自动检测技术：第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器

1、第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.1 被测信号的种类被测信号的种类 8.2 智能测试系统的基本结构及功能智能测试系统的基本结构及功能 8.3 智能测试系统的设计原则智能测试系统的设计原则 8.4 虚拟仪器技术虚拟仪器技术 思考与练习题思考与练习题 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.1 被测信号的种类被测信号的种类 数据采集前，必须对所采集信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的， 只有了解了被测信号， 才能选择合适的测量方式和采集系统配置。 任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载的信息是很广泛的，如

2、状态、 速率、电平、形状、 频率成分等。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟信号和数字信号。数字(二进制)信号又可分为开关信号和脉冲信号，模拟信号可分为直流信号、时域信号和频域信号， 如图8-1所示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-1 被测信号的分类及其波形 (a) 被测信号分类； (b) 各类被测信号的波形 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.1.1 8.1.1 数字信号数字信号第一类数字信号是开关信号。一个开关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开关信号。一个TTL信号如果在2.05.0 V之间，就定义它为逻辑高电平；如果在00.8 V之间，就定

3、义为逻辑低电平。 第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态发生转化的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要数字输入，比如一个步进式马达就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.1.2 8.1.2 模拟信号模拟信号1. 1. 模拟直流信号模拟直流信号模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确测量信

4、号电平。由于直流信号变化缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 2. 2. 模拟时域信号模拟时域信号模拟时域信号与其他信号的不同在于它在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，序列的时间间隔也应该合适，以保证信号的有用部分被采集到。 要以一定的速率进行测量，这个测量速率要能跟上波形的变化。用于测量时域信号的采集系统包括一个AD转换器、一个采样时钟和一个触发器。AD转换器的分辨率要足够高，带宽要足够宽，以保

5、证采集数据的精度和高速率采样；精确的采样时钟用于以精确的时间间隔采样；触发器使测量在恰当的时间开始。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 3. 3. 模拟频域信号模拟频域信号模拟频域信号与时域信号类似。然而，从频域信号中提取的信息是基于信号的频率成分，而不是信号的形状，也不是随时间变化的特性。用于测量一个频域信号的系统必须有一个AD转换器、一个简单的时钟和一个用于精确捕捉波形的触发器。系统必须有必要的分析功能，用于从信号中提取频域信息。为了实现这样的数字信号处理，可以使用应用软件或特殊的DSP硬件来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、地球物理信号、传输信号等。 上述信号分类

6、不是互相排斥的。一个特定的信号可能运载有不只一种信息，可以用几种方式来定义信号并测量它，也可用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中提取出需要的各种信息。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.2 智能测试系统的基本结构及功能智能测试系统的基本结构及功能 8.2.1 系统硬件组成系统硬件组成 1) 微机子系统微机子系统是整个系统的核心，对整个系统起监督、管理、 控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号、控制整个测试过程等。此外，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，可实现命令识别，逻辑判断，非线性误差修正，系统动态特性的自校正，以及系统自学习、自适应、 自诊断、自

7、组织等功能。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-2 智能测试系统的典型结构 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 2) 数据采集子系统及接口数据采集子系统及接口用于和传感器、测试元件、变送器联接，实现参数采集、选路控制、零点校正、量程自动切换等功能。被测参数由数据采集子系统收集、整理后，传送到微机子系统进行处理。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 3) 基本I/O子系统及接口基本I/O子系统及接口用于实现人机对话，输入或修改系统参数， 改变系统工作状态，输出测试结果，动态显示测控过程， 实现以多种形式输出、 显示、 记录、 报警等功能。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 4) 通信子

8、系统及接口通信子系统及接口用于实现本系统与其他仪器仪表、系统的通信与互联。依靠通信子系统，可根据实际问题需求灵活构造不同规模、不同用途的微机测控系统，如分布式测控系统、集散型测控系统等。通信接口的结构及设计方法与采用的总线技术、 总线规范有关，例如有IEEE-488(或GP-IB)总线、RS-232C总线、 STD总线、VXI总线、现场总线等。总线技术及规范不同，需要采用不同的软硬件接口实现方法及不同的技术平台支撑。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 5) 控制子系统及接口 控制子系统实现对被测控对象、被测试组件、测试信号发生器乃至系统本身和测试操作过程的自动控制。接口根据实际需要以各种形式

