《电气测试技术》课件第7章 电气测试技术的智能化和虚拟化

7电气测试技术的智能化和虚拟化近年来，随着微电子技术、网络及通信技术和相关学科的发展，测试技术发展迅猛，出现了一些新的概念、理念和技术，表现出一些新的发展方向。仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化。利用现代微制造技术（光、机、电）、纳米技术、计算机技术、仿生学原理、新材料等高新技术开发新的科学仪器已经成为主流。虚拟仪器技术、现场总线技术、网络技术和智能信息处理技术也开始广泛应用于测试系统之中。7.1测试仪器的新发展7.1.1新型传感器不断出现1．基于新材料的物性型传感器不断出现2．集成化、多功能化、智能化传感器不断出现3．各类仿生型传感器不断出现7.1.2测试系统的小型化、微型化及集成化微机技术和大规模集成电路技术的应用使得测试系统的紧凑程度得到极大提高。各种基于新材料、新效应和新工艺的新型传感器的不断出现，使得传感器在精度提高的同时体积也逐渐变小；信号处理电路的集成程度不断提高，使得测试系统的小型化、微型化及集成化成为可能；新型的显示和记录仪器及模块不断出现，也使得整个系统的体积不断减小。7.1.3虚拟仪器化在计算机测试系统的基础上，出现了虚拟仪器的概念，并得到广泛的应用。虚拟仪器技术可以在大大节约开发时间的基础上使系统具有强大的扩展功能和近乎完美的用户体验。虚拟仪器技术使得现代测控系统更加灵活、紧凑、经济，功能更加强大。无论测量、测试、计量或工业过程控制和分析处理，还是其它更为广泛的测控领域，虚拟仪器都以自身无与伦比的强大功能和灵活性组态为设计者提供了一种极佳的模式。7.1.4测试系统的智能化测试系统的智能化主要表现在测试系统对信息的检测、信号处理、信息的记忆、逻辑思维与推理决策等方面，出现了智能仪器、智能传感器等新概念。智能测试系统以微处理器为核心，通过总线及接口与I/O通道及输入/输出设备相连。微处理器作为控制单元来控制数据采集装置进行采样，并对采样数据进行计算及数据处理，如数字滤波、标度变换、非线性补偿等。然后把计算与分析结果进行显示或打印。智能测试系统广泛采用键盘、LED显示器，它们由微处理器控制，显示测试结果或处理结果及图像等。7.1.5测试系统的网络化现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线面向工业生产现场，主要用于实现生产/过程领域的基本测控设备（现场级设备）之间以及与更高层次测控设备（车间级设备）之间的互连。现场总线已有多个版本，目前工业生产中广泛采用的现场总线技术包括PROFIBUS现场总线、LonWorks现场总线、基金会现场总线（FF）、CAN总线和HART总线等。(1)基于现场总线技术的网络化测控系统（2）基于Internet的网络测控利用现有Internet资源而无须建立专门的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与Internet的互联都十分方便。基于Internet的网络测控系统中实现信号采集与控制的前端模块具有虚拟仪器不可比拟的强大功能，它不仅完成信号的采集和控制，在一定程度上还兼顾实施对信号的分析与传输。7.1.6软测量技术的发展软测量就是选择与被测变量（难以直接测量，称为主导变量）相关的一组可测变量（称为二次变量或辅助变量），构造某种以可测变量为输入、被测变量为输出的数学模型，使用计算机进行模型的数值运算，从而得到被测变量的估计值的过程。这类数学模型及相应的计算机软件也被称为软测量估计器或软测量仪表。软测量技术主要包括三部分的内容：一是根据某种最优原则研究建立软测量数学模型的方法，这是软测量技术的核心；二是模型实时运算的工程化实施技术，这是软测量技术的关键；三是模型自校正技术，这是提高软测量精度的有效方法。近年来，随着微电子技术、网络及通信技术和相关学科的发展，测试技术发展迅猛，出现了一些新的概念、理念和技术，表现出一些新的发展方向。仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化。利用现代微制造技术（光、机、电）、纳米技术、计算机技术、仿生学原理、新材料等高新技术开发新的科学仪器已经成为主流。虚拟仪器技术、现场总线技术、网络技术和智能信息处理技术也开始广泛应用于测试系统之中。7.2微机化仪器的典型功能117.2微机化仪表的典型功能

测量过程和控制的软件化仪器硬件变得简单、体积与功耗均减小、可靠性提高、灵活性增强、自动化程度更高。可实现简单的人机对话、自检、自诊断、自校准、LCD或LED显示和打印输出等。在软件控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，仅改变软件即可。这是传统的纯硬件式仪器所不及的。

数据处理能力智能仪器最突出的特点，主要表现为能改善测量的准确度和对测量结果进行再加工。对测量结果进行在线处理，方便、快速、可避免主观因素干扰。可执行多种算法，实现各种误差的计算与补偿、能校准测量仪器的非线性。降低测量误差，提高测量准确度。

