機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)（第3版）課件：計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)

計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)內(nèi)容概要8.1概述8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)8.3智能儀器8.4虛擬儀器

重點(diǎn)掌握數(shù)字信號(hào)處理中的一些重要的概念和結(jié)論，如：采樣定理、窗函數(shù)、數(shù)據(jù)采集與保持的工作原理、A/D性能指標(biāo)和常見的A/D通道方式、智能儀器和虛擬儀器的基本概念等。8.1概述智能儀器系統(tǒng)以微處理器為核心、實(shí)現(xiàn)測(cè)量和處理功能的系統(tǒng)虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)為核心、模塊化的儀器硬件、靈活便捷的軟件構(gòu)成的測(cè)量、存儲(chǔ)、處理等功能的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)以計(jì)算機(jī)為核心、完成測(cè)試任務(wù)的技術(shù)核心：處理器、編程

利用計(jì)算機(jī)的可編程、快速處理和大容量數(shù)據(jù)管理功能適用：測(cè)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大、監(jiān)測(cè)任務(wù)重、分析要求高（在線、遠(yuǎn)程、診斷、推理）8.1概述1.計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本功能數(shù)據(jù)采集：傳感器信號(hào)信號(hào)調(diào)理數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)處理：按照功能要求對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和分析數(shù)據(jù)表達(dá)：將處理結(jié)果通過交互設(shè)備進(jìn)行顯示、打印、傳輸?shù)?/p>

8.1概述2.計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的組成（1）硬件傳感：感知被測(cè)量信號(hào)調(diào)理：隔離、放大、濾波數(shù)據(jù)采集：采集板/卡/器、模擬開關(guān)、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)：PC、PCI、CPCI、PXI、VXI

8.1概述（2）軟件采集/監(jiān)測(cè)軟件分析軟件數(shù)據(jù)庫管理軟件3.計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)成本優(yōu)勢(shì)：PC資源發(fā)展優(yōu)勢(shì)：具有通用性和發(fā)展前景功能優(yōu)勢(shì)：數(shù)據(jù)處理量大、快速，分析手段豐富、靈活

8.1概述4.計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)典型框圖

放大器DC/DC模擬開關(guān)

FIFO緩存A/D采保

通道邏輯

定時(shí)計(jì)數(shù)

數(shù)據(jù)緩沖

地址邏輯

控制、狀態(tài)邏輯

晶振計(jì)算機(jī)/軟件信號(hào)調(diào)理ch1ch2ch3ch32傳感器組數(shù)據(jù)采集時(shí)序控制——硬件采樣間隔/頻率；通道切換S/H、A/D控制；觸發(fā)參數(shù)設(shè)定——軟件通道數(shù)；采樣間隔/頻率采樣長(zhǎng)度N；采集方式數(shù)據(jù)讀取——編程多路模擬開關(guān)及采樣/保持器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常用元器件

8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)模擬信號(hào)的數(shù)字化處理一般過程模擬信號(hào)的數(shù)字化：將連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào)的過程。

連續(xù)無限長(zhǎng)度離散有限點(diǎn)數(shù)qΔtn.Δt①

②

③數(shù)字化過程三個(gè)步驟無限長(zhǎng)信號(hào)數(shù)字化的兩個(gè)關(guān)鍵步驟：1）用窗函數(shù)截取一段；2）連續(xù)信號(hào)離散化8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)（1）采樣——時(shí)間域離散化利用單位脈沖函數(shù)將模擬信號(hào)按一定的時(shí)間間隔逐點(diǎn)取其瞬時(shí)值

實(shí)現(xiàn)：時(shí)間域離散、幅值域仍連續(xù)

x(t)δ(t-k)t

▽t2▽t3▽t

4▽t

……

n▽t對(duì)象——時(shí)間采樣間隔Δt時(shí)間序列Δt2Δt…兩者相乘！基本問題：采樣間隔/頻率、采樣長(zhǎng)度8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)（2）量化——幅值域離散化

x(t)≤M量程，[-M，M]均分為2L區(qū)間量化階q=M/L

如：M＝5V，L＝211

則q＝2.44mV量化序列0

(L-2)q(L-2)q(L-4)q2q

q3q(L-4)qq-(L-3)q-(L-3)q-2q-4q-2q0

1Δt2Δt3

Δt4Δt......nΔt對(duì)象--------幅值8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)（3）編碼：

二進(jìn)制編碼a1

－最高有效位MSB，取值0、1an

－最低有效位LSB，取值0、1n

－A/D轉(zhuǎn)換器有效輸出數(shù)字量的位數(shù)