9、大量存在于系统中，其作用是完成它所联接的设备之间的信号转换(如进行信号功率匹配、阻抗匹配、电平转换和匹配)和交换信号（如控制命令、状态数据信号、寻址信号等)传输、信号拾取、对信息进行必要的缓冲或锁存，增强微机自动测试系统的功能。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.2.2 8.2.2 系统软件组成系统软件组成 设计好测试系统硬件之后，如何充分发挥微机强大的技术资源和潜力，开发友好的中文操作平台，使系统具有良好的管理与控制特性，具有良好的可用性，需要很好的软件设计技术和设计方法。 设计系统软件时，要经历软件结构设计、软件编制、软件调试等过程。一般采用模块化和结构化程序设计方法，即自顶向下的设

10、计方法，适当划分模块可提高设计与调试的效率。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 整个测试系统不仅要接收来自于传感器或变送器的信号， 而且要接收和处理来自于控制面板的控制信号或由通信系统传来的控制命令等信号，还要求系统具有实时处理能力，能实时完成各种测控任务。因此，要合理安排程序的结构。 测试系统的软件通常由监控主程序、中断服务程序、测试算法、通信与控制程序等组成， 如图8-3所示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-3 测试系统的软件组成 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 1) 初始化管理模块 软件初始化包括中断安排、堆栈初始化、状态变量初始化、 各软件标志初始化、系统时钟初始化、

11、各变量存储单元初始化、 系统参数初始化等。 2) 数据采集模块 数据采集模块完成对数据采集电路的控制、 测试数据的读取与存储等。 3) 测试算法模块 测试算法模块用于非线性校正、 标度变换、 量程自动转换、 软件抗干扰等。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 4) 人机接口人机接口包括显示管理和键盘管理两个模块。测试结果的显示方式有模拟显示、数字显示、混合显示等。系统的键盘可采用编码键盘或软件扫描(非编码)键盘，与系统采用的微处理机类型、键盘类型等有关。 5) 通信与控制模块通信与控制模块实现与上位机或其他仪器仪表、其他系统的互联及通信控制。该模块的设计与系统采用的通信总线标准、 通信协议、

12、通信接口电路等因素有关。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 6) 时钟管理模块定时电路及时钟管理在微机自动测试系统中必不可少， 其主要用于数据采样周期定时、控制周期定时、多参数巡回显示的显示周期定时、故障监视电路的定时信号等。定时的实现有硬件、软件和软硬件结合等方法。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 7) 故障自诊断与处理故障自诊断与处理是提高系统可靠性和可维护性的重要手段之一。主要手段有以下三种。 （1） 开机自检：每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次测试。 （2） 周期性自诊断： 对系统周期性地进行自诊断。 （3） 键控自诊断： 操作人员按“自诊断”按键

13、启动自诊断功能。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8) 中断管理中断管理针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。 9) 监控主程序监控主程序的主要作用是及时响应来自系统或外部的各种服务请求，有效地管理系统的软硬件资源，并在系统一旦发生故障时，能及时发现和做出相应的处理。 监控主程序调用功能模块，形成一个有机整体，实现对测试系统的全面管理，因此监控软件设计成为系统软件的核心。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.3 智能测试系统的设计原则智能测试系统的设计原则 8.3.1 8.3.1 组建测试系统的基本原则组建测试系

14、统的基本原则将传感器、调理电路、数据采集系统组建为一个测试系统的基本原则是使测试系统的基本参数、静态性能及动态性能均达到预先规定的要求。组建过程中预估工作是非常重要的。预估工作就是根据对测量系统规定的参数指标要求，选择和确定系统的各个环节(包括传感器、调理电路和数据采集系统)。 如果选择的环节性能过高，虽然能满足系统性能的要求，但会使成本费用过高；第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.3.2 组建测试系统的基本方法组建测试系统的基本方法 图8-4 基本测试系统 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图中的环节S1代表传感器；环节S2代表调理电路。最简单的调理电路是放大器；环节S3代表数据采集系

