1、第八章虚拟仪器与自动测试系统,自动测试系统是计算机技术与仪器技术深层次结合发展的结果，人们可以借助电子计算机以及大规模集成电路技术来满足测试对象以及测试范围越来越复杂、测量的参数繁多、测量精度不断提高的要求。最初通用仪器与微处理器相结合产生了智能仪器，但此时的智能仪器是一个独立的系统，多个智能仪器相互之间无法协调控制，后来发展了由计算机或其它控制器通过计算机总线来协调控制各测量仪器工作的自动测试系统。通常把以计算机为核心，在程控指令或程序的指挥下，能自动完成测试任务而组合起来的测量仪器和其它设备的有机整体称为自动测试系统，简称ATS(Automatic Test System)。自动测试系统是
2、现代检测技术、传感技术、控制技术、数字信号处理技术等多学科融合发展的成果。,在一个自动测试系统中，通常包括以下几部分： 1 控制器：完成系统的总体的协调控制和数据处理，是系统的控制核心；主要是计算机或其它形式的控制器。 2 程控仪器、设备：完成特定功能的测试和控制任务；主要包括信号采集设备、信号发生器、程控开关、数据存储设备以及配合完成测试任务的执行元件和伺服设备等。 3 总线接口：是控制器与程控仪器、设备或仪器、设备之间进行信息交换的通道，完成命令、数据的传输；主要包括电缆、接插件以及接口控制部件等。 4 测试软件：为了完成测试任务与应用相关的应用软件；包括测试应用程序、驱动程序、I/O软件
3、等。 5 传感器与信号调理：传感器将代表某种物理特性的信号转换成电气参数输出。信号调理将传感器的输出信号或被测信号转换成合适的信号输送到后级的程控仪器、设备中进行采集分析或将程控仪器、设备的输出转化成特定的信号来完成对被测对象的控制。,6被测对象：根据测试任务的需要，选取被测对象的被测信号以及完成对被测对象的状态的控制，完成测试任务。 自动测试系统的发展 从自动测试系统的发展历史可以看出，测试仪器由原来的专用仪器发展为以后的通用仪器，随着VXI总线和PXI总线的引入，由于其基于通用的PC技术，仪器的功能很大部分由计算机软件来完成，就不必在出厂前就设定好而不能改变，所以可以在后期使用过程中根据测
4、试任务需要添加测试应用程序。仪器硬件是一个通用的平台或通道，软件定义仪器的功能，这就是虚拟仪器的概念。在虚拟仪器系统中，软件是核心，所有的仪器的功能都能通过软件根据系统需要定义；硬件是虚拟仪器工作的基础，主要功能是完成对被测信号的采集、传输和结果的显示、输出等。虚拟仪器还具有计算机系统的所有的优点，如强大的数据处理能力，友好的用户界面以及与其它设备多种形式的互连功能等。,8.1虚拟仪器的概述 虚拟仪器是上世纪90年代初期出现的一种新型仪器，它将许多以前由硬件完成的信号处理工作，交由计算机软件进行处理，这种测试仪器的硬件功能软件化，给测试仪器带来了深刻的变化，因此虚拟仪器代表了当前测试仪器发展的
5、方向之一。 虚拟仪器（Virtual Intrument，简称VI）是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传组仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器模拟式、仪表器二代仪器分立元件式仪表、第三代仪器数字式仪器、第四代仪器智能化仪器之后的新一代仪器。,虚拟仪器是在计算机的显示屏上虚拟了传统仪器面板的计算机化仪器，它尽可能多的将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理的功能，代替为计算机的程序来完成。这种硬件功能软件化，是虚拟仪器的一大特征。操作人员在计算机的屏幕上利用指点设备操作虚拟的仪器，就象操作真实的仪器一样，完成对被测量的采集、显示、分析、处理、
6、存储及数据生成。,虚拟仪器是计算机化的仪器，由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部分组成。一般而言，虚拟仪器所用的计算机是通用的计算机，虚拟仪器根据其模块化功能硬件的不同，而有多种构成方式。,1. PC-DAQ测试系统：是以数据采集卡、信调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。 2. GPIB系统：是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 3. VXI系统：是以VXI标准总线仪器为计算机为硬件平台组成的测试系统。 4. 串口系统：是以RS232标准串行总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 5. 现场总线系统：是以FieldBus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成
