第四章 计算机辅助测量系统

1、被测量被测量传感器传感器过程过程物理量物理量输出输出基于计算机的测量仪器模型放大调理放大调理模拟模拟信号信号A/D转换器转换器计算机计算机模拟模拟信号信号数字数字信号信号 随着信息产业技术的迅速发展，当今即便最简随着信息产业技术的迅速发展，当今即便最简单的电子测量仪器，如数字万用表（单的电子测量仪器，如数字万用表（DMM），也），也都装上了计算机接口。目前市面上可以见到大量用都装上了计算机接口。目前市面上可以见到大量用于获取和计算分析测量数据的软、硬件，不接入计于获取和计算分析测量数据的软、硬件，不接入计算机的测试与测量（算机的测试与测量（T& M）的场合几乎不复存在，）的场合几乎不复存在，计

2、算机辅助测量计算机辅助测量（CAT）系统系统应运而生。应运而生。4.1 4.1 计算机概述计算机概述由于由于计算机系统计算机系统具有管理数据采集和进行数具有管理数据采集和进行数据处理、存储及显示的能力，而成为计算机辅助测据处理、存储及显示的能力，而成为计算机辅助测试系统及现代测试系统的核心。试系统及现代测试系统的核心。4.1.1 4.1.1 PC机机的的面世与发展面世与发展AppleIBM5150；286 486 Pentium4Personal Computer4.1.2 4.1.2 PC机机的分类的分类结构特点：结构特点： 固定式固定式（台式）；（台式）；便携式便携式（笔记本、掌上型）（笔

3、记本、掌上型）功能特点：功能特点： 家用型、商务型、工控机家用型、商务型、工控机4.1.3 4.1.3 PC机机外形结构外形结构v 主机主机v 显示器显示器v 键盘键盘v 鼠标鼠标v 音音箱箱v 音音箱箱触摸板屏幕键盘电源按钮4.1.4 4.1.4 计算机系统组成计算机系统组成 由由硬件硬件（Hardware)和和软件软件(software)两大部两大部分组成功能是由分组成功能是由硬件硬件和和软件软件协同运行而实现的。协同运行而实现的。一、一、计算机硬件计算机硬件组成及结构组成及结构主机主机( (中央处理器中央处理器（CPU)、主板、内存、硬盘、光驱、主板、内存、硬盘、光驱等等) )输入输出设

4、备输入输出设备（键盘、鼠标、显示器）（键盘、鼠标、显示器）外部设备外部设备（打印机、移动存储器、（打印机、移动存储器、USB数据采集卡等数据采集卡等）运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器输入设备输入设备存储器存储器指令流指令流控制命令控制命令数据流数据流v 主板主板/ /母板母板/ /系统板系统板：（：（电路板）电路板）v 计算机的核心：计算机的核心：CPU（运算器运算器+ +控制器控制器）接口转换器接口转换器（ICH）LPT软盘软盘键盘键盘鼠标鼠标打印机打印机显示器显示器RS-232USB以太网卡以太网卡IEC接口接口测量卡测量卡CPU连接器连接器（MCH）图形卡图形卡RAM硬盘硬盘CD

5、-ROMCPUPCI-bus图图4-1 4-1 典型典型PCPC机硬件结构机硬件结构u中央处理器中央处理器- -CPUIntelIntel处理器处理器AMDAMD处理器处理器 CPU是计算机的心脏，包括运是计算机的心脏，包括运算器和控制器，是完成各种运算和控算器和控制器，是完成各种运算和控制的核心，也是决定计算机性能的最制的核心，也是决定计算机性能的最重要的部件。主要的参数主频和位数。重要的部件。主要的参数主频和位数。计算机配置的计算机配置的CPU的型号实际上代表的型号实际上代表着计算机的的基本性能水平。着计算机的的基本性能水平。PC机主板的基本结构机主板的基本结构电池电池声卡芯片声卡芯片PC

6、I插槽插槽南桥芯片南桥芯片BIOS芯片芯片电源线插口电源线插口软驱插口软驱插口IDE插口插口AGP插槽插槽内存插槽内存插槽北桥芯片北桥芯片CPU插槽插槽IO接口接口IO接口接口 近年来生产的工控机近年来生产的工控机主板一般都集成了以太主板一般都集成了以太网卡网卡、声卡声卡和和显卡显卡。 主板主板独立显卡独立显卡AGP插槽插槽u PC机机I/O接口接口串行接口串行接口USB接口接口网络接口网络接口键盘、鼠标接键盘、鼠标接口口音频接口音频接口并行接口并行接口主板主板u 存储器（ Access Memory） 存储器存储器是计算机中存储程序和数据的部件。计是计算机中存储程序和数据的部件。计算机的存储

7、器分为两大部分，一部分为算机的存储器分为两大部分，一部分为内部存储器内部存储器或或主存储器主存储器，简称，简称内存内存或主存；另一部分为或主存；另一部分为外部存外部存储器储器或或辅助存储器辅助存储器，简称，简称外存外存或或辅存辅存。 v 存储容量存储容量 描述存储器存储二进制信息量多少的指标。存储二描述存储器存储二进制信息量多少的指标。存储二进制信息的基本单位是进制信息的基本单位是位位（bit，b）。）。一般把一般把8 8个二进制个二进制位组成的通用基本单元叫作位组成的通用基本单元叫作字节字节（ByteByte，B B）。）。微型计算微型计算机中通常以机中通常以字节字节为单位表示存储容量。为单

