【正文】 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 被測信號的種類 智能測試系統(tǒng)的基本結構及功能 智能測試系統(tǒng)的設計原則 虛擬儀器技術 思考與練習題 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 被測信號的種類 數(shù)據(jù)采集前 ， 必須對所采集信號的特性有所了解 ， 因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的 ， 只有了解了被測信號 ， 才能選擇合適的測量方式和采集系統(tǒng)配置 。 任意一個信號是隨時間而改變的物理量 。 一般情況下 ， 信號所運載的信息是很廣泛的 ， 如狀態(tài) 、 速率 、 電平 、 形狀 、 頻率成分等 。 根據(jù)信號運載信息方式的不同 ， 可以將信號分為模擬信號和數(shù)字信號 。 數(shù)字 (二進制 )信號又可分為開關信號和脈沖信號 ， 模擬信號可分為直流信號 、 時域信號和頻域信號 ， 如圖 81所示 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 圖 81 被測信號的分類及其波形 (a) 被測信號分類； (b) 各類被測信號的波形 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 第一類數(shù)字信號是開關信號 。 一個開關信號運載的信息與信號的瞬間狀態(tài)有關 。 TTL信號就是一個開關信號 。 一個 TTL信號如果在 ～ V之間 ， 就定義它為邏輯高電平；如果在0～ V之間 ， 就定義為邏輯低電平 。 第二類數(shù)字信號是脈沖信號 。 這種信號包括一系列的狀態(tài)轉換 ， 信息就包含在狀態(tài)發(fā)生轉化的數(shù)目 、 轉換速率 、 一個轉換間隔或多個轉換間隔的時間里 。 安裝在馬達軸上的光學編碼器的輸出就是脈沖信號 。 有些裝置需要數(shù)字輸入 ， 比如一個步進式馬達就需要一系列的數(shù)字脈沖作為輸入來控制位置和速度 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 1. 模擬直流信號是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號 。 直流信號最重要的信息是它在給定區(qū)間內運載的信息的幅度 。 常見的直流信號有溫度 、 流速 、 壓力 、 應變等 。 采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號時 ， 需要有足夠的精度以正確測量信號電平 。 由于直流信號變化緩慢 ， 用軟件計時就夠了 ， 不需要使用硬件計時 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 2. 模擬時域信號與其他信號的不同在于它在運載信息時不僅有信號的電平 ， 還有電平隨時間的變化 。 在測量一個時域信號時 ， 也可以說是一個波形 ， 需要關注一些有關波形形狀的特性 ，比如斜度 、 峰值等 。 為了測量一個時域信號 ， 必須有一個精確的時間序列 ， 序列的時間間隔也應該合適 ， 以保證信號的有用部分被采集到 。 要以一定的速率進行測量 ， 這個測量速率要能跟上波形的變化 。 用于測量時域信號的采集系統(tǒng)包括一個 A／ D轉換器 、 一個采樣時鐘和一個觸發(fā)器 。 A／ D轉換器的分辨率要足夠高 ， 帶寬要足夠寬 ， 以保證采集數(shù)據(jù)的精度和高速率采樣；精確的采樣時鐘用于以精確的時間間隔采樣；觸發(fā)器使測量在恰當?shù)臅r間開始 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 3. 模擬頻域信號 模擬頻域信號與時域信號類似 。 然而 ， 從頻域信號中提取的信息是基于信號的頻率成分 ， 而不是信號的形狀 ， 也不是隨時間變化的特性 。 用于測量一個頻域信號的系統(tǒng)必須有一個 A／ D轉換器 、 一個簡單的時鐘和一個用于精確捕捉波形的觸發(fā)器 。 系統(tǒng)必須有必要的分析功能 ， 用于從信號中提取頻域信息 。為了實現(xiàn)這樣的數(shù)字信號處理 ， 可以使用應用軟件或特殊的DSP硬件來迅速而有效地分析信號 。 模擬頻域信號也很多 ， 比如聲音信號 、 地球物理信號 、 傳輸信號等 。 上述信號分類不是互相排斥的 。 