11111111bLSBMSB編碼分單極性編碼與雙極性編碼兩大類。8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)2.采樣定理及頻率混淆（1）采樣定理解決原始信號(hào)不失真采集的采樣頻率或采樣間隔選擇問題相關(guān)術(shù)語：樣本：采集到的一段時(shí)域信號(hào)樣本長(zhǎng)度：T=N·Δt，其中N為采樣點(diǎn)數(shù)（長(zhǎng)度）、Δt為采樣間隔最高分析頻率fx：模擬信號(hào)中所要分析的最高分量的頻率被采集的信號(hào)如果是頻率為fr的單頻，則最高分析頻率fx=fr一般情況下，被采集的往往是一復(fù)頻信號(hào)，則由需要定fx由轉(zhuǎn)頻（對(duì)應(yīng)系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速）的幾倍頻來定fx，如fx=5fr采樣頻率fs

：模擬信號(hào)離散的速度—每秒采集的點(diǎn)數(shù)。

對(duì)于等間隔(Δt)采集，采集頻率fs為：fs=1/ΔtHz？8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)

為了防止混頻，須保證fd>fx，而fd=fs/2，所以有fs>2fx采樣頻率對(duì)信號(hào)處理結(jié)果的影響信號(hào)最高頻率fx采樣頻率fs折疊頻率fd=fs/2根據(jù)傅里葉變換性質(zhì)：采樣后信號(hào)的頻譜為：

X(f)*S(f)即：使X(f)譜圖平移到中心頻率為fs脈沖序列的頻率點(diǎn)上。-fs

0fs8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理為保證采樣后信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)信息，信號(hào)采樣頻率必須至少為原信號(hào)中最高分析頻率的2倍。

即：每周期至少采集2點(diǎn)。8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)遵循采樣定理的物理意義

解決原始信號(hào)不失真采集的采樣頻率或采樣間隔選擇問題.8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)（2）頻率混淆：

如果fs<2fx，會(huì)造成頻率混疊。頻率混淆:大于fd的頻率混疊于低頻混疊無法事后消除抗混疊措施（a）采集前濾去大于fd的頻率——抗混疊濾波，低通濾波頻率為0~fd（b）加大采樣頻率

折疊頻率：

fd=fs/23.頻譜泄露及窗函數(shù)（1）頻譜泄露現(xiàn)象

一般來講，泄露是采樣過程帶來的必然現(xiàn)象（只要時(shí)間窗的長(zhǎng)度不是信號(hào)周期的整數(shù)倍）

泄露是影響頻譜分析精度的重要原因之一。

信號(hào)被截?cái)嗪笏妙l譜是真實(shí)頻譜與窗譜的卷積。

泄露只能減弱而不能完全消除。

減小泄露方法：選擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)。

在以?0和-?0為中心的頻帶范圍內(nèi)都有譜線出現(xiàn)，可以理解為是從?0和-?0頻率上“泄漏”出去。8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)常見窗函數(shù)時(shí)域和頻域波形

一般規(guī)律：旁瓣減小總是伴隨著主瓣加寬。

旁瓣減小——抗泄漏增加主瓣加寬——頻率分辨力下降工程中一般的原則:對(duì)連續(xù)平穩(wěn)信號(hào)，以犧牲頻率分辨率（主瓣變寬）為代價(jià)以換取泄漏(旁瓣)的減少

選擇窗函數(shù)的基本思路是:改善截?cái)嗵幍牟贿B續(xù)狀態(tài)。

窗函數(shù)的基本要求是：主瓣窄且高以提高頻率分辨率、旁瓣盡可能小以減小泄露或負(fù)譜現(xiàn)象。矛盾！8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)4.數(shù)據(jù)的采樣與保持?jǐn)?shù)據(jù)采集過程通過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)N個(gè)采樣區(qū)間為Δt的量化過程采集樣本：T=N·Δt關(guān)鍵是Δt內(nèi)的量化過程：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換→轉(zhuǎn)換結(jié)束→輸出數(shù)字量基本要求：A/D轉(zhuǎn)換開始到結(jié)束時(shí)保持輸入信號(hào)的電平不變——保證精度A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化——實(shí)時(shí)跟蹤數(shù)據(jù)采集基本單元多路開關(guān)程控放大采樣保持A/D轉(zhuǎn)換放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)（1）多路開關(guān)功能：將多路被測(cè)信號(hào)分別傳送到所共用的

一路A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換——低成本指標(biāo)：導(dǎo)通與斷開電阻接通電阻為零（實(shí)際<100Ω）斷開電阻無窮大（實(shí)際>109Ω）切換速度：一般1μs~1ns隔離：各通過之間的串?dāng)_，80dB類型：集成電路模擬開關(guān)：結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部有譯碼器、使用方面、轉(zhuǎn)換速度快、壽命長(zhǎng)、體積小、導(dǎo)通電阻大等干簧繼電器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、閉合接觸電阻小而斷開時(shí)阻抗高、不受環(huán)境溫度影響,切換速度慢放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)（2）采樣保持功能：對(duì)被測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤、精確取值采集過程的兩個(gè)基本狀態(tài)：快采－慢測(cè)采集前的信號(hào)跟蹤——S閉合采集時(shí)刻的信號(hào)凍結(jié)——對(duì)固定信號(hào)進(jìn)行量化一般電容器外接，由設(shè)計(jì)者選用電容的大小與采樣頻率及采樣精度有關(guān)

