第10章现代电子测量技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,-,-Automatic Test System,）：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,-Computer Aided Test,）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,LabVIEW,LabWindows/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/XT,ISA(AT),EISA,PCI,AGP,推出时间,1981,年,1984,年,1988,年,1993,年,1996,年,带宽,/b,8,8/16,32,32/64,64,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,/MHz,8,8.3,33,66,以上,蜂值数据传输率,/Mbs,-1,5,33,132,264,或更高,带外设能力,12,12,10,1,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,EIA,RS232C,CCITT,V.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）,16.3kbps,142kbps,200m,(,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,5m,USB1.1,USB2.0,PC,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,VMEbus,VME,基于以太网的模块仪器,2005.9.,发布（,21,世纪标准仪器接口）,LAN Xtensions for Instrument,LXI,计算机总线,PCI,在仪器领域的扩展,PCI Extension for Instrumentation,PXI,VME,总线在仪器领域的扩展,VMEbus extensions for Instrumentation,VXI,计算机辅助测量和控制,Computer Aided Measurement And Control,CAMAC,通用接口总线,General Purpose Interface Bus,GPIB,（,IEEE488),中文含义,英文含义,英文缩写名称,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,FF,Profibus,HART,CAN,LonWorks,OSI,网络层次,1,2,3,8,1,2,3,1,2,7,1,2,7,17,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-P CSMA,纠错方式,CRC,CRC,CRC,CRC,CRC,通信速率,/(h/s),31.25k,31.25k/12M,9600,1M,780k,最大节点数,/,网段,32,127,15,110,2,48,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,10.4.2,GPIB,接口总线,GPIB,（,General Purpose Interface Bus,）通用标准接口总线。,1972,年由美国,HP,公司首先提出的，定名为,HPIB,。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,10.4.3,VXI,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,。,VXI,VMEbus extensions for Instrumentation VME,（,计算机通用背板总线,）总线在仪器领域的扩展,10.4.4 LXI,总线,图,10.22 LXI,与现有仪器组成混合系统,LAN,（,Local Area Network,）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,(LAN extensions for instrumentation),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：,BASIC,VB,VC,LabVIEW,（美国,NI,公司产品，图形化编程方式）,HP VEE,（美国,HP,公司产品，图形化编程方式）,Labwindows,CVI,（美国,NI,公司