15、统的核心单元具有采样/保持器的A/D转换器。H1(j)和H2(j)分别代表传感器S1与放大器S2的频率特性。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 1 1 基本参数的预估基本参数的预估 基本参数的预估项目主要是分辨率与量程。 设测试系统总的灵敏度为S， 可表示为 3212121SSSSuyuuxuxy (8-1) 预估时通常按系统的精度与量程以及工作环境等要求，先确定传感器类型及其灵敏度值S1，然后再根据系统要求的分辨率(由量程及精度指标得到)确定AD转换器的分辨率；最后，根据AD转换器的量程与传感器的输出范围确定放大器的增益。一般要求AD转换器的分辨率应稍高于系统要求的分辨率。如果测试系统要求

16、的AD转换器分辨率很高(14位以上)，可以考虑采用可编程增益放大器进行自动量程切换以达到所需的分辨率。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 2 2 动态性能的预估动态性能的预估 1) 模拟部分 传感器与放大器的频率特性分别为 )()()(11jXjUjH(8-2) )()()(122jUjUjH(8-3) 因此，模拟部分总的频率特性H(j)为 )()()()()()()()()(211212jHjHjUjUjXjUjXjUjH(8-4) 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 故动态幅值误差可表示为 %100)()()(jHjHjHNN(8-5) 式中, 当HN(j)= HN(0)时，是信号传递功

17、能的理想频率特性。 一般传感器为一阶或二阶系统， 放大器为一阶系统。 当传感器与放大器均为一阶系统时， 这时动态幅值误差为 1)(11)(112221(8-6) 式中：1为传感器的时间常数；2为放大器的时间常数。通常放大器给出的指标是带宽fb，则。 bf212第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 将选取的1及2代人式(86)，应使=2fm时满足允许值，即 5 (8-7) 若传感器为二阶系统， 放大器为一阶系统， 这时有 1112112220220)()()(8-8) 式中：0为传感器的固有角频率；为传感器的阻尼比。如果说明书未给出，则按=0进行预估；2为放大器的时间常数， 可按带宽fb求得（2=

18、1/(2fb)）。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 (2)数字部分 数字部分与动态误差有关的器件指标是AD转换器的转换时间Tc、采样保持器的孔径时间TAP和孔径抖动时间TAJ。 如果不采用采样保持器，在保证AD转换器转换误差不大于量化误差的条件下，被测号的频率最大值fH可表示为 cnHTf1211(8-9) 式中，n是AD转换器的位数。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 如果上述条件不能满足，则需在AD转换器前加采样保持器。一般米说TAP的延时影响可以通过软件提前下达指令的措施消除，故被测信号的频率最大值fH可表示为 AJnHTf1211(8-10) 式中，TAJ为孔径抖动范围，即孔径不

19、确定度，通常TAJ是TAP的1050。 总的说来，含有传感器的测量系统，系统的动态性能主要受传感器的限制。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 3 3 静态性能的预估静态性能的预估 静态性能的预估就是按总误差的限定值对组成系统的各环节进行误差分配。这是一个从误差预分配、综合调整， 再分配、再综合直至选定环节的静态性能满足系统性能要求的过程。 根据式(8-1)可以写出系统输出y的表达式为 xSSSy321 (8-11) 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 对上式取对数并进行全微分，得 xSSSylnlnlnlnln321 (8-12) xdxSdSSdSSdSyyd332211 (8-13) 由

20、于x是被测量，其误差不属于测量系统本身的误差，故这里不予考虑。 于是由式(8-13)可得 332211ddddySSSSSSy第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 则 ry= r1 +r2 +r3 (8-14) 式中：ry=dy/y为整机的相对误差；r1=d S1/ S 1为S 1环节的相对误差；r2=d S2/ S 2为S 2环节的相对误差；r3=d S3/ S 3为S 3环节的相对误差。 如果进一步分析各环节本身的误差因素， 可得 r1= r11 +r12 +r13+r2= r21 +r22 +r23+r3= r31 +r32 +r33+ 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 将r3、r2、r

21、3代入式 (814) 得 ry= r11 +r12 +r13+ r21 +r22 +r23+ r31 +r32 +r33+ 式(814)用于已知各环节误差的大小和符号时的误差综合，故适用于系统误差。对于以计算机为核心的现代测试系统，由各环节的系统误差产生的整机系统误差可以通过标定实验数据进行修正。因此，在静态性能的预估时可只关心变化系统误差(系统不确定度)和随机误差(随机不确定度)，采用方和根法综合，整机误差为 rrrrrrrrrr2332322312232222212132122211y (8-15) 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 按照整机性能的要求，引用误差小于1.0%，则整机的扩展

