08计算机测试技术2014

1、机械工程测试技术机械工程测试技术 计算机测试技术计算机测试技术(5) 第八章第八章 内容内容 n概述概述 n系统组成技术系统组成技术 n智能仪表智能仪表 n虚拟仪器虚拟仪器 重点重点 n信号采样与保持的工作原理信号采样与保持的工作原理 n智能仪表的概念与组成智能仪表的概念与组成 n虚拟仪器的概念及基本设计方法虚拟仪器的概念及基本设计方法 n测试系统设计的一般步骤测试系统设计的一般步骤 n抗干扰设计方法抗干扰设计方法 1 1、概述概述 定义定义 n以计算机为核心、完成测试任务的技术以计算机为核心、完成测试任务的技术 n基于计算机的测试：测量、分析与处理基于计算机的测试：测量、分析与处理 利用计算

2、机的可编程利用计算机的可编程 快速处理和大容量数快速处理和大容量数 据管理功能据管理功能 适用：测点多、数据适用：测点多、数据 量大、监测任务重、量大、监测任务重、 分析要求高（在线、分析要求高（在线、 远程、诊断、推理）远程、诊断、推理） 1 1、概述概述 组成组成 n结构结构 传传感感器器 信信号号 调调理理 数数据据 采采集集 计计算算机机 软软件件 对对 象象 组成组成 n硬件硬件 o信号调理：隔离、放大、滤波信号调理：隔离、放大、滤波 o数据采集：采集板数据采集：采集板/ /卡卡/ /器器 模拟开关、采样保持、模拟开关、采样保持、ADAD转换转换 o计算机：计算机：PCPC、IPCI

3、PC、CPCICPCI、VXIVXI 1 1、概述、概述 传传感感器器 信信号号 调调理理 数数据据 采采集集 计计算算机机 软软件件 对对 象象 组成组成 n软件软件 o采集采集/监测软件监测软件 o分析软件分析软件 o数据库管理软件数据库管理软件 特点特点 o成本优势：成本优势：PCPC资源资源 o功能优势：数据处理量大、快速，分析手段丰富、灵活功能优势：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发展优势：具有通用性和发展前景 1 1、概述、概述 典型框图典型框图 数据采集数据采集 具有具有N N个个采样采样区间区间为为t的量化过程的量化过程 采集样本：采集样

4、本：T=T=N.N.t t内的量化过程：内的量化过程： 启动转换启动转换转换结束转换结束输出数字量输出数字量 A/D转换开始到结束时转换开始到结束时保持保持输入信号的电平不变输入信号的电平不变 保证转换精度保证转换精度 保持电路保持电路 A/D转换结束后又能转换结束后又能跟踪跟踪输入信号的变化输入信号的变化 采样电路采样电路 2 2、系统组成技术、系统组成技术 基本单元基本单元 多路开关多路开关 程控放大程控放大 采样保持采样保持 DA转换转换 AD转换转换 2 2、系统组成技术、系统组成技术 放大器CPU 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32 多路开关多路开关 功

5、能功能 将将多路被测信号多路被测信号分别分别传送到所传送到所共用的共用的一路一路A/DA/D转换器转换器进进 行转换行转换以低成本实现多通道参数的采集以低成本实现多通道参数的采集 类型类型 多路开关（多到一）：多路开关（多到一）： 多路输入到一路多路输入到一路AD 反多路开关（一到多）：一路反多路开关（一到多）：一路DA到多路输出到多路输出 单向多路开关：输入单向多路开关：输入输出，如地址总线输出，如地址总线 双向多路开关：输入双向多路开关：输入输出，如数据总线输出，如数据总线 2 2、系统组成技术、系统组成技术 放大器CPU 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32

6、多路开关多路开关 基本电路：多对一基本电路：多对一 2 2、系统组成技术、系统组成技术 Ui Uo T T Uc +4V -20V R1 R2 on S1 译码驱动译码驱动 S2 S3 Sn 电平转换电平转换 Ui1 Ui2 Ui3 Ui16 Uo Uc1 Uc2 Uc3 Uc16 23 22 21 20 放大器DC/DC 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32 多路开关多路开关 基本电路：一对多基本电路：一对多 2 2、系统组成技术、系统组成技术 S1 译码驱动译码驱动 S2 S3 Sn 电平转换电平转换 U01 U02 U03 U016 Ui Uc1 Uc2 Uc

