《计算机测试技术》PPT课件.ppt

测试技术 计算机测试技术(5),第八章,内容,概述数据采集技术智能仪表系统虚拟仪器,1、概述,定义：计算机测试技术以计算机为核心、完成测试任务的技术基于计算机的测试：测量、分析与处理核心：处理器、编程,利用计算机的可编程快速处理和大容量数据管理功能适用：测点多、数据量大、监测任务重、分析要求高（在线、远程、诊断、推理）,1、概述,组成结构,组成硬件信号调理：隔离、放大、滤波数据采集：采集板/卡/器 模拟开关、采样保持、AD转换计算机：PC、IPC、CPCI、VXI,1、概述,组成 软件采集/监测软件分析软件数据库管理软件 特点成本优势：PC资源功能优势：数据处理量大、快速，分析手段丰富、灵活发展优势：具有通用性和发展前景,1、概述,典型框图,1、概述,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化：将连续模拟信号转换为离散数字信号的过程,连续无限长度,离散有限点数,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理采样：将模拟信号按一定的时间间隔逐点取其瞬时值采样:基本问题：采样间隔/频率、采样长度,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理采样,时间采样间隔t时间序列t2t,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理量化,幅值|x(t)|M量程-M，M均分为2L区间量化阶q=M/L如M5V，L211则q2.44mV,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理量化：结果取决：q、t,量化序列0(L-2).q(L-2).q(L-4).q2.q q3.q(L-4).q q-(L-3).q-(L-3).q-2.q-4q-2.q,0 1.t2.t3.t4.t.n.t,模拟信号的数字化处理编码：二进制编码a1 最高有效位MSB，取值0、1an 最低有效位LSB，取值0、1n A/D转换器有效输出数字量的位数,2、数据采集技术,模拟信号的数字化处理采样定理及频率混淆采样定理 解决原始信号不失真采集的采样频率或采样间隔选择问题几个重要采集参数样本：采集到的一段时域信号 样本长度 T=N.t，其中N为采样点数（长度）、t为采样间隔最高分析频率fx：模拟信号中所要分析的最高分量的频率被采集的信号是频率为fr的单频，则最高分析频率fx=fr一般情况下，被采集的往往是一复频信号，则由需要定fx由主频（对应系统工作转速）的几倍频来定fx，如fx=5.fr采样频率fs：模拟信号离散的速度每秒采集的点数 对于等间隔(t)采集，采集频率fs为：fs=1/t.Hz,2、数据采集技术,采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高分析频率的2倍每周期至少采集2点,2、数据采集技术,香农(Shannon)采样定理,采样定理,2、数据采集技术,频率混淆：fs2.fx、造成频率混叠,2、数据采集技术,折叠频率 fd=fs/2大于fd的频率混叠 混叠无法事后消除抗混叠措施采集前滤去大于fd的频率抗混叠滤波，低通滤波频率为0 fd加大采样频率,2、数据采集技术,数据的采样与保持数据采集具有N个采样区间为t的量化过程采集样本：T=N.t t内的量化过程：启动转换转换结束输出数字量A/D转换开始到结束时保持输入信号的电平不变保证转换精度保持电路A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化采样电路,数据的采样与保持数据采集基本单元多路开关程控放大采样保持AD转换,2、数据采集技术,多路开关功能 将多路被测信号分别传送到所共用的一路A/D转换器进行转换以低成本实现多通道参数的采集类型多路开关（多到一）：多路输入到一路AD反多路开关（一到多）：一路DA到多路输出,2、数据采集技术,多路开关指标 导通与断开电阻 接通电阻为零（实际109）切换速度：一般 