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1、第十一章 计算机测试系统与虚拟仪器,第一节 概 述,第二节 插卡式测试系统,第三节 仪器前端,第四节 仪器控制,第五节 智能仪器简介,第六节 虚拟仪器,第一节 概 述,随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，传感器技术、通信技术和计算机技术的结合，使得计算机与测试技术的关系发生了根本性的变化，计算机已成为现代测试和测量系统的基础。,计算机测试系统：,从结构上划分,微机或微处理器,测量仪器或设备,接口,软件,微机或微处理器在软件控制下，发出各种控制指令控制各台测量仪器协同工作以完成数据采集任务，并对测量数据进行处理，如计算、变换、数据处理、误差分析等，最后将测量结果存储或打印、显
2、示输出，实现自动测试。微机或微处理器是整个测试系统的核心。软件是根据测量任务所编制的程序，是计算机测试系统的灵魂。,测量仪器或系统主要完成被测量的测量工作。测量仪器或系统在微机所发的控制指令控制下完成如工作频段选择、输出电调节、量程设置和测量功能。这种能接受程序控制并据之改变内部电路工作状态，能完成特定任务的测量仪器称为仪器的可编程控制，或称程控仪器。,接口的主要任务是提供机械兼容、逻辑电匹配、并能通过数据线交换电信号信息。各仪器之间通过适当的接口用各中总线相连。,从功能上划分,数据采集和存储,数据分析,数据显示,在一些测试系统中，数据分析和显示完全用微机的软件和显示器来完成。因此，只要额外提
3、供一定的数据采集硬件，就可以与微机组成测量仪器。这种基于微机的测量仪器称为虚拟仪器。,测试技术与计算机技术几乎是同步、协调向前发展的，计算机技术已成为测试仪器和系统的核心。,基于计算机的测试系统可分为三种类型：,第一种是计算机插卡式测试系统。即在计算机的扩展槽（通常是PCI、ISA等总线槽，也可设计成便携式计算机专用的PCMCIA卡）中插入信号调理、模拟信号采集、数字输入输出、DSP(数字信号处理芯片)等测试与分析板卡，构成通用或专用的测试系统。,第二种是由仪器前端与计算机组合的测试系统。仪器前端一般由信号调理、模拟信号采集、数字输入输出、数字信号处理、测试控制等模块组成。由V、P等专用仪器总
4、线连接在一起构成独立机箱，并通过以太网接口、1394、并行接口等通信接口与计算机相连，构成通用或专用测试系统。,第三种是由各种独立的可编程仪器（具有参数设置和控制功能的计算机接口）与计算机连接所组成的测试系统，这类系统又称为仪器控制系统。这类测试系统与前两类系统的最大区别在于程控仪器本身能够脱离开计算机运行，完成定的测量任务。,上述三类计算机测试系统可以采用一般的测试分析软件构成计算机测试系统，也可以利用专门的软件系统构成虚拟仪器。,随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器计数器、并行和串行接口、接口上的加密模块、前置放大器甚至AD、DA转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路
5、芯片（即单片机）不断出现。以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。,本章将分别讨论上述三种测试系统中均涉及的几个共同问题：计算机插卡仪器、仪器前端、仪器控制技术以及智能仪器和虚拟仪器技术。,第二节 插卡式测试系统,数据采集卡通常具有AD转换、DA转换；数字IO和计数器定时器等功能，有些还具有数字滤波和数字信号处理的功能。现在的多功能数据采集卡多采用可编程器件，使用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。,插卡式仪器由微机、数据采集卡与专用的软件组成。借助于计算机强大的图形环境
6、，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室使用。目前仍有强大的生命力。这类系统性能好坏的关键在于AD转换技术。,插卡类型有ISA卡、PCMCIA卡和PCI卡等多种类型。ISA型插卡已经逐渐退出舞台。PCMCIA卡由于受到结构连接强度太弱的限制影响了它的工程应用。PCI卡的使用最为广泛。PCI总线上的外围设备可与CPU并发工作，从而提高了整体性能。PCI总线还有自动配置功能，从而使所有与PCI兼容的设备实现真正的“即插即用”（plug & play）。,基于PCI总线的测试仪器的缺点：首
7、先，在插入DAQ（数据采集卡）时都需要打开机箱等，操作不便，并且主机上的PCI插槽有限；其次，测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁；第三，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响。因此，以串行接口总线方式的外挂式仪器系统就成为廉价型虚拟仪器测试系统的主流。,利用微机的各种串口通信，可把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上，软件装在微机上，通常可以完成各种仪器的功能。它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式微机或工控机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。特别是USB口和1394口具有传输速度快、可以热插拔、联机使用方便的特点，很
8、有发展前途，将成为未来虚拟仪器有巨大发展前景和广泛市场的主流台。通过各种不同的接口总线，可以组建不同规模的自动测试系统，它可以借助不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。,美国NI公司为使测试仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件，主要的模块化硬件如用于数据采集、仪器控制和机器视觉的P模块化仪器，可以灵活地组建不同复杂程度的自动测试系统，如果想了解具体的产品及性能，可以访问其网站(wwwnicom)，查询相关的板卡及软件介绍。,第三节 仪器前端,除了利用通用计算机或工控机开发测试仪器外，专
