传感器与测量技术之计算机测试技术

1、第,6,章,计算机测试技术,1/82,内容,1.,概述,2.,数据采集系统,3.,智能仪表系统,4.,虚拟仪器系统,2/82,、,概述,?,定义,以计算机为核心、完成测试任务的技术,基于计算机的测试：测量、分析与处理,基本功能：,?,数据采集,?,数据处理,?,数据表达,3/82,1,、,概述,?,组成,结构,对,信号,数据,计算机,象,传感器,调理,采集,软件,4/82,1,1,、概述,?,组成,硬件,对,信号,数据,计算机,象,传感器,调理,采集,软件,o,信号调理：隔离、放大、滤波,o,数据采集：采集板,/,卡,/,器,模拟开关、采样保持、,AD,转换,o,计算机：,PC,、,IPC,、

2、,CPCI,、,VXI,5/82,1,、概述,?,组成,软件,o,采集,/,监测软件,o,分析软件,o,数据库管理软件,?,特点,o,成本优势：,PC,资源,o,功能优势：数据处理量大、快速，分析手段丰富、灵活,o,发展优势：具有通用性和发展前景,6/82,1,、概述,?,典型框图,传,感,单,元,ch1,ch2,ch3,数据采集,ch32,信,号,调,理,多,路,开,关,放大器,采,A/D,保,FIFO,缓存,DC/DC,晶振,定时计数,?,时序控制,硬件,?,采样间隔,/,频率；通道切换,?,S/H,、,A/D,控制；触发,通道逻辑,控制、状态逻辑,数据缓冲,?,参数设定,软件,?,通道数

3、；采样间隔,/,频率,?,采样长度,N,；采集方式,地址逻辑,?,数据读取,编程,计算机,/,软件,7/82,2,、数据采集技术,?,模拟信号的数字化处理,?,1,模拟信号的数字化,?,(1),采样,?,(2),量化,?,(3),编码,?,2,采样定理及频率混淆,?,(1),采样定理,f,s,?,2,f,m,?,(2),频率混淆,f,s,?,(,2,.,56,4,),f,m,f,c,?,f,s,(,2,.,56,4,),?,采样信号的混淆现象,8/82,2,、数据采集技术,?,基本单元,?,多路开关,?,程控放大,?,采样保持,?,DA,转换,?,AD,转换,ch1,ch2,ch3,模,采,?

4、,拟,?,开,放大器,保,A/D,DC/DC,ch32,关,9/82,2,、数据采集技术,数据采集与保持,?,多路开关,?,功能,ch1,ch2,ch3,?,?,ch32,模,拟,开,关,放大器,采,A/D,保,DC/DC,将,多路被测信号,分别,传送到所共用的,一路,A/D,转换器,进,行转换,以低成本实现多通道参数的采集,?,类型,多路开关（多到一）：,多路输入到一路,AD,反多路开关（一到多）：一路,DA,到多路输出,单向多路开关：输入,?,输出，如地址总线,双向多路开关：输入,?,输出，如数据总线,10/82,2,、数据采集技术,数据采集与保持,?,多路开关,?,指标,ch1,ch2,

5、ch3,?,?,ch32,模,拟,开,关,放大器,采,A/D,保,DC/DC,导通与断开电阻,接通电阻为零,（实际,100,?,）,断开电阻无穷大,（实际,10,9,?,）,切换速度：一般,1us1ns,隔离：各通过之间的串扰，,80db,?,实例,集成电路模拟开关,：结构紧凑、内部有译码器、使用方面、转,换速度快、寿命长等,干簧继电器：结构简单、闭合接触电阻小而断开时阻抗高、不,受环境温度影响等,11/82,2,、数据采集技术,数据采集与保持,?,采样保持器,?,功能：对被测信号的,实时跟踪,、,精确取值,采集过程的两个基本状态：,采集前的信号,跟踪,采集时刻的信号,冻结,对固定信号进行量化