1us1ns隔离：各通过之间的串扰，80db实例集成电路模拟开关：结构紧凑、内部有译码器、使用方面、转换速度快、寿命长等干簧继电器：结构简单、闭合接触电阻小而断开时阻抗高、不受环境温度影响等,2、数据采集技术,采样保持功能：对被测信号的实时跟踪、精确取值 采集过程的两个基本状态：快采慢测采集前的信号跟踪S闭合采集时刻的信号冻结对固定信号进行量化,2、数据采集技术,2、数据采集技术,采样保持,采样保持指标：捕捉时间TAC跟踪 S输入值，取决于CH孔径时间TAP H开关断开断开速度保持建立时间THS 开关断开稳定衰减率 H内VC的下降速率，漏电，负载,2、数据采集技术,数模换技术A/D转换器（简称ADC）定义：将模拟量转换为一定码制的数字量的器件或装置分类：跟踪比较、逐次比较、并行比较、双积分,极性判断误差控制,2、数据采集技术,A/D转换器（简称ADC）并行比较8个电压等级：只用7级7个比较器：输出I1I73位编码数字量输出,2、数据采集技术,ADC性能参数AD位数：二进制或BCD码的位数，如12位、16位、24位分辨力:最低有效位数LSB，也称量化阶 如：12位A/D转换器、量程5V，则分辨率为：量化误差：最大为1/2LSB，误差分布为均匀分布转换时间：完成一次A/D转换的时间，倒数为转换速度/通过率转换精度：实际ADC与理想ADC 量化值上的差值满刻度范围：ADC所允许输入电压范围，如5V其他参数：零点和增益温度系数、输入电阻,2、数据采集技术,示例采用铁康铜热电偶进行温度测量，在0-450的温度范围内输出的电压值是0-25mV，若要求设计的测量装置达到0.1 的测温分辨率，如何选A/D转换器？分析 0-450的温度范围对应测量范围0-25mV，即M=25mV 最小分辨率：分辨0.1，对应电压为q5.5 V解题 M=25000V、q5.5 V，所以，A/D转换器的位数应该大于13位16位 q0.76 V,2、数据采集技术,ADC的选择AD位数 位数：12位、16位、24位 精度：0.5%成本转换时间 实际采样间隔：采样定理、采集方式 成本,2、数据采集技术,A/D通道方案确定考虑问题：多个模拟信号性质：快变、慢变；静态、动态采集效率成本不同的采集要求分别采集：信号之间没有严格关系并行采集：同步,2、数据采集技术,无采保的A/D通道直接转换应用：直流/低频信号输入信号的最大变化率：t一定，允许输入信号变化速率的上限也就确定 变化大信号的则要求t小；直流信号则要求t大,示例：M10V、n12、t0.1s变化率小于0.05V/s的输入信号，采集前可不用加采保,2、数据采集技术,带采保的A/D通道应用：各种信号输入信号的最大变化率：（取决于保持时间）采保A/D ADC带采保的A/D通道多通道巡回采集、共享A/D通道每路信号的采样间隔ADC采样间隔一次转换,在前一个通道的信号处于保持阶段，就可以考虑通道的切换,2、数据采集技术,带采保的A/D通道多通道巡回采集两个采样间隔之间关系 等速采集、巡回切换n通道,问题：10个通道输入，每个通道采样间隔为100微秒，做等间隔巡回采集，则要求ADC的采样间隔为多少？,2、数据采集技术,带同时采保的A/D通道伪并行采集每个t中，所有通道的信号电平先同时采样保持，再巡回采集，从而保证所有通道严格同时刻采集。每一通道（信号）采样间隔：t；信号采样频率1/tADC(最小)采样间隔：t/n；ADC 采样频率n/t,2、数据采集技术,多通道并行A/D通道并行采集多块低速的ADC芯片、严格同步采集独立的通道，各通道间具有较好的隔离度性价比较高 ADC采样间隔就是信号采样间隔,应用：高速实时系统高频信号采集,2、数据采集技术,数据采集卡/器指标A/D位数（也可表示分辨率）:位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等最高采样频率：够重复进行数据转换的最高速度，即每秒完成信号转换的最高次数，对应的为A/DC最小采样间隔。一般可编程控制。如最高采样频率333KHz，则A/DC最小采样间隔为3 s，可在3s-500ms之间可控 量程（输入范围）：A/D转换器所能转换模拟信号的电压范围。