7、3 Uc16 23 22 21 20 放大器DC/DC 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32 多路开关多路开关 基本电路基本电路 2 2、系统组成技术、系统组成技术 放大器DC/DC 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32 多路开关多路开关 指标指标 导通与断开电阻导通与断开电阻 接通电阻为零接通电阻为零（实际（实际109 ） 切换速度：一般切换速度：一般 1us1ns 隔离：各通过之间的串扰，隔离：各通过之间的串扰，80db 实例实例 集成电路模拟开关集成电路模拟开关 ：结构紧凑、内部有译码器、使用方面、转：结构紧凑、内部有译码器、使用方

8、面、转 换速度快、寿命长等换速度快、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 受环境温度影响等受环境温度影响等 2 2、系统组成技术、系统组成技术 放大器DC/DC 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32 采样保持采样保持 功能：对被测信号的功能：对被测信号的实时跟踪实时跟踪、精确取值精确取值 采集过程的两个基本状态：采集过程的两个基本状态： 采集前的信号采集前的信号跟踪跟踪 采集时刻的信号采集时刻的信号冻结冻结对固定信号进行量化对固定信号进行量化 2 2、系统组成技术、系统组成技术 放大器

9、DC/DC 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32 采样采样 保持保持 采样采样 保持保持 A/D A1 - - + + Vx 输出输出 CH S A2 - - + + Vc 采样保持采样保持 功能功能 2 2、系统组成技术、系统组成技术 放大器DC/DC 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32 t1 t2 t3 t4 采样间隔采样间隔t 量化阶q 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 S/H 输出输出 采样保持采样保持 S/H 模数转换模数转换 A/D 时刻时刻 采集状态采集状态 t1 跟踪跟踪/采样期采样期S/H 闭合闭合 t2+t3 保持

10、期保持期S/H 断开断开 t3 数摸转换，输出数字信号数摸转换，输出数字信号 t4 下一采样周期下一采样周期 跟踪跟踪/采样期采样期S/H 闭合闭合 采集周期采集周期：t1+t2+t3 、受限于 S/H H S H S H (0.10.01)% THS TAC (0.10.01)% TAP 采样保持采样保持 指标：指标： 捕捉时间捕捉时间TAC S输入值输入值 ，取决于，取决于CH 孔径时间孔径时间TAP H开关断开开关断开断开速度断开速度 保持保持建立建立时间时间THS 开关断开开关断开稳定稳定 衰减率衰减率 H内内VC的下降速率，漏电，负载的下降速率，漏电，负载 2 2、系统组成技术、系统

11、组成技术 采样采样 保持保持 采样采样 保持保持 A/D A1 - - + + Vx 输出输出 CH S A2 - - + + Vc S H 数数模换技术模换技术 D/AD/A转换器（简称转换器（简称DACDAC） 将数字信号转换为电压或电流信号将数字信号转换为电压或电流信号 用途：用途： 数字控制数字控制 数字合成模拟信号数字合成模拟信号 逐次逼近式逐次逼近式ADCADC中的反馈环节（逐次比较、逼近）中的反馈环节（逐次比较、逼近） 2 2、系统组成技术、系统组成技术 数数模换技术模换技术 D/AD/A转换器（简称转换器（简称DACDAC） 性能参数性能参数 分辨率分辨率：输入量单位数码（一个

12、输入量单位数码（一个LSB）变化时，对应的模拟输变化时，对应的模拟输 出量的变化量出量的变化量，也，也用数模转换器的位数表示用数模转换器的位数表示（最高位符号）（最高位符号） 标称满量程标称满量程NFS：数字量数字量2n 1对应的模拟输出量 对应的模拟输出量 5V、 10V 精度：主要是精度：主要是分辨率分辨率，零点、增益误差，非线性度和噪声零点、增益误差，非线性度和噪声 响应时间响应时间：输出量稳定到输出量稳定到相应数值范围相应数值范围所用的时间所用的时间 2 2、系统组成技术、系统组成技术 1 2 R n U q 数数模换技术模换技术 A/DA/D转换器（简称转换器（简称ADCADC） 定

13、义：将模拟量转换为一定码制的数字量的器件或装置定义：将模拟量转换为一定码制的数字量的器件或装置 分类：分类：跟踪比较、跟踪比较、逐次比较逐次比较、并行比较、双积分、并行比较、双积分 2 2、系统组成技术、系统组成技术 t V D/A输输出出信信号号 D/A变变换换器器 A 时时钟钟 比比较较器器 输输入入 逻逻辑辑控控制制 输输出出信信号号寄寄存存 数数字字输输出出 反反转转触触发发 放大器DC/DC 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32 极性判断极性判断 误差控制误差控制 数数模换技术模换技术 A/DA/D转换器（简称转换器（简称ADCADC） 性能参数性能参数

