【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 10 器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以又有“軟件就是一切”之說。根據(jù)虛擬儀器的軟特性 ，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器主要有以下特點(diǎn) 。 (1)傳統(tǒng)儀器的儀 器功能 由 儀器 廠 商定義，以前一經(jīng)購(gòu)買，其功能與結(jié)構(gòu)都是固定了的，用戶無(wú)法改變，擴(kuò)展性差，且往往一臺(tái)儀器只能實(shí)現(xiàn)一種測(cè)試功能，對(duì)于較復(fù)雜的場(chǎng)合，測(cè)試參數(shù)較多，使用起來(lái)很不方便，其局限性非常明顯。而虛擬儀器的功能 由 用戶自己定義，針對(duì)性和靈活性很強(qiáng)，并且虛擬儀器系統(tǒng)具有面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 可 以方便地與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)、應(yīng)用等連接，而傳統(tǒng)儀器與其它儀器設(shè)備的連接 十 分有限。 (2)傳統(tǒng)儀器圖形界面小，人 工 讀數(shù)，信息量小，測(cè)量數(shù)據(jù)一般無(wú)法編輯。一方面帶來(lái)讀數(shù)誤差，另一方面增加后續(xù)數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)。虛擬儀器一般采用的是 Windows 下的圖形界面，計(jì)算機(jī)自接讀數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理， 可 對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)編輯、存儲(chǔ)、打印，方便和易于用戶使用。 (3)對(duì)于傳統(tǒng)儀器來(lái)說硬件是關(guān)鍵部分，因?yàn)橛布木苄院筒?可 重復(fù)性，因而價(jià)格昂貴，開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高，且技術(shù)更新慢，周期一般為 510 年。對(duì)于虛擬儀器來(lái)說軟件是關(guān)鍵部分，軟件一經(jīng)開發(fā)， 可 重復(fù)使用，并 可 根據(jù)用戶需求任意修改，因而其價(jià)格低廉，僅為傳統(tǒng)儀器的五至 十 分之一。顯而易見，其開發(fā)和維護(hù)的費(fèi)用也是比較低的，并利于技術(shù)更新，周期為 12 年。 (4)虛擬儀器開發(fā)靈活， 可 與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與 網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)。 近些年來(lái)， ATS 經(jīng)歷了許多變化，測(cè)試系統(tǒng)的接口己從專用接口逐漸發(fā)展成為通用接口。通用性對(duì)于一個(gè)接口系統(tǒng)是最為重要的 :要把不同國(guó)家、不同 廠 家生產(chǎn)的設(shè)備互相連接在一起，構(gòu)成一個(gè) ATS，需要各個(gè) 廠 家的產(chǎn)品具有相同的接口協(xié)議。通用性同時(shí)也使得構(gòu)成一個(gè)完整的 ATS 所需要的附加投入減少到最低程度。從市場(chǎng)發(fā)展的角度來(lái)講，一個(gè)好的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的兼容性、 可 擴(kuò)展性和開放的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。這需要國(guó)際上 行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立和采用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量?jī)x器技術(shù)的發(fā)展，在用戶和 廠 商的推動(dòng)下，一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 化組織先后提出和推薦了一批總線作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)總線，形成了各種總線 式 的 ATS。 現(xiàn)代軍用測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向是三化 :標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化。標(biāo)準(zhǔn)的總線接口和軟件技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)三化的關(guān)鍵技術(shù)。其中總線接口是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的核心，它的發(fā)展推動(dòng)著自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的更新?lián)Q代。世界軍用 ATE 的發(fā)展趨勢(shì)引言 11 研究表明，設(shè)計(jì)驗(yàn)證、生產(chǎn)檢修和診斷維護(hù)一體化、標(biāo)準(zhǔn)化將成為軍用 ATE 的基本要求，建立在 VXI， PXI 等各種測(cè)試總線標(biāo)準(zhǔn)上的 ATE 將是今后發(fā)展的基本方向。 利用虛擬儀器“軟件就是一切”的特性，可以解決自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)彼此不兼容，達(dá)到共 享硬件和軟件資源的目的 ， 利用通用的硬件模塊，可以方便快捷的組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 本文的主要內(nèi)容 本文共分為五章：第一章，主要介紹自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) ATS 及虛擬儀器的目前現(xiàn)狀和發(fā)展方向。