一般有 5V、10 V精度:反映输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差，定义满量程下包含增益误差、偏移误差、非线性误差，量化误差等在内的相对精度。如小于0.05,2、数据采集技术,数据采集卡/器指标模入通道：能巡回或并行进行采集的输入通道数。对于巡回采集：8、16、32；对于并行采集：2、4、8输入阻抗:反映隔离信号源的能力。一般大于100M程控增益：1、2、4、8、16倍等（选项）任意设定采样通道数,可通道自动扫描采集先进先出(FIFO)缓存,可自动数据块采集 触发方式:定时器触发,可外启动采集,2、数据采集技术,数据采集卡/器产品PC/PCI总线数据采集板PC/PCMCIA总线数据采集板USB 总线数据采集模块,NI PCI-6221 16Bit,250kS/s,16通道2通道DA（833kS/s),NI USB-9215高速串行总线：USB2.0只要有USB口，即插即用总线供电采样速率可达500kHz/s,NI PCMCIA-51022通道并行采集采样频率20MS/s带宽15 MHz输入50 mV5 V,2、数据采集技术,数据采集技术模拟信号数字化：连续模拟信号离散数字信号采样：采样间隔、采样长度量化：取采样时间上的信号幅值幅值量化编码：二进制编码采样频率及频率混叠采样定理：样本、最高分析频率、采样频率频率混淆：折叠频率、抗混叠措施（抗混叠滤波器、提高采样频率）数据采集采样保持：动态跟踪采集；固定取值保持；4个指标AD转换：将模拟量转换为一定码制的数字量分类（跟踪、逐次、并行比较，双积分）基本指标：位数、分辨率、转换时间、精度AD通道方案无采保的A/D通道：输入信号的最大变化率带采保的A/D通道：多通道巡回采集、并行采集AD采集间隔、每通道采样频率、采集卡指标,回顾,定义含有微计算机或微处理器的测量仪器具有采集、存储、分析、自动化操作等功能 精度、速度、测试能力和工作效率,3、智能仪器系统,数字式测温计,数字式超声波探伤仪,振动采集分析仪,模拟式万用表,基本特征测量过程软件控制测量过程量程切换极性判别调零放大过载保护结果输出状态检测实现硬件实现：结构、体积、成本软件实现：流程控制转换、逻辑、驱动自动化 智能、灵活,模拟式万用表,数字式测温计,3、智能仪器系统,基本特征数据处理能力强处理器的存储、运算能力测量精度传统仪器手工事后数据处理、方法有限主观因素影响成分大智能仪器软件实现算法标准偏差、曲线拟合在线修正自动补偿结果直接存储处理数据的存储、回放数据再处理深加工、多用途,数据采集和振动分析,3、智能仪器系统,基本特征友好的人机交互方式键盘方便 输入参数，实现柔性测量输入命令，选择不同功能显示屏直观运行情况、工作状态、处理结果 定时测量、设限报警、自动打印标准化接口通信接口GPIB、RS232C、RS485 等+PC机自动远程测量系统,多相功率分析仪,3、智能仪器系统,硬件结构,微型计算机系统实现仪器功能信号输入单元信号调理A/D转换器 信号输出单元时序控制器数模转换器功率放大人机交互设备输入键盘输出显示通信接口,3、智能仪器系统,软件功能,自检模块初始化模块时钟模块 监控模块人机交互模块 数据采集模块 数据处理模块 控制决策模块信号输出模块通信模块,3、智能仪器系统,自动测量功能体现智能化，支持仪器稳定、可靠、高精度测量量程自动切换基本功能衰减器+放大器+程控根据输入信号的大小，合理确定衰减器的衰减系数和放大器的放大倍数，使A/D转换器得到尽可能大而又不超出其输入范围的信号,3、智能仪器系统,自动测量功能体现智能化，支持仪器稳定、可靠、高精度测量量程自动切换基本功能衰减器+放大器+程控衰减器K1控制切换前置衰减K3控制切换放大器输出衰减放大器K2控制放大器倍数接口及开关驱动编码：测量值和量程分档比较 控制驱动K,3、智能仪器系统,零位误差与增益误差校正自校零 输入短路，测量零位值自校准 输入接入基准电压，建立误差校准模型,3、智能仪器系统,非线性校正解决电路的非线性问题传统仪器校正电路 输入信号特性 补偿电路特性 