22、不确定度U1.0%。为简单起见取覆盖因子ky=3（P0.99），则整机标准不确定rc为 %33. 0yrckU于是式(8-15)的误差公式用不确定度表示为 2332322312232222212132122211rc第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.4 虚拟仪器技术虚拟仪器技术 8.4.1 8.4.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念虚拟仪器实质上是一种创新的仪器设计思想，而非一种具体的仪器。换言之，虚拟仪器可以有各种各样的形式，完全取决于实际的物理系统和构成仪器数据采集单元的硬件类型。图8-5所示为常见的虚拟仪器方案。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-5 常见的虚拟仪器方案 第8

23、章 智能测试系统设计及虚拟仪器 虚拟仪器的“虚拟”主要表现在以下两个方面： （1） 虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“图标”和传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的，由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的通、 断，被测信号的输入通道、放大倍数等参数的设置以及测量结果的数值显示和波形显示等。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 （2） 虚拟仪器的测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能的，因为可以通过不同的测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能。 虚拟仪器和传统的用硬件设计的测量仪器比

24、较有自己独特的优势，如表8-1所示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 表表8-1 虚拟仪器和传统仪器比较虚拟仪器和传统仪器比较 虚 拟 仪 器： 传 统 仪 器： 开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发展 封闭、仪器间相互配合较差。 关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载升级程序既可。 关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上门服务。 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高。 价格昂贵，仪器间一般无法相互利用。 用户可定义仪器功能。 只有厂家能定义仪器功能。 可以与网络及周边设备方便连接。 功能单一，只能连接有限的独立设备。 开发与维护费用降至最低。 开发与维护开销高。 技术更新周期短（1-

25、2 年） 。 技术更新周期长（5-10 年） 。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.4.2 8.4.2 虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成1 1 虚拟仪器的硬件平台虚拟仪器的硬件平台构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： 计算机和I/O接口设备。1） 计算机计算机一般为一台PC机或者工作站， 是硬件平台的核心。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 2） I/O接口设备I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大及模/数转换。不同的总线有其相应的I/O接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集卡/板（简称DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器、PXI总线仪器模块等。虚拟仪器构成方

26、式主要有五种类型， 如图8-6所示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-6 虚拟仪器的构成方式 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 （1） PC-DAQ系统：是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。它采用PCI或ISA计算机本身的总线，故将数据采集卡/板 (DAQ) 插入计算机的空槽中即可。 （2）GPIB系统：以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。典型的GPIB测试系统由一台计算机、一块GPIB接口板和几台GPIB仪器组成。GPIB接口板插入计算机的插槽中，建立起计算机与具有GPIB接口的仪器设备之间的通信桥梁。 第8

27、章 智能测试系统设计及虚拟仪器 （3） VXI系统：以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。VXI总线是一种高速计算机总线在仪器领域的扩展。它具有标准开发、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、众多仪器商支持等优点，应用越来越广。尤其在组建大中规模自动测量控制系统， 以及对速度、 精度要求非常高的场合，有其他仪器无法比拟的优点。此外，VXI总线的组建方案其功能最为强大、 组建的系统最为稳定，但VXI总线在实现强大功能的同时，价格也是十分昂贵的。 如果使用计算机来控制VXI总线设备，则需要配备一块GPIB接口卡，通过GPIB总线与VXI主机箱零槽

28、模块通信。零槽模块的GPIB-VXI翻译器将GPIB的命令翻译成VXI命令并把各模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 （4） PXI系统：以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。PXI(PCIbus eXtentions for Instrumentation)总线是基于PCI总线的虚拟仪器系统构架，是NI公司于1997年推出的一种新的开放性、 模块化仪器总线规范。PXI在主流PCI计算技术和控制器的基础上采用流行的奔腾MMX处理器，带有标准GPIB接口、并串口、以太网络接口及显示器接口，为用户组建速度高、 成本低、结构紧

29、凑的测试系统提供了可行性。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 （5） 串口系统：以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 无论上述哪种虚拟仪器系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。其中，PC-DAQ测量系统是构成虚拟仪器的最基本的方式， 也是最廉价的方式。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 2 2 虚拟仪器的应用软件虚拟仪器的应用软件开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。目前已有多种虚拟仪器的软件开发工具，主要分为以下两类： （1） 文本式编程语言，如C、Visual C、Visual Basic、Labwindows/CVI等。 （2) 图形化