第二章，介紹基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。第三章，基于虛擬儀器 ATS 的實(shí)現(xiàn)。第四章，講述軟件實(shí)現(xiàn)方法。第五章，本文總結(jié)及 改進(jìn)計(jì)劃 。 基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 8 第二章 基于 虛擬儀器 的 ATS 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 基于虛擬儀器的 ATS 的體系結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的測(cè)試測(cè)量?jī)x器通常由三大部分組成 :信號(hào)的采集與控制 。信號(hào) 的分析與處理 。結(jié)果的表示與輸出。而在以虛擬儀器為代表的新一代 ATS 中，計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)更加緊密地結(jié)合成為一個(gè)有機(jī)整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等都發(fā)生了突破性的變化，它是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器測(cè)控硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件之間的有效結(jié)合。虛擬儀器將儀器的三大功能全部放在計(jì)算機(jī)上來(lái)實(shí)現(xiàn)，即可在計(jì)算機(jī)內(nèi)插入數(shù)據(jù)采集卡或外置數(shù)據(jù)采集盒，經(jīng) A/D 或 D/A 變換器，用軟件對(duì)其信號(hào)進(jìn)行分析與處理，并在計(jì)算機(jī)屏幕上生成儀器面板，完成儀器的控制和顯示，最終實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)試儀器的所有 功能。 測(cè)試對(duì)象圖 象 采 集 卡信 號(hào) 調(diào) 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡G P I B 接 口 儀 器 G P I B 接 口 卡串 口 儀 器V X I 儀 器P X I 儀 器現(xiàn) 場(chǎng) 總 線 儀 器P C 機(jī) / 工 作 站虛 擬 儀 器 軟件 （ 設(shè) 備 驅(qū)動(dòng) 、 測(cè) 試 控制 、 輸 出 顯示 等 ） 圖 21 虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 虛擬儀器通常由硬件設(shè)備與接 口 、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件、測(cè)試功能軟件和虛擬儀器面板等組成，虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖 2I 所示。其中，硬件設(shè)基于虛擬儀器的 ATS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 備與接 口 可以是各種以 PC 總線為基礎(chǔ)的內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡 (PCDAQ )、通用接口總線 (如 GPIB)接口卡、串行口、 VXI 總線儀器、 PXI 總線儀器等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測(cè)試設(shè)備 。設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的 I/O驅(qū)動(dòng)程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器模 塊系統(tǒng)進(jìn)行通訊 。并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控件。在這些控件中集成了對(duì)應(yīng)儀器的程控信息，所以用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便。 構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，需要有相應(yīng)的硬件來(lái)支持。虛擬儀器的硬件一般分為基礎(chǔ)硬件平臺(tái)和儀器硬件設(shè)備?；A(chǔ)硬件平臺(tái)目前可以選擇各種類型的計(jì)算機(jī) 。而儀器硬件設(shè)備則主要包括 :各種計(jì)算機(jī)內(nèi)置插卡和外置測(cè)試設(shè)備。根據(jù)所用儀器硬件的不同 (見圖 21)，虛擬儀器可分為GPIB(IEEE488)總線式、以計(jì)算機(jī)數(shù) 據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的PCI 總線式、 VXI總線式、 PXI 總線式、并行總線式、串行總線式、現(xiàn)場(chǎng)總線式等不同的硬件體系結(jié)構(gòu)， 目 前虛擬儀器的發(fā)展主流是 GPIB, PCI, VXI 和 PXI 四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。 總線 式的虛擬儀器 ATS GPIB 技術(shù)是 IEEE488 標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量由獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向 大 規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展。