第四章 計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量系統(tǒng)

第四章計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量系統(tǒng)

4.5硬件接口和總線(xiàn)系統(tǒng)4.1計(jì)算機(jī)概述4.6局域網(wǎng)通訊系統(tǒng)4.2虛擬儀器4.3自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)4.4測(cè)量程序與儀器控制被測(cè)量傳感器過(guò)程物理量輸出基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器模型放大調(diào)理模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)

隨著信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，當(dāng)今即便最簡(jiǎn)單的電子測(cè)量?jī)x器，如數(shù)字萬(wàn)用表（DMM），也都裝上了計(jì)算機(jī)接口。目前市面上可以見(jiàn)到大量用于獲取和計(jì)算分析測(cè)量數(shù)據(jù)的軟、硬件，不接入計(jì)算機(jī)的測(cè)試與測(cè)量（T&M）的場(chǎng)合幾乎不復(fù)存在，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量（CAT）系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。4.1計(jì)算機(jī)概述 由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有管理數(shù)據(jù)采集和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及顯示的能力，而成為計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)及現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的核心。4.1.1PC機(jī)的面世與發(fā)展Apple→IBM5150；286→486→Pentium4PersonalComputer4.1.2PC機(jī)的分類(lèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：固定式（臺(tái)式）；便攜式（筆記本、掌上型）功能特點(diǎn)：家用型、商務(wù)型、工控機(jī)4.1.3PC機(jī)外形結(jié)構(gòu)主機(jī)顯示器鍵盤(pán)鼠標(biāo)音箱主機(jī)顯示器鍵盤(pán)鼠標(biāo)音箱音箱經(jīng)典臺(tái)式機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)臺(tái)式一體機(jī)筆記本電腦觸摸板屏幕鍵盤(pán)電源按鈕4.1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

由硬件（Hardware)和軟件(software)兩大部分組成功能是由硬件和軟件協(xié)同運(yùn)行而實(shí)現(xiàn)的。一、計(jì)算機(jī)硬件組成及結(jié)構(gòu)主機(jī)(中央處理器（CPU)、主板、內(nèi)存、硬盤(pán)、光驅(qū)等)輸入輸出設(shè)備（鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器）外部設(shè)備（打印機(jī)、移動(dòng)存儲(chǔ)器、USB數(shù)據(jù)采集卡等）運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器輸入設(shè)備存儲(chǔ)器指令流控制命令數(shù)據(jù)流主板/母板/系統(tǒng)板：（電路板）計(jì)算機(jī)的核心：CPU（運(yùn)算器+控制器）接口轉(zhuǎn)換器（ICH）LPT軟盤(pán)鍵盤(pán)鼠標(biāo)打印機(jī)顯示器RS-232USB以太網(wǎng)卡IEC接口測(cè)量卡CPU—連接器（MCH）圖形卡RAM硬盤(pán)CD-ROMCPUPCI-bus圖4-1典型PC機(jī)硬件結(jié)構(gòu)中央處理器-CPUIntel處理器AMD處理器

CPU是計(jì)算機(jī)的心臟，包括運(yùn)算器和控制器，是完成各種運(yùn)算和控制的核心，也是決定計(jì)算機(jī)性能的最重要的部件。主要的參數(shù)主頻和位數(shù)。計(jì)算機(jī)配置的CPU的型號(hào)實(shí)際上代表著計(jì)算機(jī)的的基本性能水平。

PC機(jī)主板的基本結(jié)構(gòu)電池聲卡芯片PCI插槽南橋芯片BIOS芯片電源線(xiàn)插口軟驅(qū)插口IDE插口AGP插槽內(nèi)存插槽北橋芯片CPU插槽IO接口IO接口近年來(lái)生產(chǎn)的工控機(jī)主板一般都集成了以太網(wǎng)卡、聲卡和顯卡。

主板獨(dú)立顯卡AGP插槽PC機(jī)I/O接口串行接口USB接口網(wǎng)絡(luò)接口鍵盤(pán)、鼠標(biāo)接口音頻接口并行接口主板存儲(chǔ)器（AccessMemory）

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器分為兩大部分，一部分為內(nèi)部存儲(chǔ)器或主存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)存或主存；另一部分為外部存儲(chǔ)器或輔助存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱(chēng)外存或輔存。存儲(chǔ)容量

