第7章计算机与虚拟仪器测试技术

机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院测试系统的基本特性模拟信号处理数字信号处理计算机与虚拟仪器测试技术常用传感器绪论测试信号的描述与分析机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院主要内容1.智能仪器2.自动测试系统3.虚拟仪器机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院科技的进步使测试对象日渐复杂，测试项目和测试范围与日俱增，测试的参数越来越多，对测试速度和测量精度的要求也不断提高，因而传统的单机单参数测试已经不适应，迫切要求测量技术不断改进与完善。如果说数字电子技术的发展使仪器形态进入了数字化仪器时代是测试仪器发展史上的第一次革命，微处理器的大量应用催生了智能仪器时代是第二次仪器革命，那么通用计算机软、硬件技术的飞速发展使仪器进入虚拟仪器时代，则被公认为是仪器领域正在进行的第三次革命。智能仪器、自动测试系统和虚拟仪器分别是仪器发展三个阶段的成果标志，想比于传统电子仪器，具有自动化、智能化、可编程化等功能，是现代计算机测试系统的主流和趋势。第七章计算机与虚拟仪器测试技术7.1智能仪器机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院7.1.1智能仪器概述智能仪器(IntelligentInstrument)是通用仪器与微处理器相结合的新型仪器，因为能完成人的一部分智力劳动而得名，这类仪器仪表中通常含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器，功能丰富又很小巧。第七章计算机与虚拟仪器测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院智能仪器有如下的基本特征：（1）智能仪器可以借助于传感器和变送器，按设计要求采集电量和非电能量信号，由微处理器控制仪器的整个测量过程，有很高的自动化水平。（2）微处理器的引入使智能仪器的功能较传统仪器有了极大的提高，许多原来用硬件电路难以解决或根本无法解决的问题，可以利用软件获得解决。（3）智能仪器可以进行自动校正、非线性补偿、数字滤波等修正和克服由各种传感器、变换器、放大器等引进的误差和干扰，提高仪器的精度和其它性能指标。7.1.1智能仪器概述第七章计算机与虚拟仪器测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院（4）智能仪器的各种接口如GPIB、RS232、LAN等能使智能仪器方便地与计算机和其他智能设备组成多功能自动测试系统。（５）智能仪器通常具有自测试和诊断的功能，能自行测试整个仪器的各种功能是否正常，自行诊断仪器内部是否存在故障并显示故障部位，提高了仪器的可靠性，简化和加快了仪器的维修工作。（６）智能仪器由于采用了微处理器，不仅可以减小仪器体积，还可以降低成本、提高仪器的可靠性。7.1.1智能仪器概述第七章计算机与虚拟仪器测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院7.1.2智能仪器的组成智能仪器由硬件和软件两大部分组成，硬件部分包括微机系统、输入通道、输出通道、人——机对话通道及通信接口，其基本组成原理如图7.1所示：图7.1智能仪器基本组成第七章计算机与虚拟仪器测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院智能仪器硬件主要由以上各部分组成，各硬件部分模块功能如下：（1）微机系统：由单片机或微处理器配以必要的外部器件构成最小的微机系统，智能仪器越复杂，需要配接的存储器内存越大，同时需要较多的I/O接口，通常单片机扩展能力强，可以直接与外部存储器和I/O接口电路相连，构成功能较强、规模较大的微机系统。（2）输入通道：输入通道是微机系统与采集对象相连的部分。输入信号来自于传感器或变换装置，采集的对象和传感器不同，信号表现形式也不一样，有开关量信号、频率量信号、模拟量信号等，如果不能满足微机系统输入的要求，还需要形式多样的信号变换和调节电路，如放大器、滤波器、A/D转换等。7.1.2智能仪器的组成第七章计算机与虚拟仪器测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院（3）输出通道：根据输出控制的不同要求，输出通道电路是多种多样的，如D/A转换电路、放大隔离电路等，输出信号有模拟量信号、开关量信号和频率量信号等。（4）人－机对话通道：智能仪器中的人－机对话是用户为了对智能仪器进行控制并及时获得智能仪器运行状态等信息所设置的通道，人－机对话通道所配置的设备主要有键盘、鼠标、打印机等。（5）通信接口：用来实现智能仪器与外部系统的联系，各种通信接口需符合通信总线规定的标准。7.1.2智能仪器的组成第七章计算机与虚拟仪器测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术7.2自动测试系统7.2.1自动测试系统概述自动测试系统(AutomaticTestingSystem)简称ATS，有时也称为自动测试设备(AutomaticTestingEquipment)简称ATE。最早用于军事工业，因为军事部门中的许多被测对像要求快速、准确、实时、多路，需要海量测量及实时数据处理和控制。美国早在上世纪50年代就开始了自动测试系统的研究和开发工作，花费巨大。随着计算机技术及数字电子技术的飞速发展，组建自动测试系统的费用大幅下降，因而在民用工业和科研部门渐渐得到广泛应用，与自动测试技术有关的理论研究工作得到更深入的发展，成为测试领域中一个特别的分支，目前自动测试技术已是电测技术的一个重要发展方向。机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术7.2.2自动测试系统的组成自动测试系统由硬件和软件两大部分组成，硬件包括计算机或微处理器、可程控仪器和接口系统，其基本组成原理如图7.2所示图7.2自动测试系统组成机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术微机(或微处理器)是整个系统的核心，控制整个自动测试系统正常运转，并对测量数据进行一定的处理，如数值计算、变换、数据处理、误差分析等，最后将测量结果通过打印机、显示器、磁盘磁卡或指示表、数码显示等方式输出。能组成自动测试系统的仪器必须满足两个条件：一是要求是可程控的仪器，二是要带有一定的接口。