6、,-,A,1,V,+,S,V,c,-,x,+,A,2,A/D,C,H,输出,采样,保持,采样,保持,采样,/,保持器工作原理,12/82,2,、数据采集技术,数据采集与保持,?,采样保持器,?,指标：,?,?,?,?,?,?,被测信号,捕获误差带,V,in,+,V,FS,V,out,保持误差带,传导误差,D,V,=,衰减率,D,t,捕捉时间,T,AC,孔径时间,T,AP,0,孔径抖动,t,AJ,保持建立时间,T,HS,衰减率,-V,FS,传导误差,t,AC,捕获时间,孔径时间,t,HS,保持建立时间,采样,/,保持器,输出信号,t,AP,原先保持信号,t,AJ,孔径抖动,采样,保持,采样,/,

7、保持器性能,13/82,2,、数据采集技术,模数转换技术,A/D,转换器（简称,ADC,）,?,定义：将模拟量转换为一定码制的数字量的器件或装置,?,分类：,逐次逼近式、积分式、并行式,输,入,比较器,A,?,极性判断,V,?,误差控制,D/A,变换器,D/A,输出信号,时钟,逻辑控制,输出信号寄存,反转触发,数字输出,t,14/82,2,、数据采集技术,模数转换技术,A/D,转换器（简称,ADC,）,?,性能参数,ch1,ch2,ch3,?,?,ch32,模,拟,开,关,放大器,采,A/D,保,DC/DC,分辨率与量化误差,:,分辨率指最低有效位数,LSB,，也称量化阶,如：,12,位,A/

8、D,转换器、量程,5V,，则分辨率为：,M,5,q,?,L,?,1,?,11,?,0.00244(,V,),2,2,量化误差最大为,1/2LSB,，分布为均匀分布,e,?,?,1,q,2,转换精度：,反映实际,A/D,转换器与理想,A/D,转换器量化值上的差值,1,f,?,转换速率：,每秒钟内完成,A/D,转换的次数，与转换时间互为倒数,s,t,cyc,满刻度范围：,A/D,转换器所允许输入电压范围,其他参数：,如对电源电压变化的抑制比（,PSRR,）、零点和增益温度,系数、输入电阻等,15/82,2,、数据采集技术,模数转换技术,ch1,ch2,ch3,?,?,ch32,模,拟,开,关,放大

9、器,采,A/D,保,DC/DC,?,A/D,转换器（简称,ADC,）,?,示例,铁康铜热电偶进行温度测量，在,0-450,的温度范围内输出,的电压值是,0-25mV,，若要求设计的测量装置达到,0.1,的测,温分辨率，如何选,A/D,转换器？,分析,0-450,的温度范围对应测量范围,0-25mV,，即,M=25mV,最小分辨率：分辨,0.1,，对应电压为,q,5.5,V,解题,lg,M,M,q,q,?,?,L,?,?,1,?,13,M=25000,V,、,q,5.5,V,，,L,?,1,2,lg,2,所以，,A/D,转换器的位数应该大于,13,位,?,16,位,?,q,0.76,?,V,16

10、/82,2,、数据采集技术,ch1,ch2,ch3,模,A/D,通道方案确定,?,拟,放大器,?,开,ch32,关,考虑问题：,?,多个模拟信号,?,性质：快变、慢变；静态、动态,?,采集效率,?,成本,?,不同的采集要求,?,分别采集：,信号之间没有严格关系,?,并行采集,采,保,A/D,DC/DC,17/82,示例：,M,10V,、,n,12,、,t,0.1s,2,、数据采集技术,A/D,通道方案确定,?,无采保的,A/D,通道,dU,dt,?,max,M,?,0.05,V,/,s,n,?,1,2,D,t,变化率小于,0.05V/s,的输入信号，,采集前可不用加采保,?,应用：直流,/,低