14、AD位数位数：二进制或二进制或BCDBCD码的位数，如码的位数，如1212位位、1616位位 分辨力分辨力: : 最低有效位数最低有效位数LSBLSB，也称量化阶，也称量化阶 如：如：1212位位A/DA/D转换器、量程转换器、量程5V5V，则分辨率为：，则分辨率为： 量化误差量化误差：最大为：最大为1/2LSB1/2LSB，分布为均匀分布，分布为均匀分布 转换时间转换时间：完成一次：完成一次A/DA/D转换的时间转换的时间，倒数为转换速度，倒数为转换速度/ /通过率通过率 2 2、系统组成技术、系统组成技术 放大器DC/DC 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32

15、111 5 0.00244( ) 22 L M qV 1 2 eq 1 cyc st f 数数模换技术模换技术 A/DA/D转换器（简称转换器（简称ADCADC） 示例示例 铁康铜热电偶进行温度测量，在铁康铜热电偶进行温度测量，在0-450的温度范围内输出的温度范围内输出 的电压值是的电压值是0-25mV，若要求设计的测量装置达到若要求设计的测量装置达到0.1 的的 测温分辨率，如何选测温分辨率，如何选A/D转换器？转换器？ 分析分析 0-450的温度范围对应测量范围的温度范围对应测量范围0-25mV，即，即M=25mV 最小分辨率：分辨最小分辨率：分辨0.1 ，对应电压为，对应电压为q q5

16、.5 5.5 V 解题解题 M=25000V、 q5.5 V， 所以，所以，A/D转换器的位数应该大于转换器的位数应该大于13位位16位位 q0.76 V 2 2、系统组成技术、系统组成技术 放大器DC/DC 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32 1 lg 113 2lg 2 M q L M qL 数数模换技术模换技术 A/DA/D转换器（简称转换器（简称ADCADC） 选择原则选择原则 AD位数位数 位数：位数：12位、位、16位、位、24位位 精度：精度： 成本成本 转换时间转换时间 实际采样间隔：采样定理、采集方式实际采样间隔：采样定理、采集方式 成本成本 2

17、 2、系统组成技术、系统组成技术 放大器DC/DC 模 拟 开 关 A/D 采 保 ch1 ch2 ch3 ch32 1 22 L M eq 数据采集硬件（采集卡数据采集硬件（采集卡/ /器）器） 指标指标 lA/DA/D位数位数（也可表示分辨率）（也可表示分辨率）: :位数越多，量化误差越小，分位数越多，量化误差越小，分 辨力越高。常用有辨力越高。常用有8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位等位等 l最高采样频率最高采样频率：够重复进行数据转换的最高速度：够重复进行数据转换的最高速度，即每秒完每秒完 成信号转换的最高次数，对应的为成信号转换的最高次数，对应的为A/DA/D最

18、小采样间隔。一般最小采样间隔。一般 可编程控制。如最高采样频率可编程控制。如最高采样频率333KHz333KHz，则，则A/DCA/DC最小采样间隔最小采样间隔 为为3 3 ss，可在，可在3s-500ms3s-500ms之间可控之间可控 l量程（输入范围）量程（输入范围）：A/DA/D转换器所能转换模拟信号的电压范转换器所能转换模拟信号的电压范 围。一般有围。一般有 5V5V、10 V10 V l精度精度: :反映输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电反映输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电 压之差，定义满量程下包含增益误差、偏移误差、非线性误压之差，定义满量程下包含增益误差、偏移

19、误差、非线性误 差，量化误差等在内的相对精度。如小于差，量化误差等在内的相对精度。如小于0.050.05 2 2、系统组成技术、系统组成技术 数据采集硬件（采集卡数据采集硬件（采集卡/ /器）器） 指标指标 模入通道模入通道：能巡回或并行进行采集的输入通道数。对于巡回：能巡回或并行进行采集的输入通道数。对于巡回 采集：采集：8 8、1616、3232；对于并行采集：；对于并行采集：2 2、4 4、8 8 输入阻抗输入阻抗: :反映隔离信号源的能力。一般大于反映隔离信号源的能力。一般大于100M100M 程控增益：程控增益：1 1、2 2、4 4、8 8、1616倍等（选项）倍等（选项） 任意设

20、定采样通道数任意设定采样通道数, , 可通道自动扫描采集可通道自动扫描采集 先进先出先进先出(FIFO)(FIFO)缓存缓存, , 可自动可自动数据块数据块采集采集 触发方式触发方式: : 定时器触发定时器触发, , 可外启动采集可外启动采集 采集方式采集方式: : 查询、中断、查询、中断、DMADMA 2 2、系统组成技术、系统组成技术 数据采集硬件（采集卡数据采集硬件（采集卡/ /器）器） 产品产品PC/PCIPC/PCI总线总线数据采集板数据采集板 2 2、系统组成技术、系统组成技术 NI PCI-6221 16-Bit, 250kS/s, 16 Analog Inputs Two 16

