第11章计算机测试系统与虚拟仪器

1、第十一章第十一章 计算机测试系统与虚拟仪器计算机测试系统与虚拟仪器 第一节第一节 概概 述述 第二节第二节 插卡式测试系统插卡式测试系统 第三节第三节 仪器前端仪器前端 第四节第四节 仪器控制仪器控制 第五节第五节 智能仪器简介智能仪器简介 第六节第六节 虚拟仪器虚拟仪器 第一节第一节 概概 述述 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，传感器技术、通信技术和计算机技术的结合，使得速发展，传感器技术、通信技术和计算机技术的结合，使得计算机与测试技术的关系发生了根本性的变化，计算机已成计算机与测试技术的关系发生了根本性的变化，计算机

2、已成为现代测试和测量系统的基础。为现代测试和测量系统的基础。 计算机测试系统：计算机测试系统：从结构上划分从结构上划分微机或微处理器微机或微处理器测量仪器或设备测量仪器或设备接口接口软件软件 微机或微处理器微机或微处理器在在软件软件控制下，发出各种控制指令控制各台控制下，发出各种控制指令控制各台测量仪器协同工作以完成数据采集任务，并对测量数据进行测量仪器协同工作以完成数据采集任务，并对测量数据进行处理，如计算、变换、数据处理、误差分析等，最后将测量处理，如计算、变换、数据处理、误差分析等，最后将测量结果存储或打印、显示输出，实现自动测试。微机或微处理结果存储或打印、显示输出，实现自动测试。微机

3、或微处理器是整个测试系统的核心。软件是根据测量任务所编制的程器是整个测试系统的核心。软件是根据测量任务所编制的程序，是计算机测试系统的灵魂。序，是计算机测试系统的灵魂。 测量仪器或系统测量仪器或系统主要完成被测量的测量工作。测量仪器或系主要完成被测量的测量工作。测量仪器或系统在微机所发的控制指令控制下完成如工作频段选择、输出统在微机所发的控制指令控制下完成如工作频段选择、输出电平调节、量程设置和测量功能。这种能接受程序控制并据电平调节、量程设置和测量功能。这种能接受程序控制并据之改变内部电路工作状态，能完成特定任务的测量仪器称为之改变内部电路工作状态，能完成特定任务的测量仪器称为仪器的可编程控

4、制仪器的可编程控制，或称，或称程控仪器程控仪器。 接口接口的主要任务是提供机械兼容、逻辑电平匹配、并能通过的主要任务是提供机械兼容、逻辑电平匹配、并能通过数据线交换电信号信息。各仪器之间通过适当的接口用各中数据线交换电信号信息。各仪器之间通过适当的接口用各中总线相连。总线相连。 从功能上划分从功能上划分数据采集和存储数据采集和存储数据分析数据分析数据显示数据显示 在一些测试系统中，数据分析和显示完全用微机的软件在一些测试系统中，数据分析和显示完全用微机的软件和显示器来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，和显示器来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与微机组成测量仪器。这种

5、基于微机的测量仪器称为就可以与微机组成测量仪器。这种基于微机的测量仪器称为虚拟仪器虚拟仪器。 测试技术与计算机技术几乎是同步、协调向前发展的，测试技术与计算机技术几乎是同步、协调向前发展的，计算机技术已成为测试仪器和系统的核心。计算机技术已成为测试仪器和系统的核心。 基于计算机的测试系统可分为三种类型：基于计算机的测试系统可分为三种类型： 第一种是计算机插卡式测试系统。即在计算机的扩展槽第一种是计算机插卡式测试系统。即在计算机的扩展槽（通常是（通常是PCIPCI、ISAISA等总线槽，也可设计成便携式计算机专用等总线槽，也可设计成便携式计算机专用的的PCMCIAPCMCIA卡）中插入信号调理、

