智能测试系统设计一学习教案

1、会计学1智能智能(zh nn)测试系统设计一测试系统设计一第一页，共49页。 前言： 测试方法的变化：从单一参数的测试发展为多参数的综合测试；从接触式测试到非接触式测试；从近距离测试到远距离测试等；从需要人工参与过渡到自动完成测试任务。 通常把由计算机参与、能自动进行测试、数据处理、自动显示测试结果的系统称为智能测试系统。在这种系统中，整个测试工作是在预先编制好的测试程序统一控制下自动完成的。 智能测试系统有三种基本组成形式：小型测试系统常以单片机系统为主机；中、大型测试系统以PC机或工控机为主机；而复杂(fz)的测试系统多以单片机为数据处理核心，以PC机或工控机为主机组成多机系统或网络系统。

2、 智能测试系统设计内容主要包括硬件电路设计、接口选型设计和软件设计。第1页/共49页第二页，共49页。4.1 被测信号(xnho)种类第2页/共49页第三页，共49页。4.2 智能测试系统的基本结构及功能4.2.1 系统硬件组成 智能测试系统的典型结构如图4-2所示(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取、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，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、系统自学习、自适应、自诊断、自组织等功能。(2) 数据采集子系统及接

3、口 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(lingchng)自动切换等功能。第3页/共49页第四页，共49页。第4页/共49页第五页，共49页。(3) 基本I/O子系统及接口 实现人机交互接口(HMI)功能，完成人机交互作用。 用于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(guchng)、实现以多种形式输出、显示、记录、报警等功能。(4) 通信子系统及接口 用于实现本系统与其他仪器仪表、系统的通信与互联功能。 (5)控制子系统及接口 系统实现对被控对象、被测试组件、测试信号发生器、甚至于系统本身和测试操作过程(guchng)的自动控

4、制。按口的作用是完成它所联接的设备之间的信号转换交换、信号传输、信号拾取等功能。 第5页/共49页第六页，共49页。4.2.2 系统软件(x tn run jin)组成设计过程：软件结构设计、软件编制、软件调试等设计方法：模块化和结构化程序设计；面向过程和面向对象程序设计软件组成：监控程序、中断服务程序、测试算法、通信与控制程序等第6页/共49页第七页，共49页。(1) 初始化模块 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、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 完成对数据采集电路的控制、测试数据的读取、存储等。(3) 测试算法

5、模块 非线性校正、标度变换、量程自动转换、软件抗干扰等。(4) 人-机接口 测试结果显示方法：模拟显示、数字显示、混合显示等； 控制输入方式：键盘输入、鼠标操作、按键操作、数据手套输入等。(5) 通信(tng xn)与控制 实现与上位机或其他仪器仪表、系统的互联与通信(tng xn)控制。软件模块设计与系统采用的通信(tng xn)总线标准、通信(tng xn)协议、通信(tng xn)接口电路等因素有关。第7页/共49页第八页，共49页。(6) 时钟管理 定时功能主要有：数据采样周期定时；控制周期定时；参数显示周期定时；故障监视电路的定时信号等。 定时实现(shxin)方法有硬件、软件和软硬

6、件结合等方法。(7) 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。 主要内容包括：开机自检、周期性自诊断、键控自诊断等。(8) 中断管理(9) 监控程序 主要作用是及时响应来自系统或外部的各种服务请求，有效管理系统软硬件资源。 监控程序是系统软件的核心，它调用各种功能模块，形成一有机整体，实现(shxin)对测试系统的全面管理。 第8页/共49页第九页，共49页。4.3 智能测试系统的设计原则4.3.1 组建测试系统的基本原则 组建测试系统的基本原则：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。其中预估是非常重要的工作。 预估工作就是(jish)根据对测量系统规定

7、的参数指标要求，选择和确定系统的各个环节（传感器、调理电路、数据采集系统）。 正确的预估表现在：根据预估确定的环节组成测试系统后，经过标定实验进行性能评定能达到规定的要求，同时测试系统的总成本最低。 预估过程是一个反复设定、权衡调整的过程，属于误差分配问题。第9页/共49页第十页，共49页。4.3.2 组建(z jin)测试系统的基本方法 图中，S1代表传感器；S2代表放大器；S3代表数据采集系统（A/D环节(hunji)）；H1(j)和H2(j)分别代表相应环节(hunji)的频率特性。 1. 基本参数的预估 2动态性能的预估 3静态性能的预估第10页/共49页第十一页，共49页。1. 基本