采樣保持器性能捕捉時(shí)間tAC（充電時(shí)間常數(shù)、放大器響應(yīng)時(shí)間、保持電壓的變化幅度）。該時(shí)間限制了采樣頻率的提高，而對(duì)轉(zhuǎn)換精度無影響

孔徑時(shí)間tAP，會(huì)產(chǎn)生與信號(hào)變化有關(guān)的誤差。（通過保持指令提前下達(dá)得以消除）

孔徑抖動(dòng)tAJ，孔徑時(shí)間變化范圍引起誤差（無法消除）

保持建立時(shí)間tHS，S/H輸出達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間早于tHS會(huì)產(chǎn)生誤差

衰減率：CH漏電引起下降誤差

傳導(dǎo)誤差：輸入信號(hào)通過寄生電容耦合到輸出端的比例

8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)（3）?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）定義：將模擬量轉(zhuǎn)換為一定碼制的數(shù)字量的器件或裝置分類：a）按工作原理分

逐次逼近式：轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在

s級(jí)，轉(zhuǎn)換精度一般在0.1%上下，轉(zhuǎn)換時(shí)間與精度均比較適中，適用于一般場(chǎng)合。

積分式：利用積分器，轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在ms級(jí)或更長(zhǎng)，抗干擾性強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.01%或更高，適用于在數(shù)字電壓表類的儀器中采用。

并行式：并行比較，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)ns級(jí)，抗干擾性能較差。這類A/D轉(zhuǎn)換器可用于數(shù)字示波器等要求轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中。b）按結(jié)構(gòu)來分：

單一功能A/D轉(zhuǎn)換器;

多功能的A/D轉(zhuǎn)換器，如AD363，其內(nèi)部含有16路多路開關(guān)、數(shù)字放大器、采樣保持器及12位A/D轉(zhuǎn)換器。8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)ADC性能參數(shù)AD位數(shù)：二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，如12位、16位、24位分辨率:也稱量化階，是指最低有效位數(shù)LSB代表的電壓值，表示分

辨輸入模擬量電壓的最小變化能力。

如：12位A/D轉(zhuǎn)換器（最高1位表示符號(hào)位，其余11位表示有效轉(zhuǎn)換數(shù)）、量程±5V，則分辨率為量化誤差：最大為±1/2LSB，即，且誤差分布為均勻分布。轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間，倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速度/通過率轉(zhuǎn)換精度：實(shí)際ADC與理想ADC量化值上的差值，例如偏移誤差、

滿刻度誤差、非線性誤差等，一般很小滿刻度范圍：ADC所允許輸入電壓范圍，如±5V其他參數(shù)：零點(diǎn)和增益溫度系數(shù)、輸入電阻選擇A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的示例采用鐵—康銅熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，在0-450℃的溫度范圍內(nèi)輸出的電壓值是0-25mV，若要求設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置達(dá)到0.1℃的測(cè)溫分辨率，如何選A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)？分析

0-450℃的溫度范圍對(duì)應(yīng)測(cè)量范圍0-25mV，即M=25mV

要求最小分辨率為0.1℃，需要先確定對(duì)應(yīng)的電壓分辨率：

450℃25mV

0.1℃5.5μ

V

即：0.1℃溫度分辨率對(duì)應(yīng)電壓分辨率為q＝5.5μV解題：

M=25000μV、q＝5.5μV，

所以，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)該大于13位

16位q＝0.76μV8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)5.A/D通道方案確定需要考慮問題：模擬信號(hào)數(shù)量模擬信號(hào)特征（快、慢）

采集效率、成本采集信號(hào)同步性要求分別采集：信號(hào)之間沒有嚴(yán)格關(guān)系并行采集：信號(hào)之間存在相位等關(guān)系放大器DC/DC模擬開關(guān)A/D采保ch1ch2ch3ch32??系統(tǒng)組成是否唯一？

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)上述不同特點(diǎn)，多路開關(guān)、放大器、采保（S/H)、AD等四個(gè)硬件的組合方法不同8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用：直流/低頻信號(hào)此方案對(duì)低頻信號(hào)的最大變化率有限制?？紤]到在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間tconv內(nèi)，輸入信號(hào)最大變化量不應(yīng)超過量化誤差（LSB/2），則

tconv放大器DC/DCA/D輸入Vi示例：

M＝10V、n＝12、tconv＝0.1s即：幅值變化率小于0.02V/s的輸入信號(hào)，采集前可不用加采保器（1）無采保的A/D通道——

直接轉(zhuǎn)換（2）無多路開關(guān)、帶采保的A/D轉(zhuǎn)換放大器

FIFO緩存A/D采保ADC輸入Vi

為了保證轉(zhuǎn)換誤差不大于量化誤差，AD可以直接轉(zhuǎn)換的信號(hào)頻率很低，因此，通常都要加采樣保持器。8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)如果將保持命令提前發(fā)出，提前的時(shí)間與孔徑時(shí)間相等時(shí)，則模擬輸入信號(hào)的最大變化率取決于孔徑時(shí)間的不穩(wěn)定性，即孔徑抖動(dòng)tAJ，即：應(yīng)用：各種單路信號(hào)允許輸入信號(hào)的最大變化率取決于采樣/保持器的孔徑時(shí)間tAP，即：（3）多通道共享采保與A/D轉(zhuǎn)換器

