第9章现代测试技术的发展方向

第9章现代测试技术的发展方向本章重点：本章将对现代测试技术的发展方向做简要介绍，主要包括测试技术的发展方向和虚拟仪器技术。本章的重点是虚拟仪器技术的概念。9.1测试技术的发展方向近年来，随着微电子技术、网络及通信技术和相关学科的发展，测试技术发展迅猛，出现了一些新的概念、理念和技术，表现出一些新的发展方向。仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化。利用现代微制造技术（光、机、电）、纳米技术、计算机技术、仿生学原理、新材料等高新技术开发新的科学仪器已经成为主流。虚拟仪器技术、现场总线技术、网络技术和智能信息处理技术也开始广泛应用于测试系统之中。9.1.1新型传感器不断出现1．基于新材料的物性型传感器不断出现2．集成化、多功能化、智能化传感器不断出现3．各类仿生型传感器不断出现9.1.2测试系统的小型化、微型化及集成化微机技术和大规模集成电路技术的应用使得测试系统的紧凑程度得到极大提高。各种基于新材料、新效应和新工艺的新型传感器的不断出现，使得传感器在精度提高的同时体积也逐渐变小；信号处理电路的集成程度不断提高，使得测试系统的小型化、微型化及集成化成为可能；新型的显示和记录仪器及模块不断出现，也使得整个系统的体积不断减小。9.1.3虚拟仪器化在计算机测试系统的基础上，出现了虚拟仪器的概念，并得到广泛的应用。虚拟仪器技术可以在大大节约开发时间的基础上使系统具有强大的扩展功能和近乎完美的用户体验。虚拟仪器技术使得现代测控系统更加灵活、紧凑、经济，功能更加强大。无论测量、测试、计量或工业过程控制和分析处理，还是其它更为广泛的测控领域，虚拟仪器都以自身无与伦比的强大功能和灵活性组态为设计者提供了一种极佳的模式。9.1.4测试系统的智能化测试系统的智能化主要表现在测试系统对信息的检测、信号处理、信息的记忆、逻辑思维与推理决策等方面，出现了智能仪器、智能传感器等新概念。智能测试系统以微处理器为核心，通过总线及接口与I/O通道及输入/输出设备相连。微处理器作为控制单元来控制数据采集装置进行采样，并对采样数据进行计算及数据处理，如数字滤波、标度变换、非线性补偿等。然后把计算与分析结果进行显示或打印。智能测试系统广泛采用键盘、LED/LCD显示器或CRT，它们由微处理器控制，显示测试结果或处理结果及图像等。9.1.5测试系统的网络化1．基于现场总线的网络测控系统现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线面向工业生产现场，主要用于实现生产/过程领域的基本测控设备（现场级设备）之间以及与更高层次测控设备（车间级设备）之间的互连。现场总线已有多个版本，目前工业生产中广泛采用的现场总线技术包括PROFIBUS现场总线、LonWorks现场总线、基金会现场总线（FF）、CAN总线和HART总线等。2．基于工业以太网和Internet的网络测控系统（1）工业以太网技术基于Web的信息网络以太网是目前企业内部信息网的主流。应用Internet的具有开放性的互联通信标准，使以太网成为基于TCP/IP协议的开放系统，能方便地与外界连接，尤其是与Internet连接。借助Internet的相关技术，以太网能给企业的经营和管理带来极大便利。所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性，以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。以太网与现场总线相比具有以下优点：应用广泛、成本低廉、通信速率高、软/硬件资源丰富、易于与Internet连接等。但以太网应用于工业控制网络时需要解决的问题也较多，例如：以太网实时通信服务质量问题，满足通信一致性和可互操作性的应用层、用户层协议规范的建立，网络可用性和网络安全性问题，本质安全与安全防爆技术等。（2）基于Internet的网络测控利用现有Internet资源而无须建立专门的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与Internet的互联都十分方便。基于Internet的网络测控系统中实现信号采集与控制的前端模块具有虚拟仪器不可比拟的强大功能，它不仅完成信号的采集和控制，在一定程度上还兼顾实施对信号的分析与传输。9.1.6软测量技术的发展软测量就是选择与被测变量（难以直接测量，称为主导变量）相关的一组可测变量（称为二次变量或辅助变量），构造某种以可测变量为输入、被测变量为输出的数学模型，使用计算机进行模型的数值运算，从而得到被测变量的估计值的过程。这类数学模型及相应的计算机软件也被称为软测量估计器或软测量仪表。软测量技术主要包括三部分的内容：一是根据某种最优原则研究建立软测量数学模型的方法，这是软测量技术的核心；二是模型实时运算的工程化实施技术，这是软测量技术的关键；三是模型自校正技术，这是提高软测量精度的有效方法。1．软测量建模方法机理建模方法统计方法非线性软测量模型的建立2．