1、工程测试技术第六章第六章计算机化计算机化测试系统测试系统 本章学习要求：本章学习要求：1.了解现场总线技术；了解现场总线技术；2.了解网络智能传感器技术；了解网络智能传感器技术；3.了解智能仪器的构成和工作原理；了解智能仪器的构成和工作原理；4.了解虚拟仪器的构成和工作原理。了解虚拟仪器的构成和工作原理。本章目录本章目录6.1 概述（概述（4学时）学时）6.2 现场总线技术现场总线技术6.3 网络智能传感器网络智能传感器6.4 智能仪器仪表智能仪器仪表6.5 虚拟仪器虚拟仪器6.1 概述概述显示终端打印机微型机测试对象A/D转换器采样器测量元件基于虚拟仪器的工业测控系统架构基于虚拟仪器的工业测
2、控系统架构自动化自动化软件软件PLC智能仪表智能仪表数据采集数据采集现场总线现场总线个人计算机或个人计算机或工作站工作站图象图象公司公司 Intranetor Internet分布式分布式 I/O智能传感器智能传感器过程过程计算机化测试系统涵盖的方面计算机化测试系统涵盖的方面a.现场总线技术现场总线技术b.网络智能传感器网络智能传感器c.智能仪器仪表智能仪器仪表d.虚拟仪器虚拟仪器6.2 现场总线技术现场总线技术现场总线在自动化系统中的位置现场总线在自动化系统中的位置现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。或者
3、，现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。具体化地讲：现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化的、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统，按ISO的OSI标准提供了网络服务，可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通信速率快，造价低，维护成本低。1.现场总线的定义现场总线的定义传统方式现场级设备与控制器之间连接采用一对一所谓I/O接线方式，传递4-20mA或24VDC信号。现场总线技术主要特征是采用数字式通信方式取代设备级的4-20mA（模拟量）/24VDC（开关量）信号，
4、使用一根电缆连接所有现场设备。2.现场总线的优点现场总线的优点l可大大节约连接导线、维护和安装费用，可以用低廉的造价组成一个系统。一个传统的420mA控制回路通常只能传输代表过程变量的一个信号。l现场总线能够在传送多个过程变量的同时，一并传送仪表的标识符和简单的诊断信息，具有监视与控制能力强、可靠性与故障容限高、实时响应性好和对环境要求低等优点。l数字信息可排除模拟信息传输和转换中所产生的误差。l由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能仪表进行控制，使远程调整、诊断和维护成为可能，甚至能够在故障发生前进行预测。传统控制系统的布线传统控制系统的布线现场总线控制系统的布线现场总线控制系
5、统的布线320 I/O384 I/O过去十年，现场总线技术得到了迅速的发展，但是，却未能形成一种统一的国际标准。两方面原因：l 技术方面的原因，由于现场总线是应用于现场过程控制的通信网络，涉及到许多底层设备的不同行业标准和用户习惯的继承，以及不同类型网络互连的协议制定；l 另一方面是商业利益，各厂家都希望自己的技术在标准中占有更大份额，以便使国际标准给自己带来更大利益，互不相让，导致了目前多种现场总线共存的局面。3.现场总线技术的发展现场总线技术的发展4.世界上流行的几种现场总线世界上流行的几种现场总线CAN,PROFIBUS,HART,Fieldbus,WorldFIP,LonWorks,M
6、ODBUS,INTERBUS,AnyBus,DNET,P-NET,LIGHTBUS等40余种a.FF(Fieldbus Foundation)总线由美国仪器协会(ISA)1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要应用于石油化工、连续工业过程控制。FF的特色是其通讯协议在ISO的OSI物理层、数据链路层和应用层之上附加了用户层，通过对象字典OD(Object Dictionary)和设备描述语言DDL(Device Description Language)实现可互操作性。目前基于FF的现场总线产品有，美国Smart公司生产的压力温度变送器，Honeywe
7、ll&Rockwell 推出的Process Logix系统，Fisher-Rosemount推出的PlantWeb。b.Profibus(Process Fieldbus)德国西门子公司87年推出，主要应用于PLC。产品有三类：FMS用于主站之间的通讯；DP用于制造行业从站之间的通讯；PA用于过程行业从站之间的通讯。由于Profibus开发生产的现场总线产品开发时间早至十年前，限于当时计算机网络水平，大多建立在IT网络标准基础上，随着应用领域不断扩大和用户要求的提高，现场总线的产品只能在原有IT协议框架上进行局部的修改和补充，以致在控制系统内增加了很多的转换单元（如各种耦合器），这为该产品今
