第11章計算機測試系統(tǒng)與虛擬儀器

1、第十一章第十一章 計算機測試系統(tǒng)與虛擬儀器計算機測試系統(tǒng)與虛擬儀器 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 第二節(jié)第二節(jié) 插卡式測試系統(tǒng)插卡式測試系統(tǒng) 第三節(jié)第三節(jié) 儀器前端儀器前端 第四節(jié)第四節(jié) 儀器控制儀器控制 第五節(jié)第五節(jié) 智能儀器簡介智能儀器簡介 第六節(jié)第六節(jié) 虛擬儀器虛擬儀器 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 隨著計算機技術、大規(guī)模集成電路技術和通信技術的飛隨著計算機技術、大規(guī)模集成電路技術和通信技術的飛速發(fā)展，傳感器技術、通信技術和計算機技術的結合，使得速發(fā)展，傳感器技術、通信技術和計算機技術的結合，使得計算機與測試技術的關系發(fā)生了根本性的變化，計算機已成計算機與測試技術的關系發(fā)生了根本性的變化，計算機

2、已成為現代測試和測量系統(tǒng)的基礎。為現代測試和測量系統(tǒng)的基礎。 計算機測試系統(tǒng)：計算機測試系統(tǒng)：從結構上劃分從結構上劃分微機或微處理器微機或微處理器測量儀器或設備測量儀器或設備接口接口軟件軟件 微機或微處理器微機或微處理器在在軟件軟件控制下，發(fā)出各種控制指令控制各臺控制下，發(fā)出各種控制指令控制各臺測量儀器協(xié)同工作以完成數據采集任務，并對測量數據進行測量儀器協(xié)同工作以完成數據采集任務，并對測量數據進行處理，如計算、變換、數據處理、誤差分析等，最后將測量處理，如計算、變換、數據處理、誤差分析等，最后將測量結果存儲或打印、顯示輸出，實現自動測試。微機或微處理結果存儲或打印、顯示輸出，實現自動測試。微機

3、或微處理器是整個測試系統(tǒng)的核心。軟件是根據測量任務所編制的程器是整個測試系統(tǒng)的核心。軟件是根據測量任務所編制的程序，是計算機測試系統(tǒng)的靈魂。序，是計算機測試系統(tǒng)的靈魂。 測量儀器或系統(tǒng)測量儀器或系統(tǒng)主要完成被測量的測量工作。測量儀器或系主要完成被測量的測量工作。測量儀器或系統(tǒng)在微機所發(fā)的控制指令控制下完成如工作頻段選擇、輸出統(tǒng)在微機所發(fā)的控制指令控制下完成如工作頻段選擇、輸出電平調節(jié)、量程設置和測量功能。這種能接受程序控制并據電平調節(jié)、量程設置和測量功能。這種能接受程序控制并據之改變內部電路工作狀態(tài)，能完成特定任務的測量儀器稱為之改變內部電路工作狀態(tài)，能完成特定任務的測量儀器稱為儀器的可編程控

4、制儀器的可編程控制，或稱，或稱程控儀器程控儀器。 接口接口的主要任務是提供機械兼容、邏輯電平匹配、并能通過的主要任務是提供機械兼容、邏輯電平匹配、并能通過數據線交換電信號信息。各儀器之間通過適當的接口用各中數據線交換電信號信息。各儀器之間通過適當的接口用各中總線相連?？偩€相連。 從功能上劃分從功能上劃分數據采集和存儲數據采集和存儲數據分析數據分析數據顯示數據顯示 在一些測試系統(tǒng)中，數據分析和顯示完全用微機的軟件在一些測試系統(tǒng)中，數據分析和顯示完全用微機的軟件和顯示器來完成。因此，只要額外提供一定的數據采集硬件，和顯示器來完成。因此，只要額外提供一定的數據采集硬件，就可以與微機組成測量儀器。這種

5、基于微機的測量儀器稱為就可以與微機組成測量儀器。這種基于微機的測量儀器稱為虛擬儀器虛擬儀器。 測試技術與計算機技術幾乎是同步、協(xié)調向前發(fā)展的，測試技術與計算機技術幾乎是同步、協(xié)調向前發(fā)展的，計算機技術已成為測試儀器和系統(tǒng)的核心。計算機技術已成為測試儀器和系統(tǒng)的核心。 基于計算機的測試系統(tǒng)可分為三種類型：基于計算機的測試系統(tǒng)可分為三種類型： 第一種是計算機插卡式測試系統(tǒng)。即在計算機的擴展槽第一種是計算機插卡式測試系統(tǒng)。即在計算機的擴展槽（通常是（通常是PCIPCI、ISAISA等總線槽，也可設計成便攜式計算機專用等總線槽，也可設計成便攜式計算機專用的的PCMCIAPCMCIA卡）中插入信號調理、

6、模擬信號采集、數字輸入輸卡）中插入信號調理、模擬信號采集、數字輸入輸出、出、DSP(DSP(數字信號處理芯片數字信號處理芯片) )等測試與分析板卡，構成通用或等測試與分析板卡，構成通用或專用的測試系統(tǒng)。專用的測試系統(tǒng)。 第二種是由儀器前端與計算機組合的測試系統(tǒng)。儀器前端第二種是由儀器前端與計算機組合的測試系統(tǒng)。儀器前端一般由信號調理、模擬信號采集、數字輸入輸出、數字信號一般由信號調理、模擬信號采集、數字輸入輸出、數字信號處理、測試控制等模塊組成。由處理、測試控制等模塊組成。由VXIVXI、PXIPXI等專用儀器總線連等專用儀器總線連接在一起構成獨立機箱，并通過以太網接口、接在一起構成獨立機箱，