8、位表示存储容量。 1024B为为1KB; 1024KB为为1MB; 1024MB为为1GB; 1024GB为为1TB DRAM(Dynamic Random-Access Memory) ，即，即动态随机存储器最为常见的系统内存，常称为内存条。动态随机存储器最为常见的系统内存，常称为内存条。 （1）内存储器（）内存储器（RAM） RAM (Random-Access Memory)可称作系统内可称作系统内存存，任何时候都可以读写，任何时候都可以读写，RAM通常是作为操作系通常是作为操作系统或其他正在运行程序的临时存储介质。统或其他正在运行程序的临时存储介质。软驱软驱外存储器外存储器- -软盘软

9、盘（2）外存储器）外存储器外存储器外存储器- -硬盘硬盘光驱外存储器外存储器- -光驱光驱外存储器外存储器- -移动硬盘、优盘、闪存移动硬盘、优盘、闪存u 输入输出设备输入输出设备 LCD液晶显示器：使用了液晶显示器：使用了目前最新的全彩显示技术，而且目前最新的全彩显示技术，而且原理简单易懂。基本上，整个液原理简单易懂。基本上，整个液晶显示技术的概念是利用液晶的晶显示技术的概念是利用液晶的物理特性：通电时导通，排列变物理特性：通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，通电时排列混乱，阻止光线通过，让液晶如闸门般地阻隔或让光线让液晶如

10、闸门般地阻隔或让光线穿透。穿透。v 惠普激光打印机惠普激光打印机 LaserJet 1150LaserJet 1150 v 惠普惠普DJ3325DJ3325喷墨打印机喷墨打印机 v 映美映美LQ-200K24LQ-200K24针打印针打印 机机v 映美映美FP-660KFP-660K平推打印机平推打印机 微型计算机在硬件上普遍采用总线结构，总线微型计算机在硬件上普遍采用总线结构，总线结构使系统构成方便，并具有很好的可维护性和可结构使系统构成方便，并具有很好的可维护性和可扩展性。扩展性。 存存储储器器I/OI/O接接口口输输入入设设备备I/OI/O接接口口地址总线地址总线 ABAB输输出出设设备

11、备CPU数据总线数据总线 DBDB控制总线控制总线 CBCBI/OI/O接接口口u 计算机接口及总线结构计算机接口及总线结构 计算机内部器件之间，以及这些器件与外设之计算机内部器件之间，以及这些器件与外设之间的通讯是通过共同的数据线间的通讯是通过共同的数据线总线总线系统来实现系统来实现的。单台仪器或仪器模块则是通过接口挂在总线之的。单台仪器或仪器模块则是通过接口挂在总线之上。一台计算机的上。一台计算机的CPU、RAM、硬盘和、硬盘和CD-ROM需需要有一个快速的总线系统来实现它们之间的数据通要有一个快速的总线系统来实现它们之间的数据通讯，为此开发了并行的外部设备互连总线，即讯，为此开发了并行的

12、外部设备互连总线，即PCI总线（总线（1992年），其新的版本有年），其新的版本有PCI-X（1999年）年）和和PCI-Express（2001年第三代高性能年第三代高性能I/O串行总线）串行总线）。PCI总线总线 PCI总线总线通过接口转换器（通过接口转换器（HUB）和输入）和输入-输出输出设备、设备、LPT（并行口）、（并行口）、RS-232、USB（通用串行（通用串行总线）、总线）、PCMCIA（个人计算机存储卡国际协会）（个人计算机存储卡国际协会）和以太网（和以太网（Ethernet）等接口相连接。其中，接口）等接口相连接。其中，接口可以扩展安装，如并行口的可以扩展安装，如并行口的L

13、PT1、LPT2，或，或RS-232串行口的串行口的COM1、COM2等。等。接口转换器接口转换器（ICH）LPT软盘软盘键盘键盘鼠标鼠标打印机打印机显示器显示器RS-232USB以太网卡以太网卡IEC接口接口测量卡测量卡CPU连接器连接器（MCH）图形卡图形卡RAM硬盘硬盘CD-ROMCPUPCI-bus图图4-1 4-1 典型典型PCPC机硬件结构机硬件结构二、计算机软件二、计算机软件组成组成与硬件相比，与硬件相比，软件包括所有计算机非物理组件软件包括所有计算机非物理组件的的“软软”的功能部分的功能部分。软件用于信息流的调节与处。软件用于信息流的调节与处理，可以用符号链来描述，并为信息机器

14、所读取和理，可以用符号链来描述，并为信息机器所读取和解释。软件分为解释。软件分为系统程序系统程序和和应用程序应用程序：系统程序控：系统程序控制计算机内部运行过程；而应用程序则使计算机能制计算机内部运行过程；而应用程序则使计算机能处理用户提出的任务。处理用户提出的任务。 计算机的软件包含计算机的软件包含系统软件系统软件和和应用软件应用软件两部分。两部分。操作系统操作系统系统应用软件系统应用软件存储器管理存储器管理进程管理进程管理设备管理设备管理文件管理文件管理用户界面用户界面GUIGUI网络软件网络软件编译系统编译系统系统维护程序系统维护程序工具软件工具软件系统增强软件系统增强软件办公办公数据库

15、数据库图形图像图形图像游戏游戏娱乐娱乐4.2.1 4.2.1 虚拟仪器定义虚拟仪器定义4.2 4.2 虚拟仪器虚拟仪器 所谓的所谓的虚拟仪器虚拟仪器是指是指“以以软件为核心，以计算机为载体，软件为核心，以计算机为载体，通过硬件接口（或总线系统）通过硬件接口（或总线系统）与测量板卡（或测量硬件平台）与测量板卡（或测量硬件平台）连接在一起，以最大限度地利连接在一起，以最大限度地利用计算机系统的软、硬件资源，用计算机系统的软、硬件资源，使基于计算机的测试系统，不使基于计算机的测试系统，不仅能像传统程控仪器一样完成仅能像传统程控仪器一样完成测量任务，而且可利用强有力测量任务，而且可利用强有力的软件去代