7、的测试系统。,无论上述哪种形式的虚拟仪器系统，都是通过应用软件将仪器的模块化功能硬件与各类计算机相结，其中PC-DAQ测试系统是构虚拟仪器VI的最常用的最基本的方式，因为一般而言，这种类型的虚拟仪器成本比较低，它能充分利用计算机的计算能力。 目前为不同的应用目的和环境，已设计了多种性能和用途的数据采集板卡，从低速采集板卡到高速同步采集板卡，直至图象采集卡都有成熟的产品，为虚拟仪器系统的建立提供了物质基础。,虚拟仪器的特点： 在通用硬件平台确定后，可由软件而不是硬件来决定仪器的功能。 仪器的功能是用户根据需要由应用软件来定义的，而不是事先由厂家定义好了的。因比用户不必购买多台不同功能的传统仪器，
8、也不必购买的昂贵的多种功能的传统仪器，因为在这种仪器中常常只有有一种或几种功能是常用的，而其他功能却都是不需要的。 为提高仪器性能或需要构造新的仪器功能时，可由用户自己改变软件来实现，而不必重新购买新的仪器。 虚拟仪器灵活、开放，故可与计算机同步发展，可与网络及其他周边设备互联。,决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件软件即仪器”。,8.2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器主要由传感器，也就是信号转换装置，数据采集和控制板卡，分析软件和显示软件组成：8.2.1硬件功能模块 根据仪器的总线及安装方式的不同，虚拟仪器硬件功能模块可分为以下几类： 1. PC-DAQ
9、数据采集卡、信号调理卡 2. GPIB总线仪器 3. VXI总线模块 4. RS232串行接口仪器 5. FieldBus现场总线模块 PC-DAQ数据采集卡、信号调理卡,在一般的情况下，利用插在通用计算机插槽内的DAQ(Data Acquisition)卡，配上相应的软件组成虚拟测试仪器的方法，目前应用得最为广泛。因为一块DAQ卡配上D/A转换功能后，能满足绝大多数情况的工程测试要求。按计算机的总线和类型，这类插卡可分为ISA，EISA，VESA，PCI，PCMCIA，SBus和Macintosh NuBus几种。一般说来，这类卡具有多通道模入、模出，多通道数字IO，时间测量，外触发，DMA
10、传送，程控放大等功能。有的还带有程控滤波，电流输入，电荷放大等功能。其采样频率一般都在40kHz以上。 DAQ卡与计算机及软件组成虚拟测试仪器的一般方式如下图所示：,几种常用于的计算机总线的主要性能特点： ISA总线 ISA(Industrial Standard Architecture)总线是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，也叫AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求，因此ISA扩展插槽既支持8位的板卡，也支持16位的板卡。ISA总线比较适合于低速的外设控制等模块。ISA总线DAQ板卡开发比较简单、方便，成本也较低，但是不能够实现自动配置，若
11、系统中有多块板卡配置不方便。现在ISA总线主要存在于工业控制计算机中。 为了适应测控设备的便携性和嵌入式系统应用的需要，对ISA总线的部分机械和电气规范进行了修改，形成PC104总线规范。对于应用软件来说PC104总线基本上与ISA总线一样，不必修改即可运行。, PCI总线 PCI是Intel公司于1991年下半年首先提出的，并得到IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家大型计算机公司的大力支持，于1993年正式推出了PCI局部总线标准即PCI总线。 PCI总线支持全面的自动配置，具有完整的即插即用(Plug&Play)功能。最大允许64位并行数据传送，采用地址/数据总线复用方式
12、，目前总线最高时钟可达100MHz，支持多总线结构和线性突发(Burst)传输，最高峰值传输速度可达800MB/s。PCI总线通过桥接技术保持与传统总线如ISA、EISA、VESA、MCA等标准的兼容性，使高性能PCI总线与已大量使用的传统总线技术特别是ISA总线并存。PCI总线的提出极大地扩展了PC的数据传输能力，使PC对高速外设如图形显示器、硬盘等的支持能力极大提高。,现在一般PCI总线DAQ板卡以33MHz的时钟频率工作，采用32位数据总线，最高数据传送速率可达132MB/s。PCI总线是独立于CPU的局部总线，因此，在进行PCI总线接口数据采集卡的开发与应用时，可以不必关心CPU的具体
