《机械工程测试技术》-第１３ 章

第１３章现代测试技术１３.１概述１３.２智能仪器１３.３计算机仪器１３.４虚拟测试仪器技术返回１３.１概述１３.１.１现代测试系统的基本概念现代测试系统通常指具有自动化、智能化、可编程化等功能的测试系统,主要有智能仪器、计算机仪器和虚拟仪器三大类。智能仪器和计算机仪器的区别在于它们所用的微机是否与仪器测量部分融合在一起,智能仪器采用专门设计的微处理器(ＣＰＵ)、存储器、接口芯片组成;计算机仪器采用现成的个人计算器(ＰＣ)配以一定的硬件及仪器测量部分组合而成;虚拟仪器与智能仪器和计算机仪器的最大区别在于它将测试仪器软件化成模块化,这些软件化和模块化的仪器具有特定的功能(如滤波器、频谱仪),与计算机结合构成虚拟仪器。下一页返回１３.１概述１.智能仪器智能仪器是指新一代的测量仪器。这类仪器仪表中包括ＣＰＵ、单片机或体积很小的微型机,有时也称为内含ＣＰＵ的仪器或基于微机的仪器。因为功能丰富又很灵巧,常简称为智能仪器。图１３－１所示为某公司设计生产的烟气检测智能仪器。智能仪器主要具有以下特点。(１)具有自动校准的功能。(２)具有强大的数据处理能力。(３)具有量程自动切换的功能。(４)具有操作面板和显示器。上一页下一页返回１３.１概述(５)具有修正误差的能力。(６)有简单的报警功能。智能仪器的结构一般包含以下两个方面。(１)在物理结构上,测量仪器、ＣＰＵ及其支持部件是整个测试电路的一个组成部分,但是,从计算机的观点来看,测试电路与键盘、ＧＰＩＢ(ＧｅｎｅｒａｌＰｕｒｐｏｓｅＩｎｔｅｒｆａｃｅＢｕｓ)接口、显示器等部件一样,仅是计算机的一种外围设备。(２)软件是智能仪器的灵魂。智能仪器的管理程序也称监控程序,其功能分析、接收、执行来自键盘或接口的命令,完成测试和数据处理等任务。上一页下一页返回１３.１概述软件存储于程序存储器(ＲＯＭ)或可擦除可编程只读存储器(ＥＰＲＯＭ)中。２.计算机仪器把具有测试功能的硬件模块,做成一个ＩＯ仪器卡,插入或者嵌入通用的ＰＣ总线扩展槽中,再配置相应的测试软件,是计算机完成测量仪器的功能,构成一个以ＰＣ为基础的仪器,称为计算机仪器,也称为ＰＣ基仪器或者个人仪器。计算机仪器一般由四部分组成:①微机或ＣＰＵ,是整个系统的核心;②被控制的测量仪器或设备,称为可程控仪器;③接口;④软件。上一页下一页返回１３.１概述图１３－２所示为某企业生产的圆度测量仪,是典型的计算机仪器。３.虚拟仪器虚拟仪器是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器,是对传统仪器概念的重大突破,是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是以计算机和测试模块硬件为基础,以计算机软件为核心所构成的,并且在计算机显示屏上虚拟仪器面板,仪器功能均由用户通过软件定义的仪器。图１３－３所示为基于虚拟仪器技术开发的动态频率选择测试系统。上一页下一页返回１３.１概述１３.１.２现代测试系统的基本组成现代测控系统的基本结构根据硬件平台结构可分为以下两种基本类型。(１)以单片机(或专用芯片)为核心组成的单片机系统。其特点是易做成便携式,结构如图１３－４所示。图１３－４中输入通道中待测的电量、非电量信号经过传感器及调理电路,输入Ａ/Ｄ转换器。由Ａ/Ｄ转换器将其转换为数字信号,再送入ＣＰＵ进行分析处理。此外,输入通道中通常还会包含电平信号和开关量,它们经相应的接口电路(通常包括电平转换、隔离等功能单元)送入ＣＰＵ。上一页下一页返回１３.１概述输出通道包括如ＩＥＥＥ４８８,ＲＳ－２３２等通信接口,以及Ｄ/Ａ转换器等。ＣＰＵ包含输入键盘和输出显示、打印机接口等,一般较复杂的系统还需要扩展ＲＯＭ和扩展数据存储器(ＲＡＭ)。当系统较小时,最好选用带有程序、ＲＡＭ的ＣＰＵ,甚至带有Ａ/Ｄ转换器和Ｄ/Ａ转换器的芯片以便简化硬件系统设计。(２)以ＰＣ为核心的应用扩展测量仪器构建的测试系统,其结构如图１３－５所示。上一页下一页返回１３.１概述这种结构属于虚拟仪器的结构形式,它充分利用了计算机的软、硬件技术,用不同的测量仪器和不同的应用软件就可以实现不同的测量功能。１３.１.３现代测试系统的特点现代测试系统与传统测试系统相比,具有以下特点。(１)经济性。(２)网络化。(３)针对性。(４)智能化。上一页返回１３.２智能仪器１３.２.１智能仪器的工作原理智能仪器的硬件基本结构如图１３－６所示。