11、频信号,dU,FSR,t,?,输入信号的,最大变化率,：,dt,max,2,n,t,CONV,t,conv,为,A/D,转换器的转换时间；,FSR,为,A/D,转换器的满量程电压，,n,是,A/D,转换器的位数,若设,FSR=10V,，,n=12,，,t,conv,=0.1s,。请计算模拟输入信号电压最大,变化率是多少？,解：由公式可知，模拟输入信号电压最大变化率为,d,U,10,?,12,?,0.02,V,/,s,d,t,max,2,?,0.1,d,U,1,当实际,U,1,的变化率,d,t,?,0.02,V,/,s,时，可以不用采样,/,保持器。,18/82,2,、数据采集技术,A/D,通道

12、方案确定,采用分时转换工作方式，满足多路分时传送，,输入通道中配置多路开关,?,带采保的,A/D,通道,模,拟,输,入,信,号,模,拟,多,路,开,关,程控放大,A,采样,/,保持,S/H,A/D,微,处,理,器,多通道共享采样,/,保持器与,A/D,转换器,(CPU),每路信号的吞吐时间,t,TH,=,t,AC,+,t,HS,+,t,CONV,+,t,OUT,如果系统对,N,路信号进行等速率采样，且,模拟开关切换时间,t,MUX,t,HS,+,t,CONV,，,t,MUX,可忽,略不计时，则任一通道相邻两次采样时间,间隔至少为,t,TH,故每个通道的吞吐率为：,1,带宽应满足,f,max,?

13、,f,TH,2,时序控制器,多通道共享采样,/,保持器与,A/D,转换器的系统框图,f,TH,1,?,N,(,t,AC,?,t,HS,?,t,CONV,?,t,OUT,),通常,A/D,转换时间,T,CONV,比采样保持器的孔径时间,TAP,大，更比孔径,抖动,T,AJ,大得多，在不使用采样保持器的情况下，为了保证转换误差,不大于量化误差,e,，则,A/D,转换器可以直接转换的输入信号的频率是,很低的，因此，对较高频率的输入信号进行模数转换时，通常在,A/D,转换器前都要加采样保持器。,19/82,2,、数据采集技术,A/D,通道方案确定,多通道共享,A/D,转换器,?,带采保的,A/D,通道

14、,采样,/,保持,S/H,模,拟,输,入,信,号,S/H,S/H,模,拟,多,路,开,关,缓冲器,A/D,微,处,理,器,(CPU),每一模拟通道都有一个,采样,/,保持器，由同一状,态指令控制，可得到各,路信号同一时刻的瞬间,值,时序控制器,多通道共享,A/D,转换器的系统框图,在高频系统或瞬态过程测量系统中特别有用，适,用于振动分析、机械故障诊断等数据采集。,20/82,2,、数据采集技术,A/D,通道方案确定,多通道并行,A/D,转换器,每一模拟通道都有各自的采样,/,保持器和,A/D,转换器，各通道,的信号可以独立进行采样和,A/D,转换,?,带采保的,A/D,通道,程控放大,A,采样

15、,/,保持,S/H,A/D,模,拟,输,入,信,号,A,S/H,A/D,A,S/H,微,处,理,器,(CPU),A/D,时序控制器,多通道并行,A/D,转换器的系统框图,可避免模拟多路开关所引起的静动态误差，数据,采集速度快，但系统成本高，常用于高速系统和,高频信号采集系统。,21/82,2,、数据采集技术,?,数据采集硬件（采集卡,/,器）,?,产品,PC/PCI,总线,数据采集板,NI PCI-6221,16-Bit, 250kS/s, 16,Analog Inputs,Two,16-bit,analog,outputs (833kS/s),24 digital I/O,、,32-,bit

16、 counters,、,digital triggering,22/82,?,?,?,2,、数据采集技术,?,数据采集硬件（采集卡,/,器）,?,产品,PC/PCMCIA,总线,数据采集板,NI PCMCIA-5102,?,?,?,?,2-channels,simultaneously,sampled,20MS/s real-time sampling,15 MHz bandwidth,50,mV,to,5,V,input,range,23/82,2,、数据采集技术,?,数据采集硬件（采集卡,/,器）,?,产品,USB,总线,数据采集模块,NI USB-9215,?,高速串行总线：,USB2.

