《傳感器與測(cè)試技術(shù)》課件第8章

第8章計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)是將工程測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，又能利用計(jì)算機(jī)作為微處理器，方便地對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、分析、處理等，與傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)相比，能大大地降低成本、簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、增強(qiáng)測(cè)試功能、自校準(zhǔn)和自診斷、可擴(kuò)展性強(qiáng)、多種形式地輸出和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等特點(diǎn)。在現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)匯總，尤其是高精度、高性能和多功能的測(cè)試系統(tǒng)大都采用計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。8.1計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本組成如圖8-1所示。與傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)比較，計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)是將傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)豐富的資源和高效的處理能力，使測(cè)試達(dá)到自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。8.1計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本組成1.多路模擬開關(guān)把多個(gè)模擬信號(hào)逐個(gè)、分時(shí)地送入A/D轉(zhuǎn)換器，完成多到一的轉(zhuǎn)換，或者把D/A轉(zhuǎn)換器生成的模擬信號(hào)按一定的順序輸出到不同的控制回路中去，完成一到多的轉(zhuǎn)換。目前，容易選擇到將多路模擬開關(guān)以及控制開關(guān)所需要的計(jì)數(shù)器、譯碼器和控制電路全部集成的芯片，切換速度快、靈活性好，如常用的8路模擬開關(guān)CD4051、CD40528.1計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本組成圖8-2CD4051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8.1計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本組成2.采樣/保持電路采樣保持電路(采樣/保持器)又稱為采樣保持放大器。當(dāng)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號(hào)要保持基本不變，這樣才能保證轉(zhuǎn)換精度。采樣保持電路即為實(shí)現(xiàn)這種功能的電路，具有兩種工作模式：(1)采樣Sample(跟蹤Track)模式：輸出精確地跟蹤輸入的變化，直到出現(xiàn)保持命令；(2)保持模式(Hold)：輸出保持控制命令出現(xiàn)時(shí)刻的輸入信號(hào)的最終值。圖8-3是采樣保持電路基本模型。8.1計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本組成圖8-3采樣保持電路基本模型8.1計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本組成3.模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器常見的A/D轉(zhuǎn)換芯片有：積分型(如TLC7135)、逐次逼近型(如TLC0831)、并行比較型/串并行型(如TLC5510)、Σ-Δ調(diào)制型(如AD7705)、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型(如AD650)。其技術(shù)指標(biāo)主要有：1）分辨率。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來表示；2）轉(zhuǎn)換速率，是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)；3）量化誤差(QuantizingError)8.1計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本組成D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路構(gòu)成無太大差異，一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運(yùn)算等進(jìn)行分類。大多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器由電阻陣列和n個(gè)電流開關(guān)(或電壓開關(guān))構(gòu)成。按數(shù)字輸入值切換開關(guān)，產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。8.2計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)總線技術(shù)8.2.1總線的分類與標(biāo)準(zhǔn)化按照總線傳送信息的類別，總線可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三類；根據(jù)信息傳送方式不同，總線可分為并行總線和串行總線。接口總線的標(biāo)準(zhǔn)化，按不同等級(jí)的兼容水平，主要分為以下三種：(1)信號(hào)級(jí)兼容水平的標(biāo)準(zhǔn)化；(2)命令級(jí)兼容的標(biāo)準(zhǔn)化；(3)程序級(jí)兼容的標(biāo)準(zhǔn)化8.2.2總線的通信方式總線通信通常采用應(yīng)答方式，圖8-4給出了計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中CPU與外設(shè)應(yīng)答通信的原理框圖。圖8-4CPU與外設(shè)應(yīng)答式通信原理8.2.3測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部總線和外部總線1.內(nèi)部總線1）STD總線STD的56根總線中，有6根邏輯電源線、4根輔助電源線、8根數(shù)據(jù)總線、16根地址總線和22根控制總線。具有32位數(shù)據(jù)寬度，32位尋址能力，支持熱插拔和多主系統(tǒng)，滿足工業(yè)測(cè)控冗余設(shè)計(jì)要求。8.2.3測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部總線和外部總線2）ISA/PC104/AT96總線ISA總線面向特定CPU，應(yīng)用于80×86以及PentiumCPU的商用和個(gè)人計(jì)算機(jī)；PC/104總線工控機(jī)的功耗低，但其驅(qū)動(dòng)能力差；AT96總線工具有抗強(qiáng)振動(dòng)和沖擊能力，其16位數(shù)據(jù)總線、24位尋址能力、高可靠性和良好的可維護(hù)性，更適合在惡劣工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用。8.2.3測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部總線和外部總線3)PCI總線PCI總線是32位同步復(fù)用總線，其地址和數(shù)據(jù)線引腳是AD31～AD0，工作頻率為33MHz。其主要特點(diǎn)是：（1）高速性（2）即插即用性（3）可靠性（4）復(fù)雜性（5）自動(dòng)配置（6）共享中斷（7）擴(kuò)展性好（8）多路復(fù)用（9）嚴(yán)格規(guī)范8.2.3測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部總線和外部總線4)PXI總線