16、替传统仪器的某些的软件去代替传统仪器的某些硬件功能硬件功能”。4.2.2 4.2.2 虚拟仪器技术的发展过程虚拟仪器技术的发展过程 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。革命。4.2.3 4.2.3 仪器定义和功能的转变仪器定义和功能的转变传统仪器传统仪器: :厂商定义厂商定义虚拟仪器虚拟仪器: :用户定义用户定义PROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPL

17、AY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMPROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMControl PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperature用户定义虚拟仪器的优点：用户定义虚拟仪器的优点：费用费用性能性能 用户定义用户定义 低费用低费用 灵活灵活 可再用性可再用性 可重新配置可重新配置4.2.4 4.2.4 虚拟仪器的内部功能虚拟仪器的内部功能 虚拟仪器与其它测量仪器一样

18、，可实现三部分功能，即虚拟仪器与其它测量仪器一样，可实现三部分功能，即信信号的采集与控制号的采集与控制、数据的分析与处理数据的分析与处理及及结果的表达与输出结果的表达与输出，但，但是实现上述功能的方式不同，下面按三个部分来叙述。是实现上述功能的方式不同，下面按三个部分来叙述。（1）信号采集与控制功能）信号采集与控制功能 虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成的硬件平台，实现对虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成的硬件平台，实现对信号的采集、测量信号的采集、测量/转换与控制的。硬件平台由两部分组成：转换与控制的。硬件平台由两部分组成： (a)计算机可以是笔记本计算机、计算机可以是笔记本计算机、PC机或工作

19、站；机或工作站； (b)仪器硬件：可以是插入式数据采集板（含信号调理电路、仪器硬件：可以是插入式数据采集板（含信号调理电路、AD转换器、数字转换器、数字 IO、定时器、定时器、DA转换器等），或者转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如是带标准总线接口的仪器，如 GPIB仪器、仪器、VXI仪器、仪器、RS232仪器等仪器等)。 (2)数据分析处理功能数据分析处理功能 虚拟仪器充分利用计算机的存储、运算功能，并通过虚拟仪器充分利用计算机的存储、运算功能，并通过软件软件实现对输入信号数据的分析处理。处理内容包括进行数字信号处实现对输入信号数据的分析处理。处理内容包括进行数字信号处理、数字滤波统计

20、处理、数值计算与分析等。虚拟仪器比传统仪理、数字滤波统计处理、数值计算与分析等。虚拟仪器比传统仪器以及智能仪器有更强大的数据分析处理功能。器以及智能仪器有更强大的数据分析处理功能。 (3) 测量结果的表达与输出测量结果的表达与输出 虚拟仪器充分利用计算机资源如内存、显示器等，对测量结果虚拟仪器充分利用计算机资源如内存、显示器等，对测量结果数据的表达与输出有多种方式，这也是传统仪器远不能及的。例数据的表达与输出有多种方式，这也是传统仪器远不能及的。例如，虚拟仪器可以实现：如，虚拟仪器可以实现： 通过总线网络进行数据传输；通过总线网络进行数据传输； 通过磁盘、光盘硬拷贝输出；通过磁盘、光盘硬拷贝输

21、出； 通过文件存于硬盘内存中；通过文件存于硬盘内存中； 计算机屏幕显示。计算机屏幕显示。4.2.5 4.2.5 虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成虚拟仪器系统是由虚拟仪器系统是由计算机计算机、仪器硬件仪器硬件和和应用应用软件软件和三大要素构成的。和三大要素构成的。 传感器传感器GPIB仪器仪器串口仪器串口仪器VXI模块模块PXI模块模块PC-DAQ计算机计算机 I/O接口设备 虚拟仪器的构成方式虚拟仪器的构成方式被测对象被测对象应用应用软件软件GPIBSerialDAQProcessorUnit Under TestVXIImage AcquisitionMotionControlPXIApplic

22、ationSoftwareHardware & Driver Software Measurement Studio LabVIEW VI系统有多种构成方式：系统有多种构成方式： PCDAQ测量系统测量系统：是以数据采集卡、信号调理：是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。 GPIB系统系统：是以：是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。件平台组成的测试系统。 VXI系统系统：是以：是以VXI标准总线仪器与计算机为硬件标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。平台组成的测试系统。

23、串口系统串口系统：是以：是以Seial标准总线仪器与计算机为硬标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。件平台组成的测试系统。虚拟仪器构成方式虚拟仪器构成方式 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各类计算机相结合，其中PC-DAQ测试系统是构成VI的基本方式。因为，实际上数据采集系统DAS是构成各种标准总线仪器的基础，故虚拟仪器是基于“信息的数据采集信息的数据采集(ADC)-信号的分信号的分析与处理析与处理(DSP)-输出输出(DAC)及显示及显示”的结构模式建立通用仪器硬件平台。在这个通用仪器硬件平台上，在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪器