传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号,经滤波去除干扰后送入多路模拟开关;由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器,放大后的信号经Ａ/Ｄ转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中;单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等);运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印;同时单片机把运算结果与存储于芯片内ＦｌａｓｈＲＯＭ(闪速存储器)或ＥＥＰＲＯＭ(电可擦除可编程只读存储器)内的设定参数进行运算比较后,根据运算结果和控制要求,输出相应的控制信号(如报警装置触发、继电器触点等)。下一页返回１３.２智能仪器此外,智能仪器还可以与ＰＣ组成分布式测控系统,由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据,通过串行通信将信息传输给上位机———ＰＣ,由ＰＣ进行全局管理。１３.２.２智能仪器的功能特点与传统仪器仪表相比,智能仪器具有以下功能特点。(１)操作自动化。(２)具有自测功能,包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。(３)具有数据处理功能。这是智能仪器的主要优点之一。上一页下一页返回１３.２智能仪器智能仪器由于采用了单片机或微控制器,使许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题,现在可以用软件非常灵活地加以解决。(４)具有友好的人—机对话能力。(５)具有可程控操作能力。上一页返回１３.３计算机仪器计算机仪器充分利用了ＰＣ的资源,原来智能仪器所需要的电源、机箱、面板、键盘与显示器以及嵌入的计算机(ＣＰＵ、存储器等),都使用了ＰＣ的资源,构成了一个外形完全与通用微机一样的测量仪器。相对于独立式的智能仪器来说,大大降低了成本,缩短了研制周期。１９８２年推出的计算机仪器,是将仪器卡直接插入ＰＣ的插槽内,这是计算机仪器的一种最简单、最基本的构成形式,但是由于ＰＣ内插卡数目有限,机箱内干扰大,电源功率和散热指标难以满足重载仪器的要求。下一页返回１３.３计算机仪器此外,由于ＰＣ总线不是专门为仪器系统设计的,机内各仪器卡之间无法直接通信,也无实现触发、同步及模拟信号传输等仪器专用功能。因此,这种卡式计算机仪器的性能不是很高的。为了克服卡式仪器的缺点,１９８４年开始推出了置于ＰＣ外的独立仪器机箱和电源的外置式计算机仪器系统。计算机仪器系统以其突出的优点显示了它强大的生命力,然而各生产厂家自行定义的仪器总线无统一标准,不同厂商的机箱、仪器模块等产品之间兼容性很差,用户在组建计算机仪器系统时,不同厂家生产的仪器插卡难以集成在一起,妨碍了计算机仪器的发展。随着测试软件的发展,计算机仪器系统的发展进入了虚拟仪器系统的阶段。上一页返回１３.４虚拟测试仪器技术１３.４.１虚拟仪器含义及其特点虚拟仪器的起源可以追溯到２０世纪７０年代,那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。ＰＣ出现以后,仪器级的计算机化成为可能,虚拟仪器在计算机的显示屏上虚拟传统仪器面板,并尽可能多地将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理功能,用计算机程序来完成。这种硬件功能的软件化,是虚拟仪器的一大特征。操作人员在计算机显示屏上用鼠标和键盘控制虚拟仪器程序的运行,就像操作真实的仪器一样,从而完成测量和分析任务。