测试技术课件：CH 6 现代测试系统

1、第6章 现代测试系统Modern Measuring Systems,6.0 序 (Introduction) 6.1 计算机测试系统的基本组成 (Configuration of the Computer-based Measurement Systems) 6.2 计算机测试系统的总线技术 (Bus Technology in Computer-based Measurement Systems) 6.3 虚拟仪器 (Virtual Instruments) 6.4 网络化测试仪器 (Network-oriented Measuring Instrument,返回,现代测试系统即计算机化测

2、试系统： 智能仪器、总线仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测试系统； 计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊，配以相应软件和硬件的计算机实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。 计算机与现代仪器设备日渐趋同，两者间已表现出全局意义上的相通性,6.0 序 (Introduction,6.1 计算机测试系统的基本组成Configuration of the Computer-based Measurement Systems,6.1.1 计算机测试系统的框图 (diagram,计算机测试系统的基本组成,6.1.2 多路模拟开关(analog multiplexer

3、,优点： 功耗低，体积小，易于集成，速度快，且没有机械式开关的抖动现象,CMOS场效应模拟电子开关的导通电阻一般在200 以下，关断时漏电流一般可达纳安级甚至皮安级，开关时间通常为数百纳秒,缺点： 导通电阻受电源、模拟信号电平和环境温度变化的影响,计算机测试系统的基本组成,6.1.3 A/D转换与D/A转换 (analog to digital converter and digital to analog converter,概念,将模拟量转换成与其对应的数字量的过程称为模/数（A/D）转换，反之，则称为数/模（D/A）转换。 实现上述过程的装置分别称为A/D转换器和D/A转换器,A/D转换

4、,A/D转换过程,采样：连续时间信号离散化,量化：连续幅值离散化,编码：离散幅值数字化,计算机测试系统的基本组成,计算机测试系统的基本组成,量化误差 (quantization error,经过量化和编码后得到的数字信号其幅值必然带来误差，这种误差称为量化误差,量化误差的大小一般取决于二进制编码的位数，因为它决定了幅值被分割的间隔数量d。如采用8位二进制编码时，d=28=256，即量化当量为最大可测信号幅值 的1/256,当采用舍入量化时，最大量化误差为 q/2，而采用截尾量化时，最大量化误差为q,计算机测试系统的基本组成,A/D转换的实现,直接比较型A/D转换器,将输入模拟电压信号直接与作为

5、标准的参考电压信号相比较，得到相应的数字编码,如逐次逼近式A/D转换器通过将待转换的模拟输入量Vi与一个推测信号VR相比较，根据比较结果调节 VR以向Vi逼近。 该推测信号VR由D/A转换器的输出获得，当VR与Vi相等时，D/A转换器的输入数字量即为A/D转换的 结果,计算机测试系统的基本组成,逐次逼近式A/D原理框图,直接型A/D转换器属于瞬时比较，转换速度快，常作为数字信号处理系统的前端，但缺点是抗干扰能力差,计算机测试系统的基本组成,间接比较型A/D转换器,将输入的模拟信号与参考信号转换为某种中间变量（如时间、频率、脉冲宽度等），然后再对其比较得到相应的数字量输出,如双积分式A/D转换器

6、先对输入模拟电压Vi进行固定时间的积分，然后通过控制逻辑转为对标准电压VREF进行反向积分，直至积分输出返回起始值， 这样对标准电压积分的时间T将正比于Vi。 Vi越大，反向积分时间越长。若用高频标准时钟测 量时间T，即可得到与Vi相应的数字量,计算机测试系统的基本组成,间接型A/D转换器抗干扰能力强，但转换速度慢，常用于数字显示系统中,计算机测试系统的基本组成,D/A转换,D/A 转换器将输入的数字量转换为模拟电压或电流信号输出，其基本要求是输出信号A与输入数字量D成正比，即,A=qD,其中q为量化当量，即数字量的二进制码最低有效位所对应的模拟信号幅值,计算机测试系统的基本组成,D/A转换的

7、基本原理,式中：ai（i=0，1，n-1）等于0或1，表示二进制数的第i位。即二进制数可表示为an-1an-2a2a1a0,根据二进制计数方法，一个数是由各位数码组合而成的，每位数码均有确定的权值，即,为了将数字量表示为模拟量，应将每一位代码按其权大小转换成相应的模拟量，然后根据迭加原理将各位代码对应的模拟分量相加，其和即为与数字量成正比的模拟量，即实现了D/A转换,计算机测试系统的基本组成,T型电阻解码网络D/A转换器,计算机测试系统的基本组成,D/A转换过程,从D/A转换器得到的输出 Vo是转换指令来到时刻的一次瞬时值，要恢复为连续时域模拟信号，还须通过保持电路进行波形复原,保持电路相当于