13、结构和时序，只需按PCI总线标准设计即可。 同样为了便携式设备和嵌入式应用的需要，对PCI总线的部分规范进行了修改形成了PC104 Plus总线。, USB总线 通用串行总线(Universal Seria lBus，USB)是由Intel、Microsoft、IBM、Compaq等厂商共同制定的计算机总线接口规范，自问世以来已被广泛接受，而且在测试领域的应用也获得了迅速的发展。USB总线具有以下特点： 支持多设备连接，减少接口数量。采用USB端口，最多可在一台计算机上同时连接127台设备，避免PC插槽数量对外设扩充的限制。 能够采用总线供电，USB总线提供最大可达5V/500mA供电能力。它
14、可以自动把电流分配给外设，无需供电盒。这点在便携式数据采集系统中显得更为有用，因为小型的数据采集设备通常耗电量不大，因此可以设计成采用总线供电的方式。 真正实现了即插即用，使外设的安装变得十分简单。所有的USB外设都可以利用标准USB连接器方便地与计算机连接，安装过程高度自动化，既不必打开机箱插入插卡，又不必考虑资源分配，并且允许热插拔。, 对一般外设有足够的带宽和连接距离。USBl.1协议允许两种数据传送速度，低速传送为1.5Mb/s，全速传送为12Mb/s，USB2.0协议提供了速率为400Mb/s的高速传输。全速传送时，结点间连接距离为5m，连接使用4芯电缆(2根电源线，2根信号线)。
15、由于USB总线具有以上的特点，特别适用于高速率的数据采集和传输场合，在测试领域的应用越来越广泛。 1394总线 IEEE-1394总线是Apple公司提出的一种总线规范，也称为FireWire(火线)，数据可以以100Mb/s、200Mb/s、400Mb/s传输。目前来说，IEEE-1394技术使用最广的还是数字成像领域，支持的产品包括数字相机或摄像机等。在便携式DAQ仪器领域IEEE-1394有广阔的应用前景。IEEE-1394具有以下特点：廉价、占用空间小、速度快、开放式标准、支持热插拔、可扩展的数据传输速率等。,（5） PCMCIA总线PCMCIA是Personal Computer M
16、emory Card International Association(个人计算机存储卡国际协会)的缩写，创立于1989年，是制定PC卡标准的国际组织和行业协会。其成员有Intel，AMD，IBM，Compaq和TI等国际知名公司。它所制定的PCMCIA标准，对便携式计算机的发展起着重要的促进作用。 当前有三种PC卡标准，它们的长宽都是85.6mm54mm，厚度不一样：Type I是最早的3.3mm厚卡，Type将厚度增至5.0mm，Type则进一步增大厚度到10.5mm。由于这三种卡共用同样的总线连接器，所以较薄的卡可顺利安装到为较厚的卡设计的插槽。采用PCMCIA总线的板卡可以安装在笔记
17、本计算机中，非常适合便携式测试应用场合。,GPIB总线仪器 自计算机产生以来，人们就期望着能将测试仪器与计算机相互联接，以实现二者的功能互补并为此作出了不懈的努力。1965年，Hewlett-Packard公司为了将本公司的可程控仪器与计算机相连，以实现二者之间的通信，设计出了Hewlett-Packard接口总线HPIB(Hewlett-Packard Interface Bus)。由于HPIB接口总线的信号传输速度快，因而很快就被推广开来，并于1975年被美国电气及电子工程师学会接纳为IEEE488-1975标准。又经过十余年的改进补充后被确定为国际标准，即ANSI/IEEE488-198
18、7;经再次改进后被确定为ANSI/IEEE488.2-1987标准，该标准进一步明确地规定了如何与仪器进行通讯。1990年，SCPI(Standard Commands for Programable Instruments)将这个标准确定为IEEE488.2标准，按照该标准，对于所有的SCPI仪器，每一个命令的功能，其格式都是唯一确定的。,此后IEEE488总线的使用范围扩展到非HP公司生产的仪器上，使这种总线的使用可以在所有的计算机上都能使用，因而以很快的速度推广开来。同时这种总线技术也被称为GPIB(General Purpose Interface Bus)。现在GPIB的用户已超过H