8、参数的预估 主要项目：分辨力和量程 系统总的灵敏度为： 其中，S1为传感器灵敏度；S2为放大器的放大倍数；S3为A/D转换的分度值。 预估过程：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A/D转换器的分辨率；最后(zuhu)，根据A/D转换器的量程与传感器的输出范围确定放大器的增益。 预估原则：一般要求A/D转换器的分辨率应稍高于系统要求的分辨率。若系统要求的A/D分辨率很高（14位以上），可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分辨率。 3212121SSSuyuuxuxyS第11页/共49页

9、第十二页，共49页。4.4 单片机自动测试系统特点: 作为小型测试系统，以单片机作为系统主机的自动测试系统，结构简单、价格低、测量参数少、功能相对简单。定义: 对模拟信号和数字信号进行分时的数字化测量，从而获得大量数据，用单片机对这些采集数据进行处理的系统称为单片机自动测试系统。设计内容: 包括硬件电路设计和软件设计两方面4.4.1 数据采集系统的结构多通道数据采集系统结构：多通道共享采样器和AD转换器、多通道共享AD转换器、多通道A/D转换电路和差动数据采集系统四种。最常用(chn yn)的形式是多通道共享采样器与AD转换器结构。第12页/共49页第十三页，共49页。u多路直流信号和时域信号

10、数据采集系统（图4-5）u 为避免小信号通过模拟开关造成较大的附加误差，在传感器输出小信号u时，每个通道应在多路开关前设置放大器；在多路开关后设置一个可编程u放大器，利用单片机编程控制(kngzh)放大器的增益，以满足各通道信号的不同增u益要求。u频率信号和开关量采集系统（图4-6）：u 只要将频率量和开关量调节到能满足单片机输入要求的TTL电平即可。 第13页/共49页第十四页，共49页。第14页/共49页第十五页，共49页。1. 多路开关作用：轮流切换各被测回路A/D转换电路间通路，以达到分时的目的。模拟开关的理想情况：开关接通时导通电阻等于零，无附加残余电动势，能不失真地传输模拟信号；开

11、关断开时电阻无穷大，无泄露电流。但由于多通道间相互影响，实际上并不能达到理想情况。选择和设计模拟多路开关时应考虑(kol)的问题（1）通道数目一般为四路、八路或十六路。通道数目增加，开关的寄生电容及泄露电流的影响也增大，降低了传输精度和切换速度。对于输入通道多的情况，可用多个多路开关并联。（2）开关接通电阻要尽量小，关断电阻尽量大。（3）开关切换时间要尽量短。（4）开关的极间电容和寄生电容要小。（5）采集信号的输入方式考虑(kol)：有些采集信号的信号源本身具有较大的共模电压，要考虑(kol)对共模信号的抑制和使用差分输入方式。第15页/共49页第十六页，共49页。u常用的多路开关u 四选一、

12、双四选一、八选一、双八选一、十六选一5种类型u 八选一多路开关：4051（5G4051、CD4051、CC4051、AD7501）u 双四选一：CD4052、AD7502u 十六选一：CD4067、AD7506u 特点：采用标准双列直插式结构；控制信号直接与TTL电平兼容；转换u速度快，导通和关闭时间小于1us，导通电阻一般小于100欧，断开电阻很高。uAD7501的内部结构及引脚（图4-7c）u 8路输入(shr)，1路选择输出。u 选址信号：A0、A1、A2；芯片的允许输入(shr)端：EN；芯片电源正、负端u及公共地端：VDD、VSS、GND；8路模拟量输入(shr)：S1S8；模拟量输

13、出：uOUT第16页/共49页第十七页，共49页。第17页/共49页第十八页，共49页。第18页/共49页第十九页，共49页。第19页/共49页第二十页，共49页。AD7502的内部结构及引脚（图4-8c）双路输入，双路输出，是一种双四通道的模拟(mn)开关。第20页/共49页第二十一页，共49页。2.采样/保持电路定义：采样/保持电路是根据状态控制指令截取输入模拟电压瞬时值（采样过程），并把这一瞬时值保留一段时间（保持时间）的功能单元。作用：A/D转换需要时间，在转换期间，信号要保持不变才能保证一定的转换精度。为保证转换精度，必须在A/D转换之前加采样保持电路，使得在AD转换期间输入的模拟信

14、号保持不变。结构组成：采样保持电路（图4-）由输入输出缓冲放大器、模拟开关及控制电路、保持电容（用户外接）组成。工作原理：采样保持电路有两种工作状态：一是采样状态（电容充电），控制信号由低变高，控制开关合上，电路处于(chy)采样状态，输出随输入而变化；二是保持状态，控制信号由高到低开关打开，输出保持充电时的最终电压值。采样保持示意如图4-10所示。 第21页/共49页第二十二页，共49页。第22页/共49页第二十三页，共49页。u采样保持电路的主要参数u孔径时间：采样保持电路接到保持命令后开关S由导通变成断开所需的u时间。u 采样时间（捕捉时间）：采样保持电路接到采样命令到采样保持器输u出达