输出信号特性智能仪器a、插值法：分段插值，多个灵敏度Sb、查表法：特性曲线数值化c、曲线拟合：最小二乘法,3、智能仪器系统,温度误差的补偿硬件补偿：线路复杂，成本高软件补偿：灵活多变增加温度元件，测温温度误差模型：理论/实验获取校正方程和校正值,3、智能仪器系统,设计举例目的/功能以单片机为核心设计计算机温度、压力实时采集监视系统性能指标温度测试范围：0 C 120C，超范围声光报警检测精度：0.5 C 压力测量范围：0Pa3.92x105 Pa,超范围声光报警检测精度：1.96x103 Pa显示：9位LED（显示测量值：温度41；压力31）检测速度：每分钟一次,3、智能仪器系统,设计 传感器温度测试范围：0 C 120C、精度：0.5 C 热敏电阻变换/放大器：输出05V、对应满量程125 C压力测量范围：03.92x105Pa、精度：1.96x103Pa电阻应变片桥路放大器：输出05V、对应满量程4.90 x105Pa,3、智能仪器系统,A/D转换器温度M125 C、分辨率q0.5 C：压力M 4.90 x105Pa、1.96x103Pa：应选择10位A/D转换器，可以满足精度要求,3、智能仪器系统,A/D通道方案检测速度：每分钟一次逐次逼近型A/D转换器：10us100us温度、压力变化小不要保持电路8路模拟开关：切换速率要大于A/D转换速率 输出通道显示：选用9位LED、分段温度、压力报警输出：开关量共用一路声光报警 系统控制机 单片机8031：2个定时器长达1min的硬件定时 4KB ROM程序,3、智能仪器系统,软件编程每1分钟调用一次监测子程序监测子程序8个通道均分1分钟依次完成8通道的监测任务每次监测具体内容：选通模拟开关AD转换中值滤波工程变换超限检查报警/显示,3、智能仪器系统,3、智能仪器系统,系统结构,输入、调理,输出显示,控制、分析,量化,测试领域面临的主要挑战：成本增加、使用复杂产品功能剧增，测试仪器不断扩增不同阶段使用不同精度、不同功能的模拟仪器项目、产品转向，造成投资浪费仪器互联和综合处理日益复杂接口开发解决办法：开放、标准硬件的标准化资源共享软件的模块化避免重复开发系统的开放化仪器间的资源共享编程平台的图形化硬件模块的即插即用化,4、虚拟仪器,用户定义功能,4、虚拟仪器,传统仪器厂商定义功能,虚拟仪器用户定义功能,传统仪器 厂商定义仪器功能关键是硬件开发与维护开销高技术更新周期长（510年）价格昂贵封闭、固定功能单一、互联有限独立设备,4、虚拟仪器,虚拟仪器：Virtual Instrumentation 在开放架构基础上创建用户定义的测试系统 用户定义功能关键是软件软件即仪器开发与维护费用低（软件）技术更新周期短（12年）价格低、可复用与可重配置性强开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展与网络及其它周边设备方便互联面向应用的仪器系统,4、虚拟仪器,“虚拟”含义虚拟的仪器面板由软件实现仪器的测量功能（软件就是仪器）,4、虚拟仪器,以软件代替硬件、以图形代替代码、以组态代替编程、以虚拟代替固定,二者比较,4、虚拟仪器,组成,4、虚拟仪器,硬件（电子线路）,硬件（电子线路）,硬件（显示器与旋钮）,硬件（电子线路）,计算机软件（算法）,计算机硬件（显示器与虚拟旋钮）,传统仪器,虚拟仪器,计算机系统资源,结果表达与仪器控制,数据采集,信号处理,功能,4、虚拟仪器,计算机系统资源标准总线I/O模块,仪器硬件：仅仅是为了解决信号的输入输出 标准总线：协调各个模块测试工作，如GBIP、VXI模块化I/O硬件数据采集信号条理声音和振动测量运动控制分布式I/O,4、虚拟仪器,DAQ（Data Acquisition）数据采集板定时与控制能力：无有大量支持板卡 直接利用标准的计算机总线、接口，没有仪器所需的总线性能,4、虚拟仪器,SCXI信号调理板、提高测试系统的质量 Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation放大小信号、热电偶（v），提高系统信噪比滤波动态信号，消除噪声、抗混叠模拟/数字滤波器隔离避免接地不当（造成测量不准、损坏DAQ板卡及VI统）光隔离（optical）磁隔离（magnetic）电容隔离（capacitive）差分输入、单点接地、专用隔离器件,4、虚拟仪器,信号调理栈便携、低成本多路调理:20适合各种类型信号每路调理可选输出可直接连DAQ,GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口总线（IEEE488仪器控制标准）多台协调工作 