17、0,有三,种速度,?,低速（,1.5Mb/s,）,?,全速（,12 Mb/s,）,?,高速（,480Mb/s,）,?,只要有,USB,口，即插即用，,可在不改变,I/O,资源或重新,启机下使用,?,总线供电,?,采样速率可达,500kHz/s,24/82,2,、数据采集技术,?,数据采集硬件（采集卡,/,器）,?,产品,cPCI,总线,数据采集,?,?,?,?,?,?,NI PXI-4472,8,路同步采样模拟输入通道,24,位精度,120 dB,动态范围,102.4kS/s,最高采样速度,45kHz,无混叠带宽,模拟与数字触发,25/82,3,、智能仪器,?,定义,模拟式万用表,?,含有微计

18、算机或微处理器的测量仪器,精度、速度、测试能力和工作效率,功能特点,测量自动化,很强的数据处理能力,友好的人机交互方式,具有远程控制功能,数字式测温计,数,据,采,集,和,振,动,分,析,数字式超声波探伤仪,26/82,3,、智能仪器,?,硬件结构,?,1,微型计算机系统,?,2,信号输入单元,?,3,信号输出单元,?,4,人机交互设备,?,5,远程通信接口,信号输入单元,微型计算机系统,人机交互设备,信号输入通道,信号输入通道,输入设备,传感器,接,接,（键盘、旋钮等）,口,微处理器,口,信号输入通道,MPU,输出设备,（打印机、,LCD,等）,信号输出单元,程序存储器,远程通信接口,信号输

19、出通道,ROM,GPIB,信号输出通道,控制信号,接,接,Ethernet,口,数据存储器,RAM,口,信号输出通道,USB,智能仪器系统的典型硬件结构,27/82,3,、智能仪器,?,软件功能,?,（,1,）自检模块,?,（,2,）初始化模块,?,（,3,）时钟模块,?,（,4,）监控模块,?,(5),人机交互模块,?,(6),数据采集模块,?,(7),数据处理模块,?,(8),控制决策模块,?,(9),信号输出模块,?,(10),通信模块,?,(11),其他模块,数,据,采,集,和,振,动,分,析,28/82,3,、智能仪器,?,自动测量功能,量程自动切换,基本功能,程控,衰减器,多相功率

20、分析仪,?,丰富的硬件资源和嵌入式软件的灵活性,可以实现稳定可靠,高精度的自动测量,U,i,U,m,U,o,程控,放大器,A/D,CPU,控制线路,量程自动转换电路示意图,由衰减器和放大器两部分组成。,当输入信号较大时，衰减器按已知比例进行衰减，使衰减后的信号,在安全范围之内。,当输入信号较小时，衰减器不进行衰减（直通状态），经过放大器,放大后的输出信号在,A/D,转换器要求的范围之内。,量程转换的过程就是根据输入信号的大小，合理确定衰减器的衰减,系数和放大器的放大倍数，使,A/D,转换器得到尽可能大而又不超出其,输入范围的信号。,29/82,3,、智能仪器,?,自动测量功能,量程自动切换,基

21、本功能,降为合适的量程,多相功率分析仪,?,丰富的硬件资源和嵌入式软件的灵活性,可以实现稳定可靠,高精度的自动测量,开始,延时,设置为最高量程,测量,否,超量程,?,否,是,欠量程,?,否,结果有效,过载指示,是,已经是最高量程,?,是,量程自动转换控制流程图,结束,30/82,3,、智能仪器,?,自动测量功能,量程自动切换,基本功能,?,衰减器,K1,控制切换前置衰减,K3,控制切换放大器输出衰减,V,i,多相功率分析仪,?,丰富的硬件资源和嵌入式软件的灵活性,可以实现稳定可靠,9.9M,高精度的自动测量,A,B,100K,+,A,9K,K2,C,D,1K,E,F,K3,Vo,100K,K1