24、调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪器。常用虚拟仪器板卡常用虚拟仪器板卡DAQ CardIMAQ Card4.2.6 4.2.6 常见的虚拟仪器软件平台常见的虚拟仪器软件平台LabVIEW4.2.7 4.2.7 虚拟仪器实例虚拟仪器实例例例1 1：虚拟仪器温度测量：虚拟仪器温度测量例例2 2：图图4-24-2是晶体管直流特性测量仪及其虚拟仪器。在虚是晶体管直流特性测量仪及其虚拟仪器。在虚拟仪器的软件界面（计算机显示屏）上的各种拟仪器的软件界面（计算机显示屏）上的各种“控件控件”与与传统仪器面板上的各种传统仪器面板上的各种“部件部件”所完成的功能是相同的。所完成的功能是相同的。u 虚拟仪器实例

25、虚拟仪器实例图图4-2 4-2 晶体管直流特性测量仪及其虚拟仪器晶体管直流特性测量仪及其虚拟仪器例例3： 在以计算机为核心组成的虚拟测试平台上，还可通过在以计算机为核心组成的虚拟测试平台上，还可通过软件编程设计来划分虚拟仪器的界面，以得到对应于不同测软件编程设计来划分虚拟仪器的界面，以得到对应于不同测量装置的多个虚拟测量仪器，进而，通过具有不同测量功能量装置的多个虚拟测量仪器，进而，通过具有不同测量功能的软件模块的组合来构建综合参数测试系统，如图的软件模块的组合来构建综合参数测试系统，如图4-34-3所示。所示。 图图4-3 4-3 某型发动机综合参数测试系统的虚拟仪器界面某型发动机综合参数测

26、试系统的虚拟仪器界面4.3 4.3 自动测试系统自动测试系统 自动测试系统是计算机、控制、通讯与测量技自动测试系统是计算机、控制、通讯与测量技术相结合的产物。在自动测试系统中，很少采用电术相结合的产物。在自动测试系统中，很少采用电子线路进行信号处理，而主要由计算机软件模块来子线路进行信号处理，而主要由计算机软件模块来替代传统测量仪器中的各种功能。自动测试系统通替代传统测量仪器中的各种功能。自动测试系统通常具有常具有自动校零自动校零、自动修正误差自动修正误差、自动切换量程自动切换量程、重复测量重复测量、联网监测联网监测、数据处理数据处理、结果判别结果判别和和自我自我诊断诊断以及以及仿真测试仿真测

27、试等功能。等功能。自动测试系统的设计应满足如下原则：自动测试系统的设计应满足如下原则： （1 1）高性能原则：）高性能原则：测量通道多、采样频率高、测量通道多、采样频率高、测量误差小，数据存储容量大，实时数据处理能力测量误差小，数据存储容量大，实时数据处理能力强；强；（2 2）软件设计原则：）软件设计原则：模块化、标准化、容错模块化、标准化、容错性；性；（3 3）小型化与自动化原则：）小型化与自动化原则：便于现场（如工便于现场（如工厂、飞机和舰船等特殊环境）安装使用，具有完备厂、飞机和舰船等特殊环境）安装使用，具有完备的系统自检功能和一定的环境自适应能力；的系统自检功能和一定的环境自适应能力；

28、（4 4）可靠性与稳定性原则：）可靠性与稳定性原则：电磁兼容性设计电磁兼容性设计（如：高频信号的屏蔽与隔离、接地回路的设计）；（如：高频信号的屏蔽与隔离、接地回路的设计）；尽量减少连接电缆和接插件的数量。尽量减少连接电缆和接插件的数量。（5 5）通用性原则通用性原则：开放式系统结构，能够广：开放式系统结构，能够广泛地适应本行业或相关行业不同测试对象的需求，泛地适应本行业或相关行业不同测试对象的需求，从而提高投资效益。从而提高投资效益。自动测试系统的自动测试系统的发展趋势发展趋势是：是： l 采用基于高性能计算机总线技术的硬件平台；采用基于高性能计算机总线技术的硬件平台；l 采用分布式、网络化结

29、构；采用分布式、网络化结构；l 自主时间同步触发；自主时间同步触发；l 采用模块化结构；采用模块化结构；l 由物理仪器转向虚拟仪器；由物理仪器转向虚拟仪器；l 小型化、便携化和通用化；小型化、便携化和通用化；l 综合故障诊断系统、测量与计量一体化。综合故障诊断系统、测量与计量一体化。 4.4 4.4 测量程序与仪器控制测量程序与仪器控制 在可编程测量仪器（或自动测试系统）中，在可编程测量仪器（或自动测试系统）中，测测量程序用于控制测量仪器按预期的方式采集并处理量程序用于控制测量仪器按预期的方式采集并处理测量数据、修正或补偿测量误差、显示和存储测量测量数据、修正或补偿测量误差、显示和存储测量结果

30、结果。除了要求计算机辅助测量系统能够正确地采。除了要求计算机辅助测量系统能够正确地采集信号外，还要求测量程序能够快速响应测量系统集信号外，还要求测量程序能够快速响应测量系统的外部或内部事件，并具有高可靠性、可扩展性、的外部或内部事件，并具有高可靠性、可扩展性、可移植性和可维护性；同时要求测量界面定义清晰、可移植性和可维护性；同时要求测量界面定义清晰、功能明确、测量控件操作简便。功能明确、测量控件操作简便。4.4.1 4.4.1 可编程测量仪器可编程测量仪器 程序语言程序语言 如果除了纯粹的信号采集之外，如果除了纯粹的信号采集之外，还要集成其它通用的功能，譬如，测量仪器参数还要集成其它通用的功能