描述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)二進(jìn)制信息量多少的指標(biāo)。存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的基本單位是位（bit，b）。一般把8個(gè)二進(jìn)制位組成的通用基本單元叫作字節(jié)（Byte，B）。微型計(jì)算機(jī)中通常以字節(jié)為單位表示存儲(chǔ)容量。

1024B為1KB;1024KB為1MB;1024MB為1GB;1024GB為1TB

DRAM(DynamicRandom-AccessMemory)，即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器最為常見(jiàn)的系統(tǒng)內(nèi)存，常稱(chēng)為內(nèi)存條。

（1）內(nèi)存儲(chǔ)器（RAM）

RAM(Random-AccessMemory)可稱(chēng)作系統(tǒng)內(nèi)存，任何時(shí)候都可以讀寫(xiě)，RAM通常是作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行程序的臨時(shí)存儲(chǔ)介質(zhì)。軟驅(qū)外存儲(chǔ)器-軟盤(pán)（2）外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器-硬盤(pán)光驅(qū)外存儲(chǔ)器-光驅(qū)外存儲(chǔ)器-移動(dòng)硬盤(pán)、優(yōu)盤(pán)、閃存輸入輸出設(shè)備顯示器LCD液晶顯示器：使用了目前最新的全彩顯示技術(shù)，而且原理簡(jiǎn)單易懂。基本上，整個(gè)液晶顯示技術(shù)的概念是利用液晶的物理特性：通電時(shí)導(dǎo)通，排列變的有秩序，使光線(xiàn)容易通過(guò)；不通電時(shí)排列混亂，阻止光線(xiàn)通過(guò)，讓液晶如閘門(mén)般地阻隔或讓光線(xiàn)穿透。

打印機(jī)惠普激光打印機(jī)LaserJet1150

惠普DJ3325噴墨打印機(jī)映美LQ-200K24針打印機(jī)映美FP-660K平推打印機(jī)

微型計(jì)算機(jī)在硬件上普遍采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，總線(xiàn)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)構(gòu)成方便，并具有很好的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口地址總線(xiàn)AB輸出設(shè)備CPU數(shù)據(jù)總線(xiàn)DB控制總線(xiàn)CBI/O接口計(jì)算機(jī)接口及總線(xiàn)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)內(nèi)部器件之間，以及這些器件與外設(shè)之間的通訊是通過(guò)共同的數(shù)據(jù)線(xiàn)——總線(xiàn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單臺(tái)儀器或儀器模塊則是通過(guò)接口掛在總線(xiàn)之上。一臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、硬盤(pán)和CD-ROM需要有一個(gè)快速的總線(xiàn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通訊，為此開(kāi)發(fā)了并行的外部設(shè)備互連總線(xiàn)，即PCI總線(xiàn)（1992年），其新的版本有PCI-X（1999年）和PCI-Express（2001年第三代高性能I/O串行總線(xiàn)）。PCI總線(xiàn)

PCI總線(xiàn)通過(guò)接口轉(zhuǎn)換器（HUB）和輸入-輸出設(shè)備、LPT（并行口）、RS-232、USB（通用串行總線(xiàn)）、PCMCIA（個(gè)人計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)卡國(guó)際協(xié)會(huì)）和以太網(wǎng)（Ethernet）等接口相連接。其中，接口可以擴(kuò)展安裝，如并行口的LPT1、LPT2，或RS-232串行口的COM1、COM2等。接口轉(zhuǎn)換器（ICH）LPT軟盤(pán)鍵盤(pán)鼠標(biāo)打印機(jī)顯示器RS-232USB以太網(wǎng)卡IEC接口測(cè)量卡CPU—連接器（MCH）圖形卡RAM硬盤(pán)CD-ROMCPUPCI-bus圖4-1典型PC機(jī)硬件結(jié)構(gòu)二、計(jì)算機(jī)軟件組成 與硬件相比，軟件包括所有計(jì)算機(jī)非物理組件的“軟”的功能部分。軟件用于信息流的調(diào)節(jié)與處理，可以用符號(hào)鏈來(lái)描述，并為信息機(jī)器所讀取和解釋。軟件分為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序：系統(tǒng)程序控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部運(yùn)行過(guò)程；而應(yīng)用程序則使計(jì)算機(jī)能處理用戶(hù)提出的任務(wù)。