22、,k1,?,放大器,K2,控制放大器倍数,?,接口及开关驱动,编码：测量值和量程分档比较,控制驱动,K,k2,k3,+Vcc,R,R,R,驱,动,电,路,P1.2,P1.1,P1.0,31/82,3,、智能仪器,?,自动测量功能,零位误差与增益误差校正,?,?,?,?,自校零,输入短路，测量零位值,自校准,输入接入基准电压，建立,误差校准模型,多相功率分析仪,?,丰富的硬件资源和嵌入式软件的灵活性,可以实现稳定可靠,高精度的自动测量,输入电压,Vx,基准电压,Vc,短路,放大,电路,A/D,转换,主机,电路,32/82,3,、智能仪器,?,自动测量功能,?,非线性校正,解决电路的非线性问题,?

23、,传统仪器,校正电路,输入信号特性,补偿电路特性,输出信号特性,?,智能仪器：,a,、插值法,分段插值，多个灵敏度,S,33/82,3,、智能仪器,?,自动测量功能,?,非线性校正,解决电路的非线性问题,b,、查表法,特性曲线,数值化,根据测量来查输入值,数表,c,、曲线拟合：最小二乘法,可获得较高校正精度,34/82,3,、智能仪器,?,功能模块,体现智能化的功能模块，支持仪器稳定、可靠、高精度测量,?,温度误差的补偿,硬件补偿：线路复杂，成本高,软件补偿,：灵活多变,增加温度元件，测温,温度误差模型：理论,/,实验获取,校正方程和校正值,35/82,3,、智能仪器,?,系统设计举例,?,目

24、的,/,功能,以单片机为核心设计计算机温度、压力实时采集监视系统,?,性能指标,?,温度：,?,测试范围：,0,?,C,120,?,C,，超范围声光报警,?,检测精度：,0.5,?,C,?,压力：,?,测量范围：,0Pa,3.92x10,5,Pa ,超范围声光报警,?,检测精度：,1.96x10,3,Pa,?,显示：,9,位,LED,（显示测量值：温度,4,1,；压力,3,1,）,?,检测速度：每分钟一次,36/82,5,、测试系统设计,?,系统设计举例,（,1,）传感器,?,温度：,测试范围：,0,?,C,120,?,C,、精度：,0.5,?,C,热敏电阻变换,/,放大器：,输出,0,5V,

25、、对应满量程,125,?,C,?,压力：,测量范围：,0,3.92x10,5,Pa,、精度：,1.96x10,3,Pa,电阻应变片桥路放大器：,输出,0,5V,、对应满量程,4.90,x10,5,Pa,37/82,3,、智能仪器,?,系统设计举例,（,2,）,硬件电路设计,1),信号输入通道,由于所测温度和压力都很低，可选用热敏电阻和电阻应变片做传感器，但需配,置信号放大器并设定满量程温度为,125,，满量程压力为,4.90,105Pa,。如选,用,8,位,A/D,转换器，在满量程范围内，温度分辨率为,0.49,，压力分辨率为,1.92,103Pa,，因此既满足了系统所要求的测温与测压技术要求

26、，又有利于降,低硬件的成本和超限的监视。,根据系统巡回采样周期的要求（每隔,5s,巡检一次），选用逐次逼近型,A/D,转,换器，其转换时间一般为几十微秒。由于温度和压力是慢变量信号，因此无,需采样,/,保持电路。选用,8,路模拟开关做巡回采样开关，开关的切换速率要大于,A/D,转换速率，以便,8,路输入信号共用一个,A/D,转换器。,38/82,3,、智能仪器,?,系统设计举例,（,2,）,硬件电路设计,2),测量结果的显示,根据系统要求选用,LED,构成,4,路温度、压力的显示装置，,8,个物理量超限共用,一个电声报警，以提醒操作人员注意，至于哪一个物理量超限则用指示灯和,LED,显示。声、