應(yīng)用：適合于多路信號(hào)。

每路信號(hào)的吞吐時(shí)間為：

tTH

=tAC+tHS+tCONV+tOUT

則每路信號(hào)相鄰兩次采樣時(shí)間間隔至少為NtTH,故每個(gè)通道的吞吐率為：

由采樣定理可知，信號(hào)帶寬應(yīng)滿足：因此,吞吐時(shí)間限制了信號(hào)上限頻率。

放大器多路開關(guān)

FIFO緩存A/D采保ch1ch2ch3ch32??ADC8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)

（4）帶同時(shí)采保、多路開關(guān)的A/D通道——偽并行采集應(yīng)用：研究多路信號(hào)之間相位關(guān)系。同一時(shí)刻，所有n個(gè)通道的信號(hào)電平先同時(shí)采樣保持，再巡回采集，從而保證所有通道嚴(yán)格同時(shí)刻采集。每一通道（信號(hào)）采樣間隔：⊿t；信號(hào)采樣頻率1/⊿tADC(最小)采樣間隔：⊿t/n；ADC采樣頻率n/⊿t

ch1ch2ch3ch32??放大器模擬開關(guān)

FIFO緩存A/D采樣保持??8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)（5）多通道并行A/D通道——并行采集

應(yīng)用：對(duì)于高速系統(tǒng)和高頻信號(hào)采集系統(tǒng)程控放大器計(jì)算機(jī)控制邏輯AA/D多路模擬信號(hào)輸入采保采保采保采保AA/DAA/DAA/D特點(diǎn)：多塊ADC芯片、嚴(yán)格同步采集獨(dú)立的通道，各通道間具有較好的隔離度性價(jià)比較高8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)6數(shù)據(jù)采集卡/器的性能指標(biāo)A/D位數(shù)（也可表示分辨率）:位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等最高采樣頻率：能重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的最高速度，即每秒完成信號(hào)轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)，對(duì)應(yīng)的為ADC最小采樣間隔。一般可編程控制。如最高采樣頻率333KHz，則ADC最小采樣間隔為3μs。量程（輸入范圍）：A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的電壓范圍。一般有±5V、±10V精度:反映輸出數(shù)碼的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差，定義滿量程下包含增益誤差、偏移誤差、非線性誤差，量化誤差等在內(nèi)的相對(duì)精度。如小于0.05％8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)模入通道：能巡回或并行進(jìn)行采集的輸入通道數(shù)。對(duì)于巡回采集：8、16、32；對(duì)于并行采集：2、4、8輸入阻抗:反映隔離信號(hào)源的能力。一般大于100MΩ程控增益：1、2、4、8、16倍等（選項(xiàng)）任意設(shè)定采樣通道數(shù),可通過自動(dòng)掃描采集先進(jìn)先出(FIFO)緩存,可自動(dòng)數(shù)據(jù)塊采集觸發(fā)方式:定時(shí)器觸發(fā),可外啟動(dòng)采集ch1ch2ch3ch32??模擬開關(guān)振動(dòng)慢變加速度8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集卡/器產(chǎn)品PC/PCI總線數(shù)據(jù)采集板PC/PCMCIA總線數(shù)據(jù)采集板USB總線數(shù)據(jù)采集模塊NIPCI-622116Bit,250kS/s,16通道2通道DA（833kS/s)NIUSB-9215高速串行總線：USB2.0只要有USB口，即插即用總線供電采樣速率可達(dá)500kHz/sNIPCMCIA-51022通道并行采集采樣頻率20MS/s帶寬15MHz輸入±50mV～±5VARTUSB-281716Bit,250kS/s,32通道8kFIFO4通道DA12Bit計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例目的/功能以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)溫度、壓力實(shí)時(shí)采集監(jiān)視系統(tǒng)性能指標(biāo)溫度-4路測(cè)試范圍：0℃