21、-bit analog outputs (833kS/s) 24 digital I/O、 32- bit counters、 digital triggering 数据采集硬件（采集卡数据采集硬件（采集卡/ /器）器） 产品产品PC/PCMCIA总线总线数据采集板数据采集板 2 2、系统组成技术、系统组成技术 NI PCMCIA-5102 2-channels simultaneously sampled 20MS/s real-time sampling 15 MHz bandwidth 50 mV to 5 V input range 数据采集硬件（采集卡数据采集硬件（采集卡/ /器）器

22、） 产品产品 USB USB 总线总线数据采集模块数据采集模块 NI USB-9215 2 2、系统组成技术、系统组成技术 高速串行总线：高速串行总线：USB2.0USB2.0有三有三 种速度种速度 低速（低速（1.5Mb/s1.5Mb/s） 全速（全速（12 Mb/s12 Mb/s） 高速（高速（480Mb/s480Mb/s） 只要有只要有USBUSB口，即插即用，口，即插即用， 可在不改变可在不改变I/OI/O资源或重新资源或重新 启机下使用启机下使用 总线供电总线供电 采样速率可达采样速率可达500kHz/s500kHz/s 数据采集硬件（采集卡数据采集硬件（采集卡/ /器）器） 产品产

23、品cPCIcPCI总线总线数据采集数据采集 2 2、系统组成技术、系统组成技术 NI PXI-4472 8 8路同步采样模拟输入通道路同步采样模拟输入通道 2424位精度位精度 120 dB120 dB动态范围动态范围 102.4kS/s102.4kS/s最高采样速度最高采样速度 45kHz45kHz无混叠带宽无混叠带宽 模拟与数字触发模拟与数字触发 定义定义 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 精度、速度、测试能力和工作效率精度、速度、测试能力和工作效率 3 3、智能仪器、智能仪器 数字式测温计数字式测温计 数字式超声波探伤仪数字式超声波探伤仪 数数 据据 采采

24、 集集 和和 振振 动动 分分 析析 模拟式万用表模拟式万用表 基本特征基本特征 测量过程软件控制测量过程软件控制 测量过程测量过程 量程切换量程切换 极性判别极性判别 调零放大调零放大 过载保护过载保护 结果输出结果输出 状态检测状态检测 实现实现 硬件实现：硬件实现：结构、体积、成本结构、体积、成本 软件实现软件实现：流程控制：流程控制转换、逻辑、驱动转换、逻辑、驱动 智能、灵活智能、灵活 3 3、智能仪器、智能仪器 模拟式万用表模拟式万用表 数字式测温计数字式测温计 基本特征基本特征 数据处理能力强数据处理能力强处理器的存储、运算能力处理器的存储、运算能力 测量精度测量精度 传统仪器传统

25、仪器 手工事后数据处理、方法有限手工事后数据处理、方法有限 主观因素影响成分大主观因素影响成分大 智能仪器智能仪器 软件实现算法软件实现算法标准偏差、曲线拟合标准偏差、曲线拟合 在线修正在线修正自动补偿自动补偿 结果直接结果直接 存储处理存储处理 数据的存储、回放数据的存储、回放 数据再处理数据再处理深加工、多用途深加工、多用途 3 3、智能仪器、智能仪器 数数 据据 采采 集集 和和 振振 动动 分分 析析 基本特征基本特征 多功能化多功能化 一机多用一机多用 同类量的各种参数的测量同类量的各种参数的测量 电力分析仪：多相电压、电流、功率、功率因数电力分析仪：多相电压、电流、功率、功率因数

26、振动分析仪：加速度、速度、位移振动分析仪：加速度、速度、位移 参数的系列化处理参数的系列化处理 参数的关键指标：均值、有效值、峰值、谷值参数的关键指标：均值、有效值、峰值、谷值 参数的过程处理参数的过程处理 定时测量、设限报警、自动打印定时测量、设限报警、自动打印 预定制功能：选择功能模块预定制功能：选择功能模块 3 3、智能仪器、智能仪器 多相功率分析仪多相功率分析仪 3 3、智能仪器、智能仪器 特点特点 微处理器化微处理器化 核心与关键核心与关键 总线结构和标准化接口总线结构和标准化接口 总线结构：内部的模块协调、控制、数据通道总线结构：内部的模块协调、控制、数据通道 标准化接口：对外交流