31、，譬如，测量仪器参数的设置、测量数据的分析计算和测量结果的表示，的设置、测量数据的分析计算和测量结果的表示，则用于信号采集和实验控制的测量程序，应当按则用于信号采集和实验控制的测量程序，应当按相应的功能划分为各个子程序模块。相应的功能划分为各个子程序模块。对于实时性要求不高的场合，可应用高级语对于实时性要求不高的场合，可应用高级语言来编写测量系统外部接口的输入言来编写测量系统外部接口的输入- -输出操作程序；输出操作程序；对于那些实时性要求苛刻的场合，或者那些对于那些实时性要求苛刻的场合，或者那些使用数字信号处理器使用数字信号处理器DSPDSP（Digital Signal Digital S

32、ignal ProcessorProcessor）或）或MCUMCU来控制的外部接口，则应采用来控制的外部接口，则应采用C C语语言或汇编语言来编写输入言或汇编语言来编写输入- -输出管理程序。输出管理程序。仪器消息（程序消息）仪器消息（程序消息） 仪器消息是指仪器消息是指“与仪与仪器设置、仪器状态、测量数据和测量结果等方面相器设置、仪器状态、测量数据和测量结果等方面相关的信息，用于引发相应的仪器功能，通常用一个关的信息，用于引发相应的仪器功能，通常用一个事先规定的符号序列来表示仪器消息事先规定的符号序列来表示仪器消息”。仪器功能仪器功能是指是指“仪器按规定可自主执行的一系列动作仪器按规定可自

33、主执行的一系列动作”。一。一台仪器的命令集包含了所有允许的仪器消息，而仪台仪器的命令集包含了所有允许的仪器消息，而仪器制造商所提供的标准文本，则具体规定了仪器消器制造商所提供的标准文本，则具体规定了仪器消息与仪器功能的对应关系。息与仪器功能的对应关系。可编程仪器的标准命令（可编程仪器的标准命令（SCPISCPI） SCPISCPI规范规范（Standard Command for Programmable Standard Command for Programmable InstruInstru - -mentment）致力于保证各种仪器消息的一致性和各种仪）致力于保证各种仪器消息的一致性和

34、各种仪器总线的普适性。例如，针对不同制造厂商生产的器总线的普适性。例如，针对不同制造厂商生产的每一种同类仪器（如函数发生器、数字万用表和示每一种同类仪器（如函数发生器、数字万用表和示波器等），都用波器等），都用共同的语法来约定一个统一的仪器共同的语法来约定一个统一的仪器命令集命令集。图形化开发环境图形化开发环境 随着软件技术的进步，目前随着软件技术的进步，目前市面上已有越来越多的图形化开发环境可用于编写市面上已有越来越多的图形化开发环境可用于编写对实时性没有苛刻要求的应用程序，从而大大降低对实时性没有苛刻要求的应用程序，从而大大降低了软件开发的复杂性和繁琐性。在这类软件开发环了软件开发的复杂性

35、和繁琐性。在这类软件开发环境中，如境中，如NINI公司的公司的LabVIEWLabVIEW和安捷伦技术公司的和安捷伦技术公司的VEEVEE（Visual Engineering EnvironmentVisual Engineering Environment）等，用户可）等，用户可用各个功能模块来用各个功能模块来“拼装拼装”图形化测量与控制程序，图形化测量与控制程序，当然，在当然，在“拼装拼装”模块的过程中，用户还需要设置模块的过程中，用户还需要设置必要的模块参数。必要的模块参数。 嵌入式系统嵌入式系统 在许多应用场合，传感器通常是在许多应用场合，传感器通常是与与PCIPCI测量板卡连接在一

36、起的。通常希望测量板卡不测量板卡连接在一起的。通常希望测量板卡不仅仅输出数字化测量值，而且还能承担信号处理任仅仅输出数字化测量值，而且还能承担信号处理任务。为此，往往将测量板卡和一个特殊的微处理器务。为此，往往将测量板卡和一个特殊的微处理器（如（如DSPDSP、PowerPCPowerPC）或现场可编程门阵列（）或现场可编程门阵列（Field Field Programmable Gates ArrayProgrammable Gates Array，FPGAFPGA）集成在一起，）集成在一起，以构成嵌入式测量系统。其中，微处理器仅用于开以构成嵌入式测量系统。其中，微处理器仅用于开发测量程序和

37、显示测量结果。发测量程序和显示测量结果。在嵌入式系统中，程序必须用接近于机器语言在嵌入式系统中，程序必须用接近于机器语言（如汇编语言或（如汇编语言或C C语言）来编写语言）来编写。为了加快测量程序。为了加快测量程序的开发进度，可借助于某些图形化软件工具（如的开发进度，可借助于某些图形化软件工具（如MATALB/MATALB/SimulinkSimulink）的自动翻译功能，将图形化信号）的自动翻译功能，将图形化信号采集与处理程序转化为采集与处理程序转化为C C语言程序。语言程序。仪器控制仪器控制 可编程测量仪器的操作，是由微可编程测量仪器的操作，是由微计算机通过仪器总线向仪器发送程序消息来实现

38、的。计算机通过仪器总线向仪器发送程序消息来实现的。微计算机通常是测量仪器总线的主机，可随时访问微计算机通常是测量仪器总线的主机，可随时访问总线；测量仪器和其它装置是从机，不能主动请求总线；测量仪器和其它装置是从机，不能主动请求占用总线，而必须服从主机测量程序的调度。通常，占用总线，而必须服从主机测量程序的调度。通常，测量仪器是通过一个中断或一个服务请求来获得主测量仪器是通过一个中断或一个服务请求来获得主机的服务。机的服务。 测量程序的控制测量程序的控制 测量程序中各个模块的调测量程序中各个模块的调用方式有两种：事件控制和时钟控制。在事件控制用方式有两种：事件控制和时钟控制。在事件控制方式中，是

