【正文】 sin(x)/x 稱為抽樣函數(shù)。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)( ????? 由此可見，抽樣信號(hào)的頻譜為原信號(hào)頻譜的頻移后的多個(gè)疊加。下面從數(shù)學(xué)上來進(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。 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。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。在某 些場(chǎng)合，一臺(tái)計(jì)算機(jī)也能實(shí)現(xiàn)要求。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)的性能決定了整個(gè)過程的速度。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)。 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 )。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)。 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。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。 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 。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。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。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。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。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)。 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。 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)。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。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。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)?；A(chǔ)硬件平臺(tái)目前可以選擇各種類型的計(jì)算機(jī) 。 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)的硬件來支持。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。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 。虛擬儀器將儀器的三大功能全部放在計(jì)算機(jī)上來實(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。結(jié)果的表示與輸出。 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 。第四章，講述軟件實(shí)現(xiàn)方法。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) 。 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)。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。 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。這需要國(guó)際上 行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立和采用。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。 近些年來， 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。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。 (3)對(duì)于傳統(tǒng)儀器來說硬件是關(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。一方面帶來讀數(shù)誤差，另一方面增加后續(xù)數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)。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。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) 。 在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件 才 是整個(gè)儀器的關(guān)鍵。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專用測(cè)量?jī)x器一樣。具體的說，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，其功能 由 用戶設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測(cè)試功能 由 測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器 (Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱 VI)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試 (CAT)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。 由 于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚摗⑿碌臏y(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用己發(fā)生質(zhì)的變化，其中計(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)更緊密地結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，導(dǎo)致儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等也發(fā)生突破性的變化。另外我國(guó)在測(cè)試軟件和語言方面，沒有較 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，目前只能參考或引用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化問題急待解決和加強(qiáng)。 （ 2）測(cè)試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)尚未形成完整的體系。大多數(shù)的 ATS 操作復(fù)雜，涉及的技術(shù)人員多，尤其是缺少人機(jī)操作引言 9 界面，交互性技術(shù)比較低。 為適應(yīng)高技術(shù)武器裝備日益增長(zhǎng)的維修保障要求，我軍 ATS應(yīng)沿著模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的總方向發(fā)展，面臨的問題主要集中在以下幾個(gè)方面。