《电气测试技术》课件第7章 电气测试技术的智能化和虚拟化.pptx

1、电气测试技术7电气测试技术的智能化和虚拟化电气测试技术近年来，随着微电子技术、网络及通信技术和相关学科的发展，测试技术发展迅猛，出现了一些新的概念、理念和技术，表现出一些新的发展方向。仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化。利用现代微制造技术（光、机、电）、纳米技术、计算机技术、仿生学原理、新材料等高新技术开发新的科学仪器已经成为主流。虚拟仪器技术、现场总线技术、网络技术和智能信息处理技术也开始广泛应用于测试系统之中。7.1 测试仪器的新发展电气测试技术7.1.1 新型传感器不断出现1基于新材料的物性型传感器不断出现 2集成化、多功能化、智能化传感器不断出现 3各类仿生

2、型传感器不断出现电气测试技术7.1.2 测试系统的小型化、微型化及集成化微机技术和大规模集成电路技术的应用使得测试系统的紧凑程度得到极大提高。各种基于新材料、新效应和新工艺的新型传感器的不断出现，使得传感器在精度提高的同时体积也逐渐变小；信号处理电路的集成程度不断提高，使得测试系统的小型化、微型化及集成化成为可能；新型的显示和记录仪器及模块不断出现，也使得整个系统的体积不断减小。电气测试技术7.1.3 虚拟仪器化在计算机测试系统的基础上，出现了虚拟仪器的概念，并得到广泛的应用。虚拟仪器技术可以在大大节约开发时间的基础上使系统具有强大的扩展功能和近乎完美的用户体验。虚拟仪器技术使得现代测控系统更

3、加灵活、紧凑、经济，功能更加强大。无论测量、测试、计量或工业过程控制和分析处理，还是其它更为广泛的测控领域，虚拟仪器都以自身无与伦比的强大功能和灵活性组态为设计者提供了一种极佳的模式。电气测试技术7.1.4 测试系统的智能化测试系统的智能化主要表现在测试系统对信息的检测、信号处理、信息的记忆、逻辑思维与推理决策等方面，出现了智能仪器、智能传感器等新概念。智能测试系统以微处理器为核心，通过总线及接口与I/O通道及输入/输出设备相连。微处理器作为控制单元来控制数据采集装置进行采样，并对采样数据进行计算及数据处理，如数字滤波、标度变换、非线性补偿等。然后把计算与分析结果进行显示或打印。智能测试系统广

4、泛采用键盘、LED显示器，它们由微处理器控制，显示测试结果或处理结果及图像等。电气测试技术7.1.5 测试系统的网络化现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线面向工业生产现场，主要用于实现生产/过程领域的基本测控设备（现场级设备）之间以及与更高层次测控设备（车间级设备）之间的互连。现场总线已有多个版本，目前工业生产中广泛采用的现场总线技术包括PROFIBUS现场总线、LonWorks现场总线、基金会现场总线（FF）、CAN总线和HART总线等。(1)(1)基于现场总线技术的网络化测控系统基于现场总线技

5、术的网络化测控系统电气测试技术（2）基于Internet的网络测控 利用现有Internet资源而无须建立专门的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与Internet的互联都十分方便。基于Internet的网络测控系统中实现信号采集与控制的前端模块具有虚拟仪器不可比拟的强大功能，它不仅完成信号的采集和控制，在一定程度上还兼顾实施对信号的分析与传输。电气测试技术7.1.6 软测量技术的发展 软测量就是选择与被测变量（难以直接测量，称为主导变量）相关的一组可测变量（称为二次变量或辅助变量），构造某种以可测变量为输入、被测变量为输出的数学模型，使用计算机进行模型的数值运算，从而得到被测变量

6、的估计值的过程。这类数学模型及相应的计算机软件也被称为软测量估计器或软测量仪表。软测量技术主要包括三部分的内容：一是根据某种最优原则研究建立软测量数学模型的方法，这是软测量技术的核心；二是模型实时运算的工程化实施技术，这是软测量技术的关键；三是模型自校正技术，这是提高软测量精度的有效方法。电气测试技术近年来，随着微电子技术、网络及通信技术和相关学科的发展，测试技术发展迅猛，出现了一些新的概念、理念和技术，表现出一些新的发展方向。仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化。利用现代微制造技术（光、机、电）、纳米技术、计算机技术、仿生学原理、新材料等高新技术开发新的科学仪器已经