39、以某个确定事件的出现作为触发信号，方式中，是以某个确定事件的出现作为触发信号，来启动程序模块的执行；在时钟控制方式中，是利来启动程序模块的执行；在时钟控制方式中，是利用时钟发生器输出的信号，来启动模块的执行。用时钟发生器输出的信号，来启动模块的执行。 数据处理数据处理 以测量数据的采集和分析计算之间以测量数据的采集和分析计算之间的时间间隔为参照，可将测量过程划分为离线信号的时间间隔为参照，可将测量过程划分为离线信号处理、在线信号处理和实时信号处理。处理、在线信号处理和实时信号处理。 离线信号处理离线信号处理是指：是指：“在信号采集过程结束后，在信号采集过程结束后，再进行信号处理，也即在信号处理

40、过程中，系统不再进行信号处理，也即在信号处理过程中，系统不再采集信号。再采集信号。”实验室的测量大都允许离线信号处实验室的测量大都允许离线信号处理。理。在线信号处理在线信号处理是指：是指：“一旦采样信号可供使用一旦采样信号可供使用时，就立刻进行后续的信号处理。时，就立刻进行后续的信号处理。” 实时信号处理实时信号处理是指：是指：“同时进行信号采样与信同时进行信号采样与信号处理。号处理。”这意味着要在事先规定好的采样时间间这意味着要在事先规定好的采样时间间隔内完成信号处理或做出必要的响应，不允许存在隔内完成信号处理或做出必要的响应，不允许存在随机的等待时间。在过程控制系统中，通常要求进随机的等待

41、时间。在过程控制系统中，通常要求进行实时信号处理。行实时信号处理。数值计算数值计算 在实验室编写测量程序时，往往还在实验室编写测量程序时，往往还需要编写数值计算程序，并与现成的设备驱动程序需要编写数值计算程序，并与现成的设备驱动程序和测量与控制管理程序组合在一起，共同完成特定和测量与控制管理程序组合在一起，共同完成特定的测试任务。的测试任务。 4.4.2 4.4.2 计算机辅助测量过程计算机辅助测量过程 建立计算机辅助测量系统包括如下几个步骤（参建立计算机辅助测量系统包括如下几个步骤（参见图见图4-204-20）：）：（1 1）系统化）系统化 系统化是指将各仪器模块和微计算系统化是指将各仪器模

42、块和微计算机组合成共同完成某一特定测量任务的有机整体。机组合成共同完成某一特定测量任务的有机整体。在计算机辅助测量过程中，还要增加下列手动和在计算机辅助测量过程中，还要增加下列手动和程控的操作：程控的操作：（2 2）建立通讯联系；）建立通讯联系；（3 3）分配总线地址；）分配总线地址；（4 4）加载仪器（设备）驱动软件；）加载仪器（设备）驱动软件； （5）在主控计算机上加载和启动测量程序；）在主控计算机上加载和启动测量程序；（6）将测量仪器模块设置为某一预先定义的）将测量仪器模块设置为某一预先定义的基本状态；基本状态；（7）设定数据传输参数；）设定数据传输参数；（8）读出仪器模块的标识符；）读

43、出仪器模块的标识符；（9）执行系统自检；）执行系统自检；（10）查询仪器模块的状态信息。）查询仪器模块的状态信息。图4-20 计算机辅助测量过程构建测量系统构建测量系统（建立连接、仪器模块（建立连接、仪器模块就绪）就绪）设置系统参数、校准设置系统参数、校准数据采集数据采集仪器的校准设置仪器的校准设置是否被改变？是否被改变？数据采集数据采集对测量数据进行分析计算对测量数据进行分析计算（原始数据与校准数据比（原始数据与校准数据比较、数学变换、微分、较、数学变换、微分、积分等）积分等）表达表达（给出测量值和测量结果）（给出测量值和测量结果）存储测量结果存储测量结果建立文档（记录完整的测量过程）续续续

44、续是是否否 参数化参数化 参数化是指对各仪器模块的技术状态参数化是指对各仪器模块的技术状态进行设定，以确保测量过程能够按计划顺利运行。进行设定，以确保测量过程能够按计划顺利运行。具体内容如下：具体内容如下：（1 1）选择测量功能；）选择测量功能；（2 2）设置量程和数据点数；）设置量程和数据点数；（3 3）选择滤波器参数；）选择滤波器参数；（4 4）确定触发条件；）确定触发条件；（5 5）确定采样速率。）确定采样速率。校准校准 校准的目的是要确定被测量（信号量）校准的目的是要确定被测量（信号量）与测量系统显示值之间的关系。在进行校准与测量系统显示值之间的关系。在进行校准数据采集数据采集 信号采

45、集是测量过程中最为本质和最信号采集是测量过程中最为本质和最为关键的环节。对于单次测量而言，测量过程仅被启为关键的环节。对于单次测量而言，测量过程仅被启动一次，测量结果可以是一个二进制或十进制的数值，动一次，测量结果可以是一个二进制或十进制的数值，也可以是一个符号序列或一个完整的数据段。在测量也可以是一个符号序列或一个完整的数据段。在测量之前，必须先设置并确定系统的状态，且执行一些必之前，必须先设置并确定系统的状态，且执行一些必要的控制动作，有时还需要等待一段时间。单次测量要的控制动作，有时还需要等待一段时间。单次测量过程包括如下的一系列动作：过程包括如下的一系列动作：（1 1）触发）触发测量系