15、到当前输入信号值(规定的采样精度)所需的时间。u 保持电压下降速率：由于电容(dinrng)漏电，导致保持电压下降。u馈送、瞬变效应u常用的采样保持器件：LF398（图4-11）、AD582等。uLF398内部结构及引脚（图4-11）u电源端（1、4）：可在正负5 18V之间选择u两个控制端（7、8）：采样保持的控制指令，7接地时，8接控制信号u（大于1.4V），处于采样状态；8接地时，处于保持状态。u模拟输入、输出（3、5） 第23页/共49页第二十四页，共49页。第24页/共49页第二十五页，共49页。3.放大器放大器的作用：传感器的输出信号电平低、内阻高，且常伴随着较高的共模电压，因此传

16、感器的输出信号需要经过高输入阻抗(远大于信号源内阻)、抗共模电压干扰能力强的放大器的放大才能送到A/D转换器。常用的放大器：测量放大器又称仪器放大器)与可编程增益放大器。(1)测量放大器集成测量放大器AD627：是美国模拟器件（AD）公司生产的测量放大器，具有体积小、功耗低、精度高、可单电源或双电源供电的特点。引脚定义及使用(shyng)（图4-12）引脚：电源端、信号输入、输出端、反馈端、增益调整端。放大增益由引脚1、8间阻抗Rg决定： )/200(5gRKG第25页/共49页第二十六页，共49页。第26页/共49页第二十七页，共49页。(2) 可编程增益放大器可编程增益的要求 一方面同一被

17、测量所处的环境和时间不同，变化范围可能(knng)不同；另一方面被测量不同、变化范围也可能(knng)不同。因此测试系统中，要求能自动改变放大器的增益，从而使信号经过放大后、具有合适的动态范围。可编程增益放大器能实现这个功能。AD526 内部结构图（图413） 增益可调的原理：运算放大器的反馈电阻的比例调节由程序控制的多路开关实现。增益设定控制逻辑输入端为A0、A1、A2。 第27页/共49页第二十八页，共49页。第28页/共49页第二十九页，共49页。4. A/D转换器常用的A/D转换器：8位ADC0801、ADC0809和12位的AD574A等。A/D转换器与单片机接口设计目的：将两部分(

18、b fen)信息可靠、简洁地联系起来。数据线连接启动A/D转换判断A/D转换结束第29页/共49页第三十页，共49页。u判断A/D转换结束u A/D转换结束后，发出A/D转换结束状态信号，通知单片机可以读取uA/D转换结果。单片机在判断A/D转换是否结束时，有3种方式。u(1) 中断方式：将A/D转换器的转换结束信号接至单片机的中断信号输入端，一旦转换结束，单片机响应中断后，执行中断服务程序，读取A/D转换结果。该方法判断效率高，实时性好，且不影响单片机的其他工作。u(2) 程序查询方式：计算机执行查询程序，监视并响应A/D转换器的状态。该方式判断方法简单、直观，且可靠性好，但实时性差。u(3

19、) 软件延时方式：计算机程序按照略大于A/D转换时间的原则进行延时后，直接读取A/D转换结果。该方式不需连接转换结束信号线，硬件电路(dinl)相对简单，但转换效率低，实时性差。 第30页/共49页第三十一页，共49页。5. 驱动电路 设计接口电路时，必须考虑接口的驱动能力。接口负载(fzi)的影响 负载(fzi)过大会使系统工作不正常；负载(fzi)过多，会增大驱动电路的等效电容，产生信号延迟和失真。驱动电路的分类（按信号传输距离）： 板内（近距离）驱动，主要考虑器件的输入负载(fzi)大小；长线驱动，不仅要考虑负载(fzi)能力，还要考虑信号反射、抗干扰能力等。第31页/共49页第三十二页

20、，共49页。6. 单片机的选择原则常见产品 Intel公司的MCS-51系列8位单片机、MCS96系列16位单片机；Motorola公司的MC68系列单片机；Zilog公司的Z8系列单片机等带A/D转换器的单片机：如PHLIPS公司的83C552，有一8路输入的10位ADC，可用于多路模拟量测量。低功耗设计选择：Microchip公司的MAX16Cxx系列单片机，是低功耗、低成本便携式职能仪器较为适意的微控制器。大数据量处理选择：Intel公司的80196系列单片机，以及专用(zhunyng)的DSP芯片等。第32页/共49页第三十三页，共49页。u总结u 单片机的应用开发是一个实践性、经验性