8、模拟存储器，其作用是在转换间隔的起始时刻接收D/A转换输出的模拟电压脉冲，并保持到下一转换间隔的开始（零阶保持器）。保持电路一般通过对输入数字信号进行锁存实现,D/A经保持器输出的信号实际为许多矩形脉冲构成，须通过低通滤波滤去其中的高频噪声，从而恢复出原信号,计算机测试系统的基本组成,6.1.4 采样保持（sample/hold,在对模拟信号进行 A/D变换时，从启动变换到变换结束，需要一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。 当输入信号频率较高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的孔径误差,孔径时间与孔径误差 (aperture time and aperture error,为了防止孔径误差的

9、产生，必须在 A/D转换开始时将信号电平保持住不变，而在 A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态。能完成上述功能的器件称为采样保持器,采样保持器,计算机测试系统的基本组成,采样保持器在保持阶段相当于“模拟信号存储器,计算机测试系统的基本组成,T,C,控制信号,输入,输出,a,b,采样保持原理,采样期间，开关闭合，输入跟随器的输出给电容器 C快速充电； 保持期间，开关断开，由于输出缓冲放大器的输入阻抗极高，电容器上存储的电荷将基本维持不变，保持充电时的最终值供A/D转换,计算机测试系统的基本组成,采样保持器工作状态由外部控制信号控制，由于开关状态的切换需要一定的时间，因

10、此实际保持的信号电压会存在一定的误差。这种时间滞后称为采样保持器的孔径时间,实际系统中，是否需要采样保持电路，取决于模拟信号的变化频率和 A/D转换时间，通常对直流或缓变低频信号进行采样时可不用采样保持电路,采样保持器的孔径时间必须远小于A/D的转换时间，同时也必须远小于信号的变化时间,计算机测试系统的基本组成,6.1.5 多通道数据采集系统的组成方式,计算机测试系统的基本组成,6.2 计算机测试系统的总线技术 (Configuration of the Computer-based Measurement Systems,6.2.1 总线的基本概念及其标准化,总线是一组互联信号线的集合，是设

11、备与设备之间传送信息的公用信号线，可同时挂接多个模块或设备，计算机系统中信息的互相传递通过总线实现,总线 bus,计算机测试系统的总线技术,总线的分类,地址总线、数据总线以及控制总线,芯片（间）总线、（系统）内总线、（系统间）外总线,并行总线和串行总线,总线标准化,信号级兼容 输入和输出信号线的数量、各信号的定义、传递方 式和传递速度、信号逻辑电平和波形、信号线的输 入阻抗和驱动能力等,命令级兼容 除了对接口的输入、输出信号建立统一规范外，对接口的命令系统也建立统一规范，包括命令的定义和功能、命令的编码格式等,程序级兼容 在命令级兼容的基础上，对输入、输出数据的定义和编码格式也建立统一的规范,

12、不论在何种层次上兼容的总线，接口的机械结构都应建立统一规范，包括接插件的结构和几何尺寸、引脚定义和数量、插件板的结构和几何尺寸等,计算机测试系统的总线技术,6.2.2 总线的通信方式,对于串行总线，硬件应答线不存在，此时就必须由软件根据规定的通信协议来实现应答信息的交互,计算机测试系统的总线技术,6.2.3 测控系统内部总线,ISA/PC104/AT96总线,起源 IBM PC/XT计算机 应用 面向特定CPU，8086以及Pentium。 发展,计算机测试系统的总线技术,VME/VXI总线,VME：Versa Module Europe Versa：Motorola公司68000处理器总线,

13、VMEbus： 采用高可靠的针式连接器,非复用32位异步总线，总线速度自动与器件速度适配,传输32位、16位和8位数据，具有数据块传输方式,传输单一数据时最大速率为19 MB/s,传输数据块时最大速率为30 MB/s,VME64 将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为 80 MB/s。VME64 总线规范将总线速度提高到了320 MB/s,7条菊花链中断线,计算机测试系统的总线技术,VXI：VMEbus eXtension for Instrumentation，是VME总线在仪器领域的扩展。 是在VME总线、Eurocard标准（机械结构标准）和IEEE 488等的基础上制定的开放性

14、仪器总线标准,VXI 系统最多可包含 256 个装置，主要由主机箱、零槽控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统,VXI总线组织,VXI联盟,VXI总线即插即用(VXI plug&play，VPP)系统联盟,计算机测试系统的总线技术,PCI/CompactPCI总线,PCI：Peripheral Component Interconnect，由PCISIG (PCI Special Interest Group)制定,PCI局部总线是微型机上的处理器/存储器与外围控制部件、外围附加卡之间的互连机构，它规定了互连机构的协议、电气