46、统获得一个用于启动测量测量系统获得一个用于启动测量的信号；的信号；（2 2）等待测量过程的结束；）等待测量过程的结束； （3 3）输出测量数据）输出测量数据要求测量仪器模块准要求测量仪器模块准备好传送单个或多个测量数据；备好传送单个或多个测量数据；（4 4）接收测量数据）接收测量数据从测量仪器模块接收测从测量仪器模块接收测量数据以供后续处理。量数据以供后续处理。对于较复杂的测量过程，可借助于过程控制，将对于较复杂的测量过程，可借助于过程控制，将它们分解为多个单次测量。它们分解为多个单次测量。 分析计算分析计算 分析计算的最终目标在于压缩数据分析计算的最终目标在于压缩数据量，以便从所采集的测量信

47、号中获得特征信息。举量，以便从所采集的测量信号中获得特征信息。举例来说，计算分析的内容包括：例来说，计算分析的内容包括： （1）借助校准结果从没有校准的测量数据中推）借助校准结果从没有校准的测量数据中推算出校准数据；算出校准数据；（2）剔除野点、平滑滤波；）剔除野点、平滑滤波；（3）测量曲线的积分或微分；）测量曲线的积分或微分；（4）数据之间的相关性；）数据之间的相关性；（5）信号变换，如计算一个时间信号和位置信）信号变换，如计算一个时间信号和位置信号的频谱；号的频谱；（6）统计特征量的计算等。）统计特征量的计算等。除了这些数值化运算外，有时还需进行逻辑运算，除了这些数值化运算外，有时还需进行

48、逻辑运算，例如，根据某项指标进行分类等。此外，利用对例如，根据某项指标进行分类等。此外，利用对符号链的操作还可改变数据格式。符号链的操作还可改变数据格式。表达表达 表达的作用是把从测量和分析计算中所表达的作用是把从测量和分析计算中所得到的信息，传递给测量系统的操作者。在测量过得到的信息，传递给测量系统的操作者。在测量过程结束后就应当及时地给出明确的测量结果，以便程结束后就应当及时地给出明确的测量结果，以便对测量过程的质量进行判定，如果必要的话，还需对测量过程的质量进行判定，如果必要的话，还需要改变测量原理和测量方法。要改变测量原理和测量方法。保存保存 保存的作用是将采集信号和由此获得的保存的作

49、用是将采集信号和由此获得的信息转移到非易丢失的存储介质中。这样，即便在信息转移到非易丢失的存储介质中。这样，即便在测量过程中断或结束后，测量数据仍能被以后的分测量过程中断或结束后，测量数据仍能被以后的分析计算所使用。因此，建议将原始数据、或经校准析计算所使用。因此，建议将原始数据、或经校准的测量数据、实验装置和操作软件的设置参数存储的测量数据、实验装置和操作软件的设置参数存储起来，但没有必要存储图形以节省存储空间。起来，但没有必要存储图形以节省存储空间。 建立文档建立文档 建立测量文档是测量过程的重要组建立测量文档是测量过程的重要组成部分，其作用是保存测量过程和测量结果的完整成部分，其作用是保

50、存测量过程和测量结果的完整记录。通过建立文档，能将产生测量结果的前提和记录。通过建立文档，能将产生测量结果的前提和获得测量结果的设置无歧义、无空缺地记录在案。获得测量结果的设置无歧义、无空缺地记录在案。只有建立了测量文档，才能使测量结果应用于解决只有建立了测量文档，才能使测量结果应用于解决实际问题或发表论文，或者按照新的判据重新分析实际问题或发表论文，或者按照新的判据重新分析计算测量数据。如果事实表明测量误差的产生与过计算测量数据。如果事实表明测量误差的产生与过程的改变之间具有某种时间上的关联性，则可以依程的改变之间具有某种时间上的关联性，则可以依据精心建立的测量文档进行事后的误差分析。据精心

51、建立的测量文档进行事后的误差分析。 4.4.3 4.4.3 LabVIEWLabVIEW和和MATLABMATLAB 一、一、LabVIEWLabVIEW图形化软件开发平台图形化软件开发平台LabVIEWLabVIEW是一种图形化编程语言，其基础是是一种图形化编程语言，其基础是用图标（功能模块）来表示指令，可用图形化程序用图标（功能模块）来表示指令，可用图形化程序也可以表达各种程序结构。在这种面向图标的编程也可以表达各种程序结构。在这种面向图标的编程语言中，编程过程就像电子元器件的布线一样，很语言中，编程过程就像电子元器件的布线一样，很容易实现指令间的互相连接，而其中的连线则表示容易实现指令间

52、的互相连接，而其中的连线则表示图标（即功能模块）之间存在数据的传递。被连接图标（即功能模块）之间存在数据的传递。被连接的图标之间的数据流，控制着指令的执行顺序，并的图标之间的数据流，控制着指令的执行顺序，并允许有多个数据通道同步运行。允许有多个数据通道同步运行。 二、二、MATLAB/MATLAB/SimulinkSimulink MATLABMATLAB（MATrixMATrix LABoratoryLABoratory）是美国）是美国MathworksMathworks公司的产品，最初是一个用于矩阵运算公司的产品，最初是一个用于矩阵运算的交互式数值计算程序，随后逐渐的交互式数值计算程序，随