27、标准化接口：对外交流 体积小、操作简捷、方便（硬件体积小、操作简捷、方便（硬件软件化）软件化） 滤波器、滤波器、FFT、变换、运算、变换、运算 模块式、积木式发展模块式、积木式发展 组合：形成不同规模、不同功能的测量系统组合：形成不同规模、不同功能的测量系统 发展发展 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 第一代：模拟仪器第一代：模拟仪器 第二代：数字化仪器第二代：数字化仪器 第三代：智能仪器第三代：智能仪器 第四代：虚拟仪器第四代：虚拟仪器 数字数字 电路电路 微处微处 理器理器 计算计算 机机 概念概念 测试领域面临的主要挑战测试领域面临的主要挑战： 成本增加、使用复杂成本增加、使用复杂 o产品功能

28、剧增，测试仪器不断扩增产品功能剧增，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仪器互联和综合处理日益复杂接口开发接口开发 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 概念概念 解决办法：开放、标准解决办法：开放、标准 o硬件的标准化硬件的标准化资源共享资源共享 o软件的模块化软件的模块化避免重复开发避免重复开发 o系统的开放化系统的开放化仪器间的资源共享仪器间的资源共享 o编程平台的图形化编程平台的图形化 o硬件模块的即插即用化硬件模块的即插即用化 4 4、虚拟仪

29、器、虚拟仪器 VXI 机箱机箱 数据采集板数据采集板 Fully Programmable System GUI IEEE 488 Rack Stack System Analog Instrumentation Virtual Instrumentation 概念概念 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 传统仪器传统仪器 厂商定义功能厂商定义功能 虚拟仪器虚拟仪器 用户定义功能用户定义功能 Control Panel Flow Pressure Alarm Conditions STOP Temperature 概念概念 传统仪器传统仪器 o厂商定义仪器功能厂商定义仪器功能 o关键是硬件关键是硬件

30、o开发与维护开销高开发与维护开销高 o技术更新周期长（技术更新周期长（5 51010年）年） o价格昂贵价格昂贵 o封闭、固定封闭、固定 o功能单一、互联有限功能单一、互联有限 o独立设备独立设备 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 概念概念 虚拟仪器：虚拟仪器： Virtual Instrumentation 在开放架构基础上创建用户定义的测试系统在开放架构基础上创建用户定义的测试系统 o用户定义功能用户定义功能 o关键是软件关键是软件软件即仪器软件即仪器 o开发与维护费用低（软件）开发与维护费用低（软件） o技术更新周期短（技术更新周期短（1 12 2年）年） o价格低、可复用与可重配置性强价格低

31、、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与网络及其它周边设备方便互联 o面向应用的仪器系统面向应用的仪器系统 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 概念概念 “虚拟虚拟” 含义含义 o虚拟的虚拟的仪器面板仪器面板 o由软件实现仪器的由软件实现仪器的测量功能测量功能（软件就是仪器）（软件就是仪器） 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 以软件代替硬件、以图形代替代码、以以软件代替硬件、以图形代替代码、以 组态代替编程、以虚拟代替固定。组态代替编程、以虚拟代替固定。 概念概念 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 传统仪器传统仪器虚拟

32、仪器虚拟仪器 仪器定义仪器定义厂家厂家用户用户 功能设定功能设定 功能特定，与其它功能特定，与其它 设备连接受到限制。设备连接受到限制。 面向应用的系统结构，可方便地与网面向应用的系统结构，可方便地与网 络设备、外设和其它设备连接。络设备、外设和其它设备连接。 关键环节关键环节硬件硬件软件软件 开放性开放性 封闭式系统，功能封闭式系统，功能 固定，不能改变。固定，不能改变。 基于计算机技术的开放式系统，灵活基于计算机技术的开放式系统，灵活 的软件功能模块。的软件功能模块。 性能价格比性能价格比低低高，可重复使用。高，可重复使用。 技术更新速度技术更新速度慢（周期慢（周期510510年）年）快（

33、周期快（周期1212年）年） 开发维护开发维护开发维护费用高开发维护费用高软件结构，节省费用软件结构，节省费用 组成组成 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（电子线路） 硬件硬件（显示器与旋钮）（显示器与旋钮） 硬件（电子线路）硬件（电子线路） 计算机软件（算法）计算机软件（算法）计算机硬件计算机硬件 （显示器与虚拟旋钮）（显示器与虚拟旋钮） 传统仪器传统仪器 虚拟仪器虚拟仪器 计算机系统资源计算机系统资源 结果表达结果表达 与仪器控制与仪器控制 数据采集数据采集信号处理信号处理 功能功能 仪器硬件：仪器硬件：仅仅是为了解决信号的输入输出仅仅是为了

34、解决信号的输入输出 标准标准：协调各个模块测试工作，如：协调各个模块测试工作，如GBIP、VXI 模块化的模块化的I/O硬件硬件 数据采集数据采集 信号条理信号条理 声音和振动测量声音和振动测量 运动控制运动控制 分布式分布式I/OI/O 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 软件系统：软件系统： 软件就是仪器软件就是仪器 The software is the Instrument 就是利用计算机的硬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，增强系统的功件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的