模型实时演算的工程化实施技术辅助变量的选择现场数据的采集与处理软测量模型结构选择软测量模型的在线校正软测量模型的实施3．软测量技术在工业中的应用首先，软测量技术在过程操作和监控方面有十分重要的作用。其次，软测量技术在过程控制中也具有重要的用途，其中报道最多的是推断控制。再者，软仪表的输出也可以作为优化系统所需的测量变量。9.2虚拟仪器技术9.2.1虚拟仪器概述关于虚拟仪器还没有被广泛接受的定义，其基本思想是：用计算机资源取代传统仪器中的输入、处理和输出等部分，实现仪器硬件核心部分的模块化和最小化；用户根据自己的需要定义和设计仪器的测试功能，用计算机软件和仪器软面板实现仪器的测量和控制功能。硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。虚拟仪器突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上，使用者是在操作具有测试软件的计算机进行测量，犹如操作一台虚设的仪器，虚拟仪器因此得名。9.2.2虚拟仪器的构成1．虚拟仪器的硬件系统图9-1虚拟仪器的构成表9-1几种不同体系结构的虚拟仪器系统性能比较体系结构特性PC-DAQGPIBVXIPXI传输宽度8、16、32、64位8位8、16、32、64位8、16、32、64位吞吐率132MB/s（PCI）8MB/s（HS488）80MB/s（VME64）（132~264）MB/s定时与控制能力无无2ECL触发线扩展能力由系统或扩展机箱可用插槽决定多接口卡使用MXI接口使用MXI接口结构规模小大中中2．虚拟仪器的软件系统在虚拟仪器系统中，“软件即仪器”，软件才是整个系统的关键。I/O接口软件仪器驱动程序应用软件9.2.3虚拟仪器的特点表9-2虚拟仪器与传统仪器性能比较比较类别传统仪器虚拟仪器仪器功能厂商定义用户定义关键部件硬件软件开放性封闭式、固定功能开放式、灵活功能组态检测效果一般更好技术更新周期长周期短开发与维护费用高费用低9.2.4虚拟仪器设计示例虚拟仪器开发环境有很多种，其中最成熟、应用最广泛的应数LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器集成环境）开发环境。它是美国国家仪器公司（NationalInstruments，NI）推出的一种基于图形程序的虚拟仪器开发平台，它与仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作，是一种简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言的开发环境。它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。图9-2LabVIEW中VI的层次结构一个VI包括三个部分：前面板（FrontPanel）、流程图（BlockDiagram）和图标（Icon）/连接器（Connector）。前面板既接收来自流程图程序的指令，又是用户与程序代码发生联系的窗口。这个窗口模拟真实仪表的前面板，用于设置输入和观察输出。流程图窗口用于编辑虚拟仪器的图形化源代码，一般由低一级的VI、内置的函数、常量和程序的执行控制结构组成。通过流程图，可以很容易理解数据是怎样在前面板和后台的流程图之间传递的。需要指出的是：LabVIEW运行是数据流驱动的。当一个虚拟仪器的图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它就是一个子仪器或者说是LabVIEW的一个子程序。子仪器的控制和显示对象从调用它的仪器流程中获得数据，然后将处理后的数据返回给它。连接是对应于子仪器控制和显示对象的一系列连线端子。图标既包含虚拟仪器用途的图形化描述，也包含仪器连线端子的文字说明。连接更像是功能调用的参数列表，连线端子类似于参数。每个终端都对应于前面板的一个特别的控制和显示对象。连接从它的输入连线端子接收数据，然后通过子仪器的控制对象将数据传输给子仪器的代码。每个虚拟仪器都有一个默认的图标，位于两个窗口的右上角。2．虚拟仪器设计示例此处将设计并实现一个信号发生器，该仪器具有以下功能：可产生两个具有不同频率、初始相位和幅值的正弦信号，并分别显示波形；可将前述两正弦信号进行叠加，并显示波形。图9-3LabVIEW启动画面图9-4创建文件类型选择窗口图9-5空白的前面板图9-6空白的流程图程序图9-8GraphIndicators选项板图9-7数字控件选项板图9-9波形指示器图9-10调整波形指示器大小的控制点图9-11初步完成的前面板图9-12“Input”选项板图9-13仿真信号参数设置对话框图9-14仿真信号发生器图标图9-15初步设置的流程图窗口图9-16连线后的数据流程图图9-17“ExecutionControl”选项板图9-18While循环图9-19加入循环控制后的流程图窗口图9-20初始参数下信号发生器的运行界面图9-21设置参数后信号发生器的运行界面3．LabVIEW下虚拟仪器的设计步骤在前面板设计窗口中设置控件在流程图编辑窗口放置节点、图框，并创建前面板控件数据流编程运行检验数据观察命名存盘