7、并通過以太網接口、13941394、并行接、并行接口等通信接口與計算機相連，構成通用或專用測試系統(tǒng)?？诘韧ㄐ沤涌谂c計算機相連，構成通用或專用測試系統(tǒng)。 第三種是由各種獨立的可編程儀器（具有參數設置和控制第三種是由各種獨立的可編程儀器（具有參數設置和控制功能的計算機接口）與計算機連接所組成的測試系統(tǒng)，這類功能的計算機接口）與計算機連接所組成的測試系統(tǒng)，這類系統(tǒng)又稱為儀器控制系統(tǒng)。這類測試系統(tǒng)與前兩類系統(tǒng)的最系統(tǒng)又稱為儀器控制系統(tǒng)。這類測試系統(tǒng)與前兩類系統(tǒng)的最大區(qū)別在于程控儀器本身能夠脫離開計算機運行，完成大區(qū)別在于程控儀器本身能夠脫離開計算機運行，完成定定的測量任務。的測量任務。 上述三類計算機

8、測試系統(tǒng)可以采用一般的測試分析軟件上述三類計算機測試系統(tǒng)可以采用一般的測試分析軟件構成計算機測試系統(tǒng)，也可以利用專門的軟件系統(tǒng)構成虛擬構成計算機測試系統(tǒng)，也可以利用專門的軟件系統(tǒng)構成虛擬儀器。儀器。 隨著微電子技術的不斷發(fā)展，集成了隨著微電子技術的不斷發(fā)展，集成了CPUCPU、存儲器、定時、存儲器、定時器計數器、并行和串行接口、接口上的加密模塊、前置放器計數器、并行和串行接口、接口上的加密模塊、前置放大器甚至大器甚至A AD D、D DA A轉換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模轉換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片（即單片機）不斷出現。以單片機為主體，將集成電路芯片（即單片機）不斷出現。

9、以單片機為主體，將計算機技術與測量控制技術結合在一起，又組成了所謂的計算機技術與測量控制技術結合在一起，又組成了所謂的“智能化測量控制系統(tǒng)智能化測量控制系統(tǒng)”，也就是，也就是智能儀器智能儀器。 本章將分別討論上述三種測試系統(tǒng)中均涉及的幾個共同本章將分別討論上述三種測試系統(tǒng)中均涉及的幾個共同問題：計算機插卡儀器、儀器前端、儀器控制技術以及智能問題：計算機插卡儀器、儀器前端、儀器控制技術以及智能儀器和虛擬儀器技術。儀器和虛擬儀器技術。 第二節(jié)第二節(jié) 插卡式測試系統(tǒng)插卡式測試系統(tǒng) 數據采集卡數據采集卡通常具有通常具有A AD D轉換、轉換、D DA A轉換；數字轉換；數字I IO O和計數和計數器定

10、時器等功能，有些還具有數字濾波和數字信號處理的器定時器等功能，有些還具有數字濾波和數字信號處理的功能?，F在的多功能數據采集卡多采用可編程器件，使用戶功能?，F在的多功能數據采集卡多采用可編程器件，使用戶通過程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數，從而依靠通過程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數，從而依靠硬件設備的柔性來增強其適用性和靈活性。硬件設備的柔性來增強其適用性和靈活性。 插卡式儀器由微機、數據采集卡與專用的軟件組成。借助于插卡式儀器由微機、數據采集卡與專用的軟件組成。借助于計算機強大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對儀計算機強大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對儀器的控制、

11、數據分析和顯示。因個人計算機數量非常龐大，器的控制、數據分析和顯示。因個人計算機數量非常龐大，插卡式儀器價格最便宜，因此其用途廣泛，特別適合于教學插卡式儀器價格最便宜，因此其用途廣泛，特別適合于教學部門和各種實驗室使用。目前仍有強大的生命力。這類系統(tǒng)部門和各種實驗室使用。目前仍有強大的生命力。這類系統(tǒng)性能好壞的關鍵在于性能好壞的關鍵在于A AD D轉換技術。轉換技術。 插卡類型有插卡類型有ISAISA卡卡、PCMCIAPCMCIA卡卡和和PCIPCI卡卡等多種類型。等多種類型。ISAISA型插型插卡已經逐漸退出舞臺?？ㄒ呀浿饾u退出舞臺。PCMCIAPCMCIA卡由于受到結構連接強度太弱卡由于受

12、到結構連接強度太弱的限制影響了它的工程應用。的限制影響了它的工程應用。PCIPCI卡的使用最為廣泛。卡的使用最為廣泛。PCIPCI總總線上的外圍設備可與線上的外圍設備可與CPUCPU并發(fā)工作，從而提高了整體性能。并發(fā)工作，從而提高了整體性能。PCIPCI總線還有自動配置功能，從而使所有與總線還有自動配置功能，從而使所有與PCIPCI兼容的設備實兼容的設備實現真正的現真正的“即插即用即插即用”（plug & playplug & play）。）。 基于基于PCIPCI總線的測試儀器的缺點：首先，在插入總線的測試儀器的缺點：首先，在插入DAQDAQ（數據采（數據采集卡）時都需要打開機箱等，操作不便