～120℃，超范圍聲光報(bào)警檢測(cè)精度：0.5℃壓力-4路測(cè)量范圍：0Pa～3.92x105Pa,超范圍聲光報(bào)警檢測(cè)精度：±1.96x103Pa顯示：9位LED（顯示測(cè)量值：溫度4＋1；壓力3＋1）檢測(cè)速度：每分鐘一次8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)設(shè)計(jì)步驟：①選擇傳感器及調(diào)理模塊溫度測(cè)試范圍：0℃～120℃、精度：0.5℃熱敏電阻＋變換/放大器：輸出0～5V、對(duì)應(yīng)滿量程125℃壓力測(cè)量范圍：0～3.92x105Pa、精度：±1.96x103Pa電阻應(yīng)變片＋橋路＋放大器：輸出0～5V、對(duì)應(yīng)滿量程4.90x105Pa8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)②選擇A/D轉(zhuǎn)換器溫度M＝125℃、分辨率q＝0.5℃：壓力M＝4.90x105Pa、±1.96x103Pa：所以，選擇10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以滿足精度要求8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)③A/D通道方案檢測(cè)速度：每分鐘一次逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器：10μs～100μs溫度、壓力變化小——不要保持電路8路模擬開關(guān)：切換速率要大于A/D轉(zhuǎn)換速率④輸出通道顯示：選用9位LED、分段溫度、壓力報(bào)警輸出：開關(guān)量——共用一路聲光報(bào)警⑤系統(tǒng)控制機(jī)單片機(jī)8031：2個(gè)定時(shí)器——長(zhǎng)達(dá)1min的硬件定時(shí)，4kBROM——程序8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)⑥軟件編程每1分鐘調(diào)用一次監(jiān)測(cè)子程序監(jiān)測(cè)子程序8個(gè)通道均分1分鐘依次完成8通道的監(jiān)測(cè)任務(wù)每次監(jiān)測(cè)具體內(nèi)容：選通模擬開關(guān)→AD轉(zhuǎn)換→中值濾波→工程變換→超限檢查→報(bào)警/顯示8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)⑦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸入、調(diào)理輸出顯示控制、分析量化8.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)回顧模擬信號(hào)數(shù)字化：連續(xù)模擬信號(hào)——離散數(shù)字信號(hào)

數(shù)字化過程三個(gè)步驟：采樣：時(shí)間域離散，間隔大小決定分辨率量化：幅值域離散，量化階大小決定精度編碼：二進(jìn)制編碼采樣頻率及頻率混疊：采樣定理：采樣頻率至少大于等于最高分析頻域的二倍頻率混淆：采樣頻率不當(dāng)出現(xiàn)的高、低頻混淆的一種現(xiàn)象抗混疊措施：抗混疊濾波器、提高采樣頻率回顧數(shù)據(jù)采集采樣保持器作用：動(dòng)態(tài)跟蹤—采集、固定取值—保持；AD轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)換為一定碼制的數(shù)字量分類:逐次逼近式、積分式、并行式基本指標(biāo)：位數(shù)、分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、精度AD通道方案數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由四個(gè)部分組成及功能：

多路模擬開關(guān)、放大器、采樣保持器、AD轉(zhuǎn)換器選擇時(shí)依據(jù)下述因素決定：

信號(hào)通道數(shù)、信號(hào)變化速率、信號(hào)間相位關(guān)系、成本8.3智能儀器1定義含有單片機(jī)或微處理器的測(cè)量?jī)x器具有采集、存儲(chǔ)、分析、自動(dòng)化操作等功能提高精度、速度、測(cè)試能力和工作效率

數(shù)字式超聲波探傷儀振動(dòng)采集分析儀8.3智能儀器2.智能儀器的基本特征：測(cè)量過程自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)具有友好的人機(jī)交互方式具有遠(yuǎn)程通信接口，便于遠(yuǎn)程控制（1）測(cè)量自動(dòng)化——利用軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制量程切換極性判別調(diào)零放大過載保護(hù)結(jié)果輸出狀態(tài)檢測(cè)手持式示波器振動(dòng)采集分析儀8.3智能儀器（2）數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)——處理器的存儲(chǔ)、運(yùn)算能力數(shù)據(jù)處理傳統(tǒng)儀器手工事后數(shù)據(jù)處理、方法有限主觀因素影響成分大智能儀器軟件實(shí)現(xiàn)算法——標(biāo)準(zhǔn)偏差、曲線擬合在線修正——自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)果直接存儲(chǔ)處理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、回放數(shù)據(jù)再處理——深加工、多用途數(shù)據(jù)采集和振動(dòng)分析手持式示波器8.3智能儀器（3）友好的人機(jī)交互方式鍵盤——方便輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)柔性測(cè)量輸入命令，選擇不同功能顯示屏——直觀運(yùn)行情況、工作狀態(tài)、處理結(jié)果定時(shí)測(cè)量、設(shè)限報(bào)警、自動(dòng)打?。?）標(biāo)準(zhǔn)化接口通信接口——GPIB、RS232C、RS485、RS422、Profibus、Modbus、CAN總線等與PC機(jī)結(jié)合——實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)