19、PIB，若无特殊的说明，现在所说的IEEE488总线实际上就是指GPIB总线。 通过GPIB接口总线，可以把所有具备GPIB总线接口的可编程仪器与计算机紧密地结合起来。在此基础上，工程测试技术的发展又向前迈进了一大步，通过GPIB接口电缆将GPIB总线的测试仪器和计算机系统联接起来，组成虚拟测试仪器系统，使工程测试由独立的手工操作的单台测试仪器向大规模综合自动测试系统的转变成为了现实。,为了达到实际工程应用对测试系统实时性的要求，人们对基于GPIB总线的虚拟测试仪器系统的瓶颈GPIB接口的信号传输速度进行了不断的改善与提高，现在高速的GPIB接口电缆(如NI.HS488)的传输速度可达8Mby
20、te/s。,GPIB设备之间的通讯是通过接口系统发送设备选通信号和接口消息，(interface message)来进行的。GPIB总线接口有二十四线(IEEE-488标准)和二十五线(IEC-625标准)二种形式，其中以IEEE-488的二十四线GPIB总线接口应用最多，在我国的国家标准中也是确定采用24线的电缆及相应的插头插座，其接口的总线定义和机电特性如上图所示。 各GPIB总线测试仪器是通过GPIB接口和GPIB电缆相互联接而成测试仪器系统的。一般而言，各GPIB仪器都能单独使用，但只有当它们配置了接口功能以后才能接入基于计算机控制的自动测试系统。各设备的接口部分都装有GPIB电缆插座
21、，系统内所有器件的同一信号线全部并接在一起。,此外，GPIB电缆的每一端都是一个组合式插头座(又称GPIB联接口)，可把一个插头和一个插座背靠背地叠装在一起，这样就可以在联成系统时，把一个插头插在另一个插头座之上，同时还留有插座供其它GPIB仪器使用(如下图(a)、图(b)所示)，任何一个GPIB仪器，只要在它的GPIB插座上插上一条GPIB电缆，并把电缆的另一头插在系统中的任意一个插座上，这台仪器就被接入了测试系统。在一般的情况下，系统中的GPIB电缆的总长度不应超过20m，过长的传输距离会使信噪比下降，电缆中的电抗性分布参数，也会对信号的波形和传输质量产生不利的影响。,利用GPIB设备与计
22、算机组成的虚拟仪器系统一般有串行联接(如下图(a)所示)、星型联接(如下图(b)所示)和混合联接三种方法。,VXI总线模块 VXI是另一种新型的基于板卡式相对独立的模块化仪器。由于将仪器制成了板卡的形式，因此减少了虚拟测试仪器系统的体积，使用方便，并提高了其性能，与GPIB仪器一样，它需要通过VXI总线的硬件接口才能与计算机相连。 VXIbus系统是一种在世界范围内完全开放的，适用于多供货厂商的模块化仪器总线系统。它集中了智能仪器，PC仪器和GPIB系统的很多特长，利用了VME计算机总线数据传输快的特点，具有小型、便携、数据传输率高、组建及使用方便，能充分发挥计算机的作用，便于与计算机网和通信
23、网结合等优点。正是由于这些优点，使得这种原先被称为未来仪器或二十一世纪仪器的总线系统，在目前就得到了迅速的发展和推广，成为公认的测试仪器系统的优秀平台。,1993年9月成立的VXI即插即用(plug & play)联盟对VXI仪器的机箱和面板、硬件、驱动程控接口、虚拟仪器软件结构，安装磁盘、快速数据通道、TCP/IP-VXI、组建数据库以及VXI plug & play 的标识和注册等方面都制定了标准规范，并还将不断有新的标准规范出台。这些标准规范加速了VXI总线仪器的发展，使之成为测试仪器系统的发展方向。,用VXIbus仪器组建虚拟测试仪器系统的灵活性很大，既可以构造一个单纯VXI系统使用，
24、也可以将VXI引入已有的测试系统与其他的GPIB总线仪器和DAQ卡并列使用。 RS232串行接口仪器 很多仪器带有RS232串行接口，通过电缆，将仪器的RS232串行接口与计算机的RS232串行接口连接起来，安装好驱动程序，就可以实现仪器与计算机的通讯。 FieldBus现场总线模块 现场总线(Field Bus)仪器，是一种用于恶劣环境条件下的、抗干扰能力很强的一种总线仪器模块。与上述的其它硬件功能模块相类似，在计算机中安装了Field Bus接口卡后，通过Field Bus专用连接电缆，可以实现Field Bus仪器与计算机的通讯。,PXI总线 1 概述 VXI总线技术推出以来，各厂商已开
