现代电子测量技术 (2).ppt

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1、第十章第十章 现代电子测量技术现代电子测量技术 本章要点本章要点:自动测试系统的基本组成和发展概况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智能仪器和虚拟仪器 总线接口、测试软件总线接口、测试软件 自动测试系统的集成自动测试系统的集成发展方向发展方向自动化自动化智能化智能化网络化网络化标准化标准化自动测试系统自动测试系统（ATSATS-Automatic Test System-Automatic Test System）：能自动）：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果的系统 计算机辅助测试计算机

2、辅助测试（CATCAT-Computer Aided Test-Computer Aided Test）系统）系统 10.110.1 自动测试系统自动测试系统（计算机控制仪器）（计算机控制仪器）10.1.110.1.1 自动测试系统（自动测试系统（CATCAT平台）的基本组成平台）的基本组成 通常，自动测试系统由下面五个部分组成：通常，自动测试系统由下面五个部分组成：控制计算机控制计算机测试软件测试软件总线与接口总线与接口测控仪器测控仪器测控对象测控对象10.1.2 10.1.2 自动测试系统的发展概况自动测试系统的发展概况 自动测试技术源于二十世纪自动测试技术源于二十世纪7070年代，发展至

3、今大致可分为三代。年代，发展至今大致可分为三代。1.1.第一代自动测试系统第一代自动测试系统-专用型专用型第一代自动测试系统多为专用系统，通常是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针对某项具体任务而设计的。而设计的。图图10.2 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 2.2.第二代自动测试系统第二代自动测试系统 -台式仪器积木型台式仪器积木型第二代自动测试系统典型结构如图第二代自动测试系统典型结构如图10.310.3所示。与第一代自动测所示。与第一代自动测试系统的主要不同在于：采用了试系统的主要不同在于

4、：采用了标准化的通用可程控测量仪器标准化的通用可程控测量仪器接口总线（接口总线（IEEE488IEEE488）及可程序控制的仪器和测控计算机（控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。易。图图10.3 10.3 采用采用IEEE488IEEE488标准接口总线的第二代自动测试系统标准接口总线的第二代自动测试系统3.3.第三代自动测试系统第三代自动测试系统 -模块化仪器集成型模块化仪器集成型在第三代自动测试系统中，在第三代自动测试系统中，硬件硬件部分大多是部分大多是通用通用的，配备不同的，配

5、备不同的的软件软件可以产生不同的可以产生不同的激励激励信号和信号和测试测试功能。第三代自动测试功能。第三代自动测试系统目前尽管还处于发展阶段。系统目前尽管还处于发展阶段。图图10.6 10.6 第三代自动测试系统组成示意图第三代自动测试系统组成示意图通用硬件通用硬件综上所述综上所述 第二代第二代自动测试系统中自动测试系统中带标准接口的程控仪器是其核心带标准接口的程控仪器是其核心，后发，后发展为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。第三代第三代自动测试系统中，自动测试系统中，计算机计算机和测试工作站是第三代自动测和测试工作站是第三代自动

6、测试系统的试系统的核心核心，后发展为，后发展为以虚拟仪器模式组建的自动测试系统以虚拟仪器模式组建的自动测试系统或称或称CATCAT平台平台。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。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。10.210.2 智能仪器智能仪器（计算机进入仪器）（计算机进入仪器）通常人们把通常人们把内含微处理器和内含微处理器和GPIBGPIB接口的仪器称为智能仪器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，以区别于

7、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，也可以通过可以单独使用，也可以通过GPIBGPIB接口，作为可程控仪器组建自接口，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动测试系统。本教材前面章节中介绍的DDSDDS合成信号源、智能合成信号源、智能频率计和数字电压表频率计和数字电压表等都属于智能仪器。等都属于智能仪器。图图10.7 10.7 智能仪器的硬件结构智能仪器的硬件结构或信号源或信号源测试模块测试模块10.3 10.3 虚拟仪器虚拟仪器（仪器融入计算机）（仪器融入计算机）10.3.1 10.3.1 虚拟仪器的基本概念和特点虚拟仪器的基本概念和特点 虚拟仪器通