7、成为主流。虚拟仪器技术、现场总线技术、网络技术和智能信息处理技术也开始广泛应用于测试系统之中。7.2 微机化仪器的典型功能电气测试技术117.2 微机化仪表的典型功能l 测量过程和控制的测量过程和控制的软件软件化化仪器硬件变得简单、体积与功耗均减小、可靠性提高、灵活性增强、自动化程度更高。仪器硬件变得简单、体积与功耗均减小、可靠性提高、灵活性增强、自动化程度更高。可实现简单的人机对话、自检、自诊断、自校准、可实现简单的人机对话、自检、自诊断、自校准、LCD或或LED显示和打印输出等。显示和打印输出等。在软件控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，仅改变软件即可。这是传统的纯在软件控制方式下，

8、改换仪器功能并不需要更换硬件，仅改变软件即可。这是传统的纯硬件式仪器所不及的。硬件式仪器所不及的。l 数据处理能力数据处理能力智能仪器最突出的特点，主要表现为能改善测量的准确度和对测量结果进行再加工。智能仪器最突出的特点，主要表现为能改善测量的准确度和对测量结果进行再加工。对测量结果进行在线处理，方便、快速、可避免主观因素干扰。对测量结果进行在线处理，方便、快速、可避免主观因素干扰。可执行多种算法，实现各种误差的计算与补偿、能校准测量仪器的非线性。降低测可执行多种算法，实现各种误差的计算与补偿、能校准测量仪器的非线性。降低测量误差，提高测量准确度。量误差，提高测量准确度。电气测试技术127.2

9、 微机化仪表的典型功能l 多功能化多功能化 增加了仪器的测量功能、是一台纯硬件仪器无法增加了仪器的测量功能、是一台纯硬件仪器无法比拟的。比拟的。灵活的功能切换、量程切换、算法切换、硬件模灵活的功能切换、量程切换、算法切换、硬件模块置换、显示方式选择、控制功能增选块置换、显示方式选择、控制功能增选l 简单公式简单公式“仪器仪器=AD/DA+CPU+软件软件”电气测试技术137.2 微机化仪表的典型功能l仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架

10、式仪器系统到虚拟仪器。统到虚拟仪器。l传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。l一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件(或固化的软件或固化的软件)的形式存在。的形式存在。电气测试技术

11、147.2 微机化仪表的典型功能l仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系统到虚拟仪器。统到虚拟仪器。l传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。l一般由三大功能块组成：信号的采集和控制

12、、信号的分析一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件(或固化的软件或固化的软件)的形式存在。的形式存在。电气测试技术1、带微处理器的仪表智能仪器的原理结构 7.2 微机化仪表的典型功能由于增加了微处理器，电测仪表增加的功能:（1）自动校准（2）零漂电压的校正（3）多次采样平均值测量法电气测试技术输出电压 1UA2()refUUA3()xUUA由以上三式可以得到3121()()xxrefrefUUUAAUUUUAAU即3121xrefUUUVUU用给定基准对智能仪器作自动校准，将测得

13、的误差存储起来，在测量值中扣除此系统误差，将有助于提高测量的准确性。（1 1）自动校准）自动校准7.2 微机化仪表的典型功能电气测试技术（2 2）零漂电压的校正）零漂电压的校正7.2 微机化仪表的典型功能智能仪表中常用直流零位校正。首先，测量输入端短路时输出端的直流电压，将其存入存储器中。在实际测量时，微处理器对每次测定值进行数据处理，从测定值中扣除直流零电压的影响。这种方案广泛应用于各种数字电压表中。（3 3）多次采样平均值测量法）多次采样平均值测量法电气测试技术7.2 微机化仪表的典型功能2、采样计算式仪表采样方法(1)直流采样法(2)交流采样法同步采样法(i)硬件同步采样法(ii)软件同

14、步采样法准同步采样法非整周期采样谐波分析法非同步采样法电气测试技术72 采样计算式仪表1.采样方法(1)直流采样法(2)交流采样法同步采样法(i)硬件同步采样法(ii)软件同步采样法准同步采样法非整周期采样谐波分析法非同步采样法2计算方法 按定义计算 频谱分析法：频谱分析就是把各种电压、电流等信号，通过傅里叶变换，变换到频率域上进行分析。正弦波参数法 数字相关法电气测试技术近年来，随着微电子技术、网络及通信技术和相关学科的发展，测试技术发展迅猛，出现了一些新的概念、理念和技术，表现出一些新的发展方向。仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化。利用现代微制造技术（光、机、电

