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1、,测试系统的基本特性,模拟信号处理,数字信号处理,计算机与虚拟仪器测试技术,常用传感器,绪论,测试信号的描述与分析,主要内容,1.智能仪器 2.自动测试系统 3.虚拟仪器,科技的进步使测试对象日渐复杂，测试项目和测试范围与日俱增，测试的参数越来越多，对测试速度和测量精度的要求也不断提高，因而传统的单机单参数测试已经不适应，迫切要求测量技术不断改进与完善。如果说数字电子技术的发展使仪器形态进入了数字化仪器时代是测试仪器发展史上的第一次革命，微处理器的大量应用催生了智能仪器时代是第二次仪器革命，那么通用计算机软、硬件技术的飞速发展使仪器进入虚拟仪器时代，则被公认为是仪器领域正在进行的第三次革命。智
2、能仪器、自动测试系统和虚拟仪器分别是仪器发展三个阶段的成果标志，想比于传统电子仪器，具有自动化、智能化、可编程化等功能，是现代计算机测试系统的主流和趋势。,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,7.1 智能仪器,7.1.1 智能仪器概述,智能仪器(Intelligent Instrument)是通用仪器与微处理器相结合的新型仪器，因为能完成人的一部分智力劳动而得名，这类仪器仪表中通常含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器，功能丰富又很小巧。,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,智能仪器有如下的基本特征： （1）智能仪器可以借助于传感器和变送器，按设
3、计要求采集电量和非电能量信号，由微处理器控制仪器的整个测量过程，有很高的自动化水平。 （2）微处理器的引入使智能仪器的功能较传统仪器有了极大的提高，许多原来用硬件电路难以解决或根本无法解决的问题，可以利用软件获得解决。 （3）智能仪器可以进行自动校正、非线性补偿、数字滤波等修正和克服由各种传感器、变换器、放大器等引进的误差和干扰，提高仪器的精度和其它性能指标。,7.1.1 智能仪器概述,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,（ 4）智能仪器的各种接口如GPIB、RS232、LAN等能使智能仪器方便地与计算机和其他智能设备组成多功能自动测试系统。 （）智能仪器通常具有自测试和诊断的功能，能自行测试整
4、个仪器的各种功能是否正常，自行诊断仪器内部是否存在故障并显示故障部位，提高了仪器的可靠性，简化和加快了仪器的维修工作。 （）智能仪器由于采用了微处理器，不仅可以减小仪器体积，还可以降低成本、提高仪器的可靠性。,7.1.1 智能仪器概述,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,7.1.2 智能仪器的组成,智能仪器由硬件和软件两大部分组成，硬件部分包括微机系统、输入通道、输出通道、人机对话通道及通信接口，其基本组成原理如图7.1所示：,图7.1 智能仪器基本组成,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,智能仪器硬件主要由以上各部分组成，各硬件部分模块功能如下： （1） 微机系统：由单片机或微处理器配以必要的外
5、部器件构成最小的微机系统，智能仪器越复杂，需要配接的存储器内存越大，同时需要较多的I/O接口，通常单片机扩展能力强，可以直接与外部存储器和I/O接口电路相连，构成功能较强、规模较大的微机系统。 （2） 输入通道：输入通道是微机系统与采集对象相连的部分。输入信号来自于传感器或变换装置，采集的对象和传感器不同，信号表现形式也不一样，有开关量信号、频率量信号、模拟量信号等，如果不能满足微机系统输入的要求，还需要形式多样的信号变换和调节电路，如放大器、滤波器、A/D转换等。,7.1.2 智能仪器的组成,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,（3）输出通道：根据输出控制的不同要求，输出通道电路是多种多样的，
6、如D/A转换电路、放大隔离电路等，输出信号有模拟量信号、开关量信号和频率量信号等。 （4）人机对话通道：智能仪器中的人机对话是用户为了对智能仪器进行控制并及时获得智能仪器运行状态等信息所设置的通道，人机对话通道所配置的设备主要有键盘、鼠标、打印机等。 （5）通信接口：用来实现智能仪器与外部系统的联系，各种通信接口需符合通信总线规定的标准。,7.1.2 智能仪器的组成,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,7.2 自动测试系统,7.2.1 自动测试系统概述,自动测试系统(Automatic Testing System)简称ATS，有时也称为自动测试设备 (Auto
7、matic Testing Equipment) 简称ATE。最早用于军事工业，因为军事部门中的许多被测对像要求快速、准确、实时、多路，需要海量测量及实时数据处理和控制。美国早在上世纪50年代就开始了自动测试系统的研究和开发工作，花费巨大。随着计算机技术及数字电子技术的飞速发展，组建自动测试系统的费用大幅下降，因而在民用工业和科研部门渐渐得到广泛应用，与自动测试技术有关的理论研究工作得到更深入的发展，成为测试领域中一个特别的分支，目前自动测试技术已是电测技术的一个重要发展方向。,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,7.2.2 自动测试系统的组成,自动测试系统由硬件和软件两大部分组成，硬件包括计算
8、机或微处理器、可程控仪器和接口系统，其基本组成原理如图7.2所示,图7.2 自动测试系统组成,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,微机(或微处理器) 是整个系统的核心，控制整个自动测试系统正常运转，并对测量数据进行一定的处理，如数值计算、变换、数据处理、误差分析等，最后将测量结果通过打印机、显示器、磁盘磁卡或指示表、数码显示等方式输出。 能组成自动测试系统的仪器必须满足两个条件：一是要求是可程控的仪器，二是要带有一定的接口。,7.2.2 自动测试系统的组成,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,7.2.2 自动测试系统的分类,可以从不同角度对自动测试系统进行分类，可以根据系统所用的总线和接口分类，如