30、编程语言，如LabVIEW、HPVEE等。 这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。LabVIEW 图形化虚拟仪器编程语言和文本式编程语言相比更直观、可视化更强，因此使用较为广泛。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 虚拟仪器应用软件由以下两大部分构成：(1) 应用程序。它包含两个方面的程序： 实现虚拟面板功能的前面板软件程序和定义测试功能的流程图软件程序。 (2) I/O接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、 驱动与通信。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.4.3 虚拟仪器的软件开发平台虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW

31、 1. 1. LabVIEWLabVIEW应用程序的构成应用程序的构成1） 前面板图8-7所示是一个随机信号发生器VI的前面板。它的上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数； 还有一个控制对象开关，可以启动和停止工作。显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-7 随机信号发生器的前面板 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 2） 流程图流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程， 以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有但编程必须有的

32、东西，例如函数、结构和连线等。图8-8是与图8-7对应的流程图。可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子， 还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个While Loop循环， 由开关控制这一循环的结束。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-8 随机信号发生器的流程图 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 3） 图标/连接器VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子程序， 这里称为子VI（Sub VI），它被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。 第8章 智能测试系统

33、设计及虚拟仪器 2. 2. LabVIEWLabVIEW的操作模板的操作模板1） 工具模板（Tools Palette）工具模板如图8-9所示，其子模板见表8-2。该模板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。如果该模板没有出现，则可以在Windows菜单下选择Show Tools Palette命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从Windows菜单下选择了Show Help Window功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（Sub VI）或图标上，就会显示相应的帮助信息。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图

34、8-9 工具模板 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 表表8-2 工具模板之子模板工具模板之子模板 图标 名称 功 能 Operate Value（操作值） 用于操作前面板的控制和显示。使用它向数字或字符串控制中键入值时，工具会变成标签工具 Position/Size/Select （选择） 用于选择、移动或改变对象的大小。当它用于改变对象的连框大小时，会变成相应形状。 Edit Text（编辑文本） 用于输入标签文本或者创建自由标签。当创建自由标签时它会变成相应形状。 Connect Wire （连线） 用于在流程图程序上连接对象。如果联机帮助的窗口被打开时，把该工具放在任一条连线上，就会显

35、示相应的数据类型。 Object Shortcut Menu（对象菜单） 用鼠标左键可以弹出对象的弹出式菜单。 Scroll Windows（窗口漫游） 使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。 Set/Clear Breakpoint （ 断点设置清除） 使用该工具在 VI 的流程图对象上设置断点。 Probe Data（数据探针） 可在框图程序内的数据流线上设置探针。通过控针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。 Get Color（颜色提取） 使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。 10 Set Color（颜色设置） 用来给对象定义颜色。它也显示出对象的前景色和背景色。 第8

36、章 智能测试系统设计及虚拟仪器 2） 控制模板（Control Palette）控制模板是多层的， 其中每一个子模板下还包括多个对象。 （注意： 只有打开前面板时才能调用该模板。） 控制模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。如果控制模板不显示， 可以用Windows菜单的Show Controls Palette功能打开它， 也可以在前面板的空白处点击鼠标右键，以弹出控制模板。 控制模板如图8-10所示， 它包括表8-3所示的一些子模板。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-10 控制模板 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 表表8-3 控制模

37、板之子模板控制模板之子模板 图标 子模板名称 功 能 Numeric（数值量） 数值的控制和显示。包含数字式、指针式显示表盘及各种输入框。 Boolean（布尔量） 逻辑数值的控制和显示。包含各种布尔开关、按钮以及指示灯等。 String & Path（字符串和路径） 字符串和路径的控制和显示。 Array & Cluster（数组和簇） 数组和簇的控制和显示。 List & Table（列表和表格） 列表和表格的控制和显示 Graph（图形显示） 显示数据结果的趋势图和曲线图。 Ring & Enum（环与枚举） 环与枚举的控制和显示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 I/O（输入/输出