計(jì)算機(jī)的軟件包含系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)用軟件存儲(chǔ)器管理進(jìn)程管理設(shè)備管理文件管理用戶(hù)界面GUI網(wǎng)絡(luò)軟件編譯系統(tǒng)系統(tǒng)維護(hù)程序工具軟件系統(tǒng)增強(qiáng)軟件辦公數(shù)據(jù)庫(kù)圖形圖像游戲娛樂(lè)…4.2.1虛擬儀器定義4.2虛擬儀器

所謂的虛擬儀器是指“以軟件為核心，以計(jì)算機(jī)為載體，通過(guò)硬件接口（或總線(xiàn)系統(tǒng)）與測(cè)量板卡（或測(cè)量硬件平臺(tái)）連接在一起，以最大限度地利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件資源，使基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)，不僅能像傳統(tǒng)程控儀器一樣完成測(cè)量任務(wù)，而且可利用強(qiáng)有力的軟件去代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件功能”。4.2.2虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)同儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的全新概念的儀器，是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是儀器領(lǐng)域內(nèi)的一次革命。4.2.3儀器定義和功能的轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)儀器:廠(chǎng)商定義虛擬儀器:用戶(hù)定義用戶(hù)定義虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)：費(fèi)用性能用戶(hù)定義低費(fèi)用靈活可再用性可重新配置4.2.4虛擬儀器的內(nèi)部功能

虛擬儀器與其它測(cè)量?jī)x器一樣，可實(shí)現(xiàn)三部分功能，即信號(hào)的采集與控制、數(shù)據(jù)的分析與處理及結(jié)果的表達(dá)與輸出，但是實(shí)現(xiàn)上述功能的方式不同，下面按三個(gè)部分來(lái)敘述。（1）信號(hào)采集與控制功能

虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)和儀器硬件組成的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、測(cè)量/轉(zhuǎn)換與控制的。硬件平臺(tái)由兩部分組成：(a)計(jì)算機(jī)可以是筆記本計(jì)算機(jī)、PC機(jī)或工作站；(b)儀器硬件：可以是插入式數(shù)據(jù)采集板（含信號(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字I／O、定時(shí)器、D／A轉(zhuǎn)換器等），或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)接口的儀器，如GPIB儀器、VXI儀器、RS－232儀器等)。

(2)數(shù)據(jù)分析處理功能虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)、運(yùn)算功能，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)數(shù)據(jù)的分析處理。處理內(nèi)容包括進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字濾波統(tǒng)計(jì)處理、數(shù)值計(jì)算與分析等。虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器以及智能儀器有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理功能。

(3)測(cè)量結(jié)果的表達(dá)與輸出虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)資源如內(nèi)存、顯示器等，對(duì)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的表達(dá)與輸出有多種方式，這也是傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)不能及的。例如，虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)：通過(guò)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；通過(guò)磁盤(pán)、光盤(pán)硬拷貝輸出；通過(guò)文件存于硬盤(pán)內(nèi)存中；計(jì)算機(jī)屏幕顯示。4.2.5虛擬儀器的構(gòu)成

虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件和三大要素構(gòu)成的。傳感器GPIB儀器串口儀器VXI模塊PXI模塊PC-DAQ計(jì)算機(jī)

I/O接口設(shè)備

虛擬儀器的構(gòu)成方式被測(cè)對(duì)象應(yīng)用軟件虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成GPIBSerialDAQProcessorUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&DriverSoftware

Measurement Studio

LabVIEW

VI系統(tǒng)有多種構(gòu)成方式：

PC—DAQ測(cè)量系統(tǒng)：是以數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的測(cè)試系統(tǒng)。

GPIB系統(tǒng)：是以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)組成的測(cè)試系統(tǒng)。

VXI系統(tǒng)：是以VXI標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)組成的測(cè)試系統(tǒng)。