典型的 GPIB 系統(tǒng)由一臺(tái)PC 機(jī)、一塊 GPIB 接口卡 和 若干臺(tái) GPIB 形式的儀器通過 GPIB 電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊 GPIB的接口 卡可帶多達(dá) 14 臺(tái)的儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá) 20m。 GPIB 技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很方便地把多臺(tái)儀器組合起來(lái)，形成大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 GPIB 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要市場(chǎng)在臺(tái)式儀器市場(chǎng)。但是它與 PC 機(jī)相連需要專用接口以及 GPIB 儀器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳遞速率較低，逐漸被其他形式的儀器所代替。 GPIB測(cè)試系統(tǒng)適合于精確度要求高、但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，成本也較高。 基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 10 PCI 總線式的虛擬儀器 ATS 這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件， 完成測(cè)試任務(wù)。它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、系統(tǒng)內(nèi)存、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，具有良好的開放式軟、硬件平臺(tái)。接口總線簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)成，擴(kuò)充、變更容易，構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)靈活，系統(tǒng)的總體性能優(yōu)于 GPIB。其關(guān)鍵在于 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，借助于高級(jí)定時(shí)功能，能完成儀器級(jí)的高精度測(cè)量。但這種方式受 PC 機(jī)機(jī)箱和總線限制，且存在電源功率不足、機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高、機(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。插卡式儀器價(jià)格最便宜，性價(jià)比較高，靈活性較好，個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)量非常龐大，因此其用途廣泛，在國(guó)內(nèi)勢(shì)必迅速發(fā)展，特別適合于教學(xué)部門和各種實(shí)驗(yàn)室使用。 VXI 總線式的虛擬儀器 ATS VXI 總線是高速計(jì)算機(jī)總線 VME 在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過 10多年的發(fā)展， VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。然而，組建 VXI 總線要求有機(jī)箱、零槽管理器以及嵌入式控制器，造價(jià)比較高，硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，面市 的品種也較少。 PXI 總線式的虛擬儀器 ATS PXI 總線方式是在 PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，所增加的多板同步觸發(fā)總線的參考時(shí)鐘，適合于精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線，以便用于相鄰模塊的高速通信的局部總線。 PXI 有高度的可擴(kuò)展性，它有 8 個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式 PCI 系統(tǒng)只有 3～ 4個(gè)擴(kuò)展槽 ,通過使用 PCI～ PCI橋接器 ,可擴(kuò)展到 256 個(gè)擴(kuò)展槽 ,但成本比較高 ,硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜 ,目前面市的品種比較少 。 由以上分析可知 ,GPIB 方式控制的虛擬儀器主要針對(duì)單一的專用儀器 ,數(shù)據(jù)傳輸速度有限 ,通用性不強(qiáng) 。VXI、 PXI 儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要專用的 VXI 機(jī)箱、 VXI基于虛擬儀器的 ATS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 控制卡和 PXI 機(jī)箱、 PXI 控制卡等價(jià)格昂貴的設(shè)備，研制開發(fā)比較困難；由數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成的虛擬儀器性能價(jià)格比較高，設(shè)計(jì)手段靈活，通用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。 本課題采用 PCI 總線式 體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建模塊化、開放式的高性能虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 PCI 總線 式虛擬儀器 ATS 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 今天，已有大量的科技和工程人員對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行總線擴(kuò)展以便將其用于實(shí)驗(yàn)室研究、工業(yè)控制、測(cè)試和測(cè)量。