38、功能） 输入/输出功能。于操作 OLE、ActiveX 等功能。 Refnum 参考数 10 Digilog Controls（数字控制） 数字控制 11 Clussic Controls（经典控制） 经典控制，指以前版本软件的面板图标。 12 Activex 用于 ActiveX 等功能。 13 Decorations （ 装饰） 用于给前面板进行装饰的各种图形对象。 14 Select a Controls（控制选择） 调用存储在文件中的控制和显示的接口。 15 User Controls（用户控制） 用户自定义的控制和显示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 3） 功能模板(Funct

39、ions Palette) 功能模板是多层的， 其中每一个子模板下还包括多个对象。（注意：只有打开了流程图程序窗口，才能出现功能模板。） 功能模板是创建流程图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若功能模板不出现，则可以用Windows菜单下的Show Functions Palette功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键， 以弹出功能模板。 功能模板如图8-11所示， 其子模板见表8-4（个别不常用的子模板未包含）。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-11 功能模板 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 表表8-4 功能模板之子模板功能模板之子模板 图

40、标 子模板名称 功 能 Structure （结构） 包括程序控制结构命令，例如循环控制等，以及全局变量和局部变量。 Numeric（数值运算） 包括各种常用的数值运算，还包括数制转换、三角函数、对数、复数等运算，以及各种数值常数。 Boolean（布尔运算） 包括各种逻辑运算符以及布尔常数。 String （字符串运算） 包含各种字符串操作函数、数值与字符串之间的转换函数，以及字符(串)常数等。 Array（数组） 包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数组等。 Cluster（簇） 包括簇的处理函数，以及群常数等。这里的群相当于 C 语言中的结构。 Comparison （ 比较） 包括

41、各种比较运算函数，如大于、小于、等于。 Time & Dialog （时间和对话框） 包括对话框窗口、时间和出错处理函数等。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 表表8-4 功能模板之子模板功能模板之子模板 File I/O（文件输入/输出） 包括处理文件输入/输出的程序和函数。 10 DataAcquisition（数据采集） 包括数据采集硬件的驱动，以及信号调理所需的各种功能模块。 11 Waveform（波形） 各种波形处理工具 12 Analyze（分析） 信号发生、时域及频域分析功能模块及数学工具 。 13 Instrument I/O（ 仪 器输 入 / 输出） 包括 GPIB(4

42、88、488.2)、串行、VXI 仪器控制的程序和函数，以及 VISA 的操作功能函数。 14 Motion & Vision（运动与景像） 15 Mathematics（数学） 包括统计、曲线拟合、公式框节点等功能模块，以及数值微分、积分等数值计算工具模块。 16 Communication（通讯） 包括 TCP、DDE、ActiveX 和 OLE 等功能的处理模块。 17 Application Control（应用控制） 包括动态调用 VI、标准可执行程序的功能函数。 18 Graphics & Sound（图形与声音） 包括 3D、OpenGL、声音播放等功能模块。包括调用动态连接库和

43、 CIN 节点等功能的处理模块。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 表表8-4 功能模板之子模板功能模板之子模板 19 Tutorial （示教课程） 包括 LabVIEW 示教程序。 20 Report Generation （文档生成） 21 Advanced （高级功能） 22 Select a VI（选择子 VI） 23 User Library（用户子 VI 库） 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 8.4.4 8.4.4 构建一个简单的虚拟仪器构建一个简单的虚拟仪器1. DAQ1. DAQ设备的安装与配置设备的安装与配置通常情况下， LabVIEW安装和配置DAQ板卡的主要步骤如

44、图8-12所示。 图8-12 安装和配置DAQ板卡的主要步骤第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 1) 安装DAQ设备硬件将PCI 数据采集卡插到计算机主板上一个空闲的PCI插槽中，接好各种附件，其驱动程序就是NI-DAQ。附件包括一条数据线和一个转接板，转接板直接与外部信号连接。 在LabVIEW中， DAQ设备与DAQ节点以及用户开发的VI的层次关系如图8-13所示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-13 DAQ设备与DAQ节点以及VI的层次关系图 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 2) 安装DAQ设备驱动及检验在安装NI-DAQ软件时，系统会自动安装一个名为Measuremen