串口系統(tǒng)：是以Seial標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)組成的測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器構(gòu)成方式無(wú)論上述哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與各類(lèi)計(jì)算機(jī)相結(jié)合，其中PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)是構(gòu)成VI的基本方式。因?yàn)?，?shí)際上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS是構(gòu)成各種標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器的基礎(chǔ)，故虛擬儀器是基于“信息的數(shù)據(jù)采集(ADC)-信號(hào)的分析與處理(DSP)-輸出(DAC)及顯示”的結(jié)構(gòu)模式建立通用儀器硬件平臺(tái)。在這個(gè)通用儀器硬件平臺(tái)上，調(diào)用不同的測(cè)量軟件就構(gòu)成了不同功能的儀器。常用虛擬儀器板卡DAQCardIMAQCard4.2.6常見(jiàn)的虛擬儀器軟件平臺(tái)LabVIEW4.2.7虛擬儀器實(shí)例例1：虛擬儀器溫度測(cè)量例2：圖4-2是晶體管直流特性測(cè)量?jī)x及其虛擬儀器。在虛擬儀器的軟件界面（計(jì)算機(jī)顯示屏）上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“部件”所完成的功能是相同的。虛擬儀器實(shí)例圖4-2晶體管直流特性測(cè)量?jī)x及其虛擬儀器

例3：

在以計(jì)算機(jī)為核心組成的虛擬測(cè)試平臺(tái)上，還可通過(guò)軟件編程設(shè)計(jì)來(lái)劃分虛擬儀器的界面，以得到對(duì)應(yīng)于不同測(cè)量裝置的多個(gè)虛擬測(cè)量?jī)x器，進(jìn)而，通過(guò)具有不同測(cè)量功能的軟件模塊的組合來(lái)構(gòu)建綜合參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，如圖4-3所示。圖4-3某型發(fā)動(dòng)機(jī)綜合參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的虛擬儀器界面4.3自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、控制、通訊與測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，很少采用電子線(xiàn)路進(jìn)行信號(hào)處理，而主要由計(jì)算機(jī)軟件模塊來(lái)替代傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器中的各種功能。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通常具有自動(dòng)校零、自動(dòng)修正誤差、自動(dòng)切換量程、重復(fù)測(cè)量、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果判別和自我診斷以及仿真測(cè)試等功能。 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足如下原則：

（1）高性能原則：測(cè)量通道多、采樣頻率高、測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)；

（2）軟件設(shè)計(jì)原則：模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、容錯(cuò)性；

（3）小型化與自動(dòng)化原則：便于現(xiàn)場(chǎng)（如工廠(chǎng)、飛機(jī)和艦船等特殊環(huán)境）安裝使用，具有完備的系統(tǒng)自檢功能和一定的環(huán)境自適應(yīng)能力；

（4）可靠性與穩(wěn)定性原則：電磁兼容性設(shè)計(jì)（如：高頻信號(hào)的屏蔽與隔離、接地回路的設(shè)計(jì)）；盡量減少連接電纜和接插件的數(shù)量。 （5）通用性原則：開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠廣泛地適應(yīng)本行業(yè)或相關(guān)行業(yè)不同測(cè)試對(duì)象的需求，從而提高投資效益。 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是：

采用基于高性能計(jì)算機(jī)總線(xiàn)技術(shù)的硬件平臺(tái)；采用分布式、網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)；自主時(shí)間同步觸發(fā)；采用模塊化結(jié)構(gòu)；由物理儀器轉(zhuǎn)向虛擬儀器；小型化、便攜化和通用化；綜合故障診斷系統(tǒng)、測(cè)量與計(jì)量一體化。4.4測(cè)量程序與儀器控制

在可編程測(cè)量?jī)x器（或自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)）中，測(cè)量程序用于控制測(cè)量?jī)x器按預(yù)期的方式采集并處理測(cè)量數(shù)據(jù)、修正或補(bǔ)償測(cè)量誤差、顯示和存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果。除了要求計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量系統(tǒng)能夠正確地采集信號(hào)外，還要求測(cè)量程序能夠快速響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)的外部或內(nèi)部事件，并具有高可靠性、可擴(kuò)展性、可移植性和可維護(hù)性；同時(shí)要求測(cè)量界面定義清晰、功能明確、測(cè)量控件操作簡(jiǎn)便。4.4.1可編程測(cè)量?jī)x器