8、后的进一步发展带来了一定的局限性。c.HART总线 HART(Highway Addressable Remote Transducer)-可寻址远程传感器数据通路是美国Rosemount公司1989年推出，主要应用于智能变送器。HART为一过渡性标准，它通过在4-20mA电源信号线上叠加不同频率的正弦波（2200Hz表“0”，1200Hz表“1”）来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最近20年。d.CAN(Control Area Network)德国Bosch公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议
9、，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。特点：通信速率高，可靠性好，价格低廉等适用：汽车，中小规模的工业过程监控设备的互连和交通运载工具电气系统，受到广泛重视，公认为最有前途的现场总线之一。e.LonWorks(Local Operating Network)LonWorks是美国Echelon公司1991年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。其主要单元有：l LonTalk protocoll LONWORKS transceivers l Neuron chipsl Network management and application software LonT
10、alk的全部7层协议，介质访问方式为P2P CSMA（载波监听多路复用），采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证了通讯的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。Neuron神经元芯片实质为网络型微控制器，该芯片强大的网络通讯处理功能配以面向对象的网络通讯方式，大大降低了开发人员在构造应用网络通讯方面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层进行控制策略的编制，因此业内许多专家认为LonWorks总线是一种很有希望的现场总线。系统集成方案示意6.3 网络智能传感器网络智能传感器加州大学计算机科学教授埃斯特林智能传感器如何拯救地球摘要：传感器网络是一些激动人心的计算系
11、统，它们结合了分布式传感、计算和无线通信技术。科学家们鼓吹，这种技术像因特网一样强大和复杂，它可以广泛应用于对公共污染物的监测、对土地使用情况的管理，对安全架构的支持等各个方面。正在出现的这种嵌入式网络将改变我们理解和管理实体世界的方法。传感器网络将带来通信革命的无线技术和带来医学和产业技术革命的传感器技术结合了起来。现在我们可以将微型传感器、微处理器和单片无线接口整合在一起，做成一种能耗相对较低、体积极小的器件，它们能密集监测广泛的物理现象，从而使实时的环境监测成为可能。1.提出背景提出背景现代信息技术的三大基础：传感器技术：信息的采集-“感官”通 信 技 术：信息的传输-“神经”计算机技术
12、：信息的处理-“大脑”三大基础信息技术的融合第一种结合：l计算机技术传感器技术 智能传感器第二种结合：l计算机技术通信技术 计算机网络技术第三种结合：l计算机网络技术智能传感器 网络化智能传感器l传统测控系统的信息采集、数据处理等方式产生质的飞跃，各种现场数据直接在网络上传输、发布与共享；l测控系统本身也发生了质的飞跃，可在网络上任何节点对现场传感器进行在线编程和组态，使系统的结构和功能产生了重大变革。2.智能传感器应具备的条件智能传感器应具备的条件 a.由传感器自身能消除异常值和例外值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息。b.具有信息处理功能，如自动补偿功能。c.具有信息存贮及自诊断功能。
13、d.具有自适应和自调节功能。e.具有智能算法及自学习功能。f.可以有数字通信接口，能实现网络化或远程通信。3.通用智能化传感器的接口标准通用智能化传感器的接口标准 1993年9月，IEEE第九技术委员会(传感器测量和仪器仪表技术协会)决定制定一种网络化智能传感器通讯接口的协议。1994年3月，美国国家技术标准局(NIST)和IEEE共同组织一次关于制定智能传感器接口和智能传感器连接网络通用标准的研讨会。讨论IEEE 1451传感器/执行器智能变送器接口标准。1995年4月，成立了两个专门的技术委员会：P1451.1工作组和P1451.2工作组。l P1451.1工作组负责定义智能变送器的公共对