15、）、纳米技术、计算机技术、仿生学原理、新材料等高新技术开发新的科学仪器已经成为主流。虚拟仪器技术、现场总线技术、网络技术和智能信息处理技术也开始广泛应用于测试系统之中。7.2 微机化仪器的典型功能电气测试技术217.2 微机化仪表的典型功能l 测量过程和控制的测量过程和控制的软件软件化化仪器硬件变得简单、体积与功耗均减小、可靠性提高、灵活性增强、自动化程度更高。仪器硬件变得简单、体积与功耗均减小、可靠性提高、灵活性增强、自动化程度更高。可实现简单的人机对话、自检、自诊断、自校准、可实现简单的人机对话、自检、自诊断、自校准、LCD或或LED显示和打印输出等。显示和打印输出等。在软件控制方式下，改

16、换仪器功能并不需要更换硬件，仅改变软件即可。这是传统的纯在软件控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，仅改变软件即可。这是传统的纯硬件式仪器所不及的。硬件式仪器所不及的。l 数据处理能力数据处理能力智能仪器最突出的特点，主要表现为能改善测量的准确度和对测量结果进行再加工。智能仪器最突出的特点，主要表现为能改善测量的准确度和对测量结果进行再加工。对测量结果进行在线处理，方便、快速、可避免主观因素干扰。对测量结果进行在线处理，方便、快速、可避免主观因素干扰。可执行多种算法，实现各种误差的计算与补偿、能校准测量仪器的非线性。降低测可执行多种算法，实现各种误差的计算与补偿、能校准测量仪器的非线性。降

17、低测量误差，提高测量准确度。量误差，提高测量准确度。电气测试技术227.2 微机化仪表的典型功能l 多功能化多功能化 增加了仪器的测量功能、是一台纯硬件仪器无法增加了仪器的测量功能、是一台纯硬件仪器无法比拟的。比拟的。灵活的功能切换、量程切换、算法切换、硬件模灵活的功能切换、量程切换、算法切换、硬件模块置换、显示方式选择、控制功能增选块置换、显示方式选择、控制功能增选l 简单公式简单公式“仪器仪器=AD/DA+CPU+软件软件”电气测试技术237.2 微机化仪表的典型功能l仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数字化仪表到智能仪表；另

18、一条是从单台仪器、叠架式仪器系字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系统到虚拟仪器。统到虚拟仪器。l传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。l一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部

19、都是以硬件(或固化的软件或固化的软件)的形式存在。的形式存在。电气测试技术247.2 微机化仪表的典型功能l仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系统到虚拟仪器。统到虚拟仪器。l传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。针式表头、

20、数字式和图形等，可能还有打印输出。l一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件(或固化的软件或固化的软件)的形式存在。的形式存在。电气测试技术1、带微处理器的仪表智能仪器的原理结构 7.2 微机化仪表的典型功能由于增加了微处理器，电测仪表增加的功能:（1）自动校准（2）零漂电压的校正（3）多次采样平均值测量法电气测试技术输出电压 1UA2()refUUA3()xUUA由以上三式可以得到3121()()xxrefrefUUUAAUUUU

21、AAU即3121xrefUUUVUU用给定基准对智能仪器作自动校准，将测得的误差存储起来，在测量值中扣除此系统误差，将有助于提高测量的准确性。（1 1）自动校准）自动校准7.2 微机化仪表的典型功能电气测试技术（2 2）零漂电压的校正）零漂电压的校正7.2 微机化仪表的典型功能智能仪表中常用直流零位校正。首先，测量输入端短路时输出端的直流电压，将其存入存储器中。在实际测量时，微处理器对每次测定值进行数据处理，从测定值中扣除直流零电压的影响。这种方案广泛应用于各种数字电压表中。（3 3）多次采样平均值测量法）多次采样平均值测量法电气测试技术7.2 微机化仪表的典型功能2、采样计算式仪表采样方法(