127.2微机化仪表的典型功能

多功能化增加了仪器的测量功能、是一台纯硬件仪器无法比拟的。灵活的功能切换、量程切换、算法切换、硬件模块置换、显示方式选择、控制功能增选……简单公式

“仪器=AD/DA+CPU+软件”137.2微机化仪表的典型功能仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系统到虚拟仪器。传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在。147.2微机化仪表的典型功能仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系统到虚拟仪器。传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在。1、带微处理器的仪表智能仪器的原理结构

7.2微机化仪表的典型功能由于增加了微处理器，电测仪表增加的功能:（1）自动校准（2）零漂电压的校正（3）多次采样平均值测量法输出电压

由以上三式可以得到即用给定基准对智能仪器作自动校准，将测得的误差存储起来，在测量值中扣除此系统误差，将有助于提高测量的准确性。（1）自动校准7.2微机化仪表的典型功能（

2）零漂电压的校正7.2微机化仪表的典型功能智能仪表中常用直流零位校正。首先，测量输入端短路时输出端的直流电压，将其存入存储器中。在实际测量时，微处理器对每次测定值进行数据处理，从测定值中扣除直流零电压的影响。这种方案广泛应用于各种数字电压表中。（3）多次采样平均值测量法7.2微机化仪表的典型功能2、

采样计算式仪表采样方法(1)直流采样法(2)交流采样法①同步采样法(i)硬件同步采样法(ii)软件同步采样法②准同步采样法③非整周期采样谐波分析法④非同步采样法7．2采样计算式仪表1.采样方法(1)直流采样法(2)交流采样法①同步采样法(i)硬件同步采样法(ii)软件同步采样法②准同步采样法③非整周期采样谐波分析法④非同步采样法2．计算方法按定义计算频谱分析法：频谱分析就是把各种电压、电流等信号，通过傅里叶变换，变换到频率域上进行分析。

正弦波参数法数字相关法近年来，随着微电子技术、网络及通信技术和相关学科的发展，测试技术发展迅猛，出现了一些新的概念、理念和技术，表现出一些新的发展方向。仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化。利用现代微制造技术（光、机、电）、纳米技术、计算机技术、仿生学原理、新材料等高新技术开发新的科学仪器已经成为主流。虚拟仪器技术、现场总线技术、网络技术和智能信息处理技术也开始广泛应用于测试系统之中。7.2微机化仪器的典型功能217.2微机化仪表的典型功能

测量过程和控制的软件化仪器硬件变得简单、体积与功耗均减小、可靠性提高、灵活性增强、自动化程度更高。可实现简单的人机对话、自检、自诊断、自校准、LCD或LED显示和打印输出等。在软件控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，仅改变软件即可。这是传统的纯硬件式仪器所不及的。

数据处理能力智能仪器最突出的特点，主要表现为能改善测量的准确度和对测量结果进行再加工。对测量结果进行在线处理，方便、快速、可避免主观因素干扰。可执行多种算法，实现各种误差的计算与补偿、能校准测量仪器的非线性。降低测量误差，提高测量准确度。

227.2微机化仪表的典型功能

多功能化增加了仪器的测量功能、是一台纯硬件仪器无法比拟的。灵活的功能切换、量程切换、算法切换、硬件模块置换、显示方式选择、控制功能增选……简单公式

“仪器=AD/DA+CPU+软件”237.2微机化仪表的典型功能仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系统到虚拟仪器。传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在。247.2微机化仪表的典型功能仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系统到虚拟仪器。传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在。1、带微处理器的仪表智能仪器的原理结构

7.2微机化仪表的典型功能由于增加了微处理器，电测仪表增加的功能:（1）自动校准（2）零漂电压的校正（3）多次采样平均值测量法输出电压

由以上三式可以得到即用给定基准对智能仪器作自动校准，将测得的误差存储起来，在测量值中扣除此系统误差，将有助于提高测量的准确性。（1）自动校准7.2微机化仪表的典型功能（

2）零漂电压的校正7.2微机化仪表的典型功能智能仪表中常用直流零位校正。首先，测量输入端短路时输出端的直流电压，将其存入存储器中。在实际测量时，微处理器对每次测定值进行数据处理，从测定值中扣除直流零电压的影响。这种方案广泛应用于各种数字电压表中。（3）多次采样平均值测量法7.2微机化仪表的典型功能2、

采样计算式仪表采样方法(1)直流采样法(2)交流采样法①同步采样法(i)硬件同步采样法(ii)软件同步采样法②准同步采样法③非整周期采样谐波分析法④非同步采样法7．2采样计算式仪表1.采样方法(1)直流采样法(2)交流采样法①同步采样法(i)硬件同步采样法(ii)软件同步采样法②准同步采样法③非整周期采样谐波分析法④非同步采样法2．计算方法按定义计算频谱分析法：频谱分析就是把各种电压、电流等信号，通过傅里叶变换，变换到频率域上进行分析。