多相功率分析儀8.3智能儀器（1）硬件結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信號(hào)輸入單元信號(hào)調(diào)理A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸出單元時(shí)序控制器數(shù)模轉(zhuǎn)換器功率放大人機(jī)交互設(shè)備鍵盤、顯示等遠(yuǎn)程通信接口3.系統(tǒng)組成8.3智能儀器（2）軟件整個(gè)軟件系統(tǒng)包括若干功能模塊：自檢模塊初始化模塊時(shí)鐘模塊監(jiān)控模塊人機(jī)交互模塊數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊控制決策模塊信號(hào)輸出模塊通信模塊智能儀器的軟件需要完成:人機(jī)交互輸入通道控制數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)管理等

軟件每個(gè)功能模塊都在一定程度上與硬件電路有關(guān)；因此，功能模塊的設(shè)計(jì)方式不是唯一的，對(duì)應(yīng)不同的硬件設(shè)計(jì)而不同。4自動(dòng)測(cè)量功能（1）量程自動(dòng)切換——基本功能衰減器+放大器+程控根據(jù)輸入信號(hào)的大小，合理地、自動(dòng)地確定衰減器的衰減系數(shù)和放大器的放大倍數(shù)目的是使A/D轉(zhuǎn)換器得到盡可能大而又不超出其輸入范圍的信號(hào)

量程自動(dòng)切換零位誤差與增益誤差自動(dòng)校正非線性自動(dòng)校正溫度誤差的自動(dòng)補(bǔ)償8.3智能儀器（2）零位誤差與增益誤差自動(dòng)校正——解決穩(wěn)定性問題傳統(tǒng)儀器：通過硬件校正:調(diào)零電路、增益調(diào)整電路

智能儀器：通過軟件校正

自校零

輸入短路，測(cè)量零位值，測(cè)量中扣除自校準(zhǔn)

輸入接入基準(zhǔn)電壓，建立誤差校準(zhǔn)模型Vx放大電路A/D轉(zhuǎn)換主機(jī)電路Vc短路輸入電壓基準(zhǔn)電壓可降低對(duì)測(cè)量系統(tǒng)元器件的穩(wěn)定性要求。8.3智能儀器（3）非線性自動(dòng)校正——解決儀器性能的非線性問題傳統(tǒng)儀器——校正電路儀器特性補(bǔ)償電路特性輸出信號(hào)特性智能儀器——軟件校正a、插值法：分段插值，多個(gè)靈敏度Sb、查表法：特性曲線數(shù)值化c、曲線擬合：最小二乘法數(shù)表8.3智能儀器（4）溫度誤差的自動(dòng)補(bǔ)償——解決環(huán)境影響問題傳統(tǒng)儀器：

硬件補(bǔ)償：線路復(fù)雜，成本高智能儀器：

軟件補(bǔ)償：靈活多變儀器中增加溫度元件：測(cè)溫溫度誤差模型：理論/實(shí)驗(yàn)獲取利用校正方程和校正值補(bǔ)償量程自動(dòng)切換零位誤差與增益誤差自動(dòng)校正非線性自動(dòng)校正溫度誤差的自動(dòng)補(bǔ)償智能儀器自動(dòng)測(cè)量8.3智能儀器5.典型應(yīng)用——智能傳感器面向特定功能傳感器，可以對(duì)其原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的智能儀器。智能傳感器具有傳感、采集、處理、交換信息的能力。智能傳感器四大模塊傳感器模塊處理模塊8.3智能儀器信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理AD采集傳感器1微處理器CPUE2PROMTEDS（傳感器數(shù)據(jù)表）PROM校準(zhǔn)存儲(chǔ)器（標(biāo)定/校準(zhǔn)/補(bǔ)償）D-A轉(zhuǎn)換總線驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)整器傳感器2傳感器n模擬輸出數(shù)字通信直流電源……智能傳感器的典型結(jié)構(gòu)接口模塊電源模塊智能傳感器發(fā)展路徑模塊式智能傳感器初級(jí)的智能儀器成本低、體積大、實(shí)用混合式智能傳感器各模塊制成不同的芯片再組合應(yīng)用廣泛集成式智能傳感器硅作為基本材料制作各模塊所有模塊集成到同一塊芯片上體積小、高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性8.3智能儀器智能胎壓傳感器8.4虛擬儀器背景：測(cè)試領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)：需求增加、成本增加產(chǎn)品功能劇增，測(cè)試儀器不斷擴(kuò)增不同階段使用不同精度、不同功能的模擬儀器項(xiàng)目、產(chǎn)品轉(zhuǎn)向，造成投資浪費(fèi)儀器互聯(lián)和綜合處理日益復(fù)雜——接口開發(fā)解決辦法：開放、標(biāo)準(zhǔn)硬件的標(biāo)準(zhǔn)化——資源共享軟件的模塊化——避免重復(fù)開發(fā)系統(tǒng)的開放化——儀器間的資源共享編程平臺(tái)的圖形化硬件模塊的即插即用化儀器發(fā)展第一代：模擬儀器第二代：數(shù)字化儀器第三代：智能儀器第四代：虛擬儀器數(shù)字電路微處理器計(jì)算機(jī)8.4虛擬儀器8.4虛擬儀器1.“虛擬”含義虛擬的儀器面板由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能（軟件就是儀器）以軟件代替硬件、以圖形代替代碼、以組態(tài)代替編程、以虛擬代替固定8.4虛擬儀器結(jié)果表達(dá)與儀器控制數(shù)據(jù)采集信號(hào)處理儀器功能硬件（電子線路）硬件（電子線路）硬件（顯示器與旋鈕）傳統(tǒng)儀器硬件（電子線路）計(jì)算機(jī)軟件（算法）