一种用于实验室、工业的数据采集和控制的标准总线8位的并行协议、传输率低于1 Mbytes/s标准电缆最多控制14台仪器有大量支持其标准的仪器通过计算机，对传统仪器功能的扩展和延伸,4、虚拟仪器,VXI（VMEbus eXtensiona for Instrumentation）计算机控制的模块化自动仪器系统VMEVersatile Bachplane Bus、万用背板总线(可靠性极高，散热性能好，易于安装和移动)吞吐率：40MB/s（VME80MB/s）8TTL触发线、8ECL逻辑信号即插即用有大量支持其标准的产品政府、军事、研究第一次构建尚需较大的投资强度,4、虚拟仪器,VXI（VMEbus eXtensiona for Instrumentation）计算机控制的模块化自动仪器系统,4、虚拟仪器,主机箱背板总线VME总线时钟和同步总线模块识别总线触发总线局部总线机械规范Eurocard主动冷却,嵌入模块0槽控制器A/D模块D/A模块I/O模块.,PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）,4、虚拟仪器,PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）,4、虚拟仪器,主机箱接口连接器:2组32-bit PCI64-bit PXI特性机械规范主动冷却,嵌入模块系统槽模块A/D模块D/A模块I/O模块.,总线上增加信号（PXI特性）参考时钟模块同步触发总线8根（TTL）事件、星形触发线触发精确控制局部总线13根高速TTL或024V模拟信号的相邻模块内部传递,LXI（LAN eXtension for Instrumentation）网络变迁：以太网接口：一方面在不断发展，10/100/1000，另一方面是100%向后兼容,4、虚拟仪器,LXI（LAN eXtension for Instrumentation）通过网络，实现测量模块的协调工作网络接口的价值：用户已认可，互联和共享定时同步：IEEE 1588 引入 LAN，纳秒级定时能力LXI仪器等级 等级C：具有通过LAN的编程控制能力，可以与其他厂家的仪器很好地协同工作等级B：拥有等级C的一切能力，并且加上了IEEE1588网络实时同步标准等级A：拥有等级B的一切能力，同时具备硬件触发能力,4、虚拟仪器,LXI（LAN eXtension for Instrumentation）宽度为482.6mm（19英寸）的标准机箱高度分1U、2U、3U和4U（单位U44.45mm）LXI器件的最小单元是1U半宽度机箱,4、虚拟仪器,前面板 输入信号连接器后面板 LAN接口、电源及开关、触发,仪器硬件：通用计算机各种PC机、便携机运算/处理能力显示/表现能力存贮能力促进VI发展的动力,4、虚拟仪器,软件系统软件就是仪器 The software is the Instrument 就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA库：VI软件体系结构、计算机与仪器之间的软件层连接 标准的I/O函数库及其相关规范仪器驱动程序：特定仪器控制与通信的软件程序集应用软件：直接面对用户，提供直观友好数据分析与处理功能,4、虚拟仪器,4、虚拟仪器,软件系统软件平台构造、应用VI的关键软件就是仪器集成开发环境可视化、图形化、零编程高水平的仪器硬件接口淡化内含、方便使用用户接口控件、模板库、函数库、软件平台：LabVIEW、Matlab、DASYLab、,4、虚拟仪器,LabView图形化编程语言特点图形化的仪器编程环境 使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等）编程，界面非常直观形象 大量的仪器面板控件 