22、1)直流采样法(2)交流采样法同步采样法(i)硬件同步采样法(ii)软件同步采样法准同步采样法非整周期采样谐波分析法非同步采样法电气测试技术72 采样计算式仪表1.采样方法(1)直流采样法(2)交流采样法同步采样法(i)硬件同步采样法(ii)软件同步采样法准同步采样法非整周期采样谐波分析法非同步采样法2计算方法 按定义计算 频谱分析法：频谱分析就是把各种电压、电流等信号，通过傅里叶变换，变换到频率域上进行分析。正弦波参数法 数字相关法电气测试技术智能测试仪器智能测试仪器发展发展a a 数据处理（过去）；数据处理（过去）；模糊判断、故障判断、容错技术、模糊判断、故障判断、容错技术、传感器融合、机

23、件寿命预测传感器融合、机件寿命预测 。含有微计算机或微处理器的测量仪器，含有微计算机或微处理器的测量仪器，拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能作自动化操作等功能，具有一定的智能作用。用。功能功能b b 知识处理（目前）知识处理（目前）；7.3 智能测试仪器发展概况发展概况电气测试技术l 特点特点测量范围宽、精度高、稳定性好。智能仪器一般均配有测量范围宽、精度高、稳定性好。智能仪器一般均配有GP-IBGP-IB（或（或RS-232CRS-232C、RS-485RS-485）等通信接口，可跟另外的智能仪器）等通信接口，可跟另外的智能仪

24、器组成组成智能仪器系统智能仪器系统l 功能功能7070年代年代微处理器的出现和广泛应用微处理器的出现和广泛应用,产生以微处理器为核心产生以微处理器为核心,将将计算机技术与测量仪器相结合的仪器计算机技术与测量仪器相结合的仪器.可根据被测参数的变化自动选择合适的量程，进行自动校可根据被测参数的变化自动选择合适的量程，进行自动校准、自动补偿、自动判断故障、优化控制等，具有一定的准、自动补偿、自动判断故障、优化控制等，具有一定的人类智能作用。人类智能作用。独立式智能仪器（简称称智能仪器）独立式智能仪器（简称称智能仪器）电气测试技术 l基本工作原理基本工作原理8080年代初年代初将仪器中的测量部分配以相

25、应的接口电路组成各种仪将仪器中的测量部分配以相应的接口电路组成各种仪器卡，插入到器卡，插入到PCPC机的插槽或扩展槽内，以个人计算机机的插槽或扩展槽内，以个人计算机为基础组成的智能仪器。为基础组成的智能仪器。将传统的独立仪器与计算机的软件硬件资源相结合，利用将传统的独立仪器与计算机的软件硬件资源相结合，利用PCPC机的硬件和软件资源完成数据分析和显示，仪器卡完成机的硬件和软件资源完成数据分析和显示，仪器卡完成数据采集，具有较高的性价比。数据采集，具有较高的性价比。l 特点特点可充分发挥计算机的效能，灵活方便、标准化可充分发挥计算机的效能，灵活方便、标准化程度高、扩展性好。程度高、扩展性好。个人

26、仪器（个人仪器（PCPC仪器）仪器）电气测试技术智能仪器发展趋势智能仪器发展趋势 随着微电子、微机械、信息等技术的不断发展，使具有传统智能仪器功能、随着微电子、微机械、信息等技术的不断发展，使具有传统智能仪器功能、体积小的微型智能仪器技术不断成熟，在自动化技术、航天、军事、生物技体积小的微型智能仪器技术不断成熟，在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗等领域具有独特的作用。随其价格的不断降低，应用领域将不断扩术、医疗等领域具有独特的作用。随其价格的不断降低，应用领域将不断扩大。大。1 1、微型化、微型化 多功能是智能仪器仪表的一个特点。例如，为了设计速度较快和结多功能是智能仪器仪表的一个特点。

27、例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的上比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。解决方案。2 2、多功能化、多功能化电气测试技术 人工智能是利用计算机模拟人的智能，使智能仪器在视觉人工智能是利用计算机模拟人的智能，使智能仪器在视觉(图形及色彩图形及