8、俗的定义：就是在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通用计算机上加上一组软件和少量硬件量硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台，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看似计算机却是仪器的的“仪器仪器”被称为被称为“虚拟仪器虚拟仪器”。在虚拟仪器系统中，在虚拟仪器系统中，硬件较简单的通用平台，是为了解决信号硬件较简单的通用平台，是为了解决信号的输入输出的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键软件才是整个仪器系统的关键任何一个使用者任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，

9、很方便地改变、增减仪器系统的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，所以有功能与规模，所以有“软件就是仪器软件就是仪器”之说。之说。虚拟仪器受益和依赖于计算机技术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。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，人们称之为来的虚拟面板所替代，人们称之为“软面板软面板”；可；可共享计算机共享计算机内部的软、硬件资源内部的软、硬件资源，并借助其完善的数据分析和处理能力，并借助其完善的数据分析和处理能力，实现测试仪器所需

10、的全部测试功能。实现测试仪器所需的全部测试功能。1.1.虚拟仪器的一般结构虚拟仪器的一般结构 图图10.8 10.8 虚拟仪器的一般结构虚拟仪器的一般结构2 2 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器的比较 表表10.1 10.1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪传统仪器器虚虚拟仪拟仪器器功能定功能定义义仪仪器厂家器厂家用用户户技技术术关关键键硬件硬件软软件件功能升功能升级级固定固定通通过过修改修改软软件件进进行增减行增减开放性开放性封封闭闭基于基于计计算机开放系算机开放系统统技技术术更新更新较较慢慢较较方便、快方便、快开开发发周期周期较长较长相相对对快快工作工作频

11、频率率可达可达较较高高受限于受限于A/DA/D或或D/AD/A的速度的速度应应用用领领域域通用通用测测量、量、计计量量大多大多为测为测控系控系统统价价 格格较较高高价格价格较较低且可重复利用低且可重复利用使虚拟仪器不仅是图使虚拟仪器不仅是图10.810.8这种一般结构形式。归纳起来当前虚这种一般结构形式。归纳起来当前虚拟仪器的构成方式主要有拟仪器的构成方式主要有七种类型七种类型，如图所示。，如图所示。图图10.9 10.9 虚拟仪器的构成方式虚拟仪器的构成方式信号调理信号调理数据采集卡数据采集卡GPIBGPIB接口仪器接口仪器VXIVXI仪器仪器PXIPXI仪器仪器串口（串口（USBUSB、R

12、S232RS232、单总线）仪器单总线）仪器现场总线仪器（或设备）现场总线仪器（或设备）GPIBGPIB接口卡接口卡测控对象测控对象LabVIEWLabVIEWLabWindows/CVILabWindows/CVI其它软件开发平台其它软件开发平台PCPC机机/工作站工作站LXILXI仪器仪器10.4 10.4 接口总线及信道接口总线及信道1.PC1.PC机系统机系统并行并行I/OI/O接口总线接口总线 PCPC机内的主板上通常都提供有好几个插槽，这就是机内的主板上通常都提供有好几个插槽，这就是PCPC机的系机的系统总线接口。这种总线种类和性能如表统总线接口。这种总线种类和性能如表10.310

13、.3所示。所示。表表10.3 10.3 几种总线性能几种总线性能 总线总线PC/XTPC/XTISA(AT)ISA(AT)EISAEISAPCIPCIAGPAGP推出推出时间时间19811981年年19841984年年19881988年年19931993年年19961996年年带宽带宽/b/b8 88/168/16323232/6432/646464总线类总线类型型系系统总线统总线系系统总线统总线系系统总线统总线局部局部总线总线管管线线最高最高时钟频时钟频率率/MHz/MHz8 88.38.333336666以上以上蜂蜂值值数据数据传输传输率率/Mbs/Mbs-1-15 53333132132