27、光报警通道中，由于每一个通道只需一个状态就可实现一路,报警，所以用一个,8,位数字锁存器即可满足需要。,39/82,3,、智能仪器,?,系统设计举例,（,2,）,硬件电路设计,3),系统控制器,采用低成本的,8031,单片机，由于,8031,内部没有存储器资源，必须在外部扩展,程序存储器和数据存储器。为提高单片机处理数据的能力，测试系统的巡回,检测任务由单片机定时到中断触发工作，单片机内的定时,/,计数器通道参数设,置为,5s,。,40/82,3,、智能仪器,单片机温度测试系统电路框图,41/82,3,、智能仪器,?,系统设计举例,（,3,）,系统软件设计,由于采样周期很长，为简化程序，采取等

28、,8,个通道数据全部采样结束后，再对各通道,数字量进行标度变换并送显示,125,4.90,?,10,5,t,x,?,4095,x,n,p,x,?,4095,x,n,为了提高抗干扰能力，,将采样值经中值滤波后再,进行相应的变换与显示。,该系统软件包含以下程序：,主程序：完成初始化和报警、显示等任务。,1),2),中断服务程序：包含定时中断服务程序,和,A/D,转换结束中断服务程序。,3),子程序：包括标度变换子程序、将十进制数转,换为,BCD,码的子程序、中值滤波子程序等。,42/82,3,、智能仪器,?,系统设计举例,程序流程图,开始,开始,系统参数初始化,设置定时到标志,等待定时到标志,中断

29、返回,置通道数,b,置连续采样个数,启动,A/D,等待,A/D,转换结束标志,开始,读取,A/D,采样值,设置,A/D,转换结束标志,连续采集次数到？,否,中断返回,是,c,调中值滤波子程序,超限检查,通道数,+1,8,个通道采集完？,否,是,取显示数,调标度转换子程序,调,BCD,码转换子程序,更新,LED,显示和报警状态,8,个通道显示完？,否,是,43/82,4,、虚拟仪器,?,发展,第四代：虚拟仪器,第三代：智能仪器,计算,机,第二代：数字化仪器,微处,理器,数字,电路,第一代：模拟仪器,44/82,4,、虚拟仪器,?,概念,测试领域面临的主要挑战：,成本增加、使用复杂,o,产品功能剧

30、增，测试仪器不断扩增,o,不同阶段使用不同精度、不同功能的模拟仪器,o,项目、产品转向，造成投资浪费,o,仪器互联和综合处理日益复杂,接口开发,45/82,Virtual Instrumentation,4,、虚拟仪器,Fully Programmable System,GUI,VXI,机箱,数据采集板,?,概念,解决办法：开放、标准,o,硬件的标准化,资源共享,o,软件的模块化,避免重复开发,IEEE 488 Rack,Stack System,Analog,Instrumentation,o,系统的开放化,仪器间的资源共享,o,编程平台的图形化,o,硬件模块的即插即用化,46/82,4,、

31、虚拟仪器,?,概念,传统仪器,o,厂商定义仪器功能,o,关键是硬件,o,开发与维护开销高,o,技术更新周期长（,5,10,年）,o,价格昂贵,o,封闭、固定,o,功能单一、互联有限,o,独立设备,47/82,4,、虚拟仪器,?,概念,虚拟仪器：,V,irtual,I,nstrumentation,在开放架构基础上创建用户定义的测试系统,o,用户定义功能,o,关键是软件,软件即仪器,o,开发与维护费用低（软件）,o,技术更新周期短（,1,2,年）,o,价格低、可复用与可重配置性强,o,开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展,o,与网络及其它周边设备方便互联,o,面向应用的仪器系统,48/82,4

32、,、虚拟仪器,?,概念,“,虚拟,”,含义,以软件代替硬件、以图形代替代码、以,组态代替编程、以虚拟代替固定。,o,虚拟的,仪器面板,o,由软件实现仪器的,测量功能,（软件就是仪器）,49/82,4,、虚拟仪器,?,概念,传统仪器,虚拟仪器,仪器定义,功能设定,关键环节,开放性,性能价格比,开发维护,厂家,用户,功能特定，与其它,面向应用的系统结构，可方便地与,设备连接受到限制。,网络设备、外设和其它设备连接。,硬件,软件,封闭式系统，功能,基于计算机技术的开放式系统，灵,固定，不能改变。,活的软件功能模块。,低,高，可重复使用。,开发维护费用高,软件结构，节省费用,50/82,技术更新速度,