25、发出千余种模块，但其价格昂贵，应用受到一定程度的限制，主要应用在航空、航天等科研和生产领域。1997年10月，美国National Instruments公司(简称NI)率先推出了PXI模块仪器系统的技术规范，PXI是PCI在仪器领域的扩展（PCI eXtensions for Instrumentation)，它融合了VXI规范和在工业控制和电信中得到广泛应用的CompactPCI规范的优点，形成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的仪器体系结构。,PXI这种在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，通过增加用于多板同步的触发总线和参考时钟、用
26、于进行精确定时的星形触发总线以及用于相邻模块间高速通信的局部总线来满足试验和测量领域的要求。PXI规范在CompactPCI机械规范中增加了环境测试和主动冷却要求以保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。PXI将Microsoft Windows定义为其标准软件框架，并要求所有的仪器模块都必须带有按VISA规范编写的WIN32设备驱动程序，使PXI成为一种系统级规范，保证系统的易于集成与使用，从而进一步降低最终用户的开发费用。,2 PXI机械规范及其特性 由CompactPCI规范引入的Eurocard坚固封装形式和高性能的IEC连接器被应用于PXI所定义的机械规范体系，使PXI系统更适于在
27、工业环境下使用，而且也更易于进行系统集成。(1)与CompactPCI共享的PXI机械特性 PXI提供了两条与CompactPCI标准兼容的途径： 高性能IEC连接器 PXI应用了与CompactPCI相同的、一直被用在高性能领域的高级针-孔连接器系统。这种由IEC-1076标准定义的高密度(2mm间距)阻抗匹配连接器可以在各种条件下提供尽可能好的电气性能。, Eurocard机械封装与模块尺寸 PXI和CompactPCI的结构形状完全采用了在工业环境下具有很长应用历史的Eurocard规范。这些规范支持小尺寸(3U=l00mm x l60mm)和大尺寸(6U=233.35mm x l60m
28、m)两种结构尺寸。Eurocard规范中所增加的电磁兼容性(EMC)、用户可定义的关键机械要素以及其他有关封装的条款均被移植到PXI规范中。这些电子封装标准所定义的坚固而紧凑的系统特性使PXI产品可以安装在堆叠式标准机柜上，并保证在恶劣工业环境中应用时的可靠性。,(2)新增加的电气封装规范 除了将CompactPCI规范中的所有机械规范直接移植进PXI规范之外，为了简化系统集成， PXI还增加了一些CompactPCI所没有的要求。如PXI机箱中的系统零槽必须位于最左端，而且主控机只能向左扩展以避免占用仪器模块插槽。PXI还规定模块所要求的强制冷却气流流向必须由模块底部向顶部流动。PXI规范建
29、议的环境测试包括对所有模块进行温度、湿度、振动和冲击试验，并以书面形式提供试验结果。同时，PXI规范还规定了所有模块的工作和存储温度范围。 (3)与CompactPCI产品的互操作性 PXI的重要特性之一是维护了与标准CompactPCI产品的互操作性。但许多PXI兼容系统所需要的组件也许并不需要完整的PXI总线特征。例如，用户或许要在PXI机箱中使用一个标准CompactPCI网络接口模块，或者要在标准CompactPCI机箱中使用PXI兼容模块。在这些情况下，用户所需要的是模块的基本功能而不是完整的PXI特性。,3 PXI规范的电气性能 许多仪器应用场合需要系统定时能力，而ISA总线、PC
30、I总线或CompactPCI背板总线却不具备，PXI总线参考VXI总线的特点，通过增加专门的系统参考时钟、触发总线、星形触发线和模块间的局部总线来满足高精度定时、同步和数据通信的要求。PXI不仅在保持PCI总线所有优点的前提下增加了这些仪器特性，而且可以比台式PCI计算机多提供三个仪器插槽，使单个PXI总线机箱的仪器模块插槽总数达到7个。,(1)参考时钟 PXI规范定义了将10MHz参考时钟分布到系统中所有模块的方法。该参考时钟可被用作同一测量或控制系统中的多卡同步信号。由于PXI严格定义了背板总线上的参考时钟，而且参考时钟所具有的低时延性能使各个触发总线信号的时钟边缘更适于满足复杂的触发协议
31、。(2)触发总线 PXI不仅将VXI总线的ECL参考时钟改为TTL参考时钟，而且只定义了8根TTL触发线，不再定义ECL逻辑信号。这是因为保留ECL逻辑电子需要机箱提供额外的电源种类，从而显著增加PXI的整体成本。,使用触发总线的方式可以是多种多样的。例如，通过触发线可以同步几个不同PXI模块上的同一种操作，或者通过一个PXI模块可以控制同一系统中其他模块上一系列动作的时间顺序。为了准确地响应正在被监控的外部异步事件，可以将触发从一个模块传给另一个模块。一个特定应用所需要传递的触发数量是随事件的数量与复杂程度而变化的。 (3)局部总线 PXI局部总线是每个仪器模块插槽与左右邻槽相连的链状总线。