正弦波参数法数字相关法智能测试仪器发展a数据处理（过去）；模糊判断、故障判断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测。含有微计算机或微处理器的测量仪器，拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能作用。功能b知识处理（目前）；7.3智能测试仪器发展概况

特点测量范围宽、精度高、稳定性好。智能仪器一般均配有GP-IB（或RS-232C、RS-485）等通信接口，可跟另外的智能仪器组成智能仪器系统

功能70年代微处理器的出现和广泛应用,产生以微处理器为核心,将计算机技术与测量仪器相结合的仪器.可根据被测参数的变化自动选择合适的量程，进行自动校准、自动补偿、自动判断故障、优化控制等，具有一定的人类智能作用。

独立式智能仪器（简称称智能仪器）

基本工作原理80年代初将仪器中的测量部分配以相应的接口电路组成各种仪器卡，插入到PC机的插槽或扩展槽内，以个人计算机为基础组成的智能仪器。将传统的独立仪器与计算机的软件硬件资源相结合，利用PC机的硬件和软件资源完成数据分析和显示，仪器卡完成数据采集，具有较高的性价比。

特点可充分发挥计算机的效能，灵活方便、标准化程度高、扩展性好。个人仪器（PC仪器）智能仪器发展趋势

随着微电子、微机械、信息等技术的不断发展，使具有传统智能仪器功能、体积小的微型智能仪器技术不断成熟，在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗等领域具有独特的作用。随其价格的不断降低，应用领域将不断扩大。1、微型化

多功能是智能仪器仪表的一个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。2、多功能化

人工智能是利用计算机模拟人的智能，使智能仪器在视觉(图形及色彩)、听觉(语音识别及语言领悟)、思维(推理、判断、学习与联想)等方面代替一部分人的脑力劳动，具有一定的人工智能作用，无需人的干预可自主地完成检测或控制任务，解决用传统方法很难解决或根本无法解决的问题。3、人工智能化

计算机网络技术的日益成熟提供了将测控、计算机和通信技术相结合的现实可能。利用网络技术将各个分散的测量仪器设备连在一起，各仪器设备之间通过网络交换数据、信息，实现各种数据、信息跨地域、跨时间的传输与交换，使测量不再是单个仪器设备相互独立操作的简单组合，而是一个统一的高效的整体，实现各仪器资源的共享和测量功能的优化，是国防、通信、铁路、航空、航天、气象以及制造等行业或领域的发展趋势。4、网络化智能仪器的分类、组成和特点

智能仪器的分类智能仪器系统微机内嵌（内藏）式微机扩展式7.3智能测试仪器

将微机作为核心部件嵌入到智能仪器中，仪器包含一个或多个微机，属于嵌入式系统（EmbeddedSystem）。利用微机强大的功能完成信号调理、A/D转换、数字处理、数据存储、显示、打印、通信等各项任务。

将检测功能扩展到微机中，由特定的硬件模块完成被测输入信号的采集，放大，以及输出信号的数模转换等功能，利用微机的硬件和软件资源完成数据分析和显示，给使用者的感觉首先是一个微机系统。微机内嵌式智能仪器是智能仪器设计的基础。智能仪器的组成智能仪器硬件软件人机接口电路微处理器存储器输入通道通信接口电路等部分核心作用程序存储器数据存储器存储程序和数据传感器信号调理电路A/D转换电路完成信号的滤波、放大、模数转换等输出通道D/A转换电路放大驱动电路执行部件将处理器处理后的数字信号转换为模拟信号键盘显示器实现仪器与计算机或其它仪器的联系智能测量仪器的典型结构

单片机控制部分仪器部分接口部分General-PurposeInterfaceBus-

微机内嵌式基本结构:智能仪器的特点1.具有快速处理数据能力:能短时进行多次测量并运算。例如可即时显示所测数据求平均值。2.具有自动操作功能:能实现自动调零、自动改变量程、自动修正误差、自动校准等功能。3.可以一表多用:编入不同的子程序，使用时无需改变硬件，只改变程序即能完成不同的测量任务。4.可将间接测量转为直读方式:利用执行运算程序从读入中间量求出被测量的值，而无需人工计算。5.实现数据远程通信:可通过接口、总线实现仪器间的数据通信。个人仪器及系统个人仪器也称PC仪器，是在智能仪器发展基础上出现的又一种新型的微型计算机化仪器。由于个人仪器充分利用了PC机的软件和硬件资源，因而相对传统智能仪器来说，极大地降低了成本，大幅度地缩短研制周期，显示出广阔的发展前景。7.2个人仪器１、内插件式个人仪器及系统（基于PC机内部总线）２、模块式个人仪器及系统（基于独立仪器总线）３、VXI总线仪器系统（基于统一标准的仪器总线）个人仪器及系统发展的几个阶段∶1个人系统及系统１、内插件式个人仪器及系统软面板插入仪器卡计算机