13、，并且主機上的集卡）時都需要打開機箱等，操作不便，并且主機上的PCIPCI插槽有限；其次，測試信號直接進入計算機，各種現場的被插槽有限；其次，測試信號直接進入計算機，各種現場的被測信號對計算機的安全造成很大的威脅；第三，計算機內部測信號對計算機的安全造成很大的威脅；第三，計算機內部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響。因此，以串的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響。因此，以串行接口總線方式的外掛式儀器系統(tǒng)就成為廉價型虛擬儀器測行接口總線方式的外掛式儀器系統(tǒng)就成為廉價型虛擬儀器測試系統(tǒng)的主流。試系統(tǒng)的主流。 利用微機的各種串口通信，可把硬件集成在一個采集盒里或利用微機的各種串口通信，可把

14、硬件集成在一個采集盒里或一個探頭上，軟件裝在微機上，通?？梢酝瓿筛鞣N儀器的功一個探頭上，軟件裝在微機上，通常可以完成各種儀器的功能。它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外能。它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式微機或工控機相連，實現臺式和便攜式兩作業(yè)，又可與臺式微機或工控機相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便。特別是用，非常方便。特別是USBUSB口和口和13941394口具有傳輸速度快、可以口具有傳輸速度快、可以熱插拔、聯(lián)機使用方便的特點，很有發(fā)展前途，將成為未來熱插拔、聯(lián)機使用方便的特點，很有發(fā)展前途，將成為未來虛擬儀器有巨大發(fā)展前景和廣泛市場的主流平

15、臺。通過各種虛擬儀器有巨大發(fā)展前景和廣泛市場的主流平臺。通過各種不同的接口總線，可以組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)，它可不同的接口總線，可以組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)，它可以借助不同的接口總線的溝通，將虛擬儀器、帶接口總線的以借助不同的接口總線的溝通，將虛擬儀器、帶接口總線的各種電子儀器或各種插件單元，調配并組建成為中小型甚至各種電子儀器或各種插件單元，調配并組建成為中小型甚至大型的自動調試系統(tǒng)。大型的自動調試系統(tǒng)。 美國美國NINI公司為使測試儀器能夠適應上述各種總線的配置，開公司為使測試儀器能夠適應上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應要求的硬件，主要的模塊化硬件如發(fā)了大量的軟件以及適應

16、要求的硬件，主要的模塊化硬件如用于數據采集、儀器控制和機器視覺的用于數據采集、儀器控制和機器視覺的PXIPXI模塊化儀器，可以模塊化儀器，可以靈活地組建不同復雜程度的自動測試系統(tǒng)，如果想了解具體靈活地組建不同復雜程度的自動測試系統(tǒng)，如果想了解具體的產品及性能，可以訪問其網站的產品及性能，可以訪問其網站(www(wwwninicom)com)，查詢相關，查詢相關的板卡及軟件介紹。的板卡及軟件介紹。 第三節(jié)第三節(jié) 儀器前端儀器前端 除了利用通用計算機或工控機開發(fā)測試儀器外，專用的儀除了利用通用計算機或工控機開發(fā)測試儀器外，專用的儀器總線系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，成為構建高精度、集成化儀器系統(tǒng)器總線系統(tǒng)也在

17、不斷發(fā)展，成為構建高精度、集成化儀器系統(tǒng)的專用平臺。高精度集成系統(tǒng)架構經歷了的專用平臺。高精度集成系統(tǒng)架構經歷了GPIBVXIPXIGPIBVXIPXI儀器儀器總線的發(fā)展過程。總線的發(fā)展過程。 GPIBGPIB通用接口總線通用接口總線是計算機和儀器間的標準通信協(xié)議。是計算機和儀器間的標準通信協(xié)議。GPIBGPIB的的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已納入國際工業(yè)標準硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已納入國際工業(yè)標準IEEE488IEEE4881 1和和IEEE488IEEE4882 2。它是最早的儀器總線，目前多數儀器都配置了遵。它是最早的儀器總線，目前多數儀器都配置了遵循循IEEE 488IEEE 488的的GPIBG

18、PIB接口。典型的接口。典型的GPIBGPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機、測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊一塊GPIBGPIB接口卡和若干臺接口卡和若干臺GPIBGPIB儀器。每臺儀器。每臺GPIBGPIB儀器有單獨的地儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，址，由計算機控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機的控制軟件作相應改動。這種概念已被應用于儀只需對計算機的控制軟件作相應改動。這種概念已被應用于儀器的內部設計。器的內部設計。GPIBGPIB的數據傳輸速度一般低于的數據傳輸速度一般低于500Kb500Kbs s，不適，不適合對系統(tǒng)速度要求較高的應用。