32、该局部总线具有13线的数据宽度，可用于在模块之间传递模拟信号，也可以进行高速边带通讯而不影响PCI总线的带宽。局部总线信号的分布范围包括从高速TTL信号到高达42V的模拟信号。,(4)PCI性能 PXI系统具有多达八个扩展槽(一个系统槽和七个仪器模块槽)，而绝大多数台式PCI系统仅有三个或四个PCI扩展槽，除了这点差别之外，PXI总线与台式PCI规范具有完全相同的PCI性能。而且，利用PCI-PCI桥技术扩展多台PXI系统，可以使扩展槽的数量理论上最多能扩展到256个。其他的PCI性能还包括： 1)33MHz性能； 2)32bit和64bit数据宽度； 3)132MB/s(32bit)和264
33、MB/s(64bit)的峰值数据吞吐率； 4)通过PCI-PCI桥技术进行系统扩展；5)即插即用功能。,4 软件规范 像其他的总线标准体系一样，PXI定义了保证多厂商产品互操作性的仪器级接口标准。与其他规范所不同的是PXI在电气要求的基础上还增加了相应的软件要求，以进一步简化系统集成。这些软件要求就形成了PXI的系统级接口标准。 PXI的软件要求包括支持Microsoft Windows NT和Win98这样的标准操作系统框架，要求所有仪器模块带有配置信息和支持标准的工业开发环境(如NI的LabVIEW、LabWindows/CVI和Microsoft的VC/C+、VB和Borland的C+等
34、)，而且符合VISA规范的设备驱动程序。,对其他没有软件标准的工业总线硬件厂商来说，他们通常不向用户提供其设备驱动程序，用户通常只能得到一本描述如何编写硬件驱动程序的手册。用户自己编写这样的驱动程序，其工程代价(包括要承担的风险、人力、物力和时间)是很大的。PXI规范要求厂商而非用户来开发标准的设备驱动程序，使PXI系统更容易集成和使用。PXI规范还规定了仪器模块和机箱制造商必须提供用于定义系统能力和配置情况的初始化文件等其他一些软件。初始化文件所提供的这些信息是操作软件用来正确配置系统必不可少的。例如，通过这种机制，可以确定相邻仪器模块是否具有兼容的局部总线能力。如果信息不对或者丢失，将无法
35、操作和利用PXI的局部总线能力。,8.2.2虚拟仪器的驱动程序 任何一种硬件功能模块，要与计算机进行通讯，都需要在计算机中安装该硬件功能模块的驱动程序（就如同在计算机中安装声卡、显示卡和网卡一样），仪器硬件驱动程序使用户不必了解详细的硬件控制原理和了解GPIB、VXI、DAQ、RS232等通讯协议就可以实现对特定仪器硬件的使用、控制与通信。驱动程序通常由硬件功能模块的生产商提供随硬件功能模块一起提供。 8.2.3虚拟仪器的应用软件 “软件即仪器”，应用软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的应用软件往往需要用户根据自己的需要，自行开发（这主要是指硬件功能模块的生产商不提供的应用软件)，当然，你可以委托
36、别人替你专门设计开发。,如果选用的硬件功能模块提供Labview或HPVEE等虚拟仪器软件开发平台的驱动程序，我们可以直接在这些开发平台上开发虚拟仪器的应用软件，否则，只有采用诸如C，C+，VB，Delphi等高级语言来开发了。 Labview是为那些对诸如C、C+、Visual Basic、Delhi等编程语言不熟悉的测试领域的工作者开发的，它采用可视化的编程方式，设计者只需将虚拟仪器所需的显示窗口、按钮、数学运算方法等控件从Labview工具箱内用鼠标拖到面板上，布置好布局，然后在Diagram窗口将这些控件，工具所设计的虚拟仪器所需要的逻辑关系，用连线工具将这些控件连接起来即可。,下图为
37、用 Labview开发的温度测量仪的前面板与连线图。,8.3自动测试系统设计 在进行自动测试系统设计时，要在对被测对象有很详细的理解后，在满足系统需要的前提下，综合考虑各种因素，达到技术水平、系统性能以及经济性的最佳匹配。通常在组建自动测试系统需要以下几个步骤： (1) 系统需求分析： 需求分析是组建测试系统的重要环节，在这一环节，必须与用户进行良好的沟通，了解用户的测试要求，包括分析被测系统的信号类型、测量范围、通道数量以及性能指标，测试系统所要完成的功能，显示打印和操作要求，对系统的体积以及使用环境的要求等，并进行整理形成书面文件由双方签订形成技术协议书，此技术协议书是实施该测试系统的总体