14、264264或更高或更高带带外外设设能力能力1212121210101 1个个图图形控制器形控制器2.PC2.PC机的机的串行接口串行接口总线总线 表表10.4 10.4 四种串行接口总线的性能四种串行接口总线的性能 总线总线名称名称线线 缆缆传输传输速率速率传输传输距离距离技技术规术规范范主要主要应应用用RS232RS232(串行异步串行异步通信通信总线总线)内含内含9 9线线至至2525线线（据用途（据用途选选用部分用部分线线）0.010.01至至19kbps19kbps(50-9600(50-9600波特波特)15m15m左右，左右，RS485RS485可可扩扩至千米至千米以上以上EIA

15、 EIA RS232C RS232C CCITT CCITT V.24V.24串行数据通信串行数据通信和和PCPC外外设设终终端端1-WIRE1-WIRE(单总线单总线)内含内含2 2线线（一根（一根信号信号线线，一，一根地根地线线）16.3kbps16.3kbps142kbps142kbps200m200m(可可扩扩展至展至1000m)1000m)单总线协议单总线协议低速低速测测控、控、监测监测、监监管管及收及收费费系系统统USB(USB(通用通用串行串行总线总线)内含内含4 4线线(一一对对信信号号线线，一，一对对电电源源线线)1.5Mbps1.5Mbps和和12Mbps12Mbps(可升

16、可升级级到到380-380-480Mbps)480Mbps)可拓扑可拓扑扩扩展展低速低速设备间设备间距离距离3m,3m,高速高速设备设备5m5mUSB1.1USB1.1USB2.0USB2.0PCPC机通用机通用外外设设、数字、数字音响、数音响、数码码相机、相机、电话电话IEEE1394IEEE1394(火火线线)内含内含6 6线线(两两对对信号信号线线，一一对电对电源源线线)100100、200200、400Mbps400Mbps(可升至可升至1.2-3.2Gbps)1.2-3.2Gbps)4.5m4.5m（若（若用光用光缆缆可可扩扩至至100m 100m）IEEE1394IEEE1394-

17、1995(-1995(或或IEC1883)IEC1883)硬硬盘盘、光、光驱驱、数字音像、数字音像、数数码摄码摄像、像、局域网局域网络络3.3.标准仪器总线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 5种，种，如表如表10.510.5所示。所示。表表10.5 10.5 标准仪器总线标准仪器总线 计计算机通用背板算机通用背板总线总线由由VESAbus-EVESAbus-E更名而来更名而来VMEbusVMEbusVMEVME基于以太网的模基于以太网的模块仪块仪器器2005.9.2005.9.发发布（布（2121世世纪标纪标准准仪仪

18、器接器接口）口）LAN Xtensions for LAN Xtensions for InstrumentInstrumentLXILXI计计算机算机总线总线PCIPCI在在仪仪器器领领域的域的扩扩展展PCI Extension for PCI Extension for InstrumentationInstrumentationPXIPXIVMEVME总线总线在在仪仪器器领领域的域的扩扩展展VMEbus extensions for VMEbus extensions for InstrumentationInstrumentationVXIVXI计计算机算机辅辅助助测测量和控制量和控制

19、Computer Aided Computer Aided Measurement And Measurement And ControlControlCAMACCAMAC通用接口通用接口总线总线General Purpose General Purpose Interface BusInterface BusGPIBGPIB（IEEE4IEEE488)88)中文含中文含义义英文含英文含义义英文英文缩缩写名称写名称标准仪器总线的发展历程标准仪器总线的发展历程4.4.现场总线现场总线表表10.6 10.6 几种比较有影响的现场总线性能对照表几种比较有影响的现场总线性能对照表 FFFFProfib

20、usProfibusHARTHARTCANCANLonWorksLonWorksOSIOSI网网络层络层次次1,2,3,81,2,3,81,2,3,1,2,3,1,2,71,2,71,2,71,2,71717通信介通信介质质双双绞线绞线、光光纤纤、电缆电缆等等双双绞线绞线、光光纤纤电缆电缆双双绞线绞线、光光纤纤双双绞线绞线、电缆电缆、电电力力线线、光、光纤纤、无无线线等等介介质访问质访问方方式式令牌令牌(集中集中)令牌令牌(分散分散)查询查询位仲裁位仲裁P-P CSMAP-P CSMA纠错纠错方式方式CRCCRCCRCCRCCRCCRCCRCCRCCRCCRC通信速率通信速率/(h/s)/(h