19、作為早期儀器發(fā)展的產物，目合對系統(tǒng)速度要求較高的應用。作為早期儀器發(fā)展的產物，目前已經逐步退出市場。前已經逐步退出市場。VXIVXI總線總線（即（即IEEE 1155IEEE 1155總線）是一種高速計算機總線總線）是一種高速計算機總線VMEVME總總線在儀器領域的擴展。線在儀器領域的擴展。VXIVXI總線具有標準開放、結構緊湊、數據總線具有標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強，最高可達吞吐能力強，最高可達40Mb40Mbs s，定時和同步精確、模塊可重復，定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的特點，因此得到了廣泛的應用。組利用、眾多儀器廠家支持的特點，因此得到了廣泛的應用。組建建V

20、XIVXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高，其推廣應用受到一定限制，主要應用集中在航空、航天等高，其推廣應用受到一定限制，主要應用集中在航空、航天等國防軍工領域。國防軍工領域。PXIPXI總線總線是以是以CompactPCICompactPCI為基礎的，由具有開放性的為基礎的，由具有開放性的PXIPXI總線擴總線擴展而來。展而來。PXIPXI總線符合工業(yè)標準，在機械、電氣和軟件特性方總線符合工業(yè)標準，在機械、電氣和軟件特性方面充分發(fā)揮了面充分發(fā)揮了PCIPCI總線的全部優(yōu)點?？偩€的全部優(yōu)點。PXIPXI構造類似于構造類似于V

21、XIVXI結構，結構，但它的設備成本更低、運行速度更快、體積更緊湊。但它的設備成本更低、運行速度更快、體積更緊湊。PXIPXI還有還有高度的可擴展性，它有高度的可擴展性，它有8 8個擴展槽，而臺式個擴展槽，而臺式PCIPCI系統(tǒng)只有系統(tǒng)只有3 34 4個個擴展槽。擴展槽。PXIPXI系統(tǒng)通過使用系統(tǒng)通過使用PCI-PCIPCI-PCI橋接器，可擴展到橋接器，可擴展到256256個擴個擴展槽。展槽。PXIPXI總線的傳輸速率已經達到總線的傳輸速率已經達到132Mb132Mbs s（最高為（最高為500Mb500Mbs s），是目前已經發(fā)布的最高傳輸速率。），是目前已經發(fā)布的最高傳輸速率。 PXI

22、PXI總線的總線的優(yōu)點優(yōu)點：首先，隨著產品的復雜度增加，被測項目也：首先，隨著產品的復雜度增加，被測項目也相應增加，利用相應增加，利用PXIPXI模塊可以靈活配置成綜合的自動化測試平模塊可以靈活配置成綜合的自動化測試平臺，將多種功能測試同時進行，有效節(jié)省了系統(tǒng)測試時間和臺，將多種功能測試同時進行，有效節(jié)省了系統(tǒng)測試時間和成本；第二，成本；第二，PXIPXI集定時與觸發(fā)、更高帶寬及更優(yōu)的性價比于集定時與觸發(fā)、更高帶寬及更優(yōu)的性價比于一身，從而成為測試平臺首選；此外，一身，從而成為測試平臺首選；此外，PXIPXI提供了一種清晰的提供了一種清晰的混合解決方案，即混合解決方案，即PXIPXI能很輕松地

23、將硬件和軟件，包括能很輕松地將硬件和軟件，包括VXIVXI、GPIBGPIB及串口設備與及串口設備與PXIPXI新產品、新產品、USBUSB及以太網設備集成在一起。及以太網設備集成在一起。 PXIPXI總線的總線的缺點缺點：相對于：相對于VXIVXI，PXIPXI機箱體積較小，對于很多功機箱體積較小，對于很多功能復雜的大型綜合系統(tǒng)，它所能提供的模塊有效，因而只能能復雜的大型綜合系統(tǒng)，它所能提供的模塊有效，因而只能配合用于某些單元測試環(huán)節(jié)；其次，配合用于某些單元測試環(huán)節(jié)；其次，PXIPXI由于缺少由于缺少VXIVXI系統(tǒng)中系統(tǒng)中每個模塊的屏蔽盒，因而其電磁兼容性較差，對于某些可靠每個模塊的屏蔽盒

24、，因而其電磁兼容性較差，對于某些可靠性要求較高的場合，不太適用。此外，與傳統(tǒng)儀器相比，性要求較高的場合，不太適用。此外，與傳統(tǒng)儀器相比，PXIPXI由于采用的都是通用芯片和技術，在采樣精度等技術指標上由于采用的都是通用芯片和技術，在采樣精度等技術指標上與擁有專利技術的傳統(tǒng)儀器廠商的產品存在差距。與擁有專利技術的傳統(tǒng)儀器廠商的產品存在差距。 Data PhysicsData Physics公司生產的公司生產的ABACUSABACUS高性能測試硬件，以高性能測試硬件，以ABACUSABACUS為為硬件前端可構成兩種動態(tài)信號分析儀：硬件前端可構成兩種動態(tài)信號分析儀： SignalCalc Mobil

25、yzerSignalCalc Mobilyzer（簡稱（簡稱DP730DP730）：一個）：一個ABACUSABACUS外外接主機，最大到接主機，最大到3232個測量通道、個測量通道、8 8個信號源、個信號源、8 8個轉速測量通道，個轉速測量通道，便攜式。便攜式。 SignalCalc SavantSignalCalc Savant（簡稱（簡稱DP750DP750）：多個）：多個ABACUSABACUS外接主機（通外接主機（通過以太網可同時連接多個過以太網可同時連接多個ABACUSABACUS機箱），測量通道數不受限制，機箱），測量通道數不受限制，可擴展到可擴展到10241024通道，甚至更多