計(jì)算機(jī)軟+硬件

顯示器、虛擬旋鈕虛擬儀器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源2.虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較8.4虛擬儀器傳統(tǒng)儀器虛擬儀器儀器功能廠家決定用戶定義功能設(shè)定功能特定，與其它設(shè)備連接受到限制。面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可方便地與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、外設(shè)和其它設(shè)備連接。關(guān)鍵環(huán)節(jié)硬件軟件開放性封閉式系統(tǒng)，功能固定，不能改變?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的開放式系統(tǒng)，靈活的軟件功能模塊。性能價(jià)格比低高，可重復(fù)使用。技術(shù)更新速度慢（周期5~10年）快（周期1~2年）開發(fā)維護(hù)開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高軟件結(jié)構(gòu)，節(jié)省費(fèi)用一.虛擬儀器硬件：

通用計(jì)算機(jī)：任何類型計(jì)算機(jī)，管理虛擬儀器硬軟件資源

專用儀器：獲取被測(cè)信號(hào)、完成信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集通用計(jì)算機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)總線（測(cè)控總線）實(shí)現(xiàn)對(duì)專用儀器硬件模塊的擴(kuò)展。3.虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)

硬件平臺(tái)與應(yīng)用軟件兩大部分組成。1）標(biāo)準(zhǔn)總線：協(xié)調(diào)各個(gè)模塊互聯(lián)工作的標(biāo)準(zhǔn)界面，如GBIP、VXI8.4虛擬儀器GBIP：連接獨(dú)立儀器VXI：插卡儀器、模塊PXI：插卡儀器、模塊LXI：網(wǎng)絡(luò)儀器模塊標(biāo)準(zhǔn)總線決定了虛擬儀器的結(jié)構(gòu)形式：（1）PC-DAQ儀器

以微型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，在通用的計(jì)算機(jī)總線（USB、PCI等）上擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集卡而構(gòu)建的虛擬儀器。

PC-DAQ儀器具有性價(jià)比高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種低成本的虛擬儀器系統(tǒng)

PC-DAQ儀器可滿足一般科學(xué)研究與工程領(lǐng)域測(cè)試任務(wù)要求。

8.4虛擬儀器（2）GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）

——通用接口總線（IEEE488儀器控制標(biāo)準(zhǔn)）——多臺(tái)設(shè)備協(xié)調(diào)工作由美國HP公司提出，是一種并行方式的外總線

目前各大儀器公司的中高檔臺(tái)式儀器幾乎均裝備GPIB接口

數(shù)據(jù)傳輸率一般為250-500KB/s最多控制15臺(tái)獨(dú)立儀器（支持其標(biāo)準(zhǔn)的儀器）通過計(jì)算機(jī)，對(duì)傳統(tǒng)儀器功能的擴(kuò)展和延伸一般用于實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制

GPIB電纜8.4虛擬儀器（3）VXI（VMEbuseXtensionaforInstrumentation

）計(jì)算機(jī)控制的模塊化自動(dòng)儀器系統(tǒng)將測(cè)試儀器從分立的臺(tái)式結(jié)構(gòu)發(fā)展為更為緊湊的模塊式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)320MB/s插卡儀器，即插即用增加了時(shí)鐘線、觸發(fā)線、本地總線、同步信號(hào)線、星型觸發(fā)線等專用儀器資源，為高速度、高精度儀器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的支持。主要用于工業(yè)自動(dòng)化、航空航天、國防等高可靠、高穩(wěn)定的應(yīng)用。

8.4虛擬儀器（5）

LXI（LANeXtensionforInstrumentation）安捷倫公司和VXI技術(shù)公司推出基于局域網(wǎng)LAN的模塊化測(cè)試平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)儀器，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量模塊的協(xié)調(diào)工作網(wǎng)絡(luò)接口的價(jià)值：互聯(lián)和共享既適用于小型測(cè)試系統(tǒng)，又可用于大規(guī)模復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)8.4虛擬儀器2）模塊化專用儀器硬件數(shù)據(jù)采集板/卡信號(hào)調(diào)理板/卡運(yùn)動(dòng)控制分布式I/O8.4虛擬儀器（1）DAQ（DataAcquisition）——數(shù)據(jù)采集板有大量支持板卡直接利用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)總線、接口（2）SCXI（SignalConditioningeXtensionsforInstrumentation）