PXI(PCIextensionsforInstrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展)是一種由NI公司發(fā)布的堅(jiān)固的基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)。堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范。成為測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺(tái)。8.2.3測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部總線和外部總線2.外部總線1）RS232C/RS485總線對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232C傳輸?shù)男盘?hào)電平，與TTL、CMOS邏輯電平完全不同，其邏輯0電平規(guī)定為+5~+15v之間，邏輯l電平規(guī)定為-5~-15V之間RS-485是一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，允許雙導(dǎo)線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多達(dá)32個(gè)負(fù)載設(shè)備。8.2.3測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部總線和外部總線圖8-5RS-232C、RS-423A、RS-422A電氣連接圖8.2.3測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部總線和外部總線2）GPIB總線GPIB即通用接口總線（GeneralPurposeInterfaceBus）是國(guó)際通用的儀器接口標(biāo)準(zhǔn)。典型的GPIB測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)GPIB儀器。每臺(tái)GPIB儀器有單獨(dú)的地址，最多可連接25臺(tái)設(shè)備。最大傳輸距離為20米，信號(hào)傳輸速度—般為500KB/s、，最大傳輸速度為1MB/s。8.2.3測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部總線和外部總線3）USB/1394總線通用串行總線USB（universalserialbus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。使用USB接口可以連接多個(gè)不同的設(shè)備，支持熱插拔，在軟件方面，為USB設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，“即插即用”

8.2.4現(xiàn)場(chǎng)總線為了適應(yīng)多點(diǎn)、多參數(shù)大型測(cè)試系統(tǒng)的需要,基于現(xiàn)場(chǎng)總線的開放型控制系統(tǒng)正日趨成熟。一、現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)試系統(tǒng)中的智能傳感器與現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖8-6所示。圖中現(xiàn)場(chǎng)總線的節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表，如傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、記錄儀、條形閱讀器等等。這些節(jié)點(diǎn)都是具有綜合功能的智能儀表。8.2.4現(xiàn)場(chǎng)總線圖8-6現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)框圖8.2.4現(xiàn)場(chǎng)總線二、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模式現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的開放系統(tǒng)互連參考模型(圖8-7所示)建立的。它規(guī)定了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)程之間的相互可操作性、通信方式、層次化的通信服務(wù)功能劃分、信息的流向及傳遞規(guī)則。圖8-7ISO/OSI參考模型8.2.4現(xiàn)場(chǎng)總線一個(gè)典型的IEC/ISA現(xiàn)場(chǎng)總線通信結(jié)構(gòu)模型如圖8-8所示。為滿足過程控制實(shí)時(shí)性的要求，它將ISO/OSI參考模型簡(jiǎn)化為三層體系結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。圖8-8IEC/ISA現(xiàn)場(chǎng)總線參考模型8.2.4現(xiàn)場(chǎng)總線三、幾種典型現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下的智能化、分布式測(cè)量和控制，許多大公司都推出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