38、规范和要求。作为设计者，应该在开始概要设计时对一些用户暂时无法确定或更改的可能可能性较大的需求留有足够的灵活性，以便使系统能够达到用户所要求的功能。,在明确了系统的功能后，应统计确定输入、输出信号的形式，包括模拟输入、模拟输出、数字I/O以及定时器/计数器等，每种信号又包括多种类型，如下图所示。统计完信号类型应该再明确每种信号的通道数量、输入输出范围以及是否与系统隔离等因素。,(2) 平台与系统体系结构确定 测试系统的平台和系统的体系结构的确定要考虑多种因素，也直接关系到系统的性能。如测试系统的性能与其使用环境有很大关系，环境温度的变化可能会影响系统的性能指标，振动条件直接关系到系统的稳定性和
39、可靠性等等。所以应用环境的要求是确定系统平台和结构的一个重要因素。 测试系统平台主要包括GPIB总线系统、通用计算机总线测试系统（即DAQ仪器）、VXI总线系统、PXI总线系统以及分布式测试系统等。选用哪种平台与系统的使用环境、性能指标要求以及经费等因素都有关系。,(3) 测试模块选择 在系统的体系结构确定之后，下一步的任务就是根据需求分析，将各项测试内容进行综合，按测试要求选择相应的测试设备。为了完成这项工作，必须先进行调研，全面了解相应总线产品和其它程控仪器的功能和性能指标，并尽可能了解它们的应用场合和其它用户的使用情况；然后将能满足系统测试要求的产品选出，分类整理。确定最终选用的设备。并
40、可能用同一厂家的产品；在留有一定余量的同时，尽可能减少测试设备的数量。 (4) 自制硬件的方案的设计 现在大多数测试系统硬件都采用系统集成的方式完成，但是在某些特殊的应用中，无法选择到合适的货架产品，这时就需要自己研制相应的硬件，通常都是前端的信号调理电路，如特殊的滤波器设计、特殊的传感器输出信号调理等。 另外一类就是与被测系统的接口通常需要自己专门研制。这部分的设计需要与使用方紧密配合以便于使用。,(5) 软件开发平台与辅助工具的选择 现在大多数测试都运行在Microsoft Windows环境下，应用程序开发环境(ADE)主要包括NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI、Mi
41、crosoft公司的Visual Basic(VB)，Visual C/C+，Agilent 公司的HP VEE，Borland公司的Borland C/C+等。这些ADE大致可分为文本方式的编程语言和图形化编程语言两大类。现在很多公司提供基于文本方式开发平台的专用测试软件开发工具包，为各种测试程序的开发提供了方便。图形化编程语言LabVIEW现在在测试领域具有重要地位。LabVIEW是高效图形化应用开发环境，它结合了简单易用的图形化开发方式和灵活强大的编程语言的优势，易于实现软件与硬件的无缝连接，在完成数据采集后，可以利用LabVIEW提供的功能强大的数据分析模块，完成数据处理和显示。具体选
42、择哪一种软件开发平台，应根据开发者和用户的需要确定。,(6) 软、硬件的设计与调试 传统的设计方法通常在完成硬件设计后才设计软件，这种方法已经远不能满足现代测试系统开发的需要。由于现在软件的功能越来越强大，很多开发平台都能够完成仿真的功能，开发者可以在开发的前期采用仿真的方法检验各模块的功能，待硬件系统调试完成后只需调试与硬件的接口部分即可，节约了开发时间。 不管是软件还是硬件，在系统的设计中都必须考虑模块化的设计方法，这样便于系统的维护和调试。测试系统软件设计中模块的划分主要以测试系统功能为依据。在设计方案中应充分考虑系统软件中各模块的大小、相互联系、模块内部联系及模块的信息隐蔽程度。,a、
43、模块的大小：系统软件中各功能模块既不能过大，也不能过小。太大则结构复杂，难于维护；过小，则功能意义不完善，使模块间相互关系增加，妨碍了模块的独立性。因此，在设计过程中：，应以模块功能意义和复杂程度相对合理、程序便于理解、便于控制为标准，进行模块划分。 b、模块之间的相互联系：整个系统是由相互联系的模块构成的，在满足系统功能要求的前提下，模块彼此之间的联系相对越弱，则系统越容易修改和维护，因此，在模块的设计过程中，应尽量减少模块间的信息传递，简化模块间的相互联系，从而更加充分地保证模块的独立性。 c、模块内的联系程度：模块内的联系程度是指一个模块内部的各个部分之间的联系程度。模块内的联系程度越强