——信號(hào)調(diào)理板

放大、濾波、隔離信號(hào)調(diào)理?xiàng)１銛y、低成本多路調(diào)理:20適合各種類型信號(hào)每路調(diào)理可選輸出可直接連DAQ8.4虛擬儀器二.虛擬儀器軟件系統(tǒng)軟件就是儀器

ThesoftwareistheInstrument利用計(jì)算機(jī)的硬/軟件資源，使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化（虛擬化）

最大限度地降低系統(tǒng)成本

增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：I/O通信軟件：計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器控制；使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范儀器驅(qū)動(dòng)程序：特定儀器控制與通信的軟件程序集應(yīng)用軟件：直接面對(duì)用戶，提供直觀友好數(shù)據(jù)分析與處理功能8.4虛擬儀器

對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫，大致可分為兩種方式：①用通用編程軟件（文本語言）進(jìn)行編寫。主要有Microsoft公司的VisualBasic與VisualC++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder；

優(yōu)缺點(diǎn)：編程軟件雖然靈活性很好，但并不理想，用戶花在編制測(cè)試軟件上的工時(shí)與費(fèi)用高、開發(fā)周期長(zhǎng)。②用專業(yè)圖形化編程軟件（圖形化語言）進(jìn)行開發(fā)。如Agilient公司的VEE、NI公司的LabVIEW

等。優(yōu)點(diǎn)：編程非常方便，人機(jī)交互界面友好。軟件系統(tǒng)分類8.4虛擬儀器LabView簡(jiǎn)介

——圖形化編程語言（1）特點(diǎn)圖形化的儀器編程環(huán)境使用圖形語言編程（即各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等），界面非常直觀形象大量的儀器面板控件大量的分析、處理和接口功能控件數(shù)據(jù)流可視8.4虛擬儀器8.4虛擬儀器功能強(qiáng)大的函數(shù)庫儀器驅(qū)動(dòng)程序庫（含600多個(gè)）基本函數(shù)庫——數(shù)學(xué)函數(shù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、文件I/O高級(jí)分析、計(jì)算、處理庫，可增強(qiáng)程序的處理能力。支持多種系統(tǒng)平臺(tái)WindowsNT/95/2000/XP、實(shí)時(shí)Unix系統(tǒng)平臺(tái)、LinuxLabVIEW應(yīng)用程序的直接移植開放式的開發(fā)平臺(tái)提供調(diào)用其它軟件平臺(tái)編譯的模塊的接口：DLL庫接口CIN接口——調(diào)用C語言程序的通用方法提供對(duì)OLE（ObjectLinkingandEmbedding，對(duì)象連接與嵌入）的支持網(wǎng)絡(luò)功能支持TCP/IP、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）等

（2）

LabVIEW基本程序

LabVIEW的基本程序單位是VI（虛擬儀器），它可以通過圖形編程的方法，建立一系列的VI，來完成用戶指定的測(cè)試任務(wù)。LabVIEW提供了多種基本的VI庫：（1）600多種儀器驅(qū)動(dòng)程序庫；（2）400多種諸如信號(hào)發(fā)生、信號(hào)處理、數(shù)組和矩陣運(yùn)算、線性估計(jì)、復(fù)數(shù)算法、數(shù)字濾波、曲線擬合等數(shù)學(xué)運(yùn)算及分析模塊庫

。模塊化設(shè)計(jì)將復(fù)雜任務(wù)分解8.4虛擬儀器8.4虛擬儀器（3）LabVIEW編程包含三部分a、前面板——模擬真實(shí)儀器的前

面板b、框圖程序——對(duì)前面板上的控

件對(duì)象進(jìn)行控制c、圖標(biāo)/接線端口——VI程序封

裝成控件/模塊框圖程序設(shè)計(jì)：——用圖形語言編程界面

用戶用圖形編程語言編寫程序，說明儀器的具體數(shù)據(jù)處理流程，所有的數(shù)據(jù)處理都是在這里設(shè)計(jì)完成的?？驁D程序是利用圖形語言對(duì)前面板上的控件對(duì)象進(jìn)行控制。

前面板設(shè)計(jì)：——輸入輸出界面用戶通過控件(Control)模板，可以選擇多種輸入控制部件和指示器部件來構(gòu)成前面板。

輸入控制部件是用來接收用戶的輸入數(shù)據(jù)到程序（需要輸入或修改數(shù)值

）。

指示器部件是用于顯示程序產(chǎn)生的各種類型的輸出（包括數(shù)字顯示、表頭、溫度計(jì)等）

。

LabVIEW編程

在前面板中，當(dāng)把一個(gè)控制器或指示器放置在前面板上時(shí)，LabVIEW也在框圖程序中放置了一個(gè)相對(duì)應(yīng)的端子。8.4虛擬儀器8.4虛擬儀器（4）LabVIEW開發(fā)應(yīng)用儀器計(jì)量方面：普通儀器示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器專用測(cè)量方面：專用探頭＋軟件＝專用的測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種檢測(cè)和監(jiān)測(cè)自動(dòng)