1984年Intel公司推出階Bit-bus；1985年美國(guó)Rosemount公司推出的HART協(xié)議：德國(guó)Bosch公司于1983年推出的CANBUS；德國(guó)SIEMENS公司于1989年推出PROFIBUS，1993年推出的FF現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，以及美國(guó)Echelon公司于1993年推出的LonWorks。8.3智能儀器技術(shù)8.3.1智能儀器概述智能儀器含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量?jī)x器，具有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能從智能儀器所采用的電路組成來看，儀器經(jīng)歷了模擬式、數(shù)字式和智能化3個(gè)發(fā)展階段，如圖8-9所示。圖8-9智能儀器的發(fā)展過程8.3.2智能儀器組成及特點(diǎn)1.智能儀器的組成圖8-11所示為智能儀器的組成示意圖，圖中虛線框部分為智能儀器的選擇組成部分。圖8-11智能儀器的組成示意圖8.3.2智能儀器組成及特點(diǎn)2.智能儀器的特點(diǎn)a.智能儀器功能的多樣化b.智能儀器系統(tǒng)的集成化、模塊化c.智能儀器構(gòu)成的柔性化d.智能儀器的網(wǎng)絡(luò)化e.智能儀器的可視化8.4虛擬儀器技術(shù)8.4.1虛擬儀器技術(shù)概述虛擬儀器技術(shù)(Virtualinstrument)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。由于虛擬儀器用軟件來集成儀器所有的采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個(gè)儀器都能被計(jì)算機(jī)軟件所代替，因此，從某種意義上可以說:在虛擬儀器中，軟件就是儀器。8.4.1虛擬儀器技術(shù)概述比較項(xiàng)目傳統(tǒng)儀器虛擬儀器系統(tǒng)開放性封閉性、儀器間相互配合較差開放性、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展儀器的關(guān)鍵部分關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本較高，且升級(jí)必須上門服務(wù)。關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級(jí)方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序既可。儀器價(jià)格價(jià)格昂貴，儀器間一般無法相互利用價(jià)格低廉，儀器間資源可重復(fù)利用率高儀器功能只有廠家能定義儀器功能用戶可定義儀器功能儀器的網(wǎng)絡(luò)化功能單一，只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用開發(fā)與維護(hù)開銷高開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低技術(shù)更新周期技術(shù)更新周期長(zhǎng)（5-10年）技術(shù)更新周期短（1-2年）8.4.2虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器的構(gòu)成主要有兩大部分：硬件和軟件。1)硬件構(gòu)成框圖如圖8-12所示。

圖8-12虛擬儀器的基本構(gòu)成8.4.2虛擬儀器的構(gòu)成2)虛擬儀器的軟件系統(tǒng)虛擬儀器的軟件系統(tǒng)框架包括三個(gè)部分：VISA庫、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)如圖8-13所示。儀器驅(qū)動(dòng)程序VISA庫SerialVXIGPIB應(yīng)用軟件圖8-13虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)8.5虛擬儀器軟件簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是美國(guó)NationalInstruments公司推出的一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，帶有大量的內(nèi)置功能，能夠完成仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示等任務(wù)。8.5虛擬儀器軟件簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW作為一種完全圖形化的編程環(huán)境，其主要優(yōu)點(diǎn)有:（1）使用可視化技術(shù)建立人機(jī)界面。（2）數(shù)據(jù)流程圖式的語言書寫程序源代碼。（3）提供程序調(diào)試功能。（4）編程語言結(jié)構(gòu)化和模塊化（5）采用編譯方式運(yùn)行32位應(yīng)用程序（6）支持多種系統(tǒng)平臺(tái)。（7）提供了大量的函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用（8）提供DLL庫接口和CIN節(jié)點(diǎn)接口。8.5虛擬儀器軟件簡(jiǎn)介圖8-14虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)8.5虛擬儀器軟件簡(jiǎn)介前面板是用戶進(jìn)行測(cè)試時(shí)的主要輸入輸出界面，用戶通過Controls菜單在面板上選擇控制及顯示功能，從而完成測(cè)試的設(shè)置及結(jié)果顯示。其中控制包括各種類型的輸入:如數(shù)字輸入、布爾輸入、字符串輸入等，