下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术与传统仪器相比,虚拟仪器最大的特点是其功能由软件定义,可以由用户根据应用需要进行调整,用户选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器。而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的,其功能用户无法变更。当虚拟仪器用户需要改变仪器功能或需要构造新的仪器时,可以由用户自己改变应用软件来实现,而不必重新购买新的仪器。虚拟仪器和传统仪器的关系如图１３－７所示。１３.４.２虚拟仪器的组成虚拟仪器主要由传感器、信号采集与控制板卡、信号分析软件和显示软件几部分组成,如图１３－８所示。上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术１.硬件功能模块根据虚拟仪器所采用的信号测量硬件模块的不同,虚拟仪器可以分为下面几类。１)ＰＣ－ＤＡＱ数据采集卡通常,利用计算机扩展槽和外部接口,将信号测量硬件设计为计算机插卡或外部设备,直接插接在计算机上,再配上相应的应用软件,组成计算机虚拟仪器测试系统,这是目前应用得最为广泛的一种计算机虚拟仪器组成形式。按计算机总线的类型和接口形式,这类卡可分为ＩＳＡ卡、ＥＩＳＡ卡、ＶＥＳＡ卡、ＰＣＩ卡、ＰＣＭＣＩＡ卡、并口卡、串口卡和ＵＳＢ口卡等。上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术按板卡的功能则可以分为Ａ/Ｄ卡、Ｄ/Ａ卡、数字Ｉ/Ｏ卡、信号调理卡、图像采集卡、运动控制卡等。２)ＧＰＩＢ总线仪器ＧＰＩＢ是测量仪器与计算机通信的一个标准。通过ＧＰＩＢ接口总线,可以把具备ＧＰＩＢ总线接口的测量仪器与计算机连接起来,组成计算机虚拟仪器测试系统。ＧＰＩＢ总线接口有２４线(ＩＥＥＥ４８８标准)和２５线(ＩＥＣ６２５标准)两种形式,其中以ＩＥＥＥ４８８的２４线ＧＰＩＢ总线接口应用最多。在我国的国家标准中确定采用２４线的电缆及相应的插头插座,其接口的总线定义和机电特性如图１３－９所示。上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术ＧＰＩＢ总线测试仪器通过ＧＰＩＢ接口和ＧＰＩＢ电缆与计算机相连,形成计算机测试仪器,如图１３－１０所示。与ＤＡＱ卡不同,ＧＰＩＢ仪器是独立的设备,能单独使用。ＧＰＩＢ设备可以串接在一起使用,但系统中ＧＰＩＢ电缆的总长度不应超过２０ｍ,过长的传输距离会使信噪比下降,对数据的传输质量有影响。３)ＶＸＩ总线模块ＶＸＩ总线模块(图１３－１１)是另一种新型的基于板卡式相对独立的模块化仪器。从物理结构看,一个ＶＸＩ总线系统由一个能为嵌入模块提供安装环境与背板连接的主机箱和插接的ＶＸＩ板卡组成。上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术与ＧＰＩＢ仪器一样,该总线模块需要通过ＶＸＩ总线的硬件接口才能与计算机相连。４)ＲＳ－２３２串行接口仪器很多仪器带有ＲＳ－２３２串行接口,通过连接电缆将仪器与计算机相连就可以构成计算机虚拟仪器测试系统,实现用计算机对仪器进行控制。５)现场总线模块现场总线仪器是一种用于恶劣环境条件下的、抗干扰能力很强的总线仪器模块。上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术与上述的其他硬件功能模块相类似,在计算机中安装了现场总线接口卡后,通过现场总线专用连接电缆,就可以构成计算机虚拟仪器测试系统,实现用计算机对现场总线仪器进行控制。２.驱动程序任何一种硬件功能模块,要与计算机进行通信,都需要在计算机中安装该硬件功能模块的驱动程序(就如同在计算机中安装声卡、显示卡和网卡一样),仪器硬件驱动程序使用户不必了解详细的硬件控制原理和了解ＧＰＩＢ、ＶＸＩ、ＤＡＱ、ＲＳ－２３２等通信协议就可以实现对特定仪器硬件的使用、控制与通信。