表现力,4、虚拟仪器,LabView特点图形化的仪器编程环境 大量的分析、处理和接口功能控件,4、虚拟仪器,LabView特点图形化的仪器编程环境 数据流的可视,4、虚拟仪器,整 形 数兰色浮点数 橙色逻辑量 绿色字符串 粉色文件路径 青色,LabView特点图形化的仪器编程环境,4、虚拟仪器,VI编程三部分 a、前面板模拟真实仪器的前面板 b、框图程序对前面板上的控件对象进行控制 c、图标/接线端口VI程序封装成控件/模块,LabView特点程序调试手段灵活、多样框图程序数据流上设置探针框图程序节点上设置断点、单步执行框图程序可高亮运行整个框图程序分解运行,4、虚拟仪器,LabView特点内置程序编译器程序采用编译方式运行32位应用程序运行速度和编译C的速度相当，避免了一般图形化编程平台（按解释方式工作）运行速度慢的问题。,4、虚拟仪器,LabView特点功能强大的函数库仪器驱动程序库（含600多个）基本函数库 数学函数、数据运算、文件I/O高级分析库，可增强程序的处理能力。信号处理、加窗、滤波、拟合、线性代数、矩阵运算、概率与统计、控制工具箱等,4、虚拟仪器,LabView特点支持多种系统平台Windows NT/95/2000/XP实时Unix系统平台LabView应用程序的直接移植开放式的开发平台 提供调用其它软件平台编译的模块的接口：DLL库接口CIN接口调用C语言程序的通用方法 提供对OLE的支持,4、虚拟仪器,LabView特点网络功能 支持TCP/IP、动态数据交换（DDE）、IAC等Data Socket封装的TCP/IP通讯协议 在不同网络节点间进行数据或信息的传输、共享 远程测试测试发布,4、虚拟仪器,LabView 开发举例仪器计量方面：普通仪器 示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器专用测量方面：专用探头软件专用的测量系统 机械设备状态、汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种检测和监测自动控制和工业控制领域：卓越计算能力巨大数据吞吐能力 温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统,4、虚拟仪器,LabView 开发举例温度监测虚拟仪器Thermometer指示部件 两只旋钮设置上限值和下限值指示部件Over LimitIn Range and Coerce函数,4、虚拟仪器,LabView 开发举例示波器,4、虚拟仪器,双通道示波器触发：内和外时基控制幅值控制,LabView 开发举例,4、虚拟仪器,LabView 开发举例信号采集显示器数据采集控件AI Acquire Waveform.videviceDAQ卡设备编号channel模拟输入通道number of sample采样点数sample rate采样频率波形图表（Waveform Chart）,4、虚拟仪器,LabView 开发举例振动分析,4、虚拟仪器,振动分析采集时域分析频域分析,LabView 开发举例混合过程控制,4、虚拟仪器,温度测量加热控制,LabView 开发举例采集监测,4、虚拟仪器,LabView 开发举例数据分析,4、虚拟仪器,智能化测量系统定义：以微计算机/处理器为核心自动测量、储存分析基本特征测量过程软件控制自动化数据处理能力强储存、运算智能化人机交互友好键盘/显示器接口标准化对外互联基本构成硬件：微计算机系统、模拟通道、人机交互、通讯接口软件：管理、控制、存储、运算自动化测量模块量程自动切换自校正（零位、增益）非线性矫正温度误差补偿,回顾,虚拟仪器虚拟的含义和本质：在开放架构基础上创建用户定义的测试系统 与传统仪器区别功能定义核心技术更新、成本开放性虚拟仪器组成计算机系统资源软件结构：VISA库、仪器驱动程序、应用软件软件平台：Labview标准硬件：仅仅是为了解决信号的输入输出 总线+I/O模块：协调各个模块测试工作GBIP：独立仪器VXI：插卡仪器、模块PXI：插卡仪器、模块LXI：网络仪器模块、3个等级,回顾,教材：8-4、8-9、8-11、8-13,作业,Thank you!,