第十一章 現(xiàn)代測試系統(tǒng)

第十一章現(xiàn)代測試系統(tǒng)第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>習(xí)慣把具有自動(dòng)化、智能化、可編程化等功能的測試系統(tǒng)稱為現(xiàn)代測試系統(tǒng)。1、智能儀器2、自動(dòng)測試系統(tǒng)3、虛擬儀器第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>1、智能儀器

所謂智能儀器是用以形容新的一代測量儀器．這類儀器儀表中含有微處理器、單片計(jì)算機(jī)或體積很小的微型機(jī)，有時(shí)亦稱為內(nèi)含微處理器的儀器或基于微型機(jī)的儀器。這類儀器，因?yàn)楣δ茇S富又很靈巧，國外書刊中常簡稱為智能儀器。

第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>智能儀器的特點(diǎn)（1）具有自動(dòng)校準(zhǔn)的功能；（2）具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；（3）具有量程自動(dòng)切換的功能；（4）具有操作面板和顯示器；（5）具有修正誤差的能力；（6）有簡單的報(bào)警功能。第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>自動(dòng)校準(zhǔn)功能一般儀器在使用前都要進(jìn)行刻度校準(zhǔn)。在使用中，隨著儀表溫度升高，元件的參數(shù)往往會(huì)發(fā)生變化，還有諸如電網(wǎng)干擾、噪聲等因素的影響，原來校準(zhǔn)好的狀態(tài)會(huì)受到破壞，導(dǎo)致前后測量的數(shù)據(jù)不一致。智能儀器不僅可以自動(dòng)校準(zhǔn)．還可以在測量過程中定期校準(zhǔn)。這樣測量的一致性條件校好，減小了誤差。第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>

電壓輸入自動(dòng)校正第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>智能儀器的一般結(jié)構(gòu)：一、在物理結(jié)構(gòu)上，微型計(jì)算機(jī)內(nèi)含于測量儀器。微處理器及其支持部件是整個(gè)測試電路的一個(gè)組成部分，但是，從計(jì)算機(jī)的觀點(diǎn)來看，測試電路與鍵盤、GPIB接口、顯示器等部件一樣，僅是計(jì)算機(jī)的一種外圍設(shè)備。二、軟件是智能儀器的靈魂。智能儀器的管理程序也稱監(jiān)控程序，分析、接受、執(zhí)行來自鍵盤或接口的命令，完成測試和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。軟件存于ROM或EPROM.第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>智能儀器的基本組成第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>智能儀器工作過程1、微處理器接收來自鍵盤或GPIB接口命令，解釋并執(zhí)行這些命令；2、微處理器通過接口發(fā)出各種控制信息給測試電路，以規(guī)定功能、啟動(dòng)測量、改變工作方式等，3、當(dāng)測試電路完成一次測量后，微處理器讀取測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的加工、計(jì)算、變換等處理，最后以各種方式輸出。第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>2、自動(dòng)測試系統(tǒng)

一個(gè)自動(dòng)測試系統(tǒng)，一般由四部分組成：第一是微機(jī)或微處理器，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心；第二是被控制的測量儀器或設(shè)備，稱為可程控儀器；第三是接口；第四是軟件。自動(dòng)測試系統(tǒng)基本構(gòu)成第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>

(一)微機(jī)(或微處理器)

這是整個(gè)系統(tǒng)的核心。在軟件控制下，微機(jī)控制夠個(gè)自動(dòng)測試系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行某種方式的處理，如計(jì)算、變換、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等；最后將測量結(jié)果通過打印機(jī)、顯示器、磁盤磁卡或電表、數(shù)碼顯示等方式輸出。第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>