33、慢（周期,510,年）,快（周期,12,年）,4,、虚拟仪器,?,组成,传统仪器,硬件（电子线路）,硬件（电子线路）,硬件,（显示器与旋钮）,信号处理,结果表达,与仪器控制,功能,数据采集,虚拟仪器,硬件（电子线路）,计算机软件（算法,）,计算机硬件,（显示器与虚拟旋钮）,计算机系统资源,51/82,、虚拟仪器,虚拟仪器硬件结构,52/82,4,4,、虚拟仪器,?,仪器硬件：,仅仅是为了解决信号的输入输出,标准：协调各个模块测试工作,DAQ,（,Data Acquisition,）,数据采集板,?,定时与控制能力：无,?,有大量支持板卡,?,直接利用标准的计算机总线、接口，没有仪器所需的总线性

34、能,53/82,信号调理栈,4,、虚拟仪器,o,o,o,o,o,便携、低成本,多路调理,:20,适合各种类型信号,每路调理可选,输出可直接连,DAQ,?,仪器硬件：,SCXI,信号调理板、,提高测试系统的质量,Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation,?,放大,小信号、热电偶（,v,），提高系统信噪比,?,滤波,动态信号，消除噪声、抗混叠,模拟,/,数字滤波器,?,隔离,避免接地不当（造成测量不准、损坏,DAQ,板卡及,VI,统）,o,光隔离（,optical,）,o,磁隔离（,magnetic,）,o,电容隔离（,capacitiv

35、e,）,o,差分输入、单点接地、专用隔离器件,54/82,4,、虚拟仪器,?,仪器硬件：,GPIB,（,General Purpose Interface Bus,）,通用接口总线（,IEEE488,仪器控制标准,）,多台协调工作,一种用于实验室、工业的数据采集和控制的标准总线,?,8,位的,并行,协议、传输率低于,1 Mbytes/s,?,标准电缆,?,最多控制,14,台仪器,?,有大量支持其标准的仪器,?,通过计算机，对传统仪器功能的扩展和延伸,GPIB,电缆,55/82,4,、虚拟仪器,?,仪器硬件：,VXI,（,VMEbus eXtensiona for Instrumentation

36、,）,计算机控制的模块化自动仪器系统,o,VME,Versatile Bach,plane Bus,、万用背板总线,(,可靠性极高，散热性能好，易于安装和移动,),o,8,、,16,、,32,位（可扩至,64,位）,o,吞吐率：,40MB/s,（,VME80MB/s,）,o,8TTL,触发线、,8ECL,逻辑信号,o,即插即用,o,有大量支持其标准的产品,政府、军事、研究,o,第一次构建尚需较大的投资强度,56/82,4,、虚拟仪器,?,仪器硬件：,VXI,（,VMEbus eXtensiona for Instrumentation,）,主机箱,背板总线,嵌入模块,o,VME,总线,o,0,

37、槽控制器,o,时钟和同步总线,o,A/D,模块,o,模块识别总线,o,D/A,模块,o,触发总线,o,I/O,模块,o,局部总线,o,.,机械规范,o,Eurocard,o,主动冷却,57/82,4,、虚拟仪器,?,仪器硬件：,PXI,（,PCI eXtensions for Instrumentation,）,bus,58/82,4,、虚拟仪器,?,仪器硬件：,PXI,（,PCI eXtensions for Instrumentation,）,主机箱,嵌入模块,接口连接器,:2,组,o,系统槽模块,o,32-bit PCI,o,A/D,模块,o,64-bit PXI,特性,o,D/A,模块

