可以使用單一的、前后一致的開發(fā)工具用戶可以使用單一的、前后一致的開發(fā)工具完成測試程序的所有部分，包括用戶應用程完成測試程序的所有部分，包括用戶應用程序、測試程序和儀器驅(qū)動程序等。序、測試程序和儀器驅(qū)動程序等。 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 2. 測試管理l 測試管理層是一個帶

29、有易于操作界面測試管理層是一個帶有易于操作界面、用于管理和執(zhí)行某一測試任務、與設、用于管理和執(zhí)行某一測試任務、與設備無關(guān)的測試管理環(huán)境。備無關(guān)的測試管理環(huán)境。l它為測試系統(tǒng)與操作者交互、被測器件它為測試系統(tǒng)與操作者交互、被測器件分析、順序測試、分支、循環(huán)等提供一分析、順序測試、分支、循環(huán)等提供一個專門的測試運行程序，并以密碼保護個專門的測試運行程序，并以密碼保護模式對不同部門的操作者提供多層登錄模式對不同部門的操作者提供多層登錄訪問。訪問。2. 測試管理l高層測試管理軟件高層測試管理軟件還能為用戶提供企業(yè)還能為用戶提供企業(yè)范圍內(nèi)的聯(lián)系，將用戶的測試程序與其范圍內(nèi)的聯(lián)系，將用戶的測試程序與其余部

30、分集成在一起，包括生成測試記錄余部分集成在一起，包括生成測試記錄和測試報告、數(shù)據(jù)庫訪問以及對結(jié)果實和測試報告、數(shù)據(jù)庫訪問以及對結(jié)果實施施SPC分析等。分析等。測試管理層 測試管理層是一個與設備無關(guān)的軟件，因而采用開發(fā)式的設計結(jié)構(gòu)就會提供更多的性能和靈活性。 開發(fā)式測試管理系統(tǒng)的各項操作與界面以源代碼的方式提供給用戶，用戶可以很方便地制訂自己的操作方案。擁有這種靈活性，用戶就可以自行設計開發(fā)基于標準化內(nèi)核，而且能夠滿足不同要求的測試管理軟件層，有效地縮短了設計周期和節(jié)約了開支、維護費用。3.測試程序(虛擬儀器功能模塊)層針對某一產(chǎn)品而開發(fā)的功能測試模塊是一個有其特針對某一產(chǎn)品而開發(fā)的功能測試模塊

31、是一個有其特殊性的獨特的軟件組件，但其大多數(shù)的基本元素，殊性的獨特的軟件組件，但其大多數(shù)的基本元素，如數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果表達等功如數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果表達等功能對所有的測試系統(tǒng)來說又都是通用的。能對所有的測試系統(tǒng)來說又都是通用的。正因為如此，目前國外出現(xiàn)了帶有大量通用、與設正因為如此，目前國外出現(xiàn)了帶有大量通用、與設備無關(guān)的功能模塊庫的集成化編程環(huán)境。虛擬儀器備無關(guān)的功能模塊庫的集成化編程環(huán)境。虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，如軟件開發(fā)平臺，如NI公司的公司的LabVIEW和和HP公司的公司的VEE等均具有此項特性。等均具有此項特性。3.測試程序(虛擬儀器功能模塊)層在這些

32、軟件中，幾乎所有用于測量、控制和通訊模在這些軟件中，幾乎所有用于測量、控制和通訊模塊的程序代碼均已編寫完成，供用戶即調(diào)即用。用塊的程序代碼均已編寫完成，供用戶即調(diào)即用。用戶只需在開發(fā)平臺上以圖形方式調(diào)出相應的儀器功戶只需在開發(fā)平臺上以圖形方式調(diào)出相應的儀器功能模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，進行連接組合，就可構(gòu)成能模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，進行連接組合，就可構(gòu)成一個具體的儀器，節(jié)省用戶大量的開發(fā)時間。一個具體的儀器，節(jié)省用戶大量的開發(fā)時間。4. 儀器驅(qū)動層對儀器硬件進行通訊和控制的軟件層。過去，由用戶編寫，對每個儀器硬件編制特殊的驅(qū)動代碼，是測試系統(tǒng)的開發(fā)周期變得很長。今天，儀器驅(qū)動程序都是按模塊化、與設備無關(guān)

33、的方式向用戶釋放，供用戶迅速將儀器鏈入自己的測試系統(tǒng)。由于儀器驅(qū)動程序是以源代碼的方式提供給用戶，用戶可以很容易地優(yōu)化和增強這些驅(qū)動程序，使之滿足它們的特殊要求。標準化的驅(qū)動程序還可以在不同的系統(tǒng)和配置中重復使用，節(jié)省了大量的開發(fā)費用。5. I/O接口l測試系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，用于處理計算機與儀器硬件間連接的底層通訊協(xié)議。l優(yōu)秀的虛擬儀器軟件都建立在一個標準化I/O接口軟件組件的通用內(nèi)核上，為用戶提供一個一致的、跨計算機平臺的應用編程接口(API)，使用戶的測試系統(tǒng)能夠自由靈活地選擇不同的計算機平臺和儀器硬件。9.3 虛擬儀器9.3.1 概述9.3.2 系統(tǒng)構(gòu)成9.3.3 軟件結(jié)構(gòu)9.3.4 軟件

34、開發(fā)平臺軟件開發(fā)平臺9.3.4 軟件開發(fā)平臺 l軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。 采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)可以提高軟件編程效率 可視編程語言環(huán)境Visual C, Visual BASIC NI公司推出LabVIEW 和LabWindows/CVI , HP公司推出了VEE， Tektronix公司推出了TekTMS LabVIEW軟件開發(fā)平臺 lLabVIEW是一種基于是一種基于G語言的圖形化開發(fā)語言的圖形化開發(fā)語言，是一種面向儀器的圖形化編程環(huán)境語言，是一種面向儀器的圖形化編程環(huán)境，用來進行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和，用來進行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達、測試和測量、實驗室自動化以數(shù)據(jù)表達、

35、測試和測量、實驗室自動化以及過程監(jiān)控。及過程監(jiān)控。l目的：目的：簡化程序的開發(fā)工作，以使用戶能簡化程序的開發(fā)工作，以使用戶能快速、簡便地完成自己的工作?？焖?、簡便地完成自己的工作。l使用使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為擬儀器程序，簡稱為VI。lVI：程序前面板、框圖程序和圖標程序前面板、框圖程序和圖標/連接器連接器。程序前面板l用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。l在程序前面板上，輸入量被稱為控制，輸出量被稱為顯示。l控制和顯示是以各種圖標形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。 信號發(fā)生器前面板 頻譜分析儀前面板 溫度計前面板 框圖程序l每一個程序前面板都對應著一段框圖程序。l框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。l構(gòu)成：端口、節(jié)點、圖框和連線。端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被