45、t&Automation Explorer的软件，简称MAX，该软件用于管理和配置硬件设备。 若DAQ设备安装成功，可在Measurement & Automation 浏览窗口看到DAQ设备硬件的型号， 如图8-14所示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-14 Measurement & Automation浏览窗口 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 3) 配置DAQ设备下面介绍如何用MAX配置PCI-6014数据采集卡。 （1） 运行MAX，在MAX窗口左侧的设备管理树的Devices and Interfaces选项中，选择PCI-6014数据采集卡，如图8-15所示。 第8

46、章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-15 选择PCI-6014窗口 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 （2） 在PCI-6014数据采集卡窗口选择Properties.， 弹出PCI-6014数据采集卡的配置对话框，如图8-16所示。 对话框主要有五部分： System， AI， AO， Accessory和OPC(Remote Access是远程控制对话框， 这里不介绍)。 在这个对话框中可以完成对DAQ设备的配置。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-16 Configuring Device对话框 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 （3） 设置DAQ设备在系统中的设备(Dev

47、ice)编号。 在Configuring Device对话框的System页面中将Device属性值设为1，如图8-16所示。另外，该页面会将DAQ设备在Windows中所占用的资源列出， 例如中断号、 内存范围等。 （4） 设置模拟输入(AI)属性。在Configuring Device对话框的AI页面中，将Polarity属性值设为10.0V+10.0V， 将Mode属性值设为Differential(差分输入)， 如图8-17所示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-17 Configuring Device对话框的AI页面 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 （5） 设置模拟输

48、出(AO)属性。 在Configuring Device对话框的AO页面中， 将Polarity属性值设为Bipolar(双极性)， 如图8-18所示。 图8-18 Configuring Device对话框的AO页面 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 （6） 设置附件(Accessory)。 在Configuring Device对话框的Accessory页面中，将Polarity属性值设为所选用的转接板型号， 如BNC-2080， 如图8-19所示。 图8-19 Configuring Device对话框的Accessory页面 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 （7） 设置过程控制(

49、OPC)。在Configuring Device对话框的OPC页面中， 将Polarity属性值设为Disabled，如图8-20所示。 图8-20 Configuring Device对话框的OPC页面 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 在完成了上述属性的设置之后， 单击“确定”按钮。 若 属 性 配 制 成 功 ， 数 据 采 集 卡 正 常 工 作 ， 单 击Configuring Device对话框System页面中的“Test Resources”按钮，系统就会弹出一个对话框，告知用户DAQ设备通过了测试，如图8-21所示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-21 Conf

50、iguring Device对话框System页面中的Test Resources页面 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-22 Test Panel窗口 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 2. DAQ2. DAQ编程编程DAQ的软硬件安装及配置之后，就可以进行DAQ编程。 LabVIEW是通过DAQ节点来控制DAQ设备完成数据采集的，所有的DAQ节点都包含在Functions模板All Functions子模板NI Measurements子模板Data Acquisition子模板中，如图8-23所示。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-23 Data Acquisitio

51、n子模板 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-24 Data Acquisition子模板 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 各子模板的主要功能如下： Analog Input子模板：完成模拟信号的数据采集，将外部模拟信号通过DAQ设备的AD功能转化为数字信号，并采集到计算机中。 Analog Output子模板：完成模拟信号的输出，将计算机所产生的数字信号通过DAQ设备的DA功能转化为模拟信号，然后输出。 Digital IO子模板：用于控制DAQ设备的数字IO功能。 Counter子模板： 用于控制DAQ设备的计数器功能。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 Calibration

52、 and Configuration子模板：用于校准和配置DAQ设备，并且能够返回DAQ设备的配置信息。由于NI公司在DAQ设备出厂前已经进行了校准，一般情况下，用户将很少用到Calibration and Configuration子模板中的DAQ VIs。 Signal Conditioning子模板：将从温度传感器、应变片或热电偶中采集到的模拟电压信号转化为相应的应力单位或温度单位。在这些VIs中，可以根据特定的精度需求编辑转换公式。 需要注意的一点是，如果用户编辑了自己的公式，则需将这些VIs另外保存到用户自己的文件夹中。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-25是多通道数据采集

53、 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 图8-26 多通道数据采集系统的程序框图 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 3 3 设计一个虚拟仪器（设计一个虚拟仪器（VIVI）的基本步骤）的基本步骤通常， 设计一个VI的步骤如下： (1) 在前面板设计窗口中设置控件， 并创建“流程图”中的端口。 首先在前面板开发窗口使用工具模板中的相应工具，从Controls(控制)模板中选择并放置好所需控件，进行控件属性参数设置， 标贴文字说明标签。 (2) 在流程图编辑窗口中放置节点、图框，并创建前面板控件。在流程图编辑窗口使用工具模板中的相应工具，从Functions（功能）模板中选择并放置好所需图标，它们是