最简单的形式是内插件式，它把仪器插卡直接插入到PC机内部的总线扩展槽内。仪器插卡主要完成数据采集工作，所以仪器插卡也称数据采集（DAQ，DATAAcQuisition）卡，这类仪器也称PC－DAQ形式个人仪器。个人仪器及发展１、内插件式个人仪器及系统克服上述缺点的办法是：定义新的仪器总线并将仪器插件移到PC机外的独立机箱中优点：结构简单、使用方便，成本低。缺点：难以满足重载仪器对电流和散热的要求；机内干扰较严重；在组成个人仪器系统时，由于没有专门为仪器定义的总线，各仪器之间不能直接通信，模拟信号也无法经总线传递。因此，这种PC－DAQ形式的个人仪器及系统的性能不可能很高。个人仪器及发展２、独立总线的模块式个人仪器及系统

特点：独立的机箱和独立的电源系统，使仪器避开了微型计算机的噪声环境；设计了专门的仪器总线PC－IB，组成仪器系统很方便；更换系统中与微型计算机配合的接口卡，可适应多种个人计算机；系统中的仪器模块和接口电路中也使用了微处理器，因而HP6000系统是一种功能很强大的多CPU的分布系统HP公司在1986年前后推出的6000系列模块式PC仪器系统被认为是这类形式个人仪器及系统的典型产品，其结构图如右图所示。２、独立总线的模块式个人仪器及系统MXIINST#1INST#2RAM各公司为仪器系统设计了：独立的机箱、独立的电源、专门的仪器总线个人仪器及发展３、VXI总线仪器系统（基于统一标准总线）1987年7月，HP、Tektronix等五家重要电子仪器公司制造厂家组成的联合体，提出了用于仪器模块式插卡的新型的互联标准：VXI总线。VXI总线是在原有的VME总线基础上发展起来的仪器总线，由于VME总线是为计算机一般应用而开发的，未涉及电磁干扰、功率损耗和冷却等问题，VXI总线对此做了妥善的处理。VXI总线的基本概念是为模块电子仪器提供一个开放的结构，从而使所有仪器厂家提供的各种仪器模块可以在同一主机箱内运行。VXI总线标准是公开的，截至1994年，生产VXI产品的厂商已有九十多家，产品品种超过1000种，安装的系统数超过10000套。因此，可以说VXI仪器系统已被确认为是个人仪器的一种标准产品了个人仪器及发展３、VXI总线仪器系统独立的机箱内设计了世界统一的标准总线PC－DAQ形式个人仪器的组成原理

一、硬件结构

PC－DAQ形式个人仪器的硬件是由仪器插件通过内总线与微型计算机融合在一起构成的，因而仪器插件总有接口和测量两大部分电路，基本框图如图所示。接口部分由接口芯片、地址译码电路、控制电路等部分组成，这与PC机的一般功能接口卡的接口电路基本一致。测量部分电路与智能仪器的测量部分电路基本一致，虽然依测量任务不同测量电路的结构与组成有很大差异，但一般说来包括输入电路、采样与保持、A/D转换、时基与时钟等部分。二、软面板及操作个人仪器区别于智能仪器的一个显著特点是：用户不再使用仪器的面板，而是采用软面板实现对仪器的操作。软面板是显示在CRT上由高分辨率作图生成的仪器面板图形(类似于仪器的硬面板)，用户通过操作键盘、鼠标器移动光标方式或通过触屏方式来选择软面板上的按键(称软键)。显示在CRT上软面板的绘制可采用VC,VB,Delphi等语言及图形化的编程语言。软面板依测试仪器性质不同其形式也各不相同，但一般包括仪器面板显示、软键、状态反馈和系统控制等窗口。PC－DAQ形式个人仪器的组成原理

个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，一般结构如图所示。三、个人仪器控制程序在人工控制方式下，系统软件在微型计算机屏幕上产生一个软面板，用户可以像操作传统仪器一样，通过软面板选择功能、量程以及输入有关参数，建立起相应的状态标志提供给仪器控制程序。软面板的键盘操作一般是以中断方式实现的，当用户按下一个键时，软面板就中止当前执行的功能，判断所按的键。如果按下错误的键，就发出声响，以提醒用户；如果按下正确的键，或显示所选参数，或与仪器驱动程序模块进行通信来执行某项操作并实时显示测量结果。个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，一般结构如图所示。三、个人仪器控制程序在程序控制方式下，编程工具提供了容易记住和学会的高级命令，以便让用户能编制测试程序去进行自动测试。对用户来说，只需按照语句的格式进行编程，而不必知道仪器驱动软件与仪器模块之间的通信过程。仪器驱动程序是最底层的软件，是与PC仪器硬件直接联系的软件模块，无论人工操作方式或程序操作方式都要调用仪器驱动程序去执行输入/输出操作。仪器驱动程序是直接面向硬件的，实时性强，要求程序的执行速度快，因此一般直接采用汇编语言编写。三、个人仪器控制程序综上所述，个人仪器软件系统主要解决两个问题：一是软面板的制作，二是对底层的实时控制及有关数据的处理。目前，个人仪器应用软件的编写一般采用如下两种方式：一种是采用通用Windows操作环境下的可视化编程软件进行编写的，例如，C++，Delphi，PowerBuilder等。另一种是采用专业图形化编程软件进行开发，如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等。这些软件一般还包括一些通用的数字处理软件，如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT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、差分积分运算和排序等，数字滤波等。这些功能函数为用户加速个人仪器的开发速度以及进一步扩展仪器的功能提供了基础。PC－DAQ形式个人仪器的组成原理

