智能测试系统设计及虚拟仪器

第8章智能测试系统设计及虚拟仪器第8章智能测试系统设计及虚拟仪器8.1被测信号的种类8.2智能测试系统的基本结构及功能8.3智能测试系统的设计原则8.4虚拟仪器技术思考与练习题第8章智能测试系统设计及虚拟仪器8.1被测信号的种类数据采集前，必须对所采集信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解了被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统配置。任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载的信息是很广泛的，如状态、速率、电平、形状、频率成分等。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟信号和数字信号。数字(二进制)信号又可分为开关信号和脉冲信号，模拟信号可分为直流信号、时域信号和频域信号，如图8-1所示。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器图8-1被测信号的分类及其波形(a)被测信号分类；(b)各类被测信号的波形第8章智能测试系统设计及虚拟仪器8.1.1第一类数字信号是开关信号。一个开关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开关信号。一个TTL信号如果在2.0～5.0V之间，就定义它为逻辑高电平；如果在0～0.8V之间，就定义为逻辑低电平。第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态发生转化的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要数字输入，比如一个步进式马达就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器8.1.21.模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确测量信号电平。由于直流信号变化缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器2.模拟时域信号与其他信号的不同在于它在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，序列的时间间隔也应该合适，以保证信号的有用部分被采集到。要以一定的速率进行测量，这个测量速率要能跟上波形的变化。用于测量时域信号的采集系统包括一个A／D转换器、一个采样时钟和一个触发器。A／D转换器的分辨率要足够高，带宽要足够宽，以保证采集数据的精度和高速率采样；精确的采样时钟用于以精确的时间间隔采样；触发器使测量在恰当的时间开始。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器3.模拟频域信号模拟频域信号与时域信号类似。然而，从频域信号中提取的信息是基于信号的频率成分，而不是信号的形状，也不是随时间变化的特性。用于测量一个频域信号的系统必须有一个A／D转换器、一个简单的时钟和一个用于精确捕捉波形的触发器。系统必须有必要的分析功能，用于从信号中提取频域信息。为了实现这样的数字信号处理，可以使用应用软件或特殊的DSP硬件来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、地球物理信号、传输信号等。上述信号分类不是互相排斥的。一个特定的信号可能运载有不只一种信息，可以用几种方式来定义信号并测量它，也可用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中提取出需要的各种信息。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器8.2智能测试系统的基本结构及功能8.2.11)微机子系统是整个系统的核心，对整个系统起监督、管理、控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号、控制整个测试过程等。此外，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，可实现命令识别，逻辑判断，非线性误差修正，系统动态特性的自校正，以及系统自学习、自适应、自诊断、自组织等功能。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器图8-2智能测试系统的典型结构第8章智能测试系统设计及虚拟仪器2)数据采集子系统及接口用于和传感器、测试元件、变送器联接，实现参数采集、选路控制、零点校正、量程自动切换等功能。被测参数由数据采集子系统收集、整理后，传送到微机子系统进行处理。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器3)基本I/O基本I/O子系统及接口用于实现人—机对话，输入或修改系统参数，改变系统工作状态，输出测试结果，动态显示测控过程，实现以多种形式输出、显示、记录、报警等功能。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器4)通信子系统及接口用于实现本系统与其他仪器仪表、系统的通信与互联。依靠通信子系统，可根据实际问题需求灵活构造不同规模、不同用途的微机测控系统，如分布式测控系统、集散型测控系统等。通信接口的结构及设计方法与采用的总线技术、总线规范有关，例如有IEEE-488(或GP-IB)总线、RS-232C总线、STD总线、VXI总线、现场总线等。总线技术及规范不同，需要采用不同的软硬件接口实现方法及不同的技术平台支撑。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器5)控制子系统及接口控制子系统实现对被测控对象、被测试组件、测试信号发生器乃至系统本身和测试操作过程的自动控制。接口根据实际需要以各种形式大量存在于系统中，其作用是完成它所联接的设备之间的信号转换(如进行信号功率匹配、阻抗匹配、电平转换和匹配)和交换信号（如控制命令、状态／数据信号、寻址信号等)传输、信号拾取、对信息进行必要的缓冲或锁存，增强微机自动测试系统的功能。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器8.2.2设计好测试系统硬件之后，如何充分发挥微机强大的技术资源和潜力，开发友好的中文操作平台，使系统具有良好的管理与控制特性，具有良好的可用性，需要很好的软件设计技术和设计方法。设计系统软件时，要经历软件结构设计、软件编制、软件调试等过程。一般采用模块化和结构化程序设计方法，即自顶向下的设计方法，适当划分模块可提高设计与调试的效率。