6、模拟信号采集、数字输入输卡）中插入信号调理、模拟信号采集、数字输入输出、出、DSP(DSP(数字信号处理芯片数字信号处理芯片) )等测试与分析板卡，构成通用或等测试与分析板卡，构成通用或专用的测试系统。专用的测试系统。 第二种是由仪器前端与计算机组合的测试系统。仪器前端第二种是由仪器前端与计算机组合的测试系统。仪器前端一般由信号调理、模拟信号采集、数字输入输出、数字信号一般由信号调理、模拟信号采集、数字输入输出、数字信号处理、测试控制等模块组成。由处理、测试控制等模块组成。由VXIVXI、PXIPXI等专用仪器总线连等专用仪器总线连接在一起构成独立机箱，并通过以太网接口、接在一起构成独立机箱，

7、并通过以太网接口、13941394、并行接、并行接口等通信接口与计算机相连，构成通用或专用测试系统。口等通信接口与计算机相连，构成通用或专用测试系统。 第三种是由各种独立的可编程仪器（具有参数设置和控制第三种是由各种独立的可编程仪器（具有参数设置和控制功能的计算机接口）与计算机连接所组成的测试系统，这类功能的计算机接口）与计算机连接所组成的测试系统，这类系统又称为仪器控制系统。这类测试系统与前两类系统的最系统又称为仪器控制系统。这类测试系统与前两类系统的最大区别在于程控仪器本身能够脱离开计算机运行，完成大区别在于程控仪器本身能够脱离开计算机运行，完成定定的测量任务。的测量任务。 上述三类计算机

8、测试系统可以采用一般的测试分析软件上述三类计算机测试系统可以采用一般的测试分析软件构成计算机测试系统，也可以利用专门的软件系统构成虚拟构成计算机测试系统，也可以利用专门的软件系统构成虚拟仪器。仪器。 随着微电子技术的不断发展，集成了随着微电子技术的不断发展，集成了CPUCPU、存储器、定时、存储器、定时器计数器、并行和串行接口、接口上的加密模块、前置放器计数器、并行和串行接口、接口上的加密模块、前置放大器甚至大器甚至A AD D、D DA A转换器等电路在一块芯片上的超大规模转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片（即单片机）不断出现。以单片机为主体，将集成电路芯片（即单片机）不断出现。

9、以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统智能化测量控制系统”，也就是，也就是智能仪器智能仪器。 本章将分别讨论上述三种测试系统中均涉及的几个共同本章将分别讨论上述三种测试系统中均涉及的几个共同问题：计算机插卡仪器、仪器前端、仪器控制技术以及智能问题：计算机插卡仪器、仪器前端、仪器控制技术以及智能仪器和虚拟仪器技术。仪器和虚拟仪器技术。 第二节第二节 插卡式测试系统插卡式测试系统 数据采集卡数据采集卡通常具有通常具有A AD D转换、转换、D DA A转换；数字转换；数字I IO O和计数和计数器定

10、时器等功能，有些还具有数字滤波和数字信号处理的器定时器等功能，有些还具有数字滤波和数字信号处理的功能。现在的多功能数据采集卡多采用可编程器件，使用户功能。现在的多功能数据采集卡多采用可编程器件，使用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。 插卡式仪器由微机、数据采集卡与专用的软件组成。借助于插卡式仪器由微机、数据采集卡与专用的软件组成。借助于计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、

11、数据分析和显示。因个人计算机数量非常庞大，器的控制、数据分析和显示。因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特别适合于教学插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室使用。目前仍有强大的生命力。这类系统部门和各种实验室使用。目前仍有强大的生命力。这类系统性能好坏的关键在于性能好坏的关键在于A AD D转换技术。转换技术。 插卡类型有插卡类型有ISAISA卡卡、PCMCIAPCMCIA卡卡和和PCIPCI卡卡等多种类型。等多种类型。ISAISA型插型插卡已经逐渐退出舞台。卡已经逐渐退出舞台。PCMCIAPCMCIA卡由于受到结构连接强度太弱卡由于受