PC－DAQ形式个人仪器的组成原理

一、硬件结构

PC－DAQ形式个人仪器的硬件是由仪器插件通过内总线与微型计算机融合在一起构成的，因而仪器插件总有接口和测量两大部分电路，基本框图如图所示。接口部分由接口芯片、地址译码电路、控制电路等部分组成，这与PC机的一般功能接口卡的接口电路基本一致。测量部分电路与智能仪器的测量部分电路基本一致，虽然依测量任务不同测量电路的结构与组成有很大差异，但一般说来包括输入电路、采样与保持、A/D转换、时基与时钟等部分。二、软面板及操作个人仪器区别于智能仪器的一个显著特点是：用户不再使用仪器的面板，而是采用软面板实现对仪器的操作。软面板是显示在CRT上由高分辨率作图生成的仪器面板图形(类似于仪器的硬面板)，用户通过操作键盘、鼠标器移动光标方式或通过触屏方式来选择软面板上的按键(称软键)。显示在CRT上软面板的绘制可采用VC,VB,Delphi等语言及图形化的编程语言。软面板依测试仪器性质不同其形式也各不相同，但一般包括仪器面板显示、软键、状态反馈和系统控制等窗口。PC－DAQ形式个人仪器的组成原理

个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，一般结构如图所示。三、个人仪器控制程序在人工控制方式下，系统软件在微型计算机屏幕上产生一个软面板，用户可以像操作传统仪器一样，通过软面板选择功能、量程以及输入有关参数，建立起相应的状态标志提供给仪器控制程序。软面板的键盘操作一般是以中断方式实现的，当用户按下一个键时，软面板就中止当前执行的功能，判断所按的键。如果按下错误的键，就发出声响，以提醒用户；如果按下正确的键，或显示所选参数，或与仪器驱动程序模块进行通信来执行某项操作并实时显示测量结果。个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，一般结构如图所示。三、个人仪器控制程序在程序控制方式下，编程工具提供了容易记住和学会的高级命令，以便让用户能编制测试程序去进行自动测试。对用户来说，只需按照语句的格式进行编程，而不必知道仪器驱动软件与仪器模块之间的通信过程。仪器驱动程序是最底层的软件，是与PC仪器硬件直接联系的软件模块，无论人工操作方式或程序操作方式都要调用仪器驱动程序去执行输入/输出操作。仪器驱动程序是直接面向硬件的，实时性强，要求程序的执行速度快，因此一般直接采用汇编语言编写。三、个人仪器控制程序综上所述，个人仪器软件系统主要解决两个问题：一是软面板的制作，二是对底层的实时控制及有关数据的处理。目前，个人仪器应用软件的编写一般采用如下两种方式：一种是采用通用Windows操作环境下的可视化编程软件进行编写的，例如，C++，Delphi，PowerBuilder等。另一种是采用专业图形化编程软件进行开发，如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等。这些软件一般还包括一些通用的数字处理软件，如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT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、差分积分运算和排序等，数字滤波等。这些功能函数为用户加速个人仪器的开发速度以及进一步扩展仪器的功能提供了基础。PC－DAQ形式个人仪器的组成原理

近年来，随着微电子技术、网络及通信技术和相关学科的发展，测试技术发展迅猛，出现了一些新的概念、理念和技术，表现出一些新的发展方向。仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化。利用现代微制造技术（光、机、电）、纳米技术、计算机技术、仿生学原理、新材料等高新技术开发新的科学仪器已经成为主流。虚拟仪器技术、现场总线技术、网络技术和智能信息处理技术也开始广泛应用于测试系统之中。7.5

自动测试系统一、自动测试系统（CAT平台）的基本组成控制器：系统的指挥、控制中心程控仪器设备：能完成一定的具体测试、控制任务总线与接口：完成消息、命令、数据的传输与交换测试软件：为完成系统测试任务而编制的各种应用软件被测对象7.5

自动测试系统二、自动测试系统发展概况第一代测试系统：多为专用系统，常针对某具体任务而设计；其结构特点是，采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是专用的，故通用性比较差。第二代测试系统：采用了标准化的通用可程控测量仪器接口总线（GPIB，位并行，字节串行）及可程控仪器和测控计算机。第三代测试系统：仅由微型计算机、通用硬件（激励信号产生电路、取样器和接收器、可程控测试接口等）和应用软件组成；充分发挥计算机的能力。7.5