程序語(yǔ)言如果除了純粹的信號(hào)采集之外，還要集成其它通用的功能，譬如，測(cè)量?jī)x器參數(shù)的設(shè)置、測(cè)量數(shù)據(jù)的分析計(jì)算和測(cè)量結(jié)果的表示，則用于信號(hào)采集和實(shí)驗(yàn)控制的測(cè)量程序，應(yīng)當(dāng)按相應(yīng)的功能劃分為各個(gè)子程序模塊。 對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，可應(yīng)用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)測(cè)量系統(tǒng)外部接口的輸入-輸出操作程序；對(duì)于那些實(shí)時(shí)性要求苛刻的場(chǎng)合，或者那些使用數(shù)字信號(hào)處理器DSP（DigitalSignalProcessor）或MCU來(lái)控制的外部接口，則應(yīng)采用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)輸入-輸出管理程序。

儀器消息（程序消息）儀器消息是指“與儀器設(shè)置、儀器狀態(tài)、測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果等方面相關(guān)的信息，用于引發(fā)相應(yīng)的儀器功能，通常用一個(gè)事先規(guī)定的符號(hào)序列來(lái)表示儀器消息”。儀器功能是指“儀器按規(guī)定可自主執(zhí)行的一系列動(dòng)作”。一臺(tái)儀器的命令集包含了所有允許的儀器消息，而儀器制造商所提供的標(biāo)準(zhǔn)文本，則具體規(guī)定了儀器消息與儀器功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令（SCPI）

SCPI規(guī)范（StandardCommandforProgrammableInstru-ment）致力于保證各種儀器消息的一致性和各種儀器總線(xiàn)的普適性。例如，針對(duì)不同制造廠(chǎng)商生產(chǎn)的每一種同類(lèi)儀器（如函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表和示波器等），都用共同的語(yǔ)法來(lái)約定一個(gè)統(tǒng)一的儀器命令集。

圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境隨著軟件技術(shù)的進(jìn)步，目前市面上已有越來(lái)越多的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境可用于編寫(xiě)對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有苛刻要求的應(yīng)用程序，從而大大降低了軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性和繁瑣性。在這類(lèi)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中，如NI公司的LabVIEW和安捷倫技術(shù)公司的VEE（VisualEngineeringEnvironment）等，用戶(hù)可用各個(gè)功能模塊來(lái)“拼裝”圖形化測(cè)量與控制程序，當(dāng)然，在“拼裝”模塊的過(guò)程中，用戶(hù)還需要設(shè)置必要的模塊參數(shù)。

嵌入式系統(tǒng)在許多應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器通常是與PCI測(cè)量板卡連接在一起的。通常希望測(cè)量板卡不僅僅輸出數(shù)字化測(cè)量值，而且還能承擔(dān)信號(hào)處理任務(wù)。為此，往往將測(cè)量板卡和一個(gè)特殊的微處理器（如DSP、PowerPC）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FieldProgrammableGatesArray，F(xiàn)PGA）集成在一起，以構(gòu)成嵌入式測(cè)量系統(tǒng)。其中，微處理器僅用于開(kāi)發(fā)測(cè)量程序和顯示測(cè)量結(jié)果。

在嵌入式系統(tǒng)中，程序必須用接近于機(jī)器語(yǔ)言（如匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言）來(lái)編寫(xiě)。為了加快測(cè)量程序的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，可借助于某些圖形化軟件工具（如MATALB/Simulink）的自動(dòng)翻譯功能，將圖形化信號(hào)采集與處理程序轉(zhuǎn)化為C語(yǔ)言程序。

儀器控制可編程測(cè)量?jī)x器的操作，是由微計(jì)算機(jī)通過(guò)儀器總線(xiàn)向儀器發(fā)送程序消息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。微計(jì)算機(jī)通常是測(cè)量?jī)x器總線(xiàn)的主機(jī)，可隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)；測(cè)量?jī)x器和其它裝置是從機(jī)，不能主動(dòng)請(qǐng)求占用總線(xiàn)，而必須服從主機(jī)測(cè)量程序的調(diào)度。通常，測(cè)量?jī)x器是通過(guò)一個(gè)中斷或一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求來(lái)獲得主機(jī)的服務(wù)。