35、功 能与灵活性。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：虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分： VISA库：库：VI软件体系结构、软件体系结构、计算机与仪器之间的软件层连接计算机与仪器之间的软件层连接 标准的标准的I/O函数库及其相关规范函数库及其相关规范 仪器驱动程序：仪器驱动程序：特定仪器控制与通信的软件程序集特定仪器控制与通信的软件程序集 应用软件：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直接面对用户，提供直观友好数据分析与处理功能 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 仪器硬件仪器硬件 Windows 硬件抽象层硬件抽象层HAL

36、DAQ接口模块接口模块 数据传输数据传输 可视化可视化 信号分析信号分析 数据采集数据采集 应用程序应用程序 DLL库库 VISA库库 仪器驱动程序仪器驱动程序 虚虚 拟拟 仪仪 器器 软软 件件 结结 构构 LabVIEW LabWindows/CVI Component Works Visual Basic C/C+. 软件系统软件系统 构造、应用构造、应用VIVI的关键的关键软件就是仪器软件就是仪器 o集成开发环境集成开发环境可视化、图形化、零编程可视化、图形化、零编程 o高水平的仪器硬件接口高水平的仪器硬件接口淡化内含、方便使用淡化内含、方便使用 o用户接口用户接口控件、模板库、函数库

37、、控件、模板库、函数库、 o软件平台：软件平台：LabVIEWLabVIEW、MatlabMatlab、DASYLabDASYLab、 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 软件系统软件系统 LabViewLabView图形化编程语言图形化编程语言 o特点特点 图形化的仪器编程环境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 面非常直观形象面非常直观形象 大量的仪器面板控件大量的仪器面板控件 表现力表现力 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 软件系统软件系统 LabViewLabView o特点特点 图形化的仪器编程环境图形化的仪

38、器编程环境 大量的分析、处理和接口功能控件大量的分析、处理和接口功能控件 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 软件系统软件系统 LabViewLabView o特点特点 图形化的仪器编程环境图形化的仪器编程环境 数据流的可视数据流的可视 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 整整 形形 数兰色数兰色 浮点数浮点数 橙色橙色 逻辑量逻辑量 绿色绿色 字符串字符串 粉色粉色 文件路径文件路径 青色青色 软件系统软件系统 LabViewLabView o特点特点 图形化的仪器编程环境图形化的仪器编程环境 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 VIVI编程三部分编程三部分 a a、前面板、前面板模拟真实模拟真实 仪器的前面板仪器

39、的前面板 b b、框图程序、框图程序对前面对前面 板上的控件对象进行控制板上的控件对象进行控制 c c、图标、图标/ /接线端口接线端口 VIVI程序封装成控件程序封装成控件/ /模块模块 软件系统软件系统 LabViewLabView o特点特点 程序调试手段灵活、多样程序调试手段灵活、多样 框图程序数据流上设置探针框图程序数据流上设置探针 框图程序节点上设置断点、单步执行框图程序节点上设置断点、单步执行 框图程序可高亮运行框图程序可高亮运行整个框图程序分解运行整个框图程序分解运行 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 软件系统软件系统 LabViewLabView o特点特点 内置程序编译器程序内置

40、程序编译器程序 采用编译方式运行采用编译方式运行3232位应用程序位应用程序 运行速度和编译运行速度和编译C C的速度相当的速度相当 ，避免了一般图形化编程平台，避免了一般图形化编程平台 （按解释方式工作）运行速度慢的问题。（按解释方式工作）运行速度慢的问题。 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 软件系统软件系统 LabViewLabView o特点特点 功能强大的函数库功能强大的函数库 仪器驱动程序库仪器驱动程序库 （含（含600600多个）多个） 基本函数库基本函数库 数学函数、数据运算、文件数学函数、数据运算、文件I/OI/O 高级分析库，可增强程序的处理能力。高级分析库，可增强程序的处理能力。

41、 信号处理、加窗、滤波、拟合、线性代数、信号处理、加窗、滤波、拟合、线性代数、 矩阵运算、概率与统计、控制工具箱等矩阵运算、概率与统计、控制工具箱等 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 高级分析库高级分析库 调试模块调试模块 引擎引擎 编辑模块编辑模块 运行模块运行模块 图图 形形 化化 元元 素素 库库 仪仪 器器 接接 口口 模模 块块 仪仪 器器 驱驱 动动 程程 序序 库库 基本函数库基本函数库 软件系统软件系统 LabViewLabView o特点特点 支持多种系统平台支持多种系统平台 Windows NT/95/2000/XPWindows NT/95/2000/XP 实时实时UnixUn