自动测试系统三、测试系统中常用的接口总线及信道PC机系统并行I/O接口总线：PC/XT、ISA（AT）、EISA、PCI、AGPPC机的串行接口总线：RS232、USB、IEEE1394、1-Wire单总线标准仪器总线：GPIB（IEEE4888）、CAMAC、VXI、PXI、VME现场总线：FF、Profibus、CAN、LonWorks、HART信道：有线（RS485/232、电话线、电力线载波、互联网）；无线（无线电波、手机短信息、红外线、蓝牙、无线局域网、无线上网）7.5

自动测试系统

GPIB系统是以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。

GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动测量系统。

GPIB测量系统结构和命令简单，主要市场在台式仪器市场。适合于精度要求高、但对计算机速率要求小高的传输场合应用。

为了提高虚拟仪器和基于计算机的测试系统的性能，VXI标准被制定并且被作为计算机化仪器的一个重要发展方向。

VXI仪器是一种插卡式仪器。每一种仪器是一个插卡，这些卡式仪器都没有面板，其面板仍然通过虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入到标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。VXI系统是以VXI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。VXI总线是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/FMI屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复使用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过10多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，尤其适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。A、B尺寸主机箱的插槽间距为20.32mm，C、D尺寸则为30.48mm。一个机箱最多有13个槽位，其中0号槽比较特殊，位于机箱的最左边或最底部。一个模块一般占一个槽位，但VXI系统允许设计和使用多槽位的更厚的模块。组件模块的机械载体是主机箱。与模块尺寸类型相适应，主机箱也有A、B、C、D四种尺寸可供选择。模块的互连载体是主机箱的背板，背板与模块之间通过总线连接器衔接。VXIbus系统允许较大尺寸机箱使用较小尺寸模块，但必须有附加的安装装置。典型的VXI标准机箱（D尺寸）PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线，以便用于相邻模块的高速通信的局部总线。PXI有高度的可扩展槽，通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台。VXI总线系统结构

连接计算机和VXI总线的通信总线最为常用的有GPIB总线、MXI总线和IEEE1394串行总线等。GPIB总线方式是将配置有GPIB接口板的计算机通过GPI电缆与VXI主机箱相连，主机箱的0槽插入GPIB-VXI/C模块。这种方式的优点是可以充分利用已有的GPIB仪器及其系统，但由于要在GPIB协议和VXI协议之间进行转换，使得系统随机读写速度严重下降。MXI总线是一种柔性电缆相连的高速并行通信总线。采用高速MXI总线将外部计算机接入VXI背板总线，使外部计算机可以像嵌入式计算机一样直接控制VXI总线上的仪器模块。既有外挂式的灵活性，又可将计算机安置在VXI主机箱外的其他地方，还便于控制机升级和多机箱扩展。IEEE1394是一种通用串行总线，最初由Apple公司提出并命名为FireWire(火线)。IEEE1394总线具有高速率、开放式标准、即插即用、支持热拔插、拓扑结构灵活、同时支持同步和异步两种数据传输模式等优点，在众多领域特别是数字成像领域得到的广泛应用。采用VXI-1394连接方式，可以在VXI仪器与计算机之间建立高速、不间断的连接，而且在IEEE1394总线上可以串级使用4个设备而不会引起性能的下降。在以计算机为核心的自动测试设备中，硬件是基础，软件是灵魂。软件在很大程度上决定了系统的先进性、可靠性、实用性和实时性，软件也日益成为ATE的主体，决定整个系统的关键。测试仪器和系统的设计制造朝着规范化、通用化、模块化发展。如何快捷有效的组建自己的自动测试系统，测试软件的生成技术将成为系统集成的关键。四、测试软件7.5

自动测试系统面向对象编程技术、图形化编程技术自动测试程序生成技术自动测试系统测试软件程序的编制：就是使用一定的计算机语言，指挥系统内的各种操作和消息的传递。四、测试软件7.5

自动测试系统现代的测试软件平台：使用图形化编程方式，以C语言为基础。LabVIEW（NI公司产品，图形化编程）HPVEE（HP公司产品，图形化编程）Labwindows/CVI（NI公司产品，C语言及交互式编程）仪器驱动程序：主要用于完成仪器硬件的通信、控制功能自动测试系统的集成：就是如何根据实际任务进行系统级设计。测试系统必须采用开放式系统结构。VXI总线自动测试系统集成：将各种部件，如仪器模块、零槽控制器、计算机控制器、编程语言、夹具/探头等组成一个计算机控制系统。VXI总线自动测试系统集成的步骤：明确测试任务，确定系统的总体结构框架和测试思路；选择主机箱，明确电源功率和冷却的要求；选择主控制器和主控制器的控制方式；进行VXI总线仪器模块的选择；进行开关及测试接口的选择和设计；选择合适的系统软件和工具软件；编制测试应用软件完成所需的测试任务。六、自动测试系统的集成7.5