測(cè)量程序的控制測(cè)量程序中各個(gè)模塊的調(diào)用方式有兩種：事件控制和時(shí)鐘控制。在事件控制方式中，是以某個(gè)確定事件的出現(xiàn)作為觸發(fā)信號(hào)，來(lái)啟動(dòng)程序模塊的執(zhí)行；在時(shí)鐘控制方式中，是利用時(shí)鐘發(fā)生器輸出的信號(hào)，來(lái)啟動(dòng)模塊的執(zhí)行。

數(shù)據(jù)處理以測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和分析計(jì)算之間的時(shí)間間隔為參照，可將測(cè)量過(guò)程劃分為離線(xiàn)信號(hào)處理、在線(xiàn)信號(hào)處理和實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

離線(xiàn)信號(hào)處理是指：“在信號(hào)采集過(guò)程結(jié)束后，再進(jìn)行信號(hào)處理，也即在信號(hào)處理過(guò)程中，系統(tǒng)不再采集信號(hào)。”實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量大都允許離線(xiàn)信號(hào)處理。

在線(xiàn)信號(hào)處理是指：“一旦采樣信號(hào)可供使用時(shí)，就立刻進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理?！?/p>

實(shí)時(shí)信號(hào)處理是指：“同時(shí)進(jìn)行信號(hào)采樣與信號(hào)處理?！边@意味著要在事先規(guī)定好的采樣時(shí)間間隔內(nèi)完成信號(hào)處理或做出必要的響應(yīng)，不允許存在隨機(jī)的等待時(shí)間。在過(guò)程控制系統(tǒng)中，通常要求進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

數(shù)值計(jì)算在實(shí)驗(yàn)室編寫(xiě)測(cè)量程序時(shí)，往往還需要編寫(xiě)數(shù)值計(jì)算程序，并與現(xiàn)成的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)量與控制管理程序組合在一起，共同完成特定的測(cè)試任務(wù)。4.4.2計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量過(guò)程

建立計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量系統(tǒng)包括如下幾個(gè)步驟（參見(jiàn)圖4-20）： （1）系統(tǒng)化系統(tǒng)化是指將各儀器模塊和微計(jì)算機(jī)組合成共同完成某一特定測(cè)量任務(wù)的有機(jī)整體。在計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量過(guò)程中，還要增加下列手動(dòng)和程控的操作： （2）建立通訊聯(lián)系； （3）分配總線(xiàn)地址； （4）加載儀器（設(shè)備）驅(qū)動(dòng)軟件； （5）在主控計(jì)算機(jī)上加載和啟動(dòng)測(cè)量程序； （6）將測(cè)量?jī)x器模塊設(shè)置為某一預(yù)先定義的基本狀態(tài)； （7）設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)； （8）讀出儀器模塊的標(biāo)識(shí)符； （9）執(zhí)行系統(tǒng)自檢；

（10）查詢(xún)儀器模塊的狀態(tài)信息。圖4-20計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量過(guò)程構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)（建立連接、儀器模塊就緒）設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集儀器的校準(zhǔn)設(shè)置是否被改變？數(shù)據(jù)采集對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算（原始數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較、數(shù)學(xué)變換、微分、積分等）表達(dá)（給出測(cè)量值和測(cè)量結(jié)果）存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果建立文檔（記錄完整的測(cè)量過(guò)程）續(xù)續(xù)是否參數(shù)化參數(shù)化是指對(duì)各儀器模塊的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，以確保測(cè)量過(guò)程能夠按計(jì)劃順利運(yùn)行。具體內(nèi)容如下： （1）選擇測(cè)量功能； （2）設(shè)置量程和數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)； （3）選擇濾波器參數(shù)； （4）確定觸發(fā)條件； （5）確定采樣速率。

校準(zhǔn)校準(zhǔn)的目的是要確定被測(cè)量（信號(hào)量）與測(cè)量系統(tǒng)顯示值之間的關(guān)系。在進(jìn)行校準(zhǔn)