15、、机械以及配置空间规范。在电气方面还专门定义了5V和3.3V的信号环境,PCI局部总线规范是当今微型机行业事实上的标准，也是业界微型机系统及产品普遍遵循的工业标准之一,计算机测试系统的总线技术,PCI局部总线的主要特点,地址、数据多路复用的高性能32位或64位同步总线,高性能和高带宽。支持猝发工作方式，在33 MHz总线时钟、32/64位数据通路时可达到峰值132/264 MB/s的带宽。66 MHz总线时钟下，可达到264/528 MB/s,PCI总线独立于处理器，通用性强，适用面广,多主能力。允许PCI总线的主设备能对等地访问总线上的任何主设备或目标设备,PCI的配置空间规范能保证全系统的

16、自动配置，即插即用,计算机测试系统的总线技术,计算机测试系统的总线技术,CompactPCI总线,PCI总线的电气规范 + 标准针孔连接器（IEC-1076-4-101） + 欧洲卡规范（IEC297/IEEE 1011.1,CompactPCI是当今最新的一种工业计算机总线标准,CompactPCI通过改造现行的 PCI规范，使其成为无源底版总线式的系统结构。CompactPCI 的基本系统设计成8块卡，并可通过 PCIPCI 桥芯片进行扩展。利用桥电路技术，也可将CompactPCI与别的总线组成混合系统,计算机测试系统的总线技术,PXI总线,PXI：PCI eXtension for I

17、nstrumentation，是开放式、模块化的仪器总线，是PCI总线在仪器领域的扩展,PXI与CompactPCI完全兼容，PXI与CompactPCI模块可以在同一系统中共存而不发生冲突,PXI扩充了CompactPCI规范，对提供优异的机械完整性及易装易卸的PCI硬件定义了坚固的结构形式,PXI增加了触发总线、用于高速定时的系统参考时钟、用于进行多板精确同步的星形触发总线以及相邻仪器模块进行高速通信的局部总线。更能满足仪器用户的需要,PXI总线采用成熟 PC技术，与 PC100% 兼容,计算机测试系统的总线技术,6.2.4 测控系统外部总线,RS - 232C是美国电子工业协会EIA (

18、Electronic Industry Association) 制定的一种串行物理接口标准,RS - 232C总线,RS - 232C规定的数据传输速率为300b/s、600b/s、1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、19200b/s等,RS - 232C 总线标准设有25条信号线，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线,RS - 232C 通信距离受负载电容影响。若采用 150 pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15 m；电容量减小，通信距离可以增加,计算机测试系统的总线技术,RS - 232CRS - 232C传输的信号

19、电平对地对称，其逻辑0电平规定为+5+15 V之间，逻辑1电平规定为5 15 V之间，因此，计算机系统采用 RS - 232C通讯时需经过电平转换接口,RS - 232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，一般用于20 m以内的通信,RS - 232C未规定标准的连接器，同样是 RS - 232C 接口却可能互不兼容,计算机测试系统的总线技术,RS - 449/RS - 423A/422A/485总线,RS - 449是一种物理接口功能标准，规定了标准连接器。其电气标准依据RS - 423A或RS - 422A以及RS - 485,RS - 423A和RS - 422A分别给出

20、在RS - 449应用中对电缆、驱动器和接收器的要求。RS - 423A给出采用非平衡(单端)发送、差分接收接口；RS - 422A 采用平衡(双端)驱动、差分接收接口,RS - 423A/422A 比RS - 232C传输信号距离长、速度快，最大传输率可达10 Mbps（ RS - 422A 电缆长度120米，RS - 423A电缆长度15 m）。若采用较低的传输速率，如90 000b/s，最大距离可达1200m,计算机测试系统的总线技术,RS - 232C、RS - 423A、RS422A电气连接图,计算机测试系统的总线技术,RS - 485是RS - 422A的变型。RS - 422A为

21、全双工，可同时发送与接收；RS - 485则为半双工，在某一时刻，只能有一个发送器工作,RS - 485是一种多发送器的电路标准，它扩展了RS -422A的性能，允许双导线上一个发送器驱动多达32个负载设备。负载设备可以是被动发送器、接收器或收 发器（发送器和接收器的组合,RS - 485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS - 485 可以非常方便地联网构成分布式测控系统,计算机测试系统的总线技术,RS485网络接线图,计算机测试系统的总线技术,GPIB总线,GPIB：general purpose interface bus ， 是计算机和仪器间的标准通信协议，它是最早的仪

22、器总线，属于命令级兼容的并行总线接口标准,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,GPIB按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元,GPIB 总线上最多可连接 15台设备。最大传输距离为20 m，信号传输速度一般为 500 KB/s，最大传输速度为1 MB/s,计算机测试系统的总线技术,USB/IEEE-1394,USB：universal serial bus，USB1.1应用于中低速外部设备，传输速度有低速 1.5 Mbps 和全速 12