自动测试系统PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线，以便用于相邻模块的高速通信的局部总线。PXI有高度的可扩展槽，通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台。VXI总线系统结构

连接计算机和VXI总线的通信总线最为常用的有GPIB总线、MXI总线和IEEE1394串行总线等。GPIB总线方式是将配置有GPIB接口板的计算机通过GPI电缆与VXI主机箱相连，主机箱的0槽插入GPIB-VXI/C模块。这种方式的优点是可以充分利用已有的GPIB仪器及其系统，但由于要在GPIB协议和VXI协议之间进行转换，使得系统随机读写速度严重下降。MXI总线是一种柔性电缆相连的高速并行通信总线。采用高速MXI总线将外部计算机接入VXI背板总线，使外部计算机可以像嵌入式计算机一样直接控制VXI总线上的仪器模块。既有外挂式的灵活性，又可将计算机安置在VXI主机箱外的其他地方，还便于控制机升级和多机箱扩展。IEEE1394是一种通用串行总线，最初由Apple公司提出并命名为FireWire(火线)。IEEE1394总线具有高速率、开放式标准、即插即用、支持热拔插、拓扑结构灵活、同时支持同步和异步两种数据传输模式等优点，在众多领域特别是数字成像领域得到的广泛应用。采用VXI-1394连接方式，可以在VXI仪器与计算机之间建立高速、不间断的连接，而且在IEEE1394总线上可以串级使用4个设备而不会引起性能的下降。近年来，随着微电子技术、网络及通信技术和相关学科的发展，测试技术发展迅猛，出现了一些新的概念、理念和技术，表现出一些新的发展方向。仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化。利用现代微制造技术（光、机、电）、纳米技术、计算机技术、仿生学原理、新材料等高新技术开发新的科学仪器已经成为主流。虚拟仪器技术、现场总线技术、网络技术和智能信息处理技术也开始广泛应用于测试系统之中。7.6

虚拟仪器虚拟仪器(VirtualInstrument，VI)是20世纪80年代提出的新概念，是现代计算机技术和仪器技术以及其他新技术深层次结合的产物1986年，美国国家仪器公司(NationalInstrument,NI)首先提出了“软件就是仪器”的概念新的检测理念、新的仪器结构、新的检测方法、新的开发手段，使测量仪器的功能和作用也发生了质的变化电子测量与自动测试领域的一次技术飞跃通过各种与测量技术相关的软硬件与通用计算机相结合，用以代替传统概念的仪器设备，或利用软硬件与传统仪器设备相连接，通过通信方式采集、分析、显示数据，监视和控制测试过程、生产过程等7.6

虚拟仪器虚拟仪器就是在通用计算机为核心的硬件基础上，由用户设计定义，具有虚拟面板、测试功能，由测试软件实现的一种计算机仪器系统。它利用计算机显示器模拟传统仪器的控制面板，通过I/O接口设备完成信号的采集与测量，使用软件对检测信号进行数据运算、分析和处理，并以多种形式表示和输出检测结果，从而实现测试测量功能。用户通过鼠标单击虚拟模板上的按钮进行操作，如同使用一台专用的电子测量仪器。简单地说，虚拟仪器就是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、自己定义的仪器，或者也可以说虚拟仪器就是一种概念性仪器。7.6

虚拟仪器虚拟仪器通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。仪器模块的功能主要靠软件实现，通过编程在显示屏上构成波形发生器、示波器或数字万用表等传统仪器的软面板，而波形发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等，或者示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号(沿口、电平、类型……)等都可用鼠标或按键进行设置，如同常规仪器一样使用，不过，虚拟仪器具有更强的分析处理能力。计算机在虚拟仪器中处于核心地位，仪器的各种功能和面板控件均由计算机软件来完成，任何一个用户均可以在现有硬件条件下通过修改软件来改变仪器的功能软件是虚拟仪器的关键，“软件就是仪器”7.6

虚拟仪器虚拟仪器的特点

在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；允许用户根据需要通过软件自定义仪器的功能，而不是事先由厂商定义好的；仪器功能的改进和扩展只需通过相关软件设计更新，而无需购买新的仪器设备；研制周期较传统仪器大为缩短；功能强大，有更高的数据采集速率、测量准确度、精度以及更好的信号隔离功能；具有更大的灵活性和开放性，可与计算机同步发展，可与网络及周边设备互联；硬件扩展非常便捷，可以利用计算机插入式硬件以及网络化硬件；性价比高，可以大幅降低资金投入、系统开发成本和系统维护成本；操作性强，仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面；良好的便携性，可以在笔记本电脑上运行虚拟仪器系统构成的基本框图

虚拟仪器的硬件结构

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件虚拟仪器的计算机硬件平台可以是各种类型的计算机.计算机管理虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。虚拟仪器的测控功能硬件主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换，具体测量仪器硬件模块是指各种传感器、信号调理器、A/D转换器(ADC)、D/A转换器(DAC)、数据采集卡，同时还包括外置测试设备。按照接口硬件的不同可以分为GPIB、VXI、PXI和DAQ等标准接口总线。虚拟仪器的软件结构