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器整个测试系统不仅要接收来自于传感器或变送器的信号，而且要接收和处理来自于控制面板的控制信号或由通信系统传来的控制命令等信号，还要求系统具有实时处理能力，能实时完成各种测控任务。因此，要合理安排程序的结构。测试系统的软件通常由监控主程序、中断服务程序、测试算法、通信与控制程序等组成，如图8-3所示。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器图8-3测试系统的软件组成第8章智能测试系统设计及虚拟仪器1)初始化管理模块软件初始化包括中断安排、堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、系统时钟初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化等。2)数据采集模块数据采集模块完成对数据采集电路的控制、测试数据的读取与存储等。3)测试算法模块测试算法模块用于非线性校正、标度变换、量程自动转换、软件抗干扰等。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器4)人—人—机接口包括显示管理和键盘管理两个模块。测试结果的显示方式有模拟显示、数字显示、混合显示等。系统的键盘可采用编码键盘或软件扫描(非编码)键盘，与系统采用的微处理机类型、键盘类型等有关。5)通信与控制模块实现与上位机或其他仪器仪表、其他系统的互联及通信控制。该模块的设计与系统采用的通信总线标准、通信协议、通信接口电路等因素有关。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器6)定时电路及时钟管理在微机自动测试系统中必不可少，其主要用于数据采样周期定时、控制周期定时、多参数巡回显示的显示周期定时、故障监视电路的定时信号等。定时的实现有硬件、软件和软硬件结合等方法。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器7)故障自诊断与处理是提高系统可靠性和可维护性的重要手段之一。主要手段有以下三种。（1）开机自检：每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次测试。（2）周期性自诊断：对系统周期性地进行自诊断。（3）键控自诊断：操作人员按“自诊断”按键启动自诊断功能。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器8)中断管理针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。9)监控主程序的主要作用是及时响应来自系统或外部的各种服务请求，有效地管理系统的软硬件资源，并在系统一旦发生故障时，能及时发现和做出相应的处理。监控主程序调用功能模块，形成一个有机整体，实现对测试系统的全面管理，因此监控软件设计成为系统软件的核心。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器8.3智能测试系统的设计原则8.3.1组建测试系统的基本原则将传感器、调理电路、数据采集系统组建为一个测试系统的基本原则是使测试系统的基本参数、静态性能及动态性能均达到预先规定的要求。组建过程中预估工作是非常重要的。预估工作就是根据对测量系统规定的参数指标要求，选择和确定系统的各个环节(包括传感器、调理电路和数据采集系统)。如果选择的环节性能过高，虽然能满足系统性能的要求，但会使成本费用过高；第8章智能测试系统设计及虚拟仪器8.3.2组建测试系统的基本方法图8-4基本测试系统第8章智能测试系统设计及虚拟仪器图中的环节S1代表传感器；环节S2代表调理电路。最简单的调理电路是放大器；环节S3代表数据采集系统的核心单元——具有采样/保持器的A/D转换器。H1(jω)和H2(jω)分别代表传感器S1与放大器S2的频率特性。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器1．基本参数的预估基本参数的预估项目主要是分辨率与量程。设测试系统总的灵敏度为S，可表示为3212121SSSSuyuuxuxy(8-1)预估时通常按系统的精度与量程以及工作环境等要求，先确定传感器类型及其灵敏度值S1，，然后再根据系统要求的分辨率(由量程及精度指标得到)确定A／D转换器的分辨率；最后，根据A／D转换器的量程与传感器的输出范围确定放大器的增益。一般要求A／D转换器的分辨率应稍高于系统要求的分辨率。如果测试系统要求的A／D转换器分辨率很高(14位以上)，可以考虑采用可编程增益放大器进行自动量程切换以达到所需的分辨率。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器2．动态性能的预估1)传感器与放大器的频率特性分别为)()()(11jXjUjH(8-2))()()(122jUjUjH(8-3)因此，模拟部分总的频率特性H(jω)为)()()()()()()()()(211212jHjHjUjUjXjUjXjUjH(8-4)第8章智能测试系统设计及虚拟仪器故动态幅值误差γ可表示为%100)()()(jHjHjHNN(8-5)式中,当HN(jω)=HN(0)时，是信号传递功能的理想频率特性。一般传感器为一阶或二阶系统，放大器为一阶系统。当传感器与放大器均为一阶系统时，这时动态幅值误差γ为1)(11)(112221(8-6)式中：τ1为传感器的时间常数；τ2为放大器的时间常数。通常放大器给出的指标是带宽fb，则。bf212第8章智能测试系统设计及虚拟仪器将选取的τ1及τ2代人式(8—6)，应使ω=2πfm时满足允许值，即│γ│5％(8-7)若传感器为二阶系统，放大器为一阶系统，这时有1112112220220)()()((8-8)式中：ω0为传感器的固有角频率；ξ为传感器的阻尼比。如果说明书未给出，则按ξ=0进行预估；τ2为放大器的时间常数，可按带宽fb求得（τ2=1/(2πfb)）。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器(2)数字部分数字部分与动态误差有关的器件指标是A／D转换器的转换时间Tc、采样保持器的孔径时间TAP和孔径抖动时间TAJ。如果不采用采样／保持器，在保证A／D转换器转换误差不大于量化误差的条件下，被测号的频率最大值fH可表示为cnHTf1211(8-9)式中，n是A／D转换器的位数。第8章智能测试系统设计及虚拟仪器如果上述条件不能满足，则需在A／D转换器前加采样／保持器。一般米说TAP的延时影响可以通过软件提前下达指令的措施消除，故被测信号的频率最大值fH可表示为AJnHTf1211(8-10)式中，