44、，模块独立性就越高，系统的结构也就越好。应尽可能以功能联系为纽带，使模块内联系增强，提高模块的独立性。,(7) 计量与校准 计量检定是计量人员利用计量标准、计量基准对新制造的、使用中的和修理后的计量器具进行一系列的实验操作，以判断其准确度、稳定度等是否符合规定，是否可以使用。它是保证量值准确一致的重要措施。 计量检定可以分为周期检定、出厂检定、修后检定等多种检定方式。测试系统在交付之前必须进行了检定，并有相应的计量报告。在后期的使用中应该进行周期检定，一般来说检定周期设定为一年，在执行重大任务或其它比较重要的实验之前都应该进行检定，以保证设备测量结果的准确性。另外在设备修理完后，也应该进行检定
45、。,(8) 文件整理文件不仅是设计工作的过程和结果，而且是以后使用、维修以及进一步再设计的依据。因此，一定要精心编写，描述清楚，使数据及资料齐全，文件的编写应在研制全过程中进行，这里整理的文档只是提供给用户的相关文档，主要包括：性能测定及现场试用报告与说明，使用指南，软件资料(流程图、子程序使用说明、程序清单等)，硬件资料以及系统维护手册等。 8.4设计实例 静止变流器测试系统设计 静止变流器将飞机上的直流电转换成400Hz的单相或三相恒频交流电，通常其输入为直流28V。,静止变流器的主要技术指标包括输入电压、电流；输出电压、电流、频率、功率、功率因数、波峰系数、电压调制、频率调制、失真度等，
46、对于三相输出，还包括三相相位差、相不平衡；另外还包括一些电压和频率的瞬态特性，如过压浪涌、欠压浪涌、过频和欠频等，对静止变流器的测试就是对以上参数的检测。在军用标准中定义了这些电气参数的含义，我国现在实行的国军标大部分采用GJB181-1986飞机供电特性及对用电设备的要求以及逐步实施的修订版的GJB181A-2003飞机供电特性，每种国军标有相应的参数测试方法要求，分别为HB6448-1990飞机供电系统性能参数的数字式测试和GJB5189飞机供电特性的测试方法，以下主要依据GJB181-1986和HB6448-1990基于虚拟仪器技术对三相1000VA的静止变流器的电气性能参数测试方法进行
47、介绍。,（1）系统需求 静止变流器系统的主要技术指标也是测试系统需要检测的电气参数，因此，测试系统只需检测静止变流器的输入电压、电流和输出电压、电流，其它参数可以通过相应的采集信号计算获得。 根据HB6448-1990的要求，在对三相电压、电流进行采样时，电压采样频率不低于20KHz（即400Hz电压每周波采样点数不少于50点），电流采样频率不低于6.67KHz（即400Hz电流每周波采样点数不少于17点），由此采样的信号可以用于计算电压、电流、相移、三相电压不平衡，直流电压、电流的采样频率可以参考此采样频率；为了采样信号变化的包络线，采样频率不低于80KHz，用于测量交流电压调制、交直流瞬态
48、浪涌以及直流电压脉动等。,（2）系统配置 为了降低系统的成本，系统选用PCI总线平台，采用工控计算机+数据采集卡和自研的信号调理板构成系统的硬件。 数据采集卡：由系统需求可知，系统至少需要8个模拟输入通道（三个交流电压、三个交流电流、一个直流电压、一个直流电流），并要一定的DIO信号来实现对负载加卸载的自动控制（具体数量与负载配置有关）。为了满足HB6448-1990的要求，同时保证采样数据能够真实反应信号的波形，系统选用NI公司的M系列数据采集卡NI-6220，其具有以下特性： 模拟量输入：8个差分或16个单端，A/D的分辨率为16位，最大采样速率为250KS/s，输入电压范围为10V、5V
49、、1V、0.2V软件可选，输入阻抗大于10G|100pF，输入FIFO为4095个采样点，并可以将4095个通道扫描配置存入通道扫描内存中实现对通道扫描顺序以及增益等的配置；并具有32个DIO通道。, 信号调理：信号调理主要包括对输入电压信号的衰减、电流信号转换、阻抗匹配等。通常为了简化硬件电路设计，减少信号调理对输入信号的影响，信号调理电路的设计在满足系统需求的条件下尽量简单。 电压信号的衰减主要通过电阻分压将输入的交、直流电压信号转换成后级数据采集板可以接收的形式。 电流信号的取样通常可以采用多种形式，包括分流器、互感器以及电流传感器等，由于电流传感器的频带宽、易于使用等优点得到广泛应用。系统的交流最大电流约为3A，所以系统配置为额定5A；直流电流约为36A，所以选择50A的电流传感器。交流电流选用瑞士LEM公司生产的电流LA28-NP，这是一款性能优良的多量程交、直流电流传感器，主要特性如下：原边电流范围为036A，副边电流为25mA。直流电流传感器选用LEM公司的LA58-P，其主要特性如下：原变电流范围为50A，副边电流为50mA。电流传感器的输出电流信号通过精密电阻转换成电压信号，经阻抗变换后送入数据采集卡。,