根据VPP系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构从底层到顶层包括三部分：VISA库、仪器驱动程序和应用软件VISA(VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture，虚拟仪器软件体系结构)的实质是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。通常，这个I/O函数库被称作VISA库。它驻留在计算机系统中，实现仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接。VISA能够适应不同的处理器结构，如单处理器结构、多处理器结构及分布式网络系统结构等，并独立于操作系统、编程语言及网络机制，可以实现仪器系统的兼容性。在VISA中，仪器类型的不同体现在资源名称的不同上，而对用户而言，不同类型仪器的使用在形式和方法上都是一样的。VISA实现了各种库的统一，是一组函数集，通过它可以直接访问计算机的硬件设备。VISA本身不具有编程的能力，只是一个应用软件的开发接口，为仪器驱动程序开发提供了可调用的函数集。I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作、对VXI总线背板与器件作测试与控制、并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放统一的虚拟仪器系统的基础与核心。VPP系统规范详细规定了虚拟仪器系统I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器系统I/O接口软件定义为VISA。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，是连接上层应用程序和底层I/O接口软件的纽带和桥梁。通常，生产厂家都为其仪器模块或设备提供了设备驱动程序。用户可在此基础上编写适合自己的应用程序。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序。应用软件是建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供友好的操作界面、丰富的数据分析与处理功能来完成测试任务。

目前，主要有两类虚拟仪器系统的应用软件开发环境：(1)通用编程语言的开发环境，如VC、VB、JAVA、Delphi等。这些软件都为用户提供了图形化的开发环境，但大都缺少针对虚拟仪器的专用类库。(2)虚拟仪器专用软件开发平台，如LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。为用户提供了丰富的软件包，其中包含了大量的可重用的函数库、过程程序包、宏、类、库等，使得用户的开发更为容易。几乎所有用于测量、控制和通信模块的代码均已具备，供用户随时调用。虚拟仪器的软件开发平台——LabVIEW

NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI，HP公司的VEE等LabVIEW是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench(实验室虚拟仪器集成环境)的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的面向虚拟仪器的图形化软件集成开发环境LABVIEW的特点(1)图形化编程环境。LabVIEW采用图形化编程语言，尽可能利用了技术人员所熟悉的术语、图标和概念。在开发过程中，设计人员基本上很少编写代码，更多的是采用图形化符号。(2)功能强大的函数库。LabVIEW提供了数百个用于I/O、控制、分析和数据显示的内置函数，用户可以直接调用这些函数，大大提高了效率。(3)内置32位程序编译器。保证用户数据采集及测试方案能高效执行，此外，可以利用LabVIEW生成可脱离LabVIEW环境独立运行的可执行文件。(4)灵活的程序调试手段。可以通过设置断点、单步运行、高亮执行及设置探针等调试手段来检查程序中的错误。(5)开放式的开发平台。LabVIEW提供了大量与外部代码或应用程序进行链接的机制，如动态链接库、动态数据交换、ActiveX控件等。(6)适用于多种操作系统。LabVIEW提供了对Windows、UNIX、Linux、MacOS等操作系统的支持，并且在不同平台开发的LabVIEW应用程序可以直接移植。(7)强大的网络功能。LabVIEW支持常用的网络协议，方便用户构建各种网络、远程虚拟仪器系统。(8)同传统编程语言相比，LabVIEW可以节省大约80％的程序开发时间，但其运行速度几乎不受影响。使用LabVIEW开发的程序称为虚拟仪器VI，以.VI为后缀。LabVIEW通过应用库函数来处理用户界面的输入，VI是LabVIEW的基本程序单位。结构简单的测试任务可由一个VI来完成，复杂任务由多个VI实现，通过VI之间的层次调用结构来完成，高层的VI可以调用一个或多个低层的特殊功能的VI。VI包括三部分：程序前面板(FrontPanel)、框图程序(BlockDiagram)和图标/连接器(Icon/Connector)。虚拟仪器的发展与应用虚拟仪器经历了由模拟仪器、带GPIB接口的智能化仪器到全部可编程虚拟仪器的发展历程虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，可大致分为四个阶段：(1)初级虚拟仪器(2)开放式的虚拟仪器构成(3)虚拟仪器框架(4)网络化虚拟仪器虚拟仪器是最新的计算机技术、先进的测试技术(如VXI/PXI功能模块仪器)和强大的软件包等多种技术的大集成。虚拟仪器在测量和控制方面具有无以伦比的强大功能和灵活性，可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、农业工程、教学及科研等诸多方面。国际上从1988年开始陆续问世虚拟仪器的产品，当时有五家公司推出30种产品，此后成倍增加，到1994年年底，虚拟仪器生成厂家就达到95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿美元的4%。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国，拥有许多著名的大公司。我国对虚拟仪器的研究起步于1984年，如东方振动和噪声技术研究所于1985年提出了PC卡