21、/s)31.25k31.25k31.25k/31.25k/12M12M960096001M1M780k780k最大最大节节点数点数/网段网段323212712715151101102 24848优优先先级级有有有有有有有有有有保密性保密性身份身份认证认证本安性本安性是是是是是是是是是是开开发发工具工具有有有有有有有有5.5.信道信道 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：控领域来。

22、通常用于测控数据传递的信道：有线信道有线信道RS485RS485：1200m 1200m 电话线电话线 电力线电力线互联网互联网 无线信道无线信道小电台小电台手机短信手机短信 红外红外兰牙兰牙 无线局域无线局域 无线上网无线上网10.4.2 10.4.2 GPIBGPIB接口总线接口总线GPIBGPIB（General Purpose Interface BusGeneral Purpose Interface Bus）通用标准接口总线。）通用标准接口总线。19721972年由美国年由美国HPHP公司首先提出的，定名为公司首先提出的，定名为HPIBHPIB。之后这套总线相继为。之后这套总线相继

23、为IEEEIEEE和和IECIEC认可，认可，并正式颁布了并正式颁布了IEEE488IEEE488和和IEC625IEC625标准文本。我国也制定了相应的国家标准标准文本。我国也制定了相应的国家标准 总线由总线由2424芯无源电缆组成芯无源电缆组成，其中，其中1616条为信号线，其余为屏蔽线和地条为信号线，其余为屏蔽线和地线。线。1616条信号线中有条信号线中有8 8条数据总线，条数据总线，3 3条挂钩总线和条挂钩总线和5 5条管理总线。总线条管理总线。总线上最多可挂上最多可挂1515台仪器台仪器 系统各器件采用系统各器件采用总线方式连接，总线方式连接，总线连接器包括总线连接器包括插头和插座插

24、头和插座 10.4.3 10.4.3 VXIVXI总线总线VXIVXI总线系统结构允许不同生产厂家的各种仪器、接口插板或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计算机，以模块形式共存于同一VXIVXI总线主机箱中。总线主机箱中。有有ABCDABCD四种尺寸模块，四种尺寸模块，C C尺寸模块应用最广。尺寸模块应用最广。对对VXIVXI总线系统的控制可以通过主机箱外的总线系统的控制可以通过主机箱外的外部外部控制器（微型控制器（微型计算机），也可以通过嵌入主机箱内的计算机），也可以通过嵌入主机箱内的内部内部控制器。控制器。内嵌内嵌式控制器及用于连接外部式控制器及

25、用于连接外部计算机的翻译器和接口都是放计算机的翻译器和接口都是放置在置在VXIVXI主机箱的零号槽位置。主机箱的零号槽位置。因此，也常称为因此，也常称为零槽模块零槽模块或或零零槽控制器槽控制器。VXI VXI VMEbus extensions for Instrumentation VMEVMEbus extensions for Instrumentation VME（计算机通用背板总线计算机通用背板总线 ）总）总线在仪器领域的扩展线在仪器领域的扩展10.4.4 LXI10.4.4 LXI总线总线图10.22 LXI与现有仪器组成混合系统LANLAN（Local Area NetworkL

26、ocal Area Network）是局域网的英文缩写。）是局域网的英文缩写。LANLAN是建是建立在以太网立在以太网(Ethernet)(Ethernet)通信协议标准上，故有时也称以太网通信协议标准上，故有时也称以太网。LXILXI(LAN extensions for instrumentation)(LAN extensions for instrumentation)是指是指LANLAN局域网在仪器领域的扩展。局域网在仪器领域的扩展。GPIBGPIB、VXIVXI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

27、技术人员掌握使用外，没有界少数专业技术人员掌握使用外，没有LANLAN那样广泛。那样广泛。产生的产生的过过程程20042004年年9 9月美国安捷伦科技公司和月美国安捷伦科技公司和VXIVXI科技科技公司联合推出公司联合推出LXILXI总线总线20052005年年6 6月成立了月成立了LXILXI联盟。联盟。20052005年年8 8月正月正式发布了式发布了LXILXI总线标准总线标准1.01.0版，标志着版，标志着LXILXI正正式诞生。式诞生。20062006年年8 8月又推出了月又推出了LXILXI标准标准1.11.1版本版本20062006年年9 9月中国成立了月中国成立了LXILXI