14、象模型和相应的接口；l P1451.2工作组定义TEDS和数字接口标准，包括STIM和NACP之间的通讯接口协议和管脚分配。1995年5月给出了相应的标准草案和演示系统。IEEE分别在1997年和1999年投票通过了IEEE 1451.2和IEEE 1451.1两个网络化智能传感器标准，同时新成立了两个工作组对1451.2标准进行进一步的扩展，即IEEE P1451.3和IEEE P1451.4。4.接口标准特点接口标准特点a.标准化的接口和软硬件定义标准化的接口和软硬件定义 定义了传感器或执行器的软硬件接口标准，为传感器或执行器提供了标准化的通讯接口和软硬件的定义；使不同的现场网络之间可以通
15、过应用IEEE 1451定义的接口标准互连，可以互操作；使传感器的厂家、系统集成者和最终用户有能力以低成本去支持多种网络和传感器家族，简化连线，降低了系统总的成本。b.即插即用性，与具体网络无关即插即用性，与具体网络无关由于IEEE 1451为传感器到微处理器、到网络建立了一个通用的接口标准，以及通过通用的TEDS和API，建立了一个面向对象的信息模型，简化了传感器到微处理器、网络的连接，使软件容易移植和维护，使得基于IEEE 1451的传感器在多种现场网络的不同设备之间能够即插即用，与具体的网络无关。c.自我表述和自识别能力自我表述和自识别能力TEDS是1451.2最重要的技术革新之一，它是
16、一个的通用传感器模型，可以支持很多种类的传感器与执行器。l 使传感器具有了自我描述能力和自我识别能力。它可以充分描述传感器的类型、行为、性能属性和相关的参数。l TEDS由一些域组成，它们被嵌入传感器，和传感器一起移动，这样一来，使用一个传感器所需的所有信息总是随时可得的。d.广泛的应用范围广泛的应用范围 基于IEEE 1451的网络化智能传感器，不仅包括各种现场总线，也包括INTERNET等网络，因而具有广泛的应用范围。传统的各种现场总线应用：工业自动化领域，尤其是在工厂控制现场。无线网络传感器应用：l 一些地域分布范围广的测控领域,如水文勘测、环境监测、气象、农业信息化等方面受到一定的限制
17、。在这些场合。6.4 智能仪器仪表智能仪器仪表第一代模拟式仪器仪表；年代：20世纪50年代以前。符合某一性能要求的单个仪表。第二代数字式仪器仪表。年代：20世纪60年代。适用于快速响应和高精度的要求，能以数字显示或打印最终结果，还可以将数据通过接口输入计算机处理，但仪表本身不含有微处理器。第三代智能化仪器仪表；年代：20世纪70年代。测量范围扩展、精确度提高，具有数据加工及处理的能力。智能仪器大多具有标准接口，能作为一台具有智能的程控仪表接入系统，使功能进一步扩展。减化测试过程。仪器产生故障时，部分智能仪器仪表具有自检的能力。6.4.1 智能仪器的原理智能仪器的原理1.定义定义2.一般认为，含
18、有微处理器（微计算机）的测量仪器仪表，由于它具有对数据的存储运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有着智能的作用（表现为智能延伸或加强等）而被称为智能仪器仪表。6.4.2 智能仪器的特点智能仪器的特点1.自补偿能力：通过软件对智能仪器仪表的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿；2.自校准功能：操作者输入零值或某一标准量值后，自校准软件可以自动地对智能仪器仪表进行在线校准；3.自诊断功能：检查仪表各部分是否正常，并可诊断发生故障的部件；数据处理功能：可以根据智能仪器仪表内部程序自动处理数据，如进行统计处理，剔除异常值等；4.双向通信功能：微机不但接收、处理智能仪器仪表的数据，还可将信息
19、反馈至智能仪器仪表，对测量过程进行调控；5.信息存储和记忆功能；6.数字量输出功能：输出数字信号，可方便地和计算机或接口总线相连。6.5 虚拟仪器虚拟仪器(VI)6.5.1 虚拟仪器（虚拟仪器（Virtual Instrument）概述）概述1.虚拟仪器定义虚拟仪器定义虚拟仪器是虚拟仪器是在计算机上显示在计算机上显示传统仪器面板，传统仪器面板，它将硬件电路完它将硬件电路完成的信号调理和成的信号调理和处理功能由计算处理功能由计算机程序完成，这机程序完成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各
20、种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。2.虚拟仪器技术的发展过程虚拟仪器技术的发展过程虚拟仪器的发展过程有两条线：虚拟仪器的发展过程有两条线：一、一、GPIB(General-Purpose Interface Bus-1978年)VSI(Virtual Sw