12、到结构连接强度太弱的限制影响了它的工程应用。的限制影响了它的工程应用。PCIPCI卡的使用最为广泛。卡的使用最为广泛。PCIPCI总总线上的外围设备可与线上的外围设备可与CPUCPU并发工作，从而提高了整体性能。并发工作，从而提高了整体性能。PCIPCI总线还有自动配置功能，从而使所有与总线还有自动配置功能，从而使所有与PCIPCI兼容的设备实兼容的设备实现真正的现真正的“即插即用即插即用”（plug & playplug & play）。）。 基于基于PCIPCI总线的测试仪器的缺点：首先，在插入总线的测试仪器的缺点：首先，在插入DAQDAQ（数据采（数据采集卡）时都需要打开

13、机箱等，操作不便，并且主机上的集卡）时都需要打开机箱等，操作不便，并且主机上的PCIPCI插槽有限；其次，测试信号直接进入计算机，各种现场的被插槽有限；其次，测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁；第三，计算机内部测信号对计算机的安全造成很大的威胁；第三，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响。因此，以串的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响。因此，以串行接口总线方式的外挂式仪器系统就成为廉价型虚拟仪器测行接口总线方式的外挂式仪器系统就成为廉价型虚拟仪器测试系统的主流。试系统的主流。 利用微机的各种串口通信，可把硬件集成在一个采集盒里或利用微机的各

14、种串口通信，可把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上，软件装在微机上，通常可以完成各种仪器的功一个探头上，软件装在微机上，通常可以完成各种仪器的功能。它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外能。它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式微机或工控机相连，实现台式和便携式两作业，又可与台式微机或工控机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。特别是用，非常方便。特别是USBUSB口和口和13941394口具有传输速度快、可以口具有传输速度快、可以热插拔、联机使用方便的特点，很有发展前途，将成为未来热插拔、联机使用方便的特点，很有发展前途，将成为未来虚拟仪器有巨大发展前景和

15、广泛市场的主流平台。通过各种虚拟仪器有巨大发展前景和广泛市场的主流平台。通过各种不同的接口总线，可以组建不同规模的自动测试系统，它可不同的接口总线，可以组建不同规模的自动测试系统，它可以借助不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的以借助不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。大型的自动调试系统。 美国美国NINI公司为使测试仪器能够适应上述各种总线的配置，开公司为使测试仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件，主要的模块化硬件如发了大

16、量的软件以及适应要求的硬件，主要的模块化硬件如用于数据采集、仪器控制和机器视觉的用于数据采集、仪器控制和机器视觉的PXIPXI模块化仪器，可以模块化仪器，可以灵活地组建不同复杂程度的自动测试系统，如果想了解具体灵活地组建不同复杂程度的自动测试系统，如果想了解具体的产品及性能，可以访问其网站的产品及性能，可以访问其网站(www(wwwninicom)com)，查询相关，查询相关的板卡及软件介绍。的板卡及软件介绍。 第三节第三节 仪器前端仪器前端 除了利用通用计算机或工控机开发测试仪器外，专用的仪除了利用通用计算机或工控机开发测试仪器外，专用的仪器总线系统也在不断发展，成为构建高精度、集成化仪器系

17、统器总线系统也在不断发展，成为构建高精度、集成化仪器系统的专用平台。高精度集成系统架构经历了的专用平台。高精度集成系统架构经历了GPIBVXIPXIGPIBVXIPXI仪器仪器总线的发展过程。总线的发展过程。 GPIBGPIB通用接口总线通用接口总线是计算机和仪器间的标准通信协议。是计算机和仪器间的标准通信协议。GPIBGPIB的的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准IEEE488IEEE4881 1和和IEEE488IEEE4882 2。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循循IEEE 488IEEE 48

18、8的的GPIBGPIB接口。典型的接口。典型的GPIBGPIB测试系统包括一台计算机、测试系统包括一台计算机、一块一块GPIBGPIB接口卡和若干台接口卡和若干台GPIBGPIB仪器。每台仪器。每台GPIBGPIB仪器有单独的地仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动。这种概念已被应用于仪只需对计算机的控制软件作相应改动。这种概念已被应用于仪器的内部设计。器的内部设计。GPIBGPIB的数据传输速度一般低于的数据传输速度一般低于500Kb500Kbs s，不适，不适合对系统速度