54、流程图中的“节点”和“图框”。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 (3) 数据流编程。 数据流编程就是使用连线工具按数据流的方向将端口、 节点、图框依次相连，实现数据从源头按规定的运行方式到达目的终点。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 (4) 运行检验。 当完成步骤(1)、(2)、(3)后，前面板程序与流程图图形化程序的设计则已进行完毕，一个VI已基本建立，是否达到预期功能，还需运行检验。有两种检验方式： 仿真检验。该检验方式不使用I/O接口硬件设备。 对VI检验运行所需的信号数据采用由“数组”或“信号生成函数”产生的“仿真信号”。 实测检验。该检验方式通过I/O接口硬件设备，采集输入标

55、准信号，来检验虚拟仪器的功能。仿真检验在实测检验之前进行，它是虚拟仪器所特有的优势，因为它对反复检验、 调试及不断完善改进VI极为方便，是传统仪器无法采用的检验手段。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 (5) 程序调试技术。 利用快捷工具栏中的“运行”、“高亮执行”、“单步执行”、 “断点设置”进行以下程序调试步骤： 找出语法错误。 如果存在语法错误，则当启动快捷工具栏的“运行”按钮时，该按钮将变成一个折断的箭头，程序不能被执行。用鼠标左击该按钮，则将弹出错误清单窗口，窗口中列出了错误的项目， 然后左击其中任何一个所列出的错误，再左击“Find”按钮， 则出错的对象或端口就会变成高亮。 第8

56、章 智能测试系统设计及虚拟仪器 慢速跟踪程序的运行。 利用快捷工具栏中的“高亮执行”按钮，左击该按钮，该按钮图标变成高亮形式，再点击“运行”按钮， 程序就以较慢的速度运行。没有被执行的代码灰色显示， 执行后的代码高亮显示，并显示数据流上的数据值。这样就可以根据数据流动的状态， 跟踪程序的执行。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 断点与单步执行。为了查找程序中的逻辑错误，用户也许希望框图程序一个节点一个节点地执行。使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步执行方式查看数据。 断点的设置。用工具模板上的“断点”工具点击希望设置或者清除断点的地方，该处即为所设置的断点。 断点的显

57、示。对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当VI程序运行到断点设置处时，程序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，表明它将执行。也可以点击快捷工具栏中的“暂停”按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 设置探针。 可以通过设置探针来查看框图程序流经某一根连接线的数据值。探针的设置方法有二： 利用工具模板上的“探针”工具，用鼠标左击欲放置探针的连接线。 把工具模板上的“选择”工具或“连线”工具放在欲放置探针的连线上，用鼠标右击该连线，将弹出一个对话框，选择Probe选项。 当探针设置完毕

58、后，会出现一个探针显示窗口。该显示窗口中的数据即为该连线上的数据值。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 (6) 数据观察。 当检验观察中发现有错误时，可用鼠标点击“Highlight Execution”按钮，观察数据流中各个节点的数值。 (7) 命名存盘。 保存设计好的VI。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 4 4 LabVIEWLabVIEW程序设计的其他有关问题程序设计的其他有关问题 1) 人机交互界面 人机交互过程主要是对程序的控制和对程序执行结果的观察，因此人机交互界面的定制包含两个方面的内容：一是程序运行时界面的显示模式；二是程序对操作的响应方式。可控制的对象包括按钮、键盘输入前面板对象和选择框等。LabVIEW前面板的最大特色是所见即所得， 即在编程中排布的界面就是软件运行时的界面。设计人机交互界面时，主要从审美和方便实用的角度出发。 第8章 智能测试系统设计及虚拟仪器 2) 定时与对话框LabVIEW 提供了许多定时的节点，它们主要完成关于时间的计算、换算和定时等功能，同时，LabVIEW还提供了一些显示提示信息的对话框， 这些节点并不处理任何信息，只是输出用户信息，对话框包括提示对话框和输入对话框两种。 3) 文件管理LabVIEW的文件管理方式