9、用的仪器总线系统也在不断发展，成为构建高精度、集成化仪器系统的专用台。高精度集成系统架构经历了GPIBVP仪器总线的发展过程。,GPIB通用接口总线是计算机和仪器间的标准通信协议。GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准IEEE4881和IEEE4882。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循IEEE 488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动。这种概念已被应用于仪器的内部设计。GPIB的数据传输速度一般低于50
10、0Kbs，不适合对系统速度要求较高的应用。作为早期仪器发展的产物，目前已经逐步退出市场。,V总线（即IEEE 1155总线）是一种高速计算机总线VME总线在仪器领域的扩展。V总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强，最高可达40Mbs，定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的特点，因此得到了广泛的应用。组建V总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高，其推广应用受到一定限制，主要应用集中在航空、航天等国防军工领域。,P总线是以CompactPCI为基础的，由具有开放性的P总线扩展而来。P总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点。P构造类似
11、于V结构，但它的设备成本更低、运行速度更快、体积更紧凑。P还有高度的可扩展性，它有8个扩展槽，而台式PCI系统只有34个扩展槽。P系统通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽。P总线的传输速率已经达到132Mbs（最高为500Mbs），是目前已经发布的最高传输速率。,P总线的优点：首先，随着产品的复杂度增加，被测项目也相应增加，利用P模块可以灵活配置成综合的自动化测试台，将多种功能测试同时进行，有效节省了系统测试时间和成本；第二，P集定时与触发、更高带宽及更优的性价比于一身，从而成为测试台首选；此外，P提供了一种清晰的混合解决方案，即P能很轻松地将硬件和软件，包括V、GPIB及串口
12、设备与P新产品、USB及以太网设备集成在一起。,P总线的缺点：相对于V，P机箱体积较小，对于很多功能复杂的大型综合系统，它所能提供的模块有效，因而只能配合用于某些单元测试环节；其次，P由于缺少V系统中每个模块的屏蔽盒，因而其电磁兼容性较差，对于某些可靠性要求较高的场合，不太适用。此外，与传统仪器相比，P由于采用的都是通用芯片和技术，在采样精度等技术指标上与拥有专利技术的传统仪器厂商的产品存在差距。,Data Physics公司生产的ABACUS高性能测试硬件，以ABACUS为硬件前端可构成两种动态信号分析仪： SignalCalc Mobilyzer（简称DP730）：一个ABACUS外接主机
13、，最大到32个测量通道、8个信号源、8个转速测量通道，便携式。,SignalCalc Savant（简称DP750）：多个ABACUS外接主机（通过以太网可同时连接多个ABACUS机箱），测量通道数不受限制，可扩展到1024通道，甚至更多。,第四节 仪器控制,一、仪器控制概念,“仪器控制”是指这样一个操作：通过微机上的软件控制仪器控制总线上的一台仪器。仪器自身通常支持一种或多种总线选择，以通过这些总线控制该仪器，微机通常也提供多种用于仪器控制的总线选择。如果微机本身不支持仪器可用的总线，可以增加一个插卡或一个外部转换器。,可用于仪器控制的总线有很多种，可以分为下面两个大类： 独立总线：用于架式
14、和堆式仪器的通信。独立总线包括专用总线（如GPIB）和微机标准总线（如串行总线RS-232、以太网、USB、无线和IEEE 1394）。一些独立总线可用作其他独立总线的中介，如USB到GPIB的转换器。 模块化总线：将接口总线合并到仪器中。模块化总线包括PCI、PCI Express、V和P。这些总线也可用作为不包括该总线的微机增加一个独立总线的中介，如PCI-GPIB控制卡。,不论是直接通过GPIB或RS-232与仪器通信，还是通过总线转换器与仪器相连，还有软件支持通过微机总线与仪器直接连接，模块化总线都能将通信总线与测量硬件组合构成台设备。,对于独立总线，可以主要通过插卡连接基于GPIB的
15、仪器和微机。这些插卡如：PCI-GPIB、PCIe-GPIB和PCMCIA-GPIB。也可以通过微机上的可用串行端口连接基于串行总线的仪器。为了直接通过总线连接以太网或USB仪器，还可以使用微机上现成可用的端口和相应的通信软件。然而，鉴于用于仪器控制的新总线技术采纳缓慢，可以使用总线转换器作为一种可行的仪器控制方法。这样既可以利用最新总线技术，同时也保护了已有GPIB和（或）串行仪器上的投资。,对于模块化总线，可使用PCI和P模块化仪器。这些仪器综合了独立仪器的测量能力和高性能总线的优点。这些紧凑、高性能测量硬件设备集成了定时和同步资源，它们包括数字化仪、函数和任意波形发生器、高速数字IO设备
16、、数字万用表和射频测量硬件等。P台是用于测量和自动化的、开放的、多厂商标准，它的性能要优于旧式测量和自动化结构10倍多。,仪器控制系统，例如：丹麦B&K公司生产的PULSE 3560系列多分析仪系统，是个通用的、面向任务的分析系统，它基于Windows XP的台，带局域网（LAN）接口的PULSE系统，包括：微机、PULSE软件、Windows XP、Microsoft Office接口，便携式数据采集前端硬件和分析引擎，系统配置最多可扩充至220个通道，16个信号发生器输出通道。PULSE 3560多分析仪配有B&K 7700型噪声和振动软件，该软件配合不同的前端可进行实时的11、13、112、124倍频程及FFT分析、实时读取任何频谱和FFT值、自动生成报告等，还可6400线高分辨力显示FFT，实时显示噪声和振动的准确数据，非实时的分辨力可达到几万线，7