26、。通道，甚至更多。 第四節(jié)第四節(jié) 儀器控制儀器控制 一、儀器控制概念一、儀器控制概念 “儀器控制儀器控制”是指這樣一個操作：通過微機上的軟件控制儀器是指這樣一個操作：通過微機上的軟件控制儀器控制總線上的一臺儀器。儀器自身通常支持一種或多種總線選控制總線上的一臺儀器。儀器自身通常支持一種或多種總線選擇，以通過這些總線控制該儀器，微機通常也提供多種用于儀擇，以通過這些總線控制該儀器，微機通常也提供多種用于儀器控制的總線選擇。如果微機本身不支持儀器可用的總線，可器控制的總線選擇。如果微機本身不支持儀器可用的總線，可以增加一個插卡或一個外部轉換器。以增加一個插卡或一個外部轉換器。 可用于儀器控制的總線

27、有很多種，可以分為下面兩個大類：可用于儀器控制的總線有很多種，可以分為下面兩個大類：獨立總線：用于架式和堆式儀器的通信。獨立總線包括專用獨立總線：用于架式和堆式儀器的通信。獨立總線包括專用總線（如總線（如GPIBGPIB）和微機標準總線（如串行總線）和微機標準總線（如串行總線RS-232RS-232、以太網、以太網、USBUSB、無線和、無線和IEEE 1394IEEE 1394）。一些獨立總線可用作其他獨立總線）。一些獨立總線可用作其他獨立總線的中介，如的中介，如USBUSB到到GPIBGPIB的轉換器。的轉換器。模塊化總線：將接口總線合并到儀器中。模塊化總線包括模塊化總線：將接口總線合并到

28、儀器中。模塊化總線包括PCIPCI、PCI ExpressPCI Express、VXIVXI和和PXIPXI。這些總線也可用作為不包括該。這些總線也可用作為不包括該總線的微機增加一個獨立總線的中介，如總線的微機增加一個獨立總線的中介，如PCI-GPIBPCI-GPIB控制卡?？刂瓶ā?不論是直接通過不論是直接通過GPIBGPIB或或RS-232RS-232與儀器通信，還是通過總線與儀器通信，還是通過總線轉換器與儀器相連，還有軟件支持通過微機總線與儀器直接連轉換器與儀器相連，還有軟件支持通過微機總線與儀器直接連接，模塊化總線都能將通信總線與測量硬件組合構成接，模塊化總線都能將通信總線與測量硬件

29、組合構成臺設備。臺設備。 對于獨立總線，可以主要通過插卡連接基于對于獨立總線，可以主要通過插卡連接基于GPIBGPIB的儀器和的儀器和微機。這些插卡如：微機。這些插卡如：PCI-GPIBPCI-GPIB、PCIe-GPIBPCIe-GPIB和和PCMCIA-GPIBPCMCIA-GPIB。也。也可以通過微機上的可用串行端口連接基于串行總線的儀器。為可以通過微機上的可用串行端口連接基于串行總線的儀器。為了直接通過總線連接以太網或了直接通過總線連接以太網或USBUSB儀器，還可以使用微機上現儀器，還可以使用微機上現成可用的端口和相應的通信軟件。然而，鑒于用于儀器控制的成可用的端口和相應的通信軟件。

30、然而，鑒于用于儀器控制的新總線技術采納緩慢，可以使用總線轉換器作為一種可行的儀新總線技術采納緩慢，可以使用總線轉換器作為一種可行的儀器控制方法。這樣既可以利用最新總線技術，同時也保護了已器控制方法。這樣既可以利用最新總線技術，同時也保護了已有有GPIBGPIB和（或）串行儀器上的投資。和（或）串行儀器上的投資。 對于模塊化總線，可使用對于模塊化總線，可使用PCIPCI和和PXIPXI模塊化儀器。這些儀器模塊化儀器。這些儀器綜合了獨立儀器的測量能力和高性能總線的優(yōu)點。這些緊湊、綜合了獨立儀器的測量能力和高性能總線的優(yōu)點。這些緊湊、高性能測量硬件設備集成了定時和同步資源，它們包括數字化高性能測量硬

31、件設備集成了定時和同步資源，它們包括數字化儀、函數和任意波形發(fā)生器、高速數字儀、函數和任意波形發(fā)生器、高速數字I IO O設備、數字萬用表設備、數字萬用表和射頻測量硬件等。和射頻測量硬件等。PXIPXI平臺是用于測量和自動化的、開放的、平臺是用于測量和自動化的、開放的、多廠商標準，它的性能要優(yōu)于舊式測量和自動化結構多廠商標準，它的性能要優(yōu)于舊式測量和自動化結構1010倍多。倍多。 儀器控制系統(tǒng)，例如：丹麥儀器控制系統(tǒng)，例如：丹麥B&KB&K公司生產的公司生產的PULSE 3560PULSE 3560系系列多分析儀系統(tǒng)，是列多分析儀系統(tǒng)，是個通用的、面向任務的分析系統(tǒng)，它基個通用的、面向任務的分