28、色彩)、听觉、听觉(语语音识别及语言领悟音识别及语言领悟)、思维、思维(推理、判断、学习与联想推理、判断、学习与联想)等方面代替一部分人的脑力劳动，等方面代替一部分人的脑力劳动，具有一定的人工智能作用，无需人的干预可自主地完成检测或控制任务，解决用传统方法具有一定的人工智能作用，无需人的干预可自主地完成检测或控制任务，解决用传统方法很难解决或根本无法解决的问题。很难解决或根本无法解决的问题。3 3、人工智能化、人工智能化 计算机网络技术的日益成熟提供了将测控、计算机和通信技术相结合的现实可能。计算机网络技术的日益成熟提供了将测控、计算机和通信技术相结合的现实可能。利用网络技术将各个分散的测量仪

29、器设备连在一起，各仪器设备之间通过网络交换数据、利用网络技术将各个分散的测量仪器设备连在一起，各仪器设备之间通过网络交换数据、信息，实现各种数据、信息跨地域、跨时间的传输与交换，使测量不再是单个仪器设备相信息，实现各种数据、信息跨地域、跨时间的传输与交换，使测量不再是单个仪器设备相互独立操作的简单组合，而是一个统一的高效的整体，实现各仪器资源的共享和测量功能互独立操作的简单组合，而是一个统一的高效的整体，实现各仪器资源的共享和测量功能的优化，是国防、通信、铁路、航空、航天、气象以及制造等行业或领域的发展趋势。的优化，是国防、通信、铁路、航空、航天、气象以及制造等行业或领域的发展趋势。4 4、网

30、络化、网络化电气测试技术智能仪器的分类、组成和特点智能仪器的分类、组成和特点 智能仪器的分类智能仪器的分类智能仪器系统智能仪器系统 微机内嵌（内藏）式微机内嵌（内藏）式 微机扩展式微机扩展式 7.3 智能测试仪器 将微机作为核心部件嵌入到智能仪器中，仪器包含一个或多将微机作为核心部件嵌入到智能仪器中，仪器包含一个或多个微机，属于嵌入式系统（个微机，属于嵌入式系统（Embedded SystemEmbedded System）。利用微机强大）。利用微机强大的功能完成信号调理、的功能完成信号调理、A/DA/D转换、数字处理、数据存储、显示、打转换、数字处理、数据存储、显示、打印、通信等各项任务。印

31、、通信等各项任务。将检测功能扩展到微机中，由特定的硬件模块完成被测输将检测功能扩展到微机中，由特定的硬件模块完成被测输入信号的采集，放大，以及输出信号的数模转换等功能，利用入信号的采集，放大，以及输出信号的数模转换等功能，利用微机的硬件和软件资源完成数据分析和显示，给使用者的感觉微机的硬件和软件资源完成数据分析和显示，给使用者的感觉首先是一个微机系统。首先是一个微机系统。微机内嵌式智能仪器是智能仪器设计的基础。微机内嵌式智能仪器是智能仪器设计的基础。电气测试技术智能仪器的组成智能仪器的组成智能智能仪器仪器硬件硬件软件软件 人机接口电路人机接口电路微处理器微处理器存储器存储器输入通道输入通道通信

32、接口电路等部分通信接口电路等部分核心作用核心作用程序存储器程序存储器 数据存储器数据存储器 存储程序存储程序 和数据和数据 传感器传感器信号调理电路信号调理电路A/DA/D转换电路转换电路 完成信号的滤完成信号的滤波、放大、模波、放大、模数转换等数转换等 输出通道输出通道D/AD/A转换电路转换电路放大驱动电路放大驱动电路执行部件执行部件 将处理器处理后将处理器处理后的数字信号转换的数字信号转换为模拟信号为模拟信号键盘键盘 显示器显示器 实现仪器与计算机或实现仪器与计算机或其它仪器的联系其它仪器的联系 电气测试技术智能测量仪器的典型结构智能测量仪器的典型结构 单单片片机机控控制制部部分分仪器部

33、分仪器部分接口部分接口部分General-Purpose Interface Bus-General-Purpose Interface Bus-电气测试技术 微机内嵌式基本结构微机内嵌式基本结构 :电气测试技术智能仪器的特点智能仪器的特点 1.1.具有快速处理数据能力具有快速处理数据能力:能短时进行多次测量并运能短时进行多次测量并运 算。例如可即时显示所测数据求平均值。算。例如可即时显示所测数据求平均值。2.2.具有自动操作功能具有自动操作功能:能实现自动调零、自动改变量能实现自动调零、自动改变量 程、自动修正误差、自动校准等功能。程、自动修正误差、自动校准等功能。3.3.可以一表多用可以一