一個特定的信號可能運載有不只一種信息 ， 可以用幾種方式來定義信號并測量它 ， 也可用不同類型的系統(tǒng)來測量同一個信號 ， 從信號中提取出需要的各種信息 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 智能測試系統(tǒng)的基本結構及功能 1) 微機子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心 ， 對整個系統(tǒng)起監(jiān)督 、 管理 、 控制作用 ， 例如進行復雜的信號處理 、 控制決策 、 產生特殊的測試信號 、 控制整個測試過程等 。 此外 ， 利用微機強大的信息處理能力和高速運算能力 ， 可實現(xiàn)命令識別 ， 邏輯判斷 ， 非線性誤差修正 ， 系統(tǒng)動態(tài)特性的自校正 ， 以及系統(tǒng)自學習 、 自適應 、 自診斷 、 自組織等功能 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 圖 82 智能測試系統(tǒng)的典型結構 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 2) 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及接口用于和傳感器 、 測試元件 、 變送器聯(lián)接 ， 實現(xiàn)參數(shù)采集 、 選路控制 、 零點校正 、 量程自動切換等功能 。 被測參數(shù)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)收集 、 整理后 ， 傳送到微機子系統(tǒng)進行處理 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 3) 基本 I/O 基本 I/O子系統(tǒng)及接口用于實現(xiàn)人 —機對話 ， 輸入或修改系統(tǒng)參數(shù) ， 改變系統(tǒng)工作狀態(tài) ， 輸出測試結果 ， 動態(tài)顯示測控過程 ， 實現(xiàn)以多種形式輸出 、 顯示 、 記錄 、 報警等功能 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 4) 通信子系統(tǒng)及接口用于實現(xiàn)本系統(tǒng)與其他儀器儀表 、 系統(tǒng)的通信與互聯(lián) 。 依靠通信子系統(tǒng) ， 可根據(jù)實際問題需求靈活構造不同規(guī)模 、 不同用途的微機測控系統(tǒng) ， 如分布式測控系統(tǒng) 、集散型測控系統(tǒng)等 。 通信接口的結構及設計方法與采用的總線技術 、 總線規(guī)范有關 ， 例如有 IEEE488(或 GPIB)總線 、 RS232C總線 、 STD總線 、 VXI總線 、 現(xiàn)場總線等 。 總線技術及規(guī)范不同 ， 需要采用不同的軟硬件接口實現(xiàn)方法及不同的技術平臺支撐 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 5) 控制子系統(tǒng)及接口 控制子系統(tǒng)實現(xiàn)對被測控對象 、 被測試組件 、 測試信號發(fā)生器乃至系統(tǒng)本身和測試操作過程的自動控制 。 接口根據(jù)實際需要以各種形式大量存在于系統(tǒng)中 ， 其作用是完成它所聯(lián)接的設備之間的信號轉換 (如進行信號功率匹配 、 阻抗匹配 、 電平轉換和匹配 )和交換信號 （ 如控制命令 、 狀態(tài)／數(shù)據(jù)信號 、 尋址信號等 )傳輸 、 信號拾取 、 對信息進行必要的緩沖或鎖存 ， 增強微機自動測試系統(tǒng)的功能 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 設計好測試系統(tǒng)硬件之后 ， 如何充分發(fā)揮微機強大的技術資源和潛力 ， 開發(fā)友好的中文操作平臺 ， 使系統(tǒng)具有良好的管理與控制特性 ， 具有良好的可用性 ， 需要很好的軟件設計技術和設計方法 。 設計系統(tǒng)軟件時 ， 要經歷軟件結構設計 、 軟件編制 、 軟件調試等過程 。 一般采用模塊化和結構化程序設計方法 ， 即自頂向下的設計方法 ， 適當劃分模塊可提高設計與調試的效率 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 整個測試系統(tǒng)不僅要接收來自于傳感器或變送器的信號 ， 而且要接收和處理來自于控制面板的控制信號或由通信系統(tǒng)傳來的控制命令等信號 ， 還要求系統(tǒng)具有實時處理能力 ， 能實時完成各種測控任務 。 因此 ， 要合理安排程序的結構 。 