42、ix系统平台系统平台 LabViewLabView应用程序的直接移植应用程序的直接移植 开放式的开发平台开放式的开发平台 提供调用其它软件平台编译的模块的接口：提供调用其它软件平台编译的模块的接口： DLLDLL库接口库接口 CINCIN接口接口调用调用C C语言程序的通用方法语言程序的通用方法 提供对提供对OLEOLE的支持的支持 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 软件系统软件系统 LabViewLabView o特点特点 网络功能网络功能 支持支持TCP/IPTCP/IP、动态数据交换（、动态数据交换（DDEDDE）、）、IACIAC等等 Data Socket封装的封装的TCP/IP通讯协议通

43、讯协议 在不同网络节点间进行数据或信息的传输、共享在不同网络节点间进行数据或信息的传输、共享 远程测试远程测试 测试发布测试发布 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 DataSocket Ethernet 本地测试节点本地测试节点 远程节点远程节点 LabViewLabView 开发举例开发举例 n仪器计量方面仪器计量方面：普通仪器：普通仪器 示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器 n专用测量方面专用测量方面：专用探头软件专用的测量系统：专用探头软件专用的测量系统 机械设备状态、汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液机械设备状态、汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温

44、度、血液 脉搏波、心电参数等多种检测和监测脉搏波、心电参数等多种检测和监测 n自动控制和工业控制领域自动控制和工业控制领域：卓越计算能力巨大数据吞吐能力：卓越计算能力巨大数据吞吐能力 温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 LabViewLabView 开发举例开发举例 示波器示波器 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 双通道示波器双通道示波器 触发：内和外触发：内和外 时基控制时基控制 幅值控制幅值控制 LabViewLabView 开发举例开发举例 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 LabViewLabView 开

45、发举例开发举例 振动分析振动分析 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 振动分析振动分析 采集采集 时域分析时域分析 频域分析频域分析 LabViewLabView 开发举例开发举例 混合过程控制混合过程控制 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 温度测量温度测量 加热控制加热控制 开发举例开发举例 采集监测采集监测 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 开发举例开发举例 数据分析数据分析 4 4、虚拟仪器、虚拟仪器 瀑布图瀑布图 谱阵分析谱阵分析 基本原则基本原则 测量装置选用测量装置选用 满足关键指标、合理的带宽、接口标准满足关键指标、合理的带宽、接口标准 误差分配误差分配 综合误差最小或合成不确定度最小综合误差最小或

46、合成不确定度最小 直接测量量的测量精度适中，降低难度直接测量量的测量精度适中，降低难度 传感器选用传感器选用 优先考虑功能、然后再是指标优先考虑功能、然后再是指标 其它其它 5 5、测试系统设计、测试系统设计 步骤步骤 目的目的 任务：任务：参数监测参数监测/ /检测检测/ /监控；参数计算（功率测量、传监控；参数计算（功率测量、传 递函数）；物理参数的确定；信息量的确定递函数）；物理参数的确定；信息量的确定 环境：环境：高压、高温、高冲击；工作介质高压、高温、高冲击；工作介质( (水、油、空气或水、油、空气或 蒸气蒸气) )；被测表面；被测表面( (材质、偏差材质、偏差) ) 功能功能 在线

47、测量在线测量/ /离线测量离线测量/ /数据存储数据存储/ /数据发布数据发布/ /数据传输数据传输 周期周期 快速构建：现有测试模块和测试单元快速构建：现有测试模块和测试单元 长远规划：精心选择、科学组建长远规划：精心选择、科学组建 5 5、测试系统设计、测试系统设计 步骤步骤 成本成本 简易：传感器电压表；传感器简易：传感器电压表；传感器A/DA/D板计算机板计算机 适中：传感器信号处理信号测量适中：传感器信号处理信号测量 先进：传感器信号处理测量、分析、传输先进：传感器信号处理测量、分析、传输 指标指标 非线性度、精度、量程、分辨率；稳定性、温漂、零漂非线性度、精度、量程、分辨率；稳定性

48、、温漂、零漂 频响频响 被测参数被测参数 振动、位移、温度、转速、压力、扭矩振动、位移、温度、转速、压力、扭矩 5 5、测试系统设计、测试系统设计 步骤步骤 选择传感器选择传感器 指标：指标：灵敏度、线性范围、精确度、响应特性、测量方式灵敏度、线性范围、精确度、响应特性、测量方式 工程考虑工程考虑 传感器传感器种类种类越少越好越少越好 合并：位移振动合并：位移振动 类型优化：一种传感器多种测量类型优化：一种传感器多种测量( (涡流传感器：位移、振涡流传感器：位移、振 动、转速动、转速) ) 输出标准：减少信号处理难度输出标准：减少信号处理难度 电流电流 420mA420mA、电压、电压5V;