34、表多用:编入不同的子程序，编入不同的子程序，使用时无需改变使用时无需改变 硬件，只改变程序硬件，只改变程序即能完成不同的测量任务。即能完成不同的测量任务。4.4.可将间接测量转为直读方式可将间接测量转为直读方式:利用执行运算程序从利用执行运算程序从 读入中间量求出被测量的值，而读入中间量求出被测量的值，而无需人工计算无需人工计算。5.5.实现数据远程通信实现数据远程通信:可通过接口、总线实现仪器间可通过接口、总线实现仪器间 的数据通信。的数据通信。电气测试技术个人个人仪器仪器及系统及系统个人仪器也称个人仪器也称PCPC仪器，是在智能仪器发展基础上出现的仪器，是在智能仪器发展基础上出现的又一种新

35、型的微型计算机化仪器。又一种新型的微型计算机化仪器。由于个人仪器充分利用了由于个人仪器充分利用了PCPC机的软件和硬件资源，因而机的软件和硬件资源，因而相对传统智能仪器来说，极大地降低了成本，大幅度地缩短相对传统智能仪器来说，极大地降低了成本，大幅度地缩短研制周期，显示出广阔的发展前景。研制周期，显示出广阔的发展前景。7.2 个人仪器电气测试技术、内插件式个人仪器及系统（基于、内插件式个人仪器及系统（基于PCPC机内部总线）机内部总线）、模块式个人仪器及系统（基于独立仪器总线）、模块式个人仪器及系统（基于独立仪器总线）、VXIVXI总线仪器系统（基于统一标准的仪器总线）总线仪器系统（基于统一标

36、准的仪器总线）个人仪器及系统发展的几个阶段个人仪器及系统发展的几个阶段 1 1 个人系统及系统个人系统及系统电气测试技术、内插件式个人仪器及系统、内插件式个人仪器及系统软面板软面板插入插入仪器卡仪器卡计算机计算机最简单的形式是内插件式，它把仪器插卡直接插入到PC 机内部的总线扩展槽内。仪器插卡主要完成数据采集工作，所以仪器插卡也称数据采集（DAQ，DATA AcQuisition）卡，这类仪器也称PCDAQ形式个人仪器。电气测试技术个人仪器及发展个人仪器及发展、内插件式个人仪器及系统、内插件式个人仪器及系统克服上述缺点的办法是：克服上述缺点的办法是：定义新的仪器总线并将仪器插件移定义新的仪器总

37、线并将仪器插件移到到PCPC机外的独立机箱中机外的独立机箱中 优点：结构简单、使用方便，成本低。缺点：难以满足重载仪器对电流和散热的要求；机内干扰较严重；在组成个人仪器系统时，由于没有专门为仪器定义的总线，各仪器之间不能直接通信，模拟信号也无法经总线传递。因此，这种PCDAQ形式的个人仪器及系统的性能不可能很高。电气测试技术个人仪器及发展个人仪器及发展、独立总线的模块式个人仪器及系统、独立总线的模块式个人仪器及系统特点：特点：独立的机箱和独立的电源系统，使仪器避开了微型计算机的噪声环境；设计了专门的仪器总线PCIB，组成仪器系统很方便；更换系统中与微型计算机配合的接口卡，可适应多种个人计算机；

38、系统中的仪器模块和接口电路中也使用了微处理器，因而HP6000系统是一种功能很强大的多CPU的分布系统 HP公司在1986年前后推出的6000系列模块式PC 仪器系统被认为是这类形式个人仪器及系统的典型产品，其结构图如右图所示。电气测试技术、独立总线的模块式个人仪器及系统、独立总线的模块式个人仪器及系统MXIINST#1INST#2RAM各公司为仪器系统设计了：各公司为仪器系统设计了：独立的机箱、独立的电源、专门的仪器总线独立的机箱、独立的电源、专门的仪器总线个人仪器及发展个人仪器及发展电气测试技术、VXIVXI总线仪器系统（基于统一标准总线）总线仪器系统（基于统一标准总线）1987年7月，H