28、总线联合体总线联合体推出超过推出超过300300种支持种支持LXILXI的仪器产品的仪器产品 10.510.5 测试软件测试软件 在以计算机为核心的自动测试设备（在以计算机为核心的自动测试设备（ATEATE）中，）中，硬件是基础，硬件是基础，软件是灵魂。软件是灵魂。常用软件工具：常用软件工具：BASIC BASIC VB VB VCVCLabVIEWLabVIEW（美国（美国NINI公司产品，图形化编程方式）公司产品，图形化编程方式）HP VEEHP VEE（美国（美国HPHP公司产品，图形化编程方式）公司产品，图形化编程方式）LabwindowsLabwindowsCVICVI（美国（美国N

29、INI公司产品，公司产品，C C语言及交互式编程）语言及交互式编程）10.6 10.6 自动测试系统的集成自动测试系统的集成 10.6.110.6.1 自动测试系统集成的步骤自动测试系统集成的步骤 以以VXIVXI总线系统的集成为例：总线系统的集成为例：1.1.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；框架和测试思路；2.2.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；和冷却的要求；3.3.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

30、控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。制方式。4.4.进行进行VXIVXI总线仪器模块的选择，根据总体设计方案选择测试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；所需的功能模块；5.5.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；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；6.6.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；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；7.7.编制测试应用软件完成所需的测试任务。编制测试应用软件完成所需的测试任务。10.6.210.6.2 自动测试系统集成例自动测试系统集成例

31、1 1 导弹综合测试系统导弹综合测试系统 主控计算机主控计算机10.6.3 10.6.3 自动测试系统集成例自动测试系统集成例2 2 无人值守机房自动监测系统无人值守机房自动监测系统 通信机柜通信机柜烟雾传感器烟雾传感器水浸传感器水浸传感器电压取样电压取样现场控制器现场控制器门禁门禁电子锁电子锁报警器报警器红外探测器红外探测器温湿度传感器温湿度传感器图图10.27 10.27 无人值守站安全监控系统安装示意图无人值守站安全监控系统安装示意图图图10.26 10.26 无人值守站安全监控系统组成框图无人值守站安全监控系统组成框图动力单元动力单元环境单元环境单元安全单元安全单元控制单元控制单元报报

32、警警单单元元管管理理单单元元4 4芯电缆芯电缆单单总总线线单总线单总线控制仪控制仪传输设备传输设备中心机房中心机房4 4芯电缆芯电缆现现场场报报警警传传感感器器交交流流电电压压传传感感器器直直流流电电压压传传感感器器直直流流电电流流传传感感器器温温度度测测量量传传感感器器湿湿度度测测量量传传感感器器浸浸水水监监测测传传感感器器玻玻璃璃破破损损传传感感器器门门窗窗监监测测传传感感器器火火灾灾监监测测传传感感器器红红外外监监测测传传感感器器除除湿湿机机启启停停传传感感器器空空调调启启停停传传感感器器风风扇扇启启停停传传感感器器灯灯光光照照明明启启停停传传感感器器蓄电池监测单元蓄电池监测单元电子门锁电子门锁(门禁门禁)系统系统安全控制器安全控制器接线盒接线盒接线盒接线盒接线盒接线盒接线盒接线盒接线盒接线盒油机监测单元油机监测单元电缆监测单元电缆监测单元10.6.4 10.6.4 自动测试系统集成例自动测试系统集成例3 3 -网络自动气象站网络自动气象站 图图10.28 10.28 网络气象站界面网络气象站界面网管中心网管中心交换机交换机微型网站微型网站客户机客户机客户机客户机客户机客户机光光缆缆光光缆缆五类线五类线自动气象自动气象风风速速风风向向湿湿度度温温度度雨雨量量单总线单总线图图10.29 10.29 自动气象站组成框图自动气象站组成框图