數(shù)據(jù)采集信號(hào)采集是測(cè)量過(guò)程中最為本質(zhì)和最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。對(duì)于單次測(cè)量而言，測(cè)量過(guò)程僅被啟動(dòng)一次，測(cè)量結(jié)果可以是一個(gè)二進(jìn)制或十進(jìn)制的數(shù)值，也可以是一個(gè)符號(hào)序列或一個(gè)完整的數(shù)據(jù)段。在測(cè)量之前，必須先設(shè)置并確定系統(tǒng)的狀態(tài)，且執(zhí)行一些必要的控制動(dòng)作，有時(shí)還需要等待一段時(shí)間。單次測(cè)量過(guò)程包括如下的一系列動(dòng)作：

（1）觸發(fā)——測(cè)量系統(tǒng)獲得一個(gè)用于啟動(dòng)測(cè)量的信號(hào)； （2）等待測(cè)量過(guò)程的結(jié)束；（3）輸出測(cè)量數(shù)據(jù)——要求測(cè)量?jī)x器模塊準(zhǔn)備好傳送單個(gè)或多個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)； （4）接收測(cè)量數(shù)據(jù)——從測(cè)量?jī)x器模塊接收測(cè)量數(shù)據(jù)以供后續(xù)處理。 對(duì)于較復(fù)雜的測(cè)量過(guò)程，可借助于過(guò)程控制，將它們分解為多個(gè)單次測(cè)量。

分析計(jì)算分析計(jì)算的最終目標(biāo)在于壓縮數(shù)據(jù)量，以便從所采集的測(cè)量信號(hào)中獲得特征信息。舉例來(lái)說(shuō)，計(jì)算分析的內(nèi)容包括：

（1）借助校準(zhǔn)結(jié)果從沒(méi)有校準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)中推算出校準(zhǔn)數(shù)據(jù)； （2）剔除野點(diǎn)、平滑濾波； （3）測(cè)量曲線(xiàn)的積分或微分； （4）數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性； （5）信號(hào)變換，如計(jì)算一個(gè)時(shí)間信號(hào)和位置信號(hào)的頻譜； （6）統(tǒng)計(jì)特征量的計(jì)算等。 除了這些數(shù)值化運(yùn)算外，有時(shí)還需進(jìn)行邏輯運(yùn)算，例如，根據(jù)某項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)等。此外，利用對(duì)符號(hào)鏈的操作還可改變數(shù)據(jù)格式。

表達(dá)表達(dá)的作用是把從測(cè)量和分析計(jì)算中所得到的信息，傳遞給測(cè)量系統(tǒng)的操作者。在測(cè)量過(guò)程結(jié)束后就應(yīng)當(dāng)及時(shí)地給出明確的測(cè)量結(jié)果，以便對(duì)測(cè)量過(guò)程的質(zhì)量進(jìn)行判定，如果必要的話(huà)，還需要改變測(cè)量原理和測(cè)量方法。

保存保存的作用是將采集信號(hào)和由此獲得的信息轉(zhuǎn)移到非易丟失的存儲(chǔ)介質(zhì)中。這樣，即便在測(cè)量過(guò)程中斷或結(jié)束后，測(cè)量數(shù)據(jù)仍能被以后的分析計(jì)算所使用。因此，建議將原始數(shù)據(jù)、或經(jīng)校準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)裝置和操作軟件的設(shè)置參數(shù)存儲(chǔ)起來(lái)，但沒(méi)有必要存儲(chǔ)圖形以節(jié)省存儲(chǔ)空間。

建立文檔建立測(cè)量文檔是測(cè)量過(guò)程的重要組成部分，其作用是保存測(cè)量過(guò)程和測(cè)量結(jié)果的完整記錄。通過(guò)建立文檔，能將產(chǎn)生測(cè)量結(jié)果的前提和獲得測(cè)量結(jié)果的設(shè)置無(wú)歧義、無(wú)空缺地記錄在案。只有建立了測(cè)量文檔，才能使測(cè)量結(jié)果應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題或發(fā)表論文，或者按照新的判據(jù)重新分析計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)。如果事實(shí)表明測(cè)量誤差的產(chǎn)生與過(guò)程的改變之間具有某種時(shí)間上的關(guān)聯(lián)性，則可以依據(jù)精心建立的測(cè)量文檔進(jìn)行事后的誤差分析。4.4.3LabVIEW和MATLAB