32、析系統(tǒng)，它基于于Windows XPWindows XP的平臺，帶局域網（的平臺，帶局域網（LANLAN）接口的）接口的PULSEPULSE系統(tǒng)，包系統(tǒng)，包括：微機、括：微機、PULSEPULSE軟件、軟件、Windows XPWindows XP、Microsoft OfficeMicrosoft Office接口，接口，便攜式數據采集前端硬件和分析引擎，系統(tǒng)配置最多可擴充至便攜式數據采集前端硬件和分析引擎，系統(tǒng)配置最多可擴充至220220個通道，個通道，1616個信號發(fā)生器輸出通道。個信號發(fā)生器輸出通道。PULSE 3560PULSE 3560多分析儀多分析儀配有配有B&K 7700B&K

33、 7700型噪聲和振動軟件，該軟件配合不同的前端可進型噪聲和振動軟件，該軟件配合不同的前端可進行實時的行實時的1 11 1、1 13 3、1 11212、1 12424倍頻程及倍頻程及FFTFFT分析、實時分析、實時讀取任何頻譜和讀取任何頻譜和FFTFFT值、自動生成報告等，還可值、自動生成報告等，還可64006400線高分辨線高分辨力顯示力顯示FFTFFT，實時顯示噪聲和振動的準確數據，非實時的分辨，實時顯示噪聲和振動的準確數據，非實時的分辨力可達到幾萬線，力可達到幾萬線，77007700軟件還可進行固有頻率、簡單的傳遞函軟件還可進行固有頻率、簡單的傳遞函數、共振頻率、阻尼值的測試，同時顯示

34、共振頻率的模態(tài)振形，數、共振頻率、阻尼值的測試，同時顯示共振頻率的模態(tài)振形，實時的瀑布譜等。實時的瀑布譜等。 二、儀器控制舉例二、儀器控制舉例 儀器控制軟件可分為儀器控制軟件可分為通用軟件通用軟件和和專用軟件專用軟件兩種。如兩種。如MATLABMATLAB自帶的自帶的Instruments ControlInstruments Control工具箱以及工具箱以及LabVIEWLabVIEW自帶自帶的儀器控制工具包屬于通用軟件，這類軟件提供了一套標準的儀器控制工具包屬于通用軟件，這類軟件提供了一套標準接口的驅動軟件，通過儀器提供的接口接口的驅動軟件，通過儀器提供的接口( (如串口、如串口、GPI

35、BGPIB或或GPIB-VXIGPIB-VXI接口卡接口卡) )與計算機建立連接后，就可以通過軟件工具與計算機建立連接后，就可以通過軟件工具包中提供的函數或模塊對儀器進行控制和數據交換，大多數包中提供的函數或模塊對儀器進行控制和數據交換，大多數儀器生產廠商都會為其可編程儀器提供專用的儀器控制軟件，儀器生產廠商都會為其可編程儀器提供專用的儀器控制軟件，用來完成特定的控制功能。用來完成特定的控制功能。 第五節(jié)第五節(jié) 智能儀器簡介智能儀器簡介 所謂智能儀器是指內含微處理器的儀器或基于微型機的儀所謂智能儀器是指內含微處理器的儀器或基于微型機的儀器。智能儀器的出現，極大地擴充了傳統(tǒng)儀器的應用范圍。智器。

36、智能儀器的出現，極大地擴充了傳統(tǒng)儀器的應用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在家用能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應用。電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應用。 智能儀器的工作過程：傳感器拾取被測參量的信息并轉換智能儀器的工作過程：傳感器拾取被測參量的信息并轉換成電信號，經濾波去除干擾后送入多路模擬開關；由單片機逐成電信號，經濾波去除干擾后送入多路模擬開關；由單片機逐路選通模擬開關將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，路選通模擬開關將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經放大后的信號經A

37、AD D轉換器轉換成相應的脈沖信號后送入單片轉換器轉換成相應的脈沖信號后送入單片機中；單片機根據儀器所設定的初值進行相應的數據運算和處機中；單片機根據儀器所設定的初值進行相應的數據運算和處理；運算的結果被轉換為相應的數據進行顯示和打印；同時單理；運算的結果被轉換為相應的數據進行顯示和打印；同時單片機把運算結果與存儲于片內的設定參數進行運算比較后，根片機把運算結果與存儲于片內的設定參數進行運算比較后，根據運算結果和控制要求，輸出相應的控制信號。此外，智能儀據運算結果和控制要求，輸出相應的控制信號。此外，智能儀器還可以與微機組成分布式測控系統(tǒng)，由單片機作為下位機采器還可以與微機組成分布式測控系統(tǒng)，

38、由單片機作為下位機采集各種測量信號與數據，將信息傳輸給上位機集各種測量信號與數據，將信息傳輸給上位機PCPC機，由機，由PCPC機進行全局管理。機進行全局管理。 智能儀器具有以下智能儀器具有以下功能特點功能特點： 儀器的整個測量過程，如鍵盤掃描、量程選擇、開關啟動閉合、儀器的整個測量過程，如鍵盤掃描、量程選擇、開關啟動閉合、數據的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機或微控制數據的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機或微控制器來控制操作，實現測量過程的全部自動化。器來控制操作，實現測量過程的全部自動化。 1 1）具有自測功能，包括自動調零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自）具有自測功能，包括自動調