測試系統(tǒng)的軟件通常由監(jiān)控主程序 、 中斷服務程序 、 測試算法 、 通信與控制程序等組成 ， 如圖 83所示 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 圖 83 測試系統(tǒng)的軟件組成 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 1) 初始化管理模塊 軟件初始化包括中斷安排 、 堆棧初始化 、 狀態(tài)變量初始化 、 各軟件標志初始化 、 系統(tǒng)時鐘初始化 、 各變量存儲單元初始化 、 系統(tǒng)參數(shù)初始化等 。 2) 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊完成對數(shù)據(jù)采集電路的控制 、 測試數(shù)據(jù)的讀取與存儲等 。 3) 測試算法模塊 測試算法模塊用于非線性校正、 標度變換、 量程自動轉換、 軟件抗干擾等。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 4) 人 — 人 —機接口包括顯示管理和鍵盤管理兩個模塊 。 測試結果的顯示方式有模擬顯示 、 數(shù)字顯示 、 混合顯示等 。 系統(tǒng)的鍵盤可采用編碼鍵盤或軟件掃描 (非編碼 )鍵盤 ， 與系統(tǒng)采用的微處理機類型 、 鍵盤類型等有關 。 5) 通信與控制模塊實現(xiàn)與上位機或其他儀器儀表 、 其他系統(tǒng)的互聯(lián)及通信控制 。 該模塊的設計與系統(tǒng)采用的通信總線標準 、 通信協(xié)議 、 通信接口電路等因素有關 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 6) 定時電路及時鐘管理在微機自動測試系統(tǒng)中必不可少 ， 其主要用于數(shù)據(jù)采樣周期定時 、 控制周期定時 、 多參數(shù)巡回顯示的顯示周期定時 、 故障監(jiān)視電路的定時信號等 。 定時的實現(xiàn)有硬件 、 軟件和軟硬件結合等方法 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 7) 故障自診斷與處理是提高系統(tǒng)可靠性和可維護性的重要手段之一 。 主要手段有以下三種 。 （ 1） 開機自檢：每當電源接通或復位后 ， 系統(tǒng)自動執(zhí)行一次自檢程序 ， 對硬件電路進行一次測試 。 （ 2） 周期性自診斷： 對系統(tǒng)周期性地進行自診斷 。 （ 3） 鍵控自診斷： 操作人員按 “ 自診斷 ” 按鍵啟動自診斷功能。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 8) 中斷管理針對系統(tǒng)中的各種中斷源和所選用的微處理機的中斷結構 ， 設計相應的中斷處理程序模塊 ， 包括中斷管理模塊和中斷服務模塊 。 9) 監(jiān)控主程序的主要作用是及時響應來自系統(tǒng)或外部的各種服務請求 ， 有效地管理系統(tǒng)的軟硬件資源 ， 并在系統(tǒng)一旦發(fā)生故障時 ， 能及時發(fā)現(xiàn)和做出相應的處理 。 監(jiān)控主程序調用功能模塊 ， 形成一個有機整體 ， 實現(xiàn)對測試系統(tǒng)的全面管理 ， 因此監(jiān)控軟件設計成為系統(tǒng)軟件的核心 。 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 智能測試系統(tǒng)的設計原則 組建測試系統(tǒng)的基本原則 將傳感器 、 調理電路 、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組建為一個測試系統(tǒng)的基本原則是使測試系統(tǒng)的基本參數(shù) 、 靜態(tài)性能及動態(tài)性能均達到預先規(guī)定的要求 。 組建過程中預估工作是非常重要的 。 預估工作就是根據(jù)對測量系統(tǒng)規(guī)定的參數(shù)指標要求 ， 選擇和確定系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié) (包括傳感器 、 調理電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) )。 如果選擇的環(huán)節(jié)性能過高 ， 雖然能滿足系統(tǒng)性能的要求 ， 但會使成本費用過高； 第 8章 智能測試系統(tǒng)設計及虛擬儀器 組建測試系統(tǒng)的基本方法 圖 84