39、P、Tektronix 等五家重要电子仪器公司制造厂家组成的联合体，提出了用于仪器模块式插卡的新型的互联标准：VXI总线。VXI总线是在原有的VME总线基础上发展起来的仪器总线，由于VME总线是为计算机一般应用而开发的，未涉及电磁干扰、功率损耗和冷却等问题，VXI总线对此做了妥善的处理。VXI 总线的基本概念是为模块电子仪器提供一个开放的结构，从而使所有仪器厂家提供的各种仪器模块可以在同一主机箱内运行。VXI总线标准是公开的，截至1994年，生产VXI 产品的厂商已有九十多家，产品品种超过1 000种，安装的系统数超过10 000套。因此，可以说VXI 仪器系统已被确认为是个人仪器的一种标准产

40、品了 个人仪器及发展个人仪器及发展电气测试技术、VXIVXI总线仪器系统总线仪器系统独立的机箱内设计了世界统一的标准总线独立的机箱内设计了世界统一的标准总线电气测试技术PCPCDAQDAQ形式个人仪器的组成原理形式个人仪器的组成原理 一、一、硬件结构硬件结构 PCDAQ形式个人仪器的硬件是由仪器插件通过内总线与微型计算机融合在一起构成的，因而仪器插件总有接口和测量两大部分电路，基本框图如图所示。电气测试技术接口部分由接口芯片、地址译码电路、控制电路等部分组成，这与PC 机的一般功能接口卡的接口电路基本一致。测量部分电路与智能仪器的测量部分电路基本一致，虽然依测量任务不同测量电路的结构与组成有很

41、大差异，但一般说来包括输入电路、采样与保持、A/D转换、时基与时钟等部分。电气测试技术 二、二、软面板及操作软面板及操作 个人仪器区别于智能仪器的一个显著特点是：用户不再使用仪器的面板，而是采用软面板实现对仪器的操作。软面板是显示在CRT上由高分辨率作图生成的仪器面板图形(类似于仪器的硬面板)，用户通过操作键盘、鼠标器移动光标方式或通过触屏方式来选择软面板上的按键(称软键)。显示在CRT上软面板的绘制可采用VC,VB,Delphi等语言及图形化的编程语言。软面板依测试仪器性质不同其形式也各不相同，但一般包括仪器面板显示、软键、状态反馈和系统控制等窗口。PCPCDAQDAQ形式个人仪器的组成原理

42、形式个人仪器的组成原理 电气测试技术 个人仪器系统一般有人工和程个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，一般结构如图所序两种控制方式，一般结构如图所示。示。三、三、个人仪器控制程序个人仪器控制程序 在人工控制方式下，系统软件在微型计算机屏幕上产生一个软面板，用户可以像操作传统仪器一样，通过软面板选择功能、量程以及输入有关参数，建立起相应的状态标志提供给仪器控制程序。软面板的键盘操作一般是以中断方式实现的，当用户按下一个键时，软面板就中止当前执行的功能，判断所按的键。如果按下错误的键，就发出声响，以提醒用户；如果按下正确的键，或显示所选参数，或与仪器驱动程序模块进行通信来执行某项操作并实时显示

43、测量结果。电气测试技术 个人仪器系统一般有人工和程个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，一般结构如图所序两种控制方式，一般结构如图所示。示。三、三、个人仪器控制程序个人仪器控制程序 在程序控制方式下，编程工具提供了容易记住和学会的高级命令，以便让用户能编制测试程序去进行自动测试。对用户来说，只需按照语句的格式进行编程，而不必知道仪器驱动软件与仪器模块之间的通信过程。仪器驱动程序是最底层的软件，是与PC仪器硬件直接联系的软件模块，无论人工操作方式或程序操作方式都要调用仪器驱动程序去执行输入/输出操作。仪器驱动程序是直接面向硬件的，实时性强，要求程序的执行速度快，因此一般直接采用汇编语言编写。

44、电气测试技术三、三、个人仪器控制程序个人仪器控制程序 综上所述，个人仪器软件系统主要解综上所述，个人仪器软件系统主要解决两个问题：决两个问题：一是软面板的制作，一是软面板的制作，二是对底层的实时控制及有关数据的二是对底层的实时控制及有关数据的处理。处理。目前，个人仪器应用软件的编写一般采用如下两种方式：一种是采用通用Windows操作环境下的可视化编程软件进行编写的，例如，C+，Delphi，PowerBuilder等。另一种是采用专业图形化编程软件进行开发，如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW和Lab Windows/CVI等。这些软件一般还包括一些通用的数字处理软件，如频域分析