(二)可程控儀器或設(shè)備在自動(dòng)測試過程中，測量儀器或設(shè)備的工作，如測量功能、工作頻段、輸出電平、量程等的選擇和調(diào)節(jié)都是由微機(jī)所發(fā)控制指令的控制下完成的。這種能接受程序控制并據(jù)之改變內(nèi)部電路工作狀態(tài)，以及完成特定任務(wù)的測量儀器稱為儀器的可程序控制，簡稱可程控，或稱程控儀器。顯然程控儀器是組成自動(dòng)測試系統(tǒng)的基本部分。第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>(三)接口一個(gè)自動(dòng)測試系統(tǒng)中，各儀器和設(shè)備之間的接口的總體稱為該自動(dòng)測試系統(tǒng)的接口系統(tǒng)。顯然，接口系統(tǒng)是自動(dòng)測試系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)測試目的，使自動(dòng)測試系統(tǒng)各儀器和設(shè)備之間進(jìn)行有效通信的重要環(huán)節(jié)。60年代中期以前，接口是專用的和非標(biāo)準(zhǔn)化的，即是專門為某一自動(dòng)測試系統(tǒng)而設(shè)計(jì)制造的，設(shè)計(jì)和制造不具有重復(fù)性。第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>

接口的主要任務(wù)是在下列方面提供儀器與計(jì)算機(jī)連接需要的兼容。

機(jī)械兼容對(duì)接口的最簡單的要求是提供機(jī)械兼容，就是要有適當(dāng)?shù)倪B接器和它們之間的連線。

電磁兼容接口的第二種作用是使計(jì)算機(jī)和探器之間有適配的電器特性即在邏輯電平方面要相符合。

數(shù)據(jù)兼容一旦接口已使計(jì)算機(jī)和儀器實(shí)現(xiàn)了機(jī)械和電器兼?zhèn)渌鼈兙湍芡ㄟ^數(shù)據(jù)線交換電信號(hào)信息，但需要某種格式翻譯，有種種編程能力的計(jì)算機(jī)通常能執(zhí)行這種功能，考慮到速度，往往把這個(gè)任務(wù)交給接口完成。第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>自動(dòng)測試技術(shù)源于70年代，發(fā)展至今．大致可分為三代，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)也有較大的不同。第一代自動(dòng)測試系統(tǒng)第一代自動(dòng)測試系統(tǒng)多為專用系統(tǒng)，通常是針對(duì)某項(xiàng)具體任務(wù)而設(shè)計(jì)的。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用比較簡單的定時(shí)器或掃描器作為控制器，其接口也是專用的。因此，第一代測試系統(tǒng)通用性比較差。自動(dòng)測試系統(tǒng)發(fā)展歷程第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>第二代自動(dòng)測試系統(tǒng)第二代自動(dòng)測試系統(tǒng)典型方塊圖如圖所示。與第一代自動(dòng)測試系統(tǒng)的主要不同在于：采用了標(biāo)準(zhǔn)化的通用可程控測量儀器接口總線(IEEE488)及可程序控制的儀器和測控計(jì)算機(jī)(控制器)，從而使得自動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用和組裝都比較容易。第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>第三代自動(dòng)測試系統(tǒng)第二代自動(dòng)測試系統(tǒng)雖然比人工測試顯示出前所未有的優(yōu)越性，但是在這些系統(tǒng)中，電子計(jì)算機(jī)并沒有充分發(fā)揮作用，系統(tǒng)中仍是使用傳統(tǒng)的測試設(shè)備(只不過是配備了新的標(biāo)準(zhǔn)接口)，整個(gè)系統(tǒng)的工作過程基本上還是對(duì)傳統(tǒng)人工測試的模擬。于是出現(xiàn)了虛擬儀器。第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>虛擬儀器（VirtualInstrument簡稱VI）是計(jì)算機(jī)技術(shù)同儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的全新概念的儀器，是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是儀器領(lǐng)域內(nèi)的一次革命。虛擬儀器是繼第一代儀器——模擬式儀表、第二代儀器——分立元件式儀表、第三代儀器——數(shù)字式儀表、第四代儀器——智能化儀器之后的新一代儀器。虛擬儀器第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>1．虛擬儀器的內(nèi)部功能

測量儀器的內(nèi)部功能可劃分為：輸入信號(hào)的測量、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析處理及測量結(jié)果的顯示四個(gè)部分。虛擬儀器也不例外，但是實(shí)現(xiàn)上述功能的方式不同，下面按三個(gè)部分來敘述。（1）信號(hào)采集與控制功能

虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)和儀器硬件組成的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、測量/轉(zhuǎn)換與控制的。硬件平臺(tái)由兩部分組成：1、計(jì)算機(jī)可以是筆記本計(jì)算機(jī)、PC機(jī)或工作站；2、儀器硬件：可以是插入式數(shù)據(jù)采集板（含信號(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字I／O、定時(shí)器、D／A轉(zhuǎn)換器等），或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如GPIB儀器、VXI儀器、RS－232儀器等)。

第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>

(2)數(shù)據(jù)分析處理功能

虛擬儀器充分利用了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)、運(yùn)算功能，并通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)數(shù)據(jù)的分析處理。處理內(nèi)容包括進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理＼數(shù)字濾波統(tǒng)計(jì)處理、數(shù)值計(jì)算與分析等。虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器以及以微處理器為核心的智能儀器有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理功能。(3)測量結(jié)果的表達(dá)

虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)資源如內(nèi)存、顯示器等，對(duì)測量結(jié)果數(shù)據(jù)的表達(dá)與輸出有多種方式，這也是傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)不能及的。例如，虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)：通過總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；通過磁盤、光盤硬拷貝輸出；通過文件存于硬盤內(nèi)存中；計(jì)算機(jī)屏幕顯示。第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>VI構(gòu)成要素

虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件三大要素構(gòu)成的。計(jì)算機(jī)與儀器硬件又稱為VI的通用儀器硬件平臺(tái)。第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>軟件技術(shù)是虛擬儀器的核心技術(shù)。常用的儀器用開發(fā)軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。這些軟件已相當(dāng)完善，而且還在升級(jí)、提高。以LabVIEW為例，這是基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI儀器及數(shù)據(jù)采集卡等硬件的系統(tǒng)構(gòu)成，而且，具有很強(qiáng)的分析處理能力。第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>

VI系統(tǒng)有多種構(gòu)成方式：

PC—DAQ測量系統(tǒng)：是以數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的測試系統(tǒng)。

GPIB系統(tǒng)：是以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)組成的測試系統(tǒng)。

VXI系統(tǒng)：是以VXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)組成的測試系統(tǒng)。

串口系統(tǒng)：是以Seial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)組成的測試系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)：是以Fieldbus標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)組成的測試系統(tǒng)。

VI構(gòu)成方式第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>被測信號(hào)GPIB儀器串口儀器VXI模塊PXI模塊PC-DAQ計(jì)算機(jī)I/O接口設(shè)備虛擬儀器的構(gòu)成方式第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>無論上述哪種VI系統(tǒng)，都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與各類計(jì)算機(jī)相結(jié)合，其中PC-DAQ測試系統(tǒng)是構(gòu)成VI的基本方式。因?yàn)?，?shí)際上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS是構(gòu)成各種標(biāo)準(zhǔn)總線儀器的基礎(chǔ)，故虛擬儀器是基于“信息的數(shù)據(jù)采集(ADC)-信號(hào)的分析與處理(DSP)-輸出(DAC)及顯示”的結(jié)構(gòu)模式建立通用儀器硬件平臺(tái)。在這個(gè)通用儀器硬件平臺(tái)上，調(diào)用不同的測量軟件就構(gòu)成了不同功能的儀器。第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>1、編程設(shè)計(jì)圖形化軟件模塊提供圖形化編程環(huán)境，通過調(diào)用控件、庫函數(shù)原碼模塊進(jìn)行儀器面板設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析處理。2、儀器驅(qū)動(dòng)程序（InstrumentDrivers)與用戶接口開發(fā)工具（UserInterfaceDevelopment)標(biāo)準(zhǔn)軟件模塊。LabView軟件組成第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>虛似儀器和傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高技術(shù)是更新周期短（0.5~1年）技術(shù)更新周期長（5~10年）軟件是關(guān)鍵硬件是關(guān)鍵價(jià)格低價(jià)格昂貴開放靈活與計(jì)算機(jī)同步，可重復(fù)用和重配置固定可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器只可連有限的設(shè)備自動(dòng)、智能化、遠(yuǎn)距離傳輸功能單一，操作不便第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>虛擬儀器的分類:從技術(shù)發(fā)展的角度來看，虛擬儀器走的是兩條技術(shù)路線：一條是向高速、高精度、大型自動(dòng)測試設(shè)備（ATE）方向發(fā)展，即GPIB（1975）→VXI（1987）→PXI（1997）的發(fā)展路線；另一條是向高性能、低成本、普及型系統(tǒng)方向發(fā)展，即PC插卡（1987）→并口式（1995）→串口USB（1999）的技術(shù)路線。第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>

虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：第一類：PC總線——插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結(jié)合。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>第二類：并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。它們的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>第三類：GBIB總線方式的虛擬儀器GPIB總線(GeneralPurposeInterfaceBus),即IEEE488通用接口總線,是HP公司在70年代推出的臺(tái)式儀器接口總線,因此又叫HPIB(HPInterfaceBus)。該標(biāo)準(zhǔn)總線在儀器、儀表及測控領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用。這種系統(tǒng)是在微機(jī)中插入一塊GPIB接口卡,通過24或25線電纜連接到儀器端的GPIB接口。當(dāng)微機(jī)的總線變化時(shí),例如采用ISA或PCI等不同總線,接口卡也隨之變更,其余部分可保持不變,從而使GPIB系統(tǒng)能適應(yīng)微機(jī)總線的快速變化。由于GPIB系統(tǒng)在PC出現(xiàn)的初期問世,所以有一定的局限性。如其數(shù)據(jù)線只有8根,用位并行、字節(jié)串行的方式傳輸數(shù)據(jù),傳輸速度最高1ＭＢy/ｓ,傳輸距離20ｍ(加驅(qū)動(dòng)器能達(dá)500ｍ)。第三類GPIB總線方式虛擬儀器第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>第四類：VXI總線方式虛擬儀器VXI總線(VMEbusextensionforinstrumentation)。該總線是VME計(jì)算機(jī)總線在儀器領(lǐng)域中的擴(kuò)展,其中VME總線是一種工業(yè)微機(jī)的總線標(biāo)準(zhǔn),主要用于微機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)：ＶＸＩ系統(tǒng)具有小型便攜、高速數(shù)據(jù)傳輸、模塊式結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組建靈活等特點(diǎn)。1998年修訂的ＶＸＩ20版本規(guī)范提供了64位擴(kuò)展能力,使數(shù)據(jù)傳輸率最高進(jìn)一步提高到80ＭＢy/ｓ。缺點(diǎn)：組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>有三種方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)至VXI總線儀器的通信：（1）通過IEEE488的VXI總線通信（2）通過MXI總線的VXI總線通信（3）通過裝入控制器內(nèi)的VXI總線通信第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurementtechnology>>第五類：PXI總線方式虛擬儀器PXI（PCIeXtensionsforInstrumentation）充分利用了當(dāng)前最普及的臺(tái)式計(jì)算機(jī)高速標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)——PCI。PXI是一個(gè)模塊化的平臺(tái)。系統(tǒng)的物理主機(jī)是一個(gè)擁有2至31個(gè)槽位的機(jī)箱，有的機(jī)箱還帶有內(nèi)置的顯示器和鍵盤。機(jī)箱的第一槽（Slot1）是控制器槽。目前可以使用的控制器有很多，最常見的兩種是嵌入式控制器和MXI-3總線橋。嵌入式控制器是專為PXI機(jī)箱空間設(shè)計(jì)的常規(guī)計(jì)算機(jī)。MXI-3則是一種通過臺(tái)式計(jì)算機(jī)控制PXI機(jī)箱的擴(kuò)展器，機(jī)箱中的其它槽位被稱為外部設(shè)備槽，用于插置功能模塊，就像計(jì)算機(jī)里的PCI槽（2～3）一樣。第37頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5/5/2023<<test&measurem