19、要求较高的应用。作为早期仪器发展的产物，目合对系统速度要求较高的应用。作为早期仪器发展的产物，目前已经逐步退出市场。前已经逐步退出市场。VXIVXI总线总线（即（即IEEE 1155IEEE 1155总线）是一种高速计算机总线总线）是一种高速计算机总线VMEVME总总线在仪器领域的扩展。线在仪器领域的扩展。VXIVXI总线具有标准开放、结构紧凑、数据总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强，最高可达吞吐能力强，最高可达40Mb40Mbs s，定时和同步精确、模块可重复，定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的特点，因此得到了广泛的应用。组利用、众多仪器厂家支持的特点，因此得到了广泛

20、的应用。组建建VXIVXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高，其推广应用受到一定限制，主要应用集中在航空、航天等高，其推广应用受到一定限制，主要应用集中在航空、航天等国防军工领域。国防军工领域。PXIPXI总线总线是以是以CompactPCICompactPCI为基础的，由具有开放性的为基础的，由具有开放性的PXIPXI总线扩总线扩展而来。展而来。PXIPXI总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了面充分发挥了PCIPCI总线的全部优点。总线的全部优点。PXIPXI构造类

21、似于构造类似于VXIVXI结构，结构，但它的设备成本更低、运行速度更快、体积更紧凑。但它的设备成本更低、运行速度更快、体积更紧凑。PXIPXI还有还有高度的可扩展性，它有高度的可扩展性，它有8 8个扩展槽，而台式个扩展槽，而台式PCIPCI系统只有系统只有3 34 4个个扩展槽。扩展槽。PXIPXI系统通过使用系统通过使用PCI-PCIPCI-PCI桥接器，可扩展到桥接器，可扩展到256256个扩个扩展槽。展槽。PXIPXI总线的传输速率已经达到总线的传输速率已经达到132Mb132Mbs s（最高为（最高为500Mb500Mbs s），是目前已经发布的最高传输速率。），是目前已经发布的最高传

22、输速率。 PXIPXI总线的总线的优点优点：首先，随着产品的复杂度增加，被测项目也：首先，随着产品的复杂度增加，被测项目也相应增加，利用相应增加，利用PXIPXI模块可以灵活配置成综合的自动化测试平模块可以灵活配置成综合的自动化测试平台，将多种功能测试同时进行，有效节省了系统测试时间和台，将多种功能测试同时进行，有效节省了系统测试时间和成本；第二，成本；第二，PXIPXI集定时与触发、更高带宽及更优的性价比于集定时与触发、更高带宽及更优的性价比于一身，从而成为测试平台首选；此外，一身，从而成为测试平台首选；此外，PXIPXI提供了一种清晰的提供了一种清晰的混合解决方案，即混合解决方案，即PXI

23、PXI能很轻松地将硬件和软件，包括能很轻松地将硬件和软件，包括VXIVXI、GPIBGPIB及串口设备与及串口设备与PXIPXI新产品、新产品、USBUSB及以太网设备集成在一起。及以太网设备集成在一起。 PXIPXI总线的总线的缺点缺点：相对于：相对于VXIVXI，PXIPXI机箱体积较小，对于很多功机箱体积较小，对于很多功能复杂的大型综合系统，它所能提供的模块有效，因而只能能复杂的大型综合系统，它所能提供的模块有效，因而只能配合用于某些单元测试环节；其次，配合用于某些单元测试环节；其次，PXIPXI由于缺少由于缺少VXIVXI系统中系统中每个模块的屏蔽盒，因而其电磁兼容性较差，对于某些可靠

24、每个模块的屏蔽盒，因而其电磁兼容性较差，对于某些可靠性要求较高的场合，不太适用。此外，与传统仪器相比，性要求较高的场合，不太适用。此外，与传统仪器相比，PXIPXI由于采用的都是通用芯片和技术，在采样精度等技术指标上由于采用的都是通用芯片和技术，在采样精度等技术指标上与拥有专利技术的传统仪器厂商的产品存在差距。与拥有专利技术的传统仪器厂商的产品存在差距。 Data PhysicsData Physics公司生产的公司生产的ABACUSABACUS高性能测试硬件，以高性能测试硬件，以ABACUSABACUS为为硬件前端可构成两种动态信号分析仪：硬件前端可构成两种动态信号分析仪： SignalCa