53、后逐渐扩展了各种软件扩展了各种软件工具箱、交互式图形化动态系统仿真软件开发平台工具箱、交互式图形化动态系统仿真软件开发平台和软、硬件混合仿真平台，其应用范围几乎覆盖了和软、硬件混合仿真平台，其应用范围几乎覆盖了科学技术与工程应用的所有领域科学技术与工程应用的所有领域。加之。加之MATLABMATLAB所特所特有的强大而便捷的多维绘图功能，且允许用户用数有的强大而便捷的多维绘图功能，且允许用户用数学书写方式来表达数值和符号计算，使得学书写方式来表达数值和符号计算，使得MATLABMATLAB软软件平台受到了专业人士的普遍青睐，并已成为件平台受到了专业人士的普遍青睐，并已成为大学大学生必须掌握的基

54、本软件工具生必须掌握的基本软件工具。掌握掌握LabVIEWLabVIEW、MATLAB/MATLAB/SimulinkSimulink和和C C语言的编程语言的编程方法和技巧，对于开发高性价比计算机辅助测量与方法和技巧，对于开发高性价比计算机辅助测量与控制系统是不可或缺的，其重要性怎么强调也不过控制系统是不可或缺的，其重要性怎么强调也不过分。分。 4.5 4.5 硬件接口和总线系统硬件接口和总线系统 硬件接口是数据、消息、地址和指令等进行交硬件接口是数据、消息、地址和指令等进行交换的场所，而总线系统则是通过公用的数据线将仪换的场所，而总线系统则是通过公用的数据线将仪器的硬件接口连接起来。器的硬

55、件接口连接起来。 4.5.1 4.5.1 基本概念基本概念通信方式通信方式 从总体来讲，计算机中的通信方式从总体来讲，计算机中的通信方式有两种：即有两种：即串行通信串行通信和和并行通信。并行通信。 串行通信串行通信是指数据一位一位地依次传输，每一位数据占是指数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只要少数几条线就可以在系统间据一个固定的时间长度。其只要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的通信，缺点是传输速度慢，优点是传输成本低、适合远距的通信，缺点是传输速度慢，优点是传输成本低、适

56、合远距离传输。离传输。 并行通信并行通信是把一个字符的各数位用几条线同时进行传是把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，传输速度快，信息率高。但它比串行通信所用的电缆输，传输速度快，信息率高。但它比串行通信所用的电缆多，故常用在传输距离较短（几米至几十米）、数据传输多，故常用在传输距离较短（几米至几十米）、数据传输率较高的场合。率较高的场合。 (a) 串行通信串行通信(b) 并行通信并行通信 标准化接口标准化接口 硬件接口（以下简称接口）是硬件接口（以下简称接口）是系统中不同的组件、仪器或装置连接成为有机整系统中不同的组件、仪器或装置连接成为有机整体的过渡通道。每一接口都配有特定的设备消息，体

57、的过渡通道。每一接口都配有特定的设备消息，即接口指令。在那些能被单独访问的接口，都有即接口指令。在那些能被单独访问的接口，都有一个以数字排序的专用地址。一个以数字排序的专用地址。 测量仪器通常采用标准化接口，以便于建立测量仪器通常采用标准化接口，以便于建立一个独立于制造商的开放式测量系统。一个标准一个独立于制造商的开放式测量系统。一个标准化接口大都具有以下的物理特性：化接口大都具有以下的物理特性：（1 1）插头的结构形式和插针的定义；）插头的结构形式和插针的定义；（2 2）连接电缆；）连接电缆；（3 3）信号类型和电平要求；）信号类型和电平要求；（4 4）数据形式和传输协议。）数据形式和传输协

58、议。协议协议 挂在接口上的仪器与计算机之间的通讯挂在接口上的仪器与计算机之间的通讯信号往往需要通过总线，而总线上的通讯则必须按信号往往需要通过总线，而总线上的通讯则必须按照一定的规则（即协议）来进行。照一定的规则（即协议）来进行。协议一般是按照协议一般是按照开放式系统开放式系统互联（互联（Open Open System System InterconnecInterconnec tiontion，OSIOSI）的）的7 7层参考模型层参考模型而制定的，该模型根据相应的功能将通讯的各个子而制定的，该模型根据相应的功能将通讯的各个子任务进行结构化分层，并采用总线授权方式来协调任务进行结构化分层，

59、并采用总线授权方式来协调各个参与者对总线的访问，使它们的传输请求能够各个参与者对总线的访问，使它们的传输请求能够在可期待的时间内得到满足，同时避免多个参与者在可期待的时间内得到满足，同时避免多个参与者同时使用总线所产生的访问冲突。同时使用总线所产生的访问冲突。总线授权方式有两种：其一，由中央控制单元总线授权方式有两种：其一，由中央控制单元集中分配使用权限；其二，由参与者分散分配使用集中分配使用权限；其二，由参与者分散分配使用权限。权限。在集中方式下，由中央控制单元作为在集中方式下，由中央控制单元作为“主机主机”来控制总线上的通讯，并可随时访问总线，余下的来控制总线上的通讯，并可随时访问总线，余

60、下的设备则作为设备则作为“从机从机”。从机无权直接发送任何消息。从机无权直接发送任何消息到总线上，而只有在受到主机邀请后，方可向总线到总线上，而只有在受到主机邀请后，方可向总线发送消息，此即所谓的发送消息，此即所谓的“主从方式主从方式” 。在主从方。在主从方式下，中央控制单元或以固定的时间间隔式下，中央控制单元或以固定的时间间隔分时分时多路访问（多路访问（TDMATDMA）各个参与者，或在中断后通过状）各个参与者，或在中断后通过状态查询（态查询（PollingPolling）巡回访问各个参与者。）巡回访问各个参与者。 在在分散分散分配方式下，分配方式下，控制权属于各个参与者控制权属于各个参与者