39、零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉換等。智能儀表能自動檢測出故動校準、自診斷及量程自動轉換等。智能儀表能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運行，障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運行，同時也可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護；同時也可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護； 2 2）具有數據處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。智能）具有數據處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。智能儀器由于采用了單片機或微控制器，使得許多原來用硬件邏儀器由于采用了單片機或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現在可

40、以用軟件非常靈輯難以解決或根本無法解決的問題，現在可以用軟件非常靈活地加以解決?；畹丶右越鉀Q。 3 3）具有友好的人機對話能力。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀）具有友好的人機對話能力。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現器中的切換開關，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現某種測量功能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運某種測量功能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數據的處理結果及時告訴操作人行情況、工作狀態(tài)以及對測量數據的處理結果及時告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀；員，使儀器的操作更加方便直觀； 4 4）

41、具有可程控操作能力。一般智能儀器都配有）具有可程控操作能力。一般智能儀器都配有GPIBGPIB、RS232CRS232C、RS4-85RS4-85等標準的通信接口，可以很方便地與微機和其他儀器一等標準的通信接口，可以很方便地與微機和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統(tǒng)，來完成更復雜起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統(tǒng)，來完成更復雜的測試任務。的測試任務。 智能儀器智能儀器和和虛擬儀器虛擬儀器的的區(qū)別區(qū)別在于它們所用的微機是否與儀器測在于它們所用的微機是否與儀器測量部分融合在一起，也即采用專門設計的微處理器、存儲器、量部分融合在一起，也即采用專門設計的微處理器、存儲器、接口芯片

42、組成的系統(tǒng)，還是用現成的微機配以一定的硬件及儀接口芯片組成的系統(tǒng)，還是用現成的微機配以一定的硬件及儀器測量部分組合而成的系統(tǒng)。器測量部分組合而成的系統(tǒng)。 第六節(jié)第六節(jié) 虛擬儀器虛擬儀器 測量儀器的主要功能都是由數據采集、數據分析和數據顯測量儀器的主要功能都是由數據采集、數據分析和數據顯示等三大部分組成的。在虛擬儀器系統(tǒng)中，數據分析和顯示完示等三大部分組成的。在虛擬儀器系統(tǒng)中，數據分析和顯示完全用微機的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數據采集全用微機的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數據采集硬件，就可以與微機組成測量儀器。這種基于微機的測量儀器硬件，就可以與微機組成測量儀器。這種基于微機

43、的測量儀器稱為稱為虛擬儀器虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器?？梢姡貌煌能浖幊?，就可得到功能完全不同的測量儀器?？梢?，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心“軟件就是儀器軟件就是儀器”。 19861986年美國國家儀器公司首先提出了虛擬儀器的概念，認為虛年美國國家儀器公司首先提出了虛擬儀器的概念，認為虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通信以及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，是一種由過程通信

44、以及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。它充分地利用了計算機獨具的計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。它充分地利用了計算機獨具的運算、存儲、回放、調用、顯示及文件管理功能，同時把傳統(tǒng)運算、存儲、回放、調用、顯示及文件管理功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板軟件化，這樣便構成了從外觀到功能儀器的專業(yè)化功能和面板軟件化，這樣便構成了從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)儀器相同，甚至更優(yōu)越的儀器系統(tǒng)。都完全與傳統(tǒng)儀器相同，甚至更優(yōu)越的儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器的國內外發(fā)展呈現兩條主線：一是虛擬儀器的國內外發(fā)展呈現兩條主線：一是GPIBVXIPXIGPIBVXIPXI總總線方式線方式( (適

45、合大型高精度集成系統(tǒng)適合大型高精度集成系統(tǒng)) )；二是微機插卡式；二是微機插卡式LPTLPT并并行口式行口式串口串口USBUSB方式方式IEEEIEEE標準的標準的13941394口方式（適合于普及口方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應用發(fā)展前景）。型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應用發(fā)展前景）。 一、虛擬儀器的特點一、虛擬儀器的特點 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處，就在于其具有開放性的虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處，就在于其具有開放性的構成方式，即具有靈活性和功能的可重構性。構成方式，即具有靈活性和功能的可重構性。 虛擬儀器是用戶根據需要自己定義、自行組合的。用戶可以靈虛擬儀器是用戶根據需要自

46、己定義、自行組合的。用戶可以靈活的將各種計算機平臺、硬件、軟件和各種附件結合起來，形活的將各種計算機平臺、硬件、軟件和各種附件結合起來，形成自己所需要的各種特定設備，可以是一臺數字多用表，也可成自己所需要的各種特定設備，可以是一臺數字多用表，也可以是一臺示波器，還有可能是一臺信號源，或者它同時具有這以是一臺示波器，還有可能是一臺信號源，或者它同時具有這些設備的所有功能甚至于更多的功能。些設備的所有功能甚至于更多的功能。虛擬儀器的虛擬儀器的特點特點主要表現為：主要表現為： 硬件接口標準化；硬件軟件化； 軟件模塊化；軟件模塊化； 模塊控件化；模塊控件化； 系統(tǒng)集成化；系統(tǒng)集成化； 程序設計圖形化；