25、lc MobilyzerSignalCalc Mobilyzer（简称（简称DP730DP730）：一个）：一个ABACUSABACUS外外接主机，最大到接主机，最大到3232个测量通道、个测量通道、8 8个信号源、个信号源、8 8个转速测量通道，个转速测量通道，便携式。便携式。 SignalCalc SavantSignalCalc Savant（简称（简称DP750DP750）：多个）：多个ABACUSABACUS外接主机（通外接主机（通过以太网可同时连接多个过以太网可同时连接多个ABACUSABACUS机箱），测量通道数不受限制，机箱），测量通道数不受限制，可扩展到可扩展到1024102

26、4通道，甚至更多。通道，甚至更多。 第四节第四节 仪器控制仪器控制 一、仪器控制概念一、仪器控制概念 “仪器控制仪器控制”是指这样一个操作：通过微机上的软件控制仪器是指这样一个操作：通过微机上的软件控制仪器控制总线上的一台仪器。仪器自身通常支持一种或多种总线选控制总线上的一台仪器。仪器自身通常支持一种或多种总线选择，以通过这些总线控制该仪器，微机通常也提供多种用于仪择，以通过这些总线控制该仪器，微机通常也提供多种用于仪器控制的总线选择。如果微机本身不支持仪器可用的总线，可器控制的总线选择。如果微机本身不支持仪器可用的总线，可以增加一个插卡或一个外部转换器。以增加一个插卡或一个外部转换器。 可用

27、于仪器控制的总线有很多种，可以分为下面两个大类：可用于仪器控制的总线有很多种，可以分为下面两个大类：独立总线：用于架式和堆式仪器的通信。独立总线包括专用独立总线：用于架式和堆式仪器的通信。独立总线包括专用总线（如总线（如GPIBGPIB）和微机标准总线（如串行总线）和微机标准总线（如串行总线RS-232RS-232、以太网、以太网、USBUSB、无线和、无线和IEEE 1394IEEE 1394）。一些独立总线可用作其他独立总线）。一些独立总线可用作其他独立总线的中介，如的中介，如USBUSB到到GPIBGPIB的转换器。的转换器。模块化总线：将接口总线合并到仪器中。模块化总线包括模块化总线：

28、将接口总线合并到仪器中。模块化总线包括PCIPCI、PCI ExpressPCI Express、VXIVXI和和PXIPXI。这些总线也可用作为不包括该。这些总线也可用作为不包括该总线的微机增加一个独立总线的中介，如总线的微机增加一个独立总线的中介，如PCI-GPIBPCI-GPIB控制卡。控制卡。 不论是直接通过不论是直接通过GPIBGPIB或或RS-232RS-232与仪器通信，还是通过总线与仪器通信，还是通过总线转换器与仪器相连，还有软件支持通过微机总线与仪器直接连转换器与仪器相连，还有软件支持通过微机总线与仪器直接连接，模块化总线都能将通信总线与测量硬件组合构成接，模块化总线都能将通

29、信总线与测量硬件组合构成台设备。台设备。 对于独立总线，可以主要通过插卡连接基于对于独立总线，可以主要通过插卡连接基于GPIBGPIB的仪器和的仪器和微机。这些插卡如：微机。这些插卡如：PCI-GPIBPCI-GPIB、PCIe-GPIBPCIe-GPIB和和PCMCIA-GPIBPCMCIA-GPIB。也。也可以通过微机上的可用串行端口连接基于串行总线的仪器。为可以通过微机上的可用串行端口连接基于串行总线的仪器。为了直接通过总线连接以太网或了直接通过总线连接以太网或USBUSB仪器，还可以使用微机上现仪器，还可以使用微机上现成可用的端口和相应的通信软件。然而，鉴于用于仪器控制的成可用的端口和