45、的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT和细化分析等，时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等，数字滤波等。这些功能函数为用户加速个人仪器的开发速度以及进一步扩展仪器的功能提供了基础。PCPCDAQDAQ形式个人仪器的组成原理形式个人仪器的组成原理 电气测试技术PCPCDAQDAQ形式个人仪器的组成原理形式个人仪器的组成原理 一、一、硬件结构硬件结构 PCDAQ形式个人仪器的硬件是由仪器插件通过内总线与微型计算机融合在一起构成的，因而仪器插件总有接口和测量两大部分电路，基本框图如图所示。电气测试技术接口部分由接口芯片、地址译码电路、控制电路等部分组成，这与PC 机

46、的一般功能接口卡的接口电路基本一致。测量部分电路与智能仪器的测量部分电路基本一致，虽然依测量任务不同测量电路的结构与组成有很大差异，但一般说来包括输入电路、采样与保持、A/D转换、时基与时钟等部分。电气测试技术 二、二、软面板及操作软面板及操作 个人仪器区别于智能仪器的一个显著特点是：用户不再使用仪器的面板，而是采用软面板实现对仪器的操作。软面板是显示在CRT上由高分辨率作图生成的仪器面板图形(类似于仪器的硬面板)，用户通过操作键盘、鼠标器移动光标方式或通过触屏方式来选择软面板上的按键(称软键)。显示在CRT上软面板的绘制可采用VC,VB,Delphi等语言及图形化的编程语言。软面板依测试仪器

47、性质不同其形式也各不相同，但一般包括仪器面板显示、软键、状态反馈和系统控制等窗口。PCPCDAQDAQ形式个人仪器的组成原理形式个人仪器的组成原理 电气测试技术 个人仪器系统一般有人工和程个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，一般结构如图所序两种控制方式，一般结构如图所示。示。三、三、个人仪器控制程序个人仪器控制程序 在人工控制方式下，系统软件在微型计算机屏幕上产生一个软面板，用户可以像操作传统仪器一样，通过软面板选择功能、量程以及输入有关参数，建立起相应的状态标志提供给仪器控制程序。软面板的键盘操作一般是以中断方式实现的，当用户按下一个键时，软面板就中止当前执行的功能，判断所按的键。如果

48、按下错误的键，就发出声响，以提醒用户；如果按下正确的键，或显示所选参数，或与仪器驱动程序模块进行通信来执行某项操作并实时显示测量结果。电气测试技术 个人仪器系统一般有人工和程个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，一般结构如图所序两种控制方式，一般结构如图所示。示。三、三、个人仪器控制程序个人仪器控制程序 在程序控制方式下，编程工具提供了容易记住和学会的高级命令，以便让用户能编制测试程序去进行自动测试。对用户来说，只需按照语句的格式进行编程，而不必知道仪器驱动软件与仪器模块之间的通信过程。仪器驱动程序是最底层的软件，是与PC仪器硬件直接联系的软件模块，无论人工操作方式或程序操作方式都要调用仪

49、器驱动程序去执行输入/输出操作。仪器驱动程序是直接面向硬件的，实时性强，要求程序的执行速度快，因此一般直接采用汇编语言编写。电气测试技术三、三、个人仪器控制程序个人仪器控制程序 综上所述，个人仪器软件系统主要解综上所述，个人仪器软件系统主要解决两个问题：决两个问题：一是软面板的制作，一是软面板的制作，二是对底层的实时控制及有关数据的二是对底层的实时控制及有关数据的处理。处理。目前，个人仪器应用软件的编写一般采用如下两种方式：一种是采用通用Windows操作环境下的可视化编程软件进行编写的，例如，C+，Delphi，PowerBuilder等。另一种是采用专业图形化编程软件进行开发，如HP公司的

50、HPVEE、NI公司的LabVIEW和Lab Windows/CVI等。这些软件一般还包括一些通用的数字处理软件，如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT和细化分析等，时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等，数字滤波等。这些功能函数为用户加速个人仪器的开发速度以及进一步扩展仪器的功能提供了基础。PCPCDAQDAQ形式个人仪器的组成原理形式个人仪器的组成原理 电气测试技术近年来，随着微电子技术、网络及通信技术和相关学科的发展，测试技术发展迅猛，出现了一些新的概念、理念和技术，表现出一些新的发展方向。仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系