驱动程序通常由硬件功能模块的生产商提供随硬件功能模块一起提供。上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术３.应用软件“软件即仪器”,应用软件是虚拟仪器的核心。一般虚拟仪器硬件功能模块生产商会提供虚拟示波器、数字万用表、逻辑分析仪等常用虚拟仪器应用程序。对用户的特殊应用需求,则可以利用ＬａｂＶＩＥＷ、ＡｇｉｌｅｎｔＶＥＥ等虚拟仪器开发软件平台来开发。１３.４.３虚拟仪器典型单元模块虚拟仪器的核心是软件,其软件模块主要由硬件板卡驱动、信号分析和仪器表头显示三类软件模块组成。硬件板卡驱动模块通常由硬件板卡制造商提供,直接在其提供的ＤＬＬ或ＡｃｔｉｖｅＸ基础上开发就可以了。上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术目前,ＰＣ－ＤＡＱ数据采集卡、ＧＰＩＢ总线仪器卡、ＲＳ－２３２串行接口仪器卡、ＦｉｅｌｄＢｕｓ现场总线模块卡等许多仪器板卡的驱动程序接口都已标准化,为减小因硬件设备驱动程序不兼容而带来的问题,国际上成立了可互换虚拟仪器驱动程序设计协会(Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅａ￣ｂｌｅＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ),并制定了相应软件接口标准。信号分析模块的功能主要是完成各种数学运算,在工程测试中常用的信号分析模块如下:(１)信号的时域波形分析和参数计算;上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术(２)信号的相关分析;(３)信号的概率密度分析;(４)信号的频谱分析;(５)传递函数分析;(６)信号滤波分析;(７)三维谱阵分析。目前,ＬａｂＶＩＥＷ、ＭＡＴＬＡＢ等软件包中都提供了这些信号处理模块,另外在网上也能找到这些模块的Ｂａｓｉｃ和Ｃ语言的源代码,编程实现也不困难。上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术ＬａｂＶＩＥＷ、ＨＰＶＥＥ等虚拟仪器开发平台提供了大量的这类软件模块供选择,设计虚拟仪器程序时直接选用就可以了。但这些开发平台很昂贵,一般只在专业场合使用。１３.４.４虚拟仪器开发系统ＬａｂＶＩＥＷ是为Ｃ、Ｃ＋＋、ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ、Ｄｅｌｐｈｉ等编程语言不熟悉的测试领域的工作者开发的,它采用可视化的编程方式,设计者只需要将虚拟仪器所需的显示窗口、按钮、数学运算方法等控件从ＬａｂＶＩＥＷ工具箱内用鼠标拖到面板上,布置好布局,然后在程序框图窗口将这些控件、工具按设计的虚拟仪器所需要的逻辑关系,用连线工具连接起来即可。上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术用ＬａｂＶＩＥＷ开发的某型号测微仪辅助测量系统的前面板和程序框图,如图１３－１２所示。１３.４.５虚拟仪器的应用虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统,且功能灵活,很容易构建,所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进,十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势,因而常称为“软件仪器”。上一页下一页返回１３.４虚拟测试仪器技术虚拟仪器功能强大,可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器的全部功能,配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数;虚拟仪器操作灵活,完全图形化界面,风格简约,符合传统设备的使用习惯,用户不经培训即可迅速掌握操作规程;虚拟仪器集成方