這些都要用到基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)(PCbased Data Acquisition)，再加上適當(dāng)?shù)能浖?，可以?gòu)成價(jià)格低廉、靈活性較好的虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本任務(wù)就是測(cè)量和產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)世界的物理信號(hào)。以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 22所示，該系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集 (DAQ)硬件、個(gè)人計(jì)算機(jī)、軟件等基本要素構(gòu)成。 傳感器信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集硬件個(gè)人計(jì)算機(jī)軟件 圖 22 基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 傳感器是把物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) (電壓或電流 )的裝置，例如熱電偶 (溫度 /電壓 )、 RTD(溫度 /電阻 )、應(yīng)變片 (拉或壓力 /應(yīng) 變 (電流或電壓 ))、微音器 (壓強(qiáng) /電壓 )。信號(hào)調(diào)理能夠?qū)ξ⑷跣盘?hào)進(jìn)行放大、濾波、光電隔離等處理，以便更精確和更安全地測(cè)量，同時(shí)它還能夠激發(fā)某些傳感器和線性化其信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)被適當(dāng)調(diào)理后，即可輸給插入式數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行數(shù)字化 (ADC)，同時(shí)它也能產(chǎn)生控制信號(hào)。數(shù)據(jù)采集板的程序設(shè)計(jì)依靠驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)化和易于移植，因而用戶能夠用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言和應(yīng)用軟件開發(fā)工具來(lái)設(shè)計(jì)虛擬儀器面板、自基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 12 動(dòng)測(cè)試程序。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)的性能決定了整個(gè)過程的速度。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，需要高速的處理器和協(xié)處理器，或插入式輔助處理器，如 DSP 芯片。在某 些場(chǎng)合，一臺(tái)計(jì)算機(jī)也能實(shí)現(xiàn)要求。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)介紹 數(shù)據(jù)采集技術(shù)是電子測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)，當(dāng)然也是虛擬儀器的基礎(chǔ)。只有當(dāng)數(shù)據(jù)采集部分正確工作時(shí)，整個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)才可能正確工作，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)也才能進(jìn)行工作。因此，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)虛擬儀器 ATS 是非常重要的。 數(shù)據(jù)采集的基本理論 1． Nyquist 采樣定理 Nyquist 采樣定理：設(shè)有一個(gè)頻率帶限信號(hào) x(t)，其頻帶限制在（ 0， fH）內(nèi)，如果以不小于 fs=2fH的采樣速率對(duì) x(t)進(jìn)行等間隔采樣，得到時(shí)間離散的采樣信號(hào) x(n)=x(nTs)（其中 Ts=1/fs 稱為采樣間隔），則原信號(hào) x(t)將被所得到的采樣值 x(n)完全地確定。 上述 Nyquist 采樣定理告訴我們，如果以不低于信號(hào)最高頻率兩倍的采樣速率對(duì)帶限信號(hào)進(jìn)行采樣，那么所得到的離散采樣值就能準(zhǔn)確地確定原信號(hào)。下面從數(shù)學(xué)上來(lái)進(jìn)一步證明 Nyquist 采樣定理，也就是推導(dǎo)用離散采樣值 x(n)表示帶限信號(hào) x(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 引入單位沖激函數(shù) δ (t)，構(gòu)成沖激函數(shù) p(t)： ?????? ?? n snTttp )()( ? 這是一個(gè)抽樣函數(shù)，每隔 Ts 時(shí)間便采樣一個(gè)值。把 p(t)用傅立 葉級(jí)數(shù)展開可得： ??????? n lT nin seCtp ?2)( 其中 sTTlT nisTTlT nisn TdtetTdtetpTC ss sss s 1)(1)(1 222222 ????? ?? ?????? ?? ? 基于虛擬儀器的 ATS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 所以抽樣后的信號(hào) xs(t)可表示為： ??? ??? ???? n lT niss txeTtxtptx s )]([1)()()( 2 ? 設(shè) x(t)的傅立葉變換為 X(ω)，則 xs(t)的傅立葉變換 Xs(ω)可表示為： ?? ?????????? ???? n ssn sss nXTT nXTX )(1)2(1)( ?????