30、相应的通信软件。然而，鉴于用于仪器控制的新总线技术采纳缓慢，可以使用总线转换器作为一种可行的仪新总线技术采纳缓慢，可以使用总线转换器作为一种可行的仪器控制方法。这样既可以利用最新总线技术，同时也保护了已器控制方法。这样既可以利用最新总线技术，同时也保护了已有有GPIBGPIB和（或）串行仪器上的投资。和（或）串行仪器上的投资。 对于模块化总线，可使用对于模块化总线，可使用PCIPCI和和PXIPXI模块化仪器。这些仪器模块化仪器。这些仪器综合了独立仪器的测量能力和高性能总线的优点。这些紧凑、综合了独立仪器的测量能力和高性能总线的优点。这些紧凑、高性能测量硬件设备集成了定时和同步资源，它们包括数

31、字化高性能测量硬件设备集成了定时和同步资源，它们包括数字化仪、函数和任意波形发生器、高速数字仪、函数和任意波形发生器、高速数字I IO O设备、数字万用表设备、数字万用表和射频测量硬件等。和射频测量硬件等。PXIPXI平台是用于测量和自动化的、开放的、平台是用于测量和自动化的、开放的、多厂商标准，它的性能要优于旧式测量和自动化结构多厂商标准，它的性能要优于旧式测量和自动化结构1010倍多。倍多。 仪器控制系统，例如：丹麦仪器控制系统，例如：丹麦B&KB&K公司生产的公司生产的PULSE 3560PULSE 3560系系列多分析仪系统，是列多分析仪系统，是个通用的、面向任务的分析

32、系统，它基个通用的、面向任务的分析系统，它基于于Windows XPWindows XP的平台，带局域网（的平台，带局域网（LANLAN）接口的）接口的PULSEPULSE系统，包系统，包括：微机、括：微机、PULSEPULSE软件、软件、Windows XPWindows XP、Microsoft OfficeMicrosoft Office接口，接口，便携式数据采集前端硬件和分析引擎，系统配置最多可扩充至便携式数据采集前端硬件和分析引擎，系统配置最多可扩充至220220个通道，个通道，1616个信号发生器输出通道。个信号发生器输出通道。PULSE 3560PULSE 3560多分析仪多分析

33、仪配有配有B&K 7700B&K 7700型噪声和振动软件，该软件配合不同的前端可进型噪声和振动软件，该软件配合不同的前端可进行实时的行实时的1 11 1、1 13 3、1 11212、1 12424倍频程及倍频程及FFTFFT分析、实时分析、实时读取任何频谱和读取任何频谱和FFTFFT值、自动生成报告等，还可值、自动生成报告等，还可64006400线高分辨线高分辨力显示力显示FFTFFT，实时显示噪声和振动的准确数据，非实时的分辨，实时显示噪声和振动的准确数据，非实时的分辨力可达到几万线，力可达到几万线，77007700软件还可进行固有频率、简单的传递函软件还可进行固有频率、

34、简单的传递函数、共振频率、阻尼值的测试，同时显示共振频率的模态振形，数、共振频率、阻尼值的测试，同时显示共振频率的模态振形，实时的瀑布谱等。实时的瀑布谱等。 二、仪器控制举例二、仪器控制举例 仪器控制软件可分为仪器控制软件可分为通用软件通用软件和和专用软件专用软件两种。如两种。如MATLABMATLAB自带的自带的Instruments ControlInstruments Control工具箱以及工具箱以及LabVIEWLabVIEW自带自带的仪器控制工具包属于通用软件，这类软件提供了一套标准的仪器控制工具包属于通用软件，这类软件提供了一套标准接口的驱动软件，通过仪器提供的接口接口的驱动软件