9、GPIB系统，也可根据被测对象的性质分类，如温度自动测试系统、位移自动测试系统等。 最早的自动测试系统为以任务命名的专用系统，通常是针对某项具体任务设计的，采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，系统接口也是专用的，通用性比较差。 可程控测量仪器接口总线的标准化把自动测试系统从专用推向通用，主要采用国际标准通用接口总线技术如IEEE 488，利用可程序控制的仪器和测控计算机(控制器)组成自动测试系统，从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。,虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算,第七章、计算机虚拟仪器技术,1. 虚拟仪器定义,机程序完成，这
10、种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。,3.仪器定义和功能的转变,传统仪器:厂商定义,虚拟仪器:用户定义,第七章、计算机虚拟仪器技术,4.虚拟仪器的组成,第七章、计算机虚拟仪器技术,5、常用虚拟仪器板卡,第七章、计算机虚拟仪器技术,6、虚拟仪器软件驱动模块,第七章、计算机虚拟仪器技术,为简化硬件板卡编程和控制，NI和Agilent标准化了数百种常用仪器、板卡的驱动，它们已成为虚拟仪器开发平台的一部分，开发时可直接复用这些硬件驱动代码。,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,7.3.3 虚拟仪器的构成,虚拟仪器是计算机化的仪器，由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部分组成，虚拟仪器所用的计算机是通
11、用的计算机，模块化功能硬件指各类功能化仪器模块，依据与计算机通信接口方式不同可分为数据采集系统、RS232接口仪器、USB接口仪器、VXI仪器、GPIB总线仪器、现场总线（Fieldbus）设备以及其它接口的设备等，应用软件将仪器的模块化功能硬件与各类计算机结合，构成虚拟仪器系统。如图7.3所示为虚拟温度测量系统。,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,7.3.3 虚拟仪器的构成,图7.3虚拟温度测量系统,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,虚拟仪器的硬件组成,组成虚拟仪器系统的功能化模块形式各异，但功能环节基本相同，通常包括信号调理、数据采集、计算机通信几大部分，如图7.4所示。,图7.4 虚拟仪
12、器系统硬件组成,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,虚拟仪器的软件组成,虚拟仪器软件主要包括集成的开发环境、仪器硬件的高级接口、虚拟仪器的用户界面三个部分。从事测量工作的用户通常利用虚拟仪器开发环境编写针对测试任务的虚拟仪器软件，可以采用各种不同的软件如Visual C+、Visual Basic等，但这些语言对非专业编程人员来说，还是非常困难的，因此世界各大公司都在致力于开发便于测试工程师使用的虚拟仪器开发环境，其中NI公司LabWindowsCVI和 LabVIEW、Agilent公司的 VEE、Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS等软件是基于图形的用户界面和开发环境，便于
13、二次开发，其中应用最广泛的是NI公司的 LabVIEW 应用软件平台。,第七章、计算机虚拟仪器技术,7、常见的虚拟仪器软件平台,LabView,Agilent VEE,DASYLab,DirectView,ProcessControl,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,LabVIEW是一种图形程序设计语言，全称为Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，中文名字是实验室虚拟仪器工程平台，采用了直观的前面板与流程图式的编程技术， LabVIEW的基本程序单位是VI（Virtual Instrument 虚拟仪器），LabVIEW可以通
14、过图形编程的方法建立一系列的VI，每个VI模块完成指定的功能，最后组成的顶层VI虚拟仪器就成为一个包含所有功能子VI的集合，LabVIEW中的各VI之间的层次调用关系如图7.6所示；,虚拟仪器的软件组成,图7.6 虚拟仪器软件的层次结构,虚拟仪器的软件组成,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,自动化 软件,PLC,串行口,数据采集,过程,现场总线,个人计算机或 工作站,图象,公司 Intranet or Internet,分布式 I/O,动作,10、基于虚拟仪器的新型工业测控系统架构,第七章、计算机虚拟仪器技术,7.3.3 虚拟仪器的应用,虚拟测试技术使用户可以自行设定测试仪器的功能、结构等，容
15、易构建，具有很好的发展潜力，目前虚拟仪器测试技术主要由国外几家大公司引领，如美国NI公司在这方面的技术发展迅猛，国内大多采用该公司的开发环境应用于各个行业，在短短的十几年时间里涌现出一大批大专院校、科研院所、企业单位从事虚拟仪器和测试系统的研究和开发工作，在航空航天、自动化控制、电力测试系统、汽车性能检测等领域有许多应用，随着计算机技术的不断发展，虚拟仪器将会得到进一步的发展和应用。,第七章 计算机与虚拟仪器测试技术,南通大学机械工程学院,9、虚拟仪器技术的优点,南通大学机械工程学院,10、虚拟仪器技术的主要应用领域,通讯 AT&T, Alcatel, Ericsson 计算机 IBM, Ap
16、ple, Dell 半导体 Motorola, TI, Thomson-CSF 汽车 Ford, Chrysler, Nissan, Toyota 电子 Sony, Siemens,石油化工 Shell, Mobil Research 纺织 Instron, Dupont, Eli Lilly, Albany International 制造 Ericcson, Duracell 食品加工 Sara Lee, Ben & Jerry抯, Shiner 医药 Johnson & Johnson, Proctor & Gamble,测试和测量,工业自动化,南通大学机械工程学院,虚拟声级计 (Visual Sound Instrument),