7.2.2自动测试系统的组成机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术7.2.2自动测试系统的分类可以从不同角度对自动测试系统进行分类，可以根据系统所用的总线和接口分类，如GPIB系统，也可根据被测对象的性质分类，如温度自动测试系统、位移自动测试系统等。最早的自动测试系统为以任务命名的专用系统，通常是针对某项具体任务设计的，采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，系统接口也是专用的，通用性比较差。可程控测量仪器接口总线的标准化把自动测试系统从专用推向通用，主要采用国际标准通用接口总线技术如IEEE488，利用可程序控制的仪器和测控计算机(控制器)组成自动测试系统，从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术7.3虚拟仪器7.3.1虚拟仪器概述传统的信号调理、信号处理、显示、记录设备等都以硬件或固化的形式存在，只能由生产厂家来定义和制造，且设计生产复杂，灵活性差，在一些较为复杂和测试参数较多的情况下，使用起来极不方便。虚拟仪器VI（VirtualInstrument）使计算机软件技术和测试系统紧密地结合成一个有机整体，计算机处于核心地位，传统仪器的硬件组成部分逐步被具有信号调理与处理功能的扩展电路板或计算机软件所取代。由于虚拟仪器用软件来集成传统仪器的某些硬件乃至整个仪器硬件部分都被计算机软件代替，某种意义上，在虚拟仪器中软件就是仪器。虚拟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，代表了现代测试技术和仪器技术的发展方向。机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术7.3.2虚拟仪器的特点“虚拟仪器”是借助于计算机强大的软件和硬件支持环境，建立虚拟的测控仪器面板，完成仪器的控制、数据分析和结果输出，使用鼠标或键盘操作计算机上的前面板，就像操作一台自己定义、自己设计的专用测控仪器的用户界面一样。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集、处理、分析系统，与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化、处理能力、性价比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，具体表现为：机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术（1）智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件的编制水平，用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，将仪器水平提高到一个更高智能的层次。（2）复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，该测试仪器系统功能更灵活、组建系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术(3)可操作性强。虚拟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。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印，显示所需的报表或曲线，使仪器的可操作性大大提高。机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术7.3.3虚拟仪器的构成虚拟仪器是计算机化的仪器，由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部分组成，虚拟仪器所用的计算机是通用的计算机，模块化功能硬件指各类功能化仪器模块，依据与计算机通信接口方式不同可分为ＤＡＱ数据采集系统、RS232接口仪器、USB接口仪器、VXI仪器、GPIB总线仪器、现场总线（Fieldbus）设备以及其它接口的设备等，应用软件将仪器的模块化功能硬件与各类计算机结合，构成虚拟仪器系统。如图7.3所示为虚拟温度测量系统。机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术7.3.3虚拟仪器的构成图7.3虚拟温度测量系统机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术虚拟仪器的硬件组成组成虚拟仪器系统的功能化模块形式各异，但功能环节基本相同，通常包括信号调理、数据采集、计算机通信几大部分，如图7.4所示。图7.4虚拟仪器系统硬件组成机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术虚拟仪器的软件组成虚拟仪器软件主要包括集成的开发环境、仪器硬件的高级接口、虚拟仪器的用户界面三个部分。从事测量工作的用户通常利用虚拟仪器开发环境编写针对测试任务的虚拟仪器软件，可以采用各种不同的软件如VisualC++、VisualBasic等，但这些语言对非专业编程人员来说，还是非常困难的，因此世界各大公司都在致力于开发便于测试工程师使用的虚拟仪器开发环境，其中NI公司LabWindows／CVI和LabVIEW、Agilent公司的VEE、Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS等软件是基于图形的用户界面和开发环境，便于二次开发，其中应用最广泛的是NI公司的LabVIEW应用软件平台。机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院第七章计算机与虚拟仪器测试技术LabVIEW是一种图形程序设计语言，全称为LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，中文名字是实验室虚拟仪器工程平台，采用了直观的前面板与流程图式的编程技术，LabVIEW的基本程序单位是VI（VirtualInstrument虚拟仪器），LabVIEW可以通过图形编程的方法建立一系列的VI，每个VI模块完成指定的功能，最后组成的顶层VI虚拟仪器就成为一个包含所有功能子VI的集合，LabVIEW中的各VI之间的层次调用关系如图7.6所示；虚拟仪器的软件组成机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院图7.6虚拟仪器软件的层次结构虚拟仪器的软件组成第七章计算机与虚拟仪器测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械