35、，通过仪器提供的接口( (如串口、如串口、GPIBGPIB或或GPIB-VXIGPIB-VXI接口卡接口卡) )与计算机建立连接后，就可以通过软件工具与计算机建立连接后，就可以通过软件工具包中提供的函数或模块对仪器进行控制和数据交换，大多数包中提供的函数或模块对仪器进行控制和数据交换，大多数仪器生产厂商都会为其可编程仪器提供专用的仪器控制软件，仪器生产厂商都会为其可编程仪器提供专用的仪器控制软件，用来完成特定的控制功能。用来完成特定的控制功能。 第五节第五节 智能仪器简介智能仪器简介 所谓智能仪器是指内含微处理器的仪器或基于微型机的仪所谓智能仪器是指内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器。智能仪

36、器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智器。智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。 智能仪器的工作过程：传感器拾取被测参量的信息并转换智能仪器的工作过程：传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入

37、程控增益放大器，放大后的信号经放大后的信号经A AD D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单理；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内的设定参数进行运算比较后，根片机把运算结果与存储于片内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号。此外，智能仪据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号。此外，智能仪器还可以与微机组成分布式测控系统，由单片

38、机作为下位机采器还可以与微机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，将信息传输给上位机集各种测量信号与数据，将信息传输给上位机PCPC机，由机，由PCPC机进行全局管理。机进行全局管理。 智能仪器具有以下智能仪器具有以下功能特点功能特点： 仪器的整个测量过程，如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、仪器的整个测量过程，如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。 1 1）具有自测功能，包括自动调零、

39、自动故障与状态检验、自）具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护；同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护； 2 2）具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能）具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原

40、来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。活地加以解决。 3 3）具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪）具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方

41、便直观；员，使仪器的操作更加方便直观； 4 4）具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有）具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIBGPIB、RS232CRS232C、RS4-85RS4-85等标准的通信接口，可以很方便地与微机和其他仪器一等标准的通信接口，可以很方便地与微机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。的测试任务。 智能仪器智能仪器和和虚拟仪器虚拟仪器的的区别区别在于它们所用的微机是否与仪器测在于它们所用的微机是否与仪器测量部分融合在一起，也即采用专门设计的微处理器、存储器、量部分融合在一

42、起，也即采用专门设计的微处理器、存储器、接口芯片组成的系统，还是用现成的微机配以一定的硬件及仪接口芯片组成的系统，还是用现成的微机配以一定的硬件及仪器测量部分组合而成的系统。器测量部分组合而成的系统。 第六节第六节 虚拟仪器虚拟仪器 测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟仪器系统中，数据分析和显示完示等三大部分组成的。在虚拟仪器系统中，数据分析和显示完全用微机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集全用微机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与微机组成测量仪器。这种基于微机的测量

43、仪器硬件，就可以与微机组成测量仪器。这种基于微机的测量仪器称为称为虚拟仪器虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心软件系统是虚拟仪器的核心“软件就是仪器软件就是仪器”。 19861986年美国国家仪器公司首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚年美国国家仪器公司首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信以及图

44、形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由过程通信以及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。它充分地利用了计算机独具的计算机操纵的模块化仪器系统。它充分地利用了计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理功能，同时把传统运算、存储、回放、调用、显示及文件管理功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板软件化，这样便构成了从外观到功能仪器的专业化功能和面板软件化，这样便构成了从外观到功能都完全与传统仪器相同，甚至更优越的仪器系统。都完全与传统仪器相同，甚至更优越的仪器系统。 虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：一是虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：一是GPIBVXIP

45、XIGPIBVXIPXI总总线方式线方式( (适合大型高精度集成系统适合大型高精度集成系统) )；二是微机插卡式；二是微机插卡式LPTLPT并并行口式行口式串口串口USBUSB方式方式IEEEIEEE标准的标准的13941394口方式（适合于普及口方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）。型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）。 一、虚拟仪器的特点一、虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处，就在于其具有开放性的虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处，就在于其具有开放性的构成方式，即具有灵活性和功能的可重构性。构成方式，即具有灵活性和功能的可重构性。 虚拟仪器是用户根据需要自己定义