21、itch Interface-1987年)PXI(PCI eXtensions for Instrumentation-1997年)总线方式总线方式（适合大型高精度集成系统）二、二、PC插卡插卡并口式并口式串口串口USB方式方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。计算机是载体,软件是核心高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型第一类：第一类：PC总线总线插卡型虚拟仪器插卡型虚拟仪器这种方式
22、借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合（注：美国NI公司的Labview是图形化编程工具，它可以通过各种控件自已组建各种仪器。Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言Visual C+,Visual Basic,Labviews/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。第二类：并行口式虚拟仪器第二类：并行口式虚拟
23、仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,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PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。第三类：第三类：GBIB总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早
24、期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。第四类：第四类：VXI总线方式虚拟仪器总线方式虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有
25、稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。第五类：第五类：PXI总线方式虚拟仪器总线方式虚拟仪器PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的
26、局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有34个扩展槽，通过使用PCIPCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。3.催生虚拟仪器的土壤催生虚拟仪器的土壤4.虚拟仪器技术的优点虚拟仪器技术的优点虚拟仪器虚拟仪器VI传统仪器传统仪器软件使开发与维护费用降至最低软件使开发与维护费用降至最低开发与维护开销高开发与维护开销高技术更新周期短技术更新周期短(1-2年年)技术更新周期长技术更新周期长(5-10年年)关键是软件关键是软件关键是硬件关键是硬件价格低、可复用与可重配置性强价格低、可复用
27、与可重配置性强价格昂贵价格昂贵用户定义仪器功能用户定义仪器功能厂商定义仪器功能厂商定义仪器功能开放、灵活开放、灵活,计算机技术同步发展计算机技术同步发展封闭、固定封闭、固定与网络及其它周边设备互联与网络及其它周边设备互联功能单一的独立设备功能单一的独立设备6.5.2 虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成6.5.2 虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成PXIVXIGPIBDAQIMAQMotion硬件板卡硬件板卡软件软件程序解决方案程序解决方案软件驱动模块软件驱动模块1.常用虚拟仪器板卡常用虚拟仪器板卡DAQ CardIMAQ CardField PointMotion Control Card2.虚拟仪器软件
28、驱动模块虚拟仪器软件驱动模块为简化硬件板卡编程和控制，为简化硬件板卡编程和控制，NI和和Agilent标标准化了数百种常用仪器、板卡的驱动，它们已成为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，开发时可直接调用这虚拟仪器开发平台的一部分，开发时可直接调用这些硬件驱动代码。些硬件驱动代码。用户界面用户界面软件驱动软件驱动3.软件结构软件结构IVI Class DriverIVI Instrument Specific DriverApplications ProgramVISA(Virtual Instrument System Architecture)PC PluginGPIBPXIVXI4.软件开发平台软件开发平台NILabViewAgilentVEEProDASYLabDirectViewProcessControl