49、5V; 数字通讯（数字通讯（TCP/IPTCP/IP） 5 5、测试系统设计、测试系统设计 步骤步骤 测试部位测试部位 对被测量的影响对被测量的影响 对传感器的影响对传感器的影响 测试方法：测试方法：基于计算机的测试、传统测试、简单测试基于计算机的测试、传统测试、简单测试 测试系统性能指标测试系统性能指标 成本成本 人机交互界面人机交互界面 5 5、测试系统设计、测试系统设计 切角面切角面 3x探头直径探头直径 圆柱面圆柱面 3x探头直径探头直径 传感器传感器 抗干扰抗干扰 干扰源干扰源 外部干扰外部干扰环境环境 电磁场、振动、温度、湿度等电磁场、振动、温度、湿度等 内部干扰内部干扰电路电路

50、元器件干扰元器件干扰 信号回路干扰信号回路干扰 负载回路干扰负载回路干扰 电源干扰电源干扰 数字电路干扰数字电路干扰 5 5、测试系统设计、测试系统设计 抗干扰抗干扰 干扰传播路径干扰传播路径 静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有效输入成分。静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有效输入成分。 电磁感应：变化的电流通过互感作用在另一回路中引起的感电磁感应：变化的电流通过互感作用在另一回路中引起的感 应电动势。应电动势。 公共阻抗：阻抗不等的两个电路与另一公共阻抗串联产生的公共阻抗：阻抗不等的两个电路与另一公共阻抗串联产生的 干扰。干扰。 辐射电磁干扰：周围强烈的电磁场产生的感应电动势造成的

51、辐射电磁干扰：周围强烈的电磁场产生的感应电动势造成的 干扰。干扰。 漏电流干扰：电器元件绝缘不良或功率器件间距不够产生的漏电流干扰：电器元件绝缘不良或功率器件间距不够产生的 漏电现象。漏电现象。 5 5、测试系统设计、测试系统设计 En Un Zi Cm Un Zc In En Zi R Un 抗干扰抗干扰 接地技术接地技术 接地作用：安全、基准电位接地作用：安全、基准电位 抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等）抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等） 接地方式接地方式 并联接地并联接地 串联接地串联接地 串并联接地串并联接地 5 5、测试系统设计、测试系统设计 抗干扰抗干扰 接地技术接地技术 接地原则：一点接地接

52、地原则：一点接地 地线应连在一起并通过地线应连在一起并通过一点接地一点接地 避免公共地线各点避免公共地线各点电位不均匀而形成接地回路，电位不均匀而形成接地回路，产生干扰产生干扰 5 5、测试系统设计、测试系统设计 信号地线信号地线 （测试系统）（测试系统） 接地系统布置图接地系统布置图 电源地线电源地线 保护地线保护地线 （机壳、机架、机箱）（机壳、机架、机箱） 系统）系统） Rc1 Rc2 Ri UG 放放 大大 器器 A B Rs Us 抗干扰抗干扰 屏蔽技术屏蔽技术 静电屏蔽：静电屏蔽：在静电场作用下，在静电场作用下，导体导体内部各点等电位内部各点等电位 利用铜、铝等利用铜、铝等低阻导电

53、材料，做成低阻导电材料，做成接地金属容器，隔离内外接地金属容器，隔离内外 部电力线，消除静电耦合部电力线，消除静电耦合 磁屏蔽：磁屏蔽：导体层以导体层以涡流方式涡流方式消耗高频干扰磁场的能量消耗高频干扰磁场的能量 铁磁材料铁磁材料（硅钢、坡莫合金）制成容器（硅钢、坡莫合金）制成容器 电磁屏蔽：电磁屏蔽：用导电良好的用导电良好的金属材料金属材料（铜箔（铜箔,铝箔铝箔/板）做成的接地板）做成的接地 电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用 屏蔽导线、屏蔽电缆屏蔽导线、屏蔽电缆 5 5、测试系统设计、测试系统设计 抗干扰抗干扰 屏蔽技术屏蔽技术 简单的屏蔽简单的屏蔽接地、浮置接地、浮置 在高电压强磁场的环境下，测量仪器经常采用浮地系统在高电压强磁场的环境下，测量仪器经常采用浮地系统 为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地 o安全可靠安全可靠 o制造工艺复杂制造工艺复杂 o飞机、舰船上的设备采用浮地飞机、舰船上的设备采用浮地 5 5、测试系统设计、测试系统设计 机壳机壳机壳