一、LabVIEW圖形化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言，其基礎(chǔ)是用圖標(biāo)（功能模塊）來(lái)表示指令，可用圖形化程序也可以表達(dá)各種程序結(jié)構(gòu)。在這種面向圖標(biāo)的編程語(yǔ)言中，編程過(guò)程就像電子元器件的布線(xiàn)一樣，很容易實(shí)現(xiàn)指令間的互相連接，而其中的連線(xiàn)則表示圖標(biāo)（即功能模塊）之間存在數(shù)據(jù)的傳遞。被連接的圖標(biāo)之間的數(shù)據(jù)流，控制著指令的執(zhí)行順序，并允許有多個(gè)數(shù)據(jù)通道同步運(yùn)行。二、MATLAB/Simulink

MATLAB（MATrix

LABoratory）是美國(guó)Mathworks公司的產(chǎn)品，最初是一個(gè)用于矩陣運(yùn)算的交互式數(shù)值計(jì)算程序，隨后逐漸擴(kuò)展了各種軟件工具箱、交互式圖形化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和軟、硬件混合仿真平臺(tái)，其應(yīng)用范圍幾乎覆蓋了科學(xué)技術(shù)與工程應(yīng)用的所有領(lǐng)域。加之MATLAB所特有的強(qiáng)大而便捷的多維繪圖功能，且允許用戶(hù)用數(shù)學(xué)書(shū)寫(xiě)方式來(lái)表達(dá)數(shù)值和符號(hào)計(jì)算，使得MATLAB軟件平臺(tái)受到了專(zhuān)業(yè)人士的普遍青睞，并已成為大學(xué)生必須掌握的基本軟件工具。

掌握LabVIEW、MATLAB/Simulink和C語(yǔ)言的編程方法和技巧，對(duì)于開(kāi)發(fā)高性?xún)r(jià)比計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量與控制系統(tǒng)是不可或缺的，其重要性怎么強(qiáng)調(diào)也不過(guò)分。

4.5硬件接口和總線(xiàn)系統(tǒng)

硬件接口是數(shù)據(jù)、消息、地址和指令等進(jìn)行交換的場(chǎng)所，而總線(xiàn)系統(tǒng)則是通過(guò)公用的數(shù)據(jù)線(xiàn)將儀器的硬件接口連接起來(lái)。4.5.1基本概念

通信方式從總體來(lái)講，計(jì)算機(jī)中的通信方式有兩種：即串行通信和并行通信。

串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。其只要少數(shù)幾條線(xiàn)就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通信，缺點(diǎn)是傳輸速度慢，優(yōu)點(diǎn)是傳輸成本低、適合遠(yuǎn)距離傳輸。

并行通信是把一個(gè)字符的各數(shù)位用幾條線(xiàn)同時(shí)進(jìn)行傳輸，傳輸速度快，信息率高。但它比串行通信所用的電纜多，故常用在傳輸距離較短（幾米至幾十米）、數(shù)據(jù)傳輸率較高的場(chǎng)合。(a)

串行通信(b)

并行通信

標(biāo)準(zhǔn)化接口硬件接口（以下簡(jiǎn)稱(chēng)接口）是系統(tǒng)中不同的組件、儀器或裝置連接成為有機(jī)整體的過(guò)渡通道。每一接口都配有特定的設(shè)備消息，即接口指令。在那些能被單獨(dú)訪(fǎng)問(wèn)的接口，都有一個(gè)以數(shù)字排序的專(zhuān)用地址。 測(cè)量?jī)x器通常采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，以便于建立一個(gè)獨(dú)立于制造商的開(kāi)放式測(cè)量系統(tǒng)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口大都具有以下的物理特性：

（1）插頭的結(jié)構(gòu)形式和插針的定義； （2）連接電纜； （3）信號(hào)類(lèi)型和電平要求； （4）數(shù)據(jù)形式和傳輸協(xié)議。 協(xié)議掛在接口上的儀器與計(jì)算機(jī)之間的通訊信號(hào)往往需要通過(guò)總線(xiàn)，而總線(xiàn)上的通訊則必須按照一定的規(guī)則（即協(xié)議）來(lái)進(jìn)行。 協(xié)議一般是按照開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)（OpenSystemInterconnec

tion，OSI）的7層參考