21、很强的工作。新的单片机不u断推广应用，选用单片机的空间也越来越大。在实际工作中，选择单片机u时要充分考虑测试系统的功能要求和用户(yngh)环境，同时兼顾设计者的实际经u验，尽量选用既符合系统功能要求，又是设计者较为熟悉或短时间内能很u快掌握的单片机机型。 第33页/共49页第三十四页，共49页。4.4.2 单片机自动测试系统(xtng)的软件结构 单片机自动测试系统(xtng)典型的软件结构主要包括准备程序、键功能程序等，如图4-14。1. 准备程序(1) 初始化：将系统(xtng)中所有命令、状态以及有关存储单元置位成初试状态。(2) 自检程序：检查程序存储器、数据存储器以及硬件功能是否正

22、常（如系统(xtng)间的通信应答）。(3) 提示符显示：显示正常标记，等待键扫描（人机交互）。(4) 键扫描等待：对所有按键进行查询，当有键按下时，便进入键功能软件控制。2. 键功能程序 是一组由散转指令控制选择的键功能程序模块，每个模块完成按键所指定的功能，完成信号测量、数据处理、显示、打印等功能。第34页/共49页第三十五页，共49页。第35页/共49页第三十六页，共49页。4.4.3 标度(bio d)变换 被测试的各种参数都有不同的数值和量纲，这些参数经A/D转换后，统一变为0-M个数码，这些数码虽然代表参数值的大小，但并不表示带有量纲的参数值，必须转换成有量纲的数值才能进行显示和打

23、印。这种转换称为标度(bio d)变换或工程量转换。1. 线性参数标度(bio d)变换 是最常用的标度(bio d)变换方法，其前提是参数值与A/D转换结果（采样值）之间呈线性关系，如下式所示： 式中：A0、Am为参数量程的下限和上限，Ax为参数测量值（工程值），N0、Nm、Nx分别为A0、Am、Ax所对应的A/D值（采样值） 。 0000)(NNNNAAAAmxmx第36页/共49页第三十七页，共49页。0000)(NNNNAAAAmxmx 式中：A0、Am为参数量程的下限和上限(shngxin)，Ax为参数测量值（工程值），N0、Nm、Nx分别为A0、Am、Ax所对应的A/D值（采样值）

24、。 特殊情况的简化算式：在参数量程起点，A/D值为零（N0=0）；参数量程起点为零（A0=0），对应的A/D值也为零（N0=0）。 工程值 A0 Ax Am 数字量 N0 Nx Nm第37页/共49页第三十八页，共49页。2. 非线性参数标度变换 如果传感器的输出特性是非线性的，如热敏电阻值温度特性的指数变化规律、热电偶的电压值温度特性的非线性规律等，需要重新建立标度变换公式。 变换方法：一般而言，许多传感器的非线性输出特性变量关系写不出一个简单公式，或能写出，但计算困难(kn nn)，这时可用查表法进行标度变换。 实例：热敏电阻电桥测温（图4-16）第38页/共49页第三十九页，共49页。u

25、建立标度变换参量对应表u 整个参量变换过程为：u 温度热敏电阻值(z zh)电桥输出电压A/D转换数字量u（1）测量出温度测试回路的电阻-电压特性曲线u（2）根据热敏电阻值(z zh)温度特性（图4-17），得出温度-电压特性。u（3） 按照A/D转换器的位数及相应的电压值范围，从温度-电压特性得出u相应的电压数值量-温度特性表。u 如测温范围为35-450C，选8位A/D转换器进行单极性转换，则测温电路u中热敏电阻应选择350C时使电桥平衡的阻值(z zh)，通过计算得到相应的u温度-电压-数字量对应特性（表4-7）。u 数字量数字量23H24H25H 26H27H. . .电压电压/ V1

26、.41.441.481.521.56. . .温度温度/ 0C45.0044.0043.0042.0041.00. . .第39页/共49页第四十页，共49页。u使用参量对应表：将参量对应表编程固化在单片机的EPROM中，当采集到数字量后，通过查表就能准确得出环境温度值。u实例：PC数据采集系统标度变换(binhun)（压缩机性能综合测试系统）温度(wnd)1（0 100度）温度(wnd)2（0 200度）压力1（0 1MPa）压力2 （-100 900KPa）差压（0 30KPa）420mA15V DC数字量工程值测量值250欧姆电阻传感器A/D第40页/共49页第四十一页，共49页。第41页/共49页第四十二页，共49页。4.4.4 单片机自动测试系统的设计1. 温度自动测试系统设计 系统设计要求：对某冷库8个冷冻室进行温度巡回测试，被测量温度范围-30+5度，温度测试精度小于1度，要求基于单片机设计测试系统。(1) 硬件电路设计 硬件电路如图4-18（同图3-9）所示。采用8031作为主芯片，扩展4KB的外部程序存储器，设计4位数据显示电路，8路温度采集信号分别接到ADC的8个输入端。温度/电压转换电路：选用AD590温度传感器