二十世紀(jì)八十年代，我軍測(cè)試設(shè)備和系統(tǒng)轉(zhuǎn)入以 GPIB（ IEEE48）總線和 CAMAC（ IEEE583）總線為主的半自動(dòng)、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備和系統(tǒng)階段；九十年代中后期，隨著 VXI、 PXI 總線技術(shù)的逐步普及，我國(guó)武器裝備系統(tǒng)的地面測(cè)試系統(tǒng)也越來越多的采用 VXI、 PXI總線測(cè)試系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)擁有了從 VXI、 PXI 機(jī)箱、控制器到各種型號(hào)的通用和專用的儀器模塊的全系列產(chǎn)品，通用 ATE 平臺(tái)也正在研制。 （ 5）廣泛采用測(cè)試領(lǐng)域和其他相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，如 IEEE122 IEEE123 IVI、VPP、 IEEE144 TCP/IP 等，具有更好的適應(yīng)性和兼容性。 （ 3）采用 IVI 儀器驅(qū)動(dòng)器規(guī)范和 資源管理標(biāo)準(zhǔn)，最大限度地實(shí)現(xiàn)儀器的可互換性和 TPSs 的可移植性。 （ 2）使用組件技術(shù)，模塊之間、層次之間通過接口實(shí)現(xiàn)測(cè)試信息的交互，交互模式是面向?qū)ο蟮姆?wù)機(jī)制。以美國(guó)為例，其主管軍方 ATS 采購、研究和開發(fā)的 DoD EAO 機(jī)構(gòu)下屬的綜合產(chǎn)品項(xiàng)目組（ IPT）給出了 NxTest ATS 的目標(biāo)框架，如圖 11。主要思路為：采用共同的測(cè)試策略，從設(shè)計(jì)過程開始，通過“ 增值開發(fā)”的方式使后一階段測(cè)試設(shè)備的研制能利用前一階段的開發(fā)成果，滿足通用化、系列化、組合化的要求，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”、“一機(jī)多型” ； TPSs 要能夠移植，軟件模塊可以重用；使用商業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)、成熟的儀器設(shè)備，大量采用商用貨架產(chǎn)品（ COTS）技術(shù) —— 商品化的產(chǎn)品和技術(shù)，縮短研究開發(fā)時(shí)間，降低成本，以滿足軍事需求。第三代 ATS 目前盡管還處于發(fā)展階段，但它的出現(xiàn)給測(cè)試技術(shù)帶來了革命性的沖擊，在測(cè)量原理、儀器設(shè)計(jì)等多方面都產(chǎn)生了重大影響。系統(tǒng)中的硬件部分大多是通用的，配引言 7 備不同的軟件可 以產(chǎn)生不同的激勵(lì)信號(hào)和測(cè)試功能。第三代 ATS 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是 :充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，取代傳統(tǒng)電子設(shè)備的大部分功能，使之成為測(cè)量?jī)x器的一個(gè)不可分割的組成部分，與整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)融為一體，使整個(gè) ATS 簡(jiǎn)化到僅由微型計(jì)算機(jī)、通用硬件和應(yīng)用軟件三部分組成。 第二代 ATS 雖然比人工測(cè)試顯示出前所未有的優(yōu)越性，但是在這些系統(tǒng)中，電子計(jì) 算機(jī)并沒有充分發(fā)揮作用，系統(tǒng)中仍是使用傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備 (只不過是配備了新的標(biāo)準(zhǔn)接口 )，整個(gè)系統(tǒng)的工作過程基本上還是對(duì)傳統(tǒng)人工測(cè)試的模擬。我國(guó)制造的一些微型計(jì)算機(jī)和電子儀器也配備了 GPIB總線接口。 同時(shí)由于它通用性強(qiáng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，操作靈活、方便，價(jià)格也較低廉，因此獲得了廣泛認(rèn)可和采用。 GPIB 標(biāo)準(zhǔn)接口總線可以把世界上不同國(guó)家、不同廠家生產(chǎn)的儀器設(shè)備，用通用的標(biāo)準(zhǔn)接口和總線連接起來，避免了第一代 ATS 設(shè)計(jì)專用接口的重復(fù)勞動(dòng)。因此，第一代測(cè)試系統(tǒng)通用性比較差。 第一代 ATS 多為專用系統(tǒng)，通常是針對(duì)某項(xiàng)具體任務(wù)而設(shè)計(jì) 的。系統(tǒng)一旦正常工作，它的各種操作都由系統(tǒng)本身自動(dòng)完成。 ATS 是用標(biāo)準(zhǔn)接口總線 (GPIB, VXI, PXI, PCI 等 )將可程控設(shè)備與測(cè)試計(jì)算機(jī)連接起來的一套多功能自動(dòng)測(cè)試設(shè)備。在 ATS 中，整個(gè)測(cè)試工作都是在預(yù)先編制好 的測(cè)試程序統(tǒng)一指揮下自動(dòng)完成的。以美國(guó)為首的軍用 ATS已經(jīng)發(fā)展到第 3代，目前正在開發(fā)研制下一代 (NxTest)ATS， NxTest ATS目標(biāo)是解決目前 ATS存在的維護(hù)、開發(fā)費(fèi)用高， TPSs（ Test Program Sets）可移植性差等問題，統(tǒng)一各軍種的 ATS。它作為軍事電子裝備保障系統(tǒng)的重要組成部分，可以大幅度減少電子裝備維護(hù)時(shí)間，顯著提高作戰(zhàn)效能，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)不可缺少的一環(huán)，得到各個(gè)國(guó)家軍方的普遍重視。自動(dòng)檢測(cè)的手段和水平已經(jīng)成為衡量 裝備 維修現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志，因此，自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ ATE）和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ ATS）的研究已經(jīng)成為世 界各國(guó) 軍事裝備保障技術(shù) 發(fā)展的重點(diǎn)。 同時(shí)，現(xiàn)代電子測(cè)試技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和儀器儀表技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，成為推動(dòng)軍用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、測(cè)試方法、測(cè)試技術(shù)不斷進(jìn)步的強(qiáng)大動(dòng)力。 關(guān)鍵字 ： 虛擬儀器 自動(dòng) 測(cè)試系統(tǒng) 數(shù)字采集 軟件結(jié)構(gòu) II ABSTRACT Following the development of the test instrument technology and puter technology,puter software technology and test instrument are tightly integrated into anic unit,which results in the appearance of a new test instrument,virtual the greate data and i