47、程序設計圖形化；計算可視化；計算可視化； 硬件接口軟件驅動化。硬件接口軟件驅動化。 二、虛擬儀器的構成方法二、虛擬儀器的構成方法 虛擬儀器通常由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面虛擬儀器通常由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。板組成。 硬件設備與接口硬件設備與接口可以是各種以計算機為基礎的內置功能插卡、可以是各種以計算機為基礎的內置功能插卡、通用接口總線卡、串行接口卡、通用接口總線卡、串行接口卡、VXIVXI總線儀器接口等設備，或總線儀器接口等設備，或者是其他各種可程控的外置測試設備；者是其他各種可程控的外置測試設備；設備驅動軟件設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序

48、，虛擬儀器是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通信；通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通信；虛擬儀器面板虛擬儀器面板在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。在這些控件中預先集成了對應儀器的程控信對應的各種控件。在這些控件中預先集成了對應儀器的程控信息，所以用戶使用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀息，所以用戶使用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。器一樣真實與方便。 三、虛擬儀器的軟件實現三、虛擬儀器的軟件實現 虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：虛擬

49、儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：VISAVISA庫、儀庫、儀器驅動程序、應用軟件。器驅動程序、應用軟件。 1 1VISAVISA庫庫 VISAVISA（Virtual Instrumentation Software ArchitectureVirtual Instrumentation Software Architecture）虛擬儀器軟件體系結構，實質就是標準的虛擬儀器軟件體系結構，實質就是標準的I I0 0函數庫及其相關函數庫及其相關規(guī)范的總稱。一般稱這個規(guī)范的總稱。一般稱這個I IO O函數庫為函數庫為VISAVISA庫。它駐留于計算庫。它駐留于計算機系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特

50、殊功能，是計算機與儀器之間的機系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，以實現對儀器的程控。它對于儀器驅動程序開發(fā)軟件層連接，以實現對儀器的程控。它對于儀器驅動程序開發(fā)者來說是一個個可調用的操作函數集。者來說是一個個可調用的操作函數集。 2 2儀器驅動程序儀器驅動程序 儀器驅動程序是完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。儀器驅動程序是完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應用程序實現儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的它是應用程序實現儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅動程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。儀器驅動程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用

51、戶。 3 3應用軟件應用軟件 應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數據分析與處理功能，提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數據分析與處理功能，來完成自動測試任務。來完成自動測試任務。 虛擬儀器應用軟件的編寫，大致可分為兩種方式：虛擬儀器應用軟件的編寫，大致可分為兩種方式： （1 1）用通用編程軟件進行編寫）用通用編程軟件進行編寫 主要有主要有MicrosoftMicrosoft公司的公司的Visual BasicVisual Basic與與Visual C+Visual C+、Borland

52、Borland公司的公司的DelphiDelphi、SybaseSybase公司的公司的PowerBuilderPowerBuilder等；等； （2 2）用專業(yè)圖形化編程軟件進行開發(fā)）用專業(yè)圖形化編程軟件進行開發(fā) 如如HPHP公司的公司的VEEVEE、NINI公公司的司的LabVIEWLabVIEW和和LabwindowsLabwindowsCVICVI以及工控組態(tài)軟件等。以及工控組態(tài)軟件等。 應用軟件還包括通用數字處理軟件。通用數字處理軟件包括應用軟件還包括通用數字處理軟件。通用數字處理軟件包括用于數字信號處理的各種功能函數，如頻域分析的功率譜估用于數字信號處理的各種功能函數，如頻域分析的

53、功率譜估計、計、FFTFFT、FHTFHT、逆、逆FFTFFT、逆、逆FHTFHT和細化分析等；時域分析的相和細化分析等；時域分析的相關分析、卷積運算、反卷運算、均方根估計、差分積分運算關分析、卷積運算、反卷運算、均方根估計、差分積分運算和排序等。以及數字濾波等等。這些功能函數為用戶進一步和排序等。以及數字濾波等等。這些功能函數為用戶進一步擴展虛擬儀器的功能提供了基礎。擴展虛擬儀器的功能提供了基礎。 四四LabVIEWLabVIEW虛擬測試系統(tǒng)應用舉例虛擬測試系統(tǒng)應用舉例 1 1LabVIEWLabVIEW操作面板簡介操作面板簡介 使用使用LabVIEWLabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬

54、儀器程序，簡稱為開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VIVI。VIVI包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標連接包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標連接器器。 （1 1）程序前面板）程序前面板 程序前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量，用于模擬真實程序前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（ControlsControls），輸出量被稱為顯示（），輸出量被稱為顯示（IndicatorsIndicators）。控制和）。控制和顯示是以各種圖標形式出現在前面板上，如旋鈕、開關、按顯示是以

55、各種圖標形式出現在前面板上，如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。下圖是一個溫鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。下圖是一個溫度計程序（度計程序（Thermometer VIThermometer VI）的前面板。）的前面板。 （2 2）框圖程序）框圖程序 每一個程序前面板都對應著一段框圖程序。框圖程序用每一個程序前面板都對應著一段框圖程序。框圖程序用LabVIEWLabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點、圖框和連線構成。其中端口被碼?？驁D程序由端口、節(jié)點、圖框和連線構成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數據，節(jié)點被用來實現用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數據，節(jié)點被用來實現函數和功能調用，圖框被用來實現結構化程序控制命令，而函數和功能調用，圖框被用來實現結構化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數據流，定義了框圖內的數據流連線代表程序執(zhí)行過程中的數據流，定義了框圖內的數據流動方向。上述溫度計程序動方向。上述溫度計程序