38、,机械规范,o,I/O,模块,主动冷却,o,.,总线上增加信号（,PXI,特性）,?,参考时钟,模块同步,?,触发总线,8,根（,TTL,）,事件、星形触发线,触发精确控制,?,局部总线,13,根,高速,TTL,或,0,24V,模拟信号的相邻模块内部传递,59/82,4,、虚拟仪器,?,仪器硬件：,LXI,（,LAN eXtension for Instrumentation,）,?,网络变迁：,以太网接口：一方面在不断发展，,10/100/1000,，另一方面是,100%,向后兼容,60/82,4,、虚拟仪器,?,仪器硬件：,LXI,（,LAN eXtension for Instrumen

39、tation,）,?,通过网络，实现测量模块的协调工作,?,?,网络接口的价值：,用户已认可，互联和共享,定时同步：,IEEE 1588,引入,LAN,，纳秒级定时能力,等级,C,：具有通过,LAN,的编程控制能力，可以与其他厂家,的仪器很好地协同工作,等级,B,：拥有等级,C,的一切能力，并且加上了,IEEE1588,网,络实时同步标准,等级,A,：拥有等级,B,的一切能力，同时具备硬件触发能力,61/82,?,LXI,仪器等级,?,?,?,4,、虚拟仪器,?,仪器硬件：,LXI,（,LAN eXtension for Instrumentation,）,宽度为,482.6mm,（,19,英

40、寸）的标准机箱,高度分,1U,、,2U,、,3U,和,4U,（单位,U,44.45mm,）,LXI,器件的最小单元是,1U,半宽度,机箱,前面板,输入信号连接器,后面板,LAN,接口、电源及开关、触发,62/82,4,、虚拟仪器,?,仪器硬件：,?,通用计算机,各种,PC,机、便携机,o,运算,/,处理能力,o,显示,/,表现能力,o,存贮能力,o,促进,VI,发展的动力,63/82,虚拟仪器应用程序,软面板、各种功能模块,4,、虚拟仪器,仪器驱动接口,仪器驱动程序,符合,VPP,或,IVI,规范,I/O,通讯接口,I/O,通信程序,VISA,库或其他,I/O,库,?,软件系统：,虚拟仪器的软

41、件架构,?,软件就是仪器,The software is the Instrument,就是利用计算机的硬,/,软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟,化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。,?,虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：,?,VISA,库：,VI,软件体系结构、,计算机与仪器之间的软件层连接,标准的,I/O,函数库及其相关规范,?,仪器驱动程序：,特定仪器控制与通信的软件程序集,?,应用软件：,直接面对用户，提供直观友好数据分析与处理功能,64/82,4,、虚拟仪器,虚,拟,仪,器,软,件,结,构,数据采集,应,?,LabVIEW,信号分析,用,

42、?,LabWindows/CVI,可视化,程,?,Component Works,?,Visual Basic,?,C/C+.,数据传输,序,DAQ,接口模块,DLL,库,Windows,仪器驱动程序,VISA,库,硬件抽象层,HAL,仪器硬件,65/82,4,、虚拟仪器,?,开发环境,1.,基于传统的文本语言开发平台,主要是,NI,公司的,LabWindows/CVI,，,Microsoft,公司的,Visual,C+,、,Visual Basic, Borland,公司的,Delphi,等,。,2.,基于图形化编程环境的平台,如,NI,公司的,LabVIEW,和,Agilient,公司的,

43、VEE,等。,66/82,4,、虚拟仪器,?,开发环境,LabView,图形化编程语言,o,特点,?,图形化的仪器编程环境,使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等）编程，界,面非常直观形象,大量的仪器面板控件,表现力,大量的分析、处理和接口功能控件,数据流的可视,67/82,4,、虚拟仪器,?,开发环境,LabView,o,特点,?,图形化的仪器编程环境,VI,编程两个工作界面,a,、前面板,模拟真实,仪器的前面板,b,、框图程序,对前面,板上的控件对象进行控制,LabVIEW,前面板及其控件模板,框图程序及其函数模板,68/82,LabVIEW,4,、虚拟仪器,?,开发环境,LabView,o