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第十章现代电子测量技术本章要点:·自动测试系统的基本组成和发展概况·智能仪器和虚拟仪器·总线接口、测试软件·自动测试系统的集成发展方向自动化智能化网络化标准化自动测试系统（ATS---AutomaticTestSystem）：能自动进行测量、数据处理、传输，并以适当方式显示或输出测试结果的系统计算机辅助测试（CAT---ComputerAidedTest）系统10.1自动测试系统（计算机控制仪器）10.1.1自动测试系统（CAT平台）的基本组成通常，自动测试系统由下面五个部分组成：控制计算机测试软件总线与接口测控仪器测控对象10.1.2自动测试系统的发展概况自动测试技术源于二十世纪70年代，发展至今大致可分为三代。1.第一代自动测试系统----专用型第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。图10.2早期某型导弹的自动测试系统机辅助测试平台的系统结构2.第二代自动测试系统----台式仪器积木型第二代自动测试系统典型结构如图10.3所示。与第一代自动测试系统的主要不同在于：采用了标准化的通用可程控测量仪器接口总线（IEEE488）及可程序控制的仪器和测控计算机（控制器），从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。图10.3采用IEEE488标准接口总线的第二代自动测试系统3.第三代自动测试系统----模块化仪器集成型在第三代自动测试系统中，硬件部分大多是通用的，配备不同的软件可以产生不同的激励信号和测试功能。第三代自动测试系统目前尽管还处于发展阶段。图10.6第三代自动测试系统组成示意图通用硬件综上所述第二代自动测试系统中带标准接口的程控仪器是其核心，后发展为既可以独立使用又可以组建自动测试系统的智能仪器。第三代自动测试系统中，计算机和测试工作站是第三代自动测试系统的核心，后发展为以虚拟仪器模式组建的自动测试系统或称CAT平台。下面先分别介绍智能仪器和虚拟仪器，然后介绍总线接口、信道和测试软件，最后通过几个例子介绍自动测试系统的集成。10.2智能仪器（计算机进入仪器）通常人们把内含微处理器和GPIB接口的仪器称为智能仪器，以区别于传统的电子测量仪器。这种仪器具备通用的测试功能，可以单独使用，也可以通过GPIB接口，作为可程控仪器组建自动测试系统。本教材前面章节中介绍的DDS合成信号源、智能频率计和数字电压表等都属于智能仪器。图10.7智能仪器的硬件结构或信号源测试模块10.3虚拟仪器（仪器融入计算机）10.3.1虚拟仪器的基本概念和特点虚拟仪器通俗的定义：就是在通用计算机上加上一组软件和少量硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。这种看似计算机却是仪器的“仪器”被称为“虚拟仪器”。在虚拟仪器系统中，硬件较简单的通用平台，是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键．任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器受益和依赖于计算机技术。面板及相应的控件和指示器等，是由计算机内部强大的图形环境和在线帮助功能建立起来的虚拟面板所替代，人们称之为“软面板”；可共享计算机内部的软、硬件资源，并借助其完善的数据分析和处理能力，实现测试仪器所需的全部测试功能。1.虚拟仪器的一般结构图10.8虚拟仪器的一般结构2虚拟仪器与传统仪器的比较表10.1虚拟仪器与传统仪器的比较传统仪器虚拟仪器功能定义仪器厂家用户技术关键硬件软件功能升级固定通过修改软件进行增减开放性封闭基于计算机开放系统技术更新较慢较方便、快开发周期较长相对快工作频率可达较高受限于A/D或D/A的速度应用领域通用测量、计量大多为测控系统价格较高价格较低且可重复利用使虚拟仪器不仅是图10.8这种一般结构形式。