23、 Mbps两种。USB2.0 兼容 USB1.1，其速度可高达480 Mbps，支持多媒体应用,USB接口支持热插拔，USB设备单独使用自己的保留中断，为USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预，“即插即用,USB采用hub或“级联”方式，一个USB控制器理论上可以连接多达127个外设，而每个外设间线缆长度可 达5 m,USB接口提供内置电源。能向低压设备提供 5 V的电 源，降低了设备的成本并提高了性价比,计算机测试系统的总线技术,IEEE 1394（firewire）也是一种高效的串行接口标准。IEEE 1394可以在一个端口上连接多达63个设 备，设备间采用树形或菊花链拓

24、扑结构,IEEE 1394标准定义了两种总线模式，即：backplane模式和cable模式。其中backplane模式支持12.5、25、50 Mbps的传输速率；cable模式支持100、200、400 Mbps的传输速率。目前正在开发1 Gb/s的版本,IEEE 1394的主机和外设的复杂性远远高于USB系 统，因而，成本也远远比USB为高,计算机测试系统的总线技术,现场总线 field bus,现场总线是过程自动化和制造自动化现场设备或现场仪表互连的数字通信网络。主要解决的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题,现场总线

25、的技术特点,利用数字信号代替模拟信号，抗干扰性强,开放式互连网络,只需一对传输线（现场总线）互连，易于维护,系统的自治性强。与 DCS相比，现场总线减少了专 用的 I/O装置及控 制站，把 DCS 控制站的功能块分 散到现场设备，实现了彻底的分散控制。 降低了成 本，提高了可靠性,计算机测试系统的总线技术,常用的现场总线标准 基金会现场总线FF (foundation field bus)、 LonWorks (local operation network) 、 Profibus (process field bus)、 CAN (control area network)、 HART (h

26、ighway addressable remote transduscer)、 DeviceNet、 WorldFIP等,6.3 虚拟仪器 Virtual Instruments,6.3.1 概述,虚拟仪器：virtual instruments，简称VI,虚拟仪器是基于计算机的自动化测试仪器系统，虚拟仪器利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接，将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示,软件即仪器The software is the instrument 虚拟仪器打破了传统仪器只能由生产

27、厂家定义，用户无法改变的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建自己的自动测试系统,虚拟仪器,6.3.2 虚拟仪器的出现,电子测量仪器的发展,模拟仪器：如指针式万用表、晶体管电压表等借助指针来显示最终结果,数字化仪器：如数字电压表、数字频率计等，将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果,智能仪器：内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力,虚拟仪器：由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统由计算机操纵的模块化仪器系统,虚拟仪器,虚拟仪器结构,虚拟仪器,虚拟仪器优点,融合计算机强大的硬件和软件资源，实现了部分仪器硬

28、件的软件化，增加了系统灵活性。同时，突破了传统仪器在数据处理、存储、人机交互等方面的限制,基于计算机总线和模块化仪器总线，硬件模块化、系列化，提高了系统的可靠性和易维护性,基于计算机网络技术和接口技术，广泛支持各种工业总线标准。可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的智能化、网络化,基于计算机的开放式标准体系结构。硬、软件均具有开放性、可重复使用及互换性等特点。用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间,虚拟仪器,虚拟仪器系统的体系结构,虚拟仪器,6.3.3 虚拟仪器的硬件,计算机硬件平台,测控功能硬件,GPIB VXI PXI PC

29、插卡式：基于计算机标准总线的内置（如ISA、 PCI、PC/104等）或外置（如USB、IEEE - 1394等）功能插卡，其核心主要是DAQ（data acquisition，数据采 集）卡,虚拟仪器,6.3.4 虚拟仪器的软件,VISA（virtual instrumentation software architecture,虚拟仪器软件体系结构，实质是标准的 I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个I/O函数库为VISA库。是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控,仪器驱动程序,完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集，是应用程序实现仪器控制的桥梁,应用软件,虚拟仪器,虚拟

30、仪器应用软件的编制,基于通用编程软件 Visual Basic，Visual C+，.net，Delphi等,专业图形化编程软件 美国HP公司的VEE和HPTIG 美国NI公司的LabVIEW 和Lab windows/CVI 美国Tektronis公司的EzTest和TekTNS 美国HEM Data公司的SnapMarter平台软件等,应用软件还包括通用数字处理软件。如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT、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,虚拟仪器,6.3.5 基于LabVIEW的虚拟仪器示例,LabVIEW 提供了交互式的图形化开发环境，采用图形化编程语言G语言，其程序表现为框图