46、、自行组合的。用户可以灵虚拟仪器是用户根据需要自己定义、自行组合的。用户可以灵活的将各种计算机平台、硬件、软件和各种附件结合起来，形活的将各种计算机平台、硬件、软件和各种附件结合起来，形成自己所需要的各种特定设备，可以是一台数字多用表，也可成自己所需要的各种特定设备，可以是一台数字多用表，也可以是一台示波器，还有可能是一台信号源，或者它同时具有这以是一台示波器，还有可能是一台信号源，或者它同时具有这些设备的所有功能甚至于更多的功能。些设备的所有功能甚至于更多的功能。虚拟仪器的虚拟仪器的特点特点主要表现为：主要表现为： 硬件接口标准化；硬件软件化； 软件模块化；软件模块化； 模块控件化；模块控件

47、化； 系统集成化；系统集成化； 程序设计图形化；程序设计图形化；计算可视化；计算可视化； 硬件接口软件驱动化。硬件接口软件驱动化。 二、虚拟仪器的构成方法二、虚拟仪器的构成方法 虚拟仪器通常由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面虚拟仪器通常由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。板组成。 硬件设备与接口硬件设备与接口可以是各种以计算机为基础的内置功能插卡、可以是各种以计算机为基础的内置功能插卡、通用接口总线卡、串行接口卡、通用接口总线卡、串行接口卡、VXIVXI总线仪器接口等设备，或总线仪器接口等设备，或者是其他各种可程控的外置测试设备；者是其他各种可程控的外置测试设备；设备驱动

48、软件设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通信；通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通信；虚拟仪器面板虚拟仪器面板在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。在这些控件中预先集成了对应仪器的程控信对应的各种控件。在这些控件中预先集成了对应仪器的程控信息，所以用户使用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪息，所以用户使用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。器一样真实与方便。 三、虚拟仪器的软件实现三、虚拟仪器的软件实现

49、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：VISAVISA库、仪库、仪器驱动程序、应用软件。器驱动程序、应用软件。 1 1VISAVISA库库 VISAVISA（Virtual Instrumentation Software ArchitectureVirtual Instrumentation Software Architecture）虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的I I0 0函数库及其相关函数库及其相关规范的总称。一般称这个规范的总称。一般称这个I IO O函数库为函数库为VISAVISA库。它驻留

50、于计算库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。者来说是一个个可调用的操作函数集。 2 2仪器驱动程序仪器驱动程序 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给

51、用户。仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。 3 3应用软件应用软件 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。来完成自动测试任务。 虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式：虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式： （1 1）用通用编程软件进行编写）用通用编程软件进行编写 主要有主要有MicrosoftMicrosoft公司的公司的Visual BasicVisual Basic与与Vi

52、sual C+Visual C+、BorlandBorland公司的公司的DelphiDelphi、SybaseSybase公司的公司的PowerBuilderPowerBuilder等；等； （2 2）用专业图形化编程软件进行开发）用专业图形化编程软件进行开发 如如HPHP公司的公司的VEEVEE、NINI公公司的司的LabVIEWLabVIEW和和LabwindowsLabwindowsCVICVI以及工控组态软件等。以及工控组态软件等。 应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，如频域分析的功率

53、谱估用于数字信号处理的各种功能函数，如频域分析的功率谱估计、计、FFTFFT、FHTFHT、逆、逆FFTFFT、逆、逆FHTFHT和细化分析等；时域分析的相和细化分析等；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。以及数字滤波等等。这些功能函数为用户进一步和排序等。以及数字滤波等等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。扩展虚拟仪器的功能提供了基础。 四四LabVIEWLabVIEW虚拟测试系统应用举例虚拟测试系统应用举例 1 1LabVIEWLabVIEW操作面板简介操作面板简介 使用使用Lab

54、VIEWLabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为VIVI。VIVI包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接器器。 （1 1）程序前面板）程序前面板 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（ControlsControls），输出量被称为显示（），输出量被称为显示（IndicatorsIndicators）。控制和）。控制和显示是以各种

55、图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。下图是一个温钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。下图是一个温度计程序（度计程序（Thermometer VIThermometer VI）的前面板。）的前面板。 （2 2）框图程序）框图程序 每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEWLabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。上述温度计程序动方向。上述温度计