归纳起来当前虚拟仪器的构成方式主要有七种类型，如图所示。图10.9虚拟仪器的构成方式信号调理数据采集卡GPIB接口仪器VXI仪器PXI仪器串口（USB、RS232、单总线）仪器现场总线仪器（或设备）GPIB接口卡测控对象LabVIEWLabWindows/CVI其它软件开发平台PC机/工作站LXI仪器10.4接口总线及信道1.PC机系统并行I/O接口总线PC机内的主板上通常都提供有好几个插槽，这就是PC机的系统总线接口。这种总线种类和性能如表10.3所示。表10.3几种总线性能总线PC/XTISA(AT)EISAPCIAGP推出时间1981年1984年1988年1993年1996年带宽/b88/163232/6464总线类型系统总线系统总线系统总线局部总线管线最高时钟频率/MHz88.33366以上蜂值数据传输率/Mbs-1533132264或更高带外设能力1212101个图形控制器2.PC机的串行接口总线表10.4四种串行接口总线的性能总线名称线缆传输速率传输距离技术规范主要应用RS232(串行异步通信总线)内含9线至25线（据用途选用部分线）0.01至19kbps(50-9600波特)15m左右，RS485可扩至千米以上EIARS232CCCITTV.24串行数据通信和PC外设终端1-WIRE(单总线)内含2线（一根信号线，一根地线）16.3kbps142kbps200m(可扩展至1000m)单总线协议低速测控、监测、监管及收费系统USB(通用串行总线)内含4线(一对信号线，一对电源线)1.5Mbps和12Mbps(可升级到380-480Mbps)可拓扑扩展低速设备间距离3m,高速设备5mUSB1.1USB2.0PC机通用外设、数字音响、数码相机、电话IEEE1394(火线)内含6线(两对信号线，一对电源线)100、200、400Mbps(可升至1.2-3.2Gbps)4.5m（若用光缆可扩至100m）IEEE1394-1995(或IEC1883)硬盘、光驱、数字音像、数码摄像、局域网络3.标准仪器总线目前专门为仪器与自动测试系统设计的标准总线主要有5种，如表10.5所示。表10.5标准仪器总线计算机通用背板总线由VESAbus-E更名而来VMEbusVME基于以太网的模块仪器2005.9.发布（21世纪标准仪器接口）LANXtensionsforInstrumentLXI计算机总线PCI在仪器领域的扩展PCIExtensionforInstrumentationPXIVME总线在仪器领域的扩展VMEbusextensionsforInstrumentationVXI计算机辅助测量和控制ComputerAidedMeasurementAndControlCAMAC通用接口总线GeneralPurposeInterfaceBusGPIB（IEEE488)中文含义英文含义英文缩写名称独立于制造商的测量仪器标准比VXI价廉，主要民用，速率更高VXIbus计算机背板总线基于LAN的测试总线适合于远程测量与控制主要应用于台式仪器，灵活易用比GPIB性能更好，主要用于军方基于PCI总线的现代版VXI融合了VXI和以太网优势70年代GPIB80年代VXI90年代PXI2004年LXI标准仪器总线的发展历程4.现场总线表10.6几种比较有影响的现场总线性能对照表FFProfibusHARTCANLonWorksOSI网络层次1,2,3,81,2,3,1,2,71,2,71~7通信介质双绞线、光纤、电缆等双绞线、光纤电缆双绞线、光纤双绞线、电缆、电力线、光纤、无线等介质访问方式令牌(集中)令牌(分散)查询位仲裁P-PCSMA纠错方式CRCCRCCRCCRCCRC通信速率/(h/s)31.25k31.25k/12M96001M780k最大节点数/网段3212715110248优先级有有有有有保密性……………………身份认证本安性是是是是是开发工具有有……有有5.信道测控系统的服务范围也越来越大，局限于一个实验室内的测试系统已不能满足实用要求，这就要求将各种通信技术应用到测控领域来。通常用于测控数据传递的信道：有线信道RS485：1200m电话线电力线互联网无线信道小电台手机短信红外兰牙无线局域无线上网10.4.2GPIB接口总线GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）通用标准接口总线。1972年由美国HP公司首先提出的，定名为HP―IB。之后这套总线相继为IEEE和IEC认可，并正式颁布了IEEE488和IEC625标准文本。我国也制定了相应的国家标准总线由24芯无源电缆组成，其中16条为信号线，其余为屏蔽线和地线。16条信号线中有8条数据总线，3条挂钩总线和5条管理总线。总线上最多可挂15台仪器系统各器件采用总线方式连接，总线连接器包括插头和插座10.4.3VXI总线VXI总线系统结构允许不同生产厂家的各种仪器、接口插板或计算机，以模块形式共存于同一VXI总线主机箱中。有ABCD四种尺寸模块，C尺寸模块应用最广。对VXI总线系统的控制可以通过主机箱外的外部控制器（微型计算机），也可以通过嵌入主机箱内的内部控制器。内嵌式控制器及用于连接外部计算机的翻译器和接口都是放置在VXI主机箱的零号槽位置。因此，也常称为零槽模块或零槽控制器。VXIVMEbusextensionsforInstrumentationVME（计算机通用背板总线）总线在仪器领域的扩展10.4.4LXI总线图10.22LXI与现有仪器组成混合系统LAN（LocalAreaNetwork）是局域网的英文缩写。LAN是建立在以太网(Ethernet)通信协议标准上，故有时也称以太网。LXI(LANextensionsforinstrumentation)是指LAN局域网在仪器领域的扩展。GPIB、VXI等总线技术在测量仪器领域推行多年，但应用面不广，除了仪器界少数专业技术人员掌握使用外，没有LAN那样广泛。产生的过程2004年9月美国安捷伦科技公司和VXI科技公司联合推出LXI总线2005年6月成立了LXI联盟。2005年8月正式发布了LXI总线标准1.0版，标志着LXI正式诞生。2006年8月又推出了LXI标准1.1版本2006年9月中国成立了LXI总线联合体推出超过300种支持LXI的仪器产品10.5测试软件在以计算机为核心的自动测试设备（ATE）中，硬件是基础，软件是灵魂。常用软件工具：BASICVBVCLabVIEW（美国NI公司产品，图形化编程方式）HPVEE（美国HP公司产品，图形化编程方式）Labwindows／CVI（美国NI公司产品，C语言及交互式编程）10.6自动测试系统的集成10.6.1自动测试系统集成的步骤以VXI总线系统的集成为例：1.需要确定测试任务，根据要求确定自动测试系统的总体结构框架和测试思路；2.根据总体设计思路和设计要求，选择主机箱，明确电源功率和冷却的要求；3.根据测试系统的应用要求选择主控计算机和主控计算机的控制方式。4.进行VXI总线仪器模块的选择，根据总体设计方案选择测试所需的功能模块；5.进行开关及测试接口的选择和设计，以及专用接口的设计等；6.选择合适的系统软件和工具软件，以提高应用程序编写的效率；7.编制测试应用软件完成所需的测试任务。10.6.2自动测试系统集成例1——导弹综合测试系统主控计算机10.6.3自动测试系统集成例2——无人值守机房自动监测系统通信机柜烟雾传感器水浸传感器电压取样现场控制器门禁电子锁报警器红外探测器温湿度传感器图10.27无人值守站安全监控系统安装示意图图10.26无人值守站安全监控系统组成框图动力单元环境单元安全单元控制单元报警单元管理单元4芯电缆单总线单总线控制仪传输设备中心机房4芯电缆现场报警传感器交流电压传感器直流电压传感器直流电流传感器温度测量传感器湿度测量传感器浸水监测传感器玻璃破损传感器门窗监测传感器火灾监测传感器红外监测传感器除湿机启停传感器空调启停传感器风扇启停传感器灯光照明启停传感器蓄电池监测单元电子门锁(门禁)系统安全控制器接线盒接线盒接线盒接线盒接线盒油机监测单元电缆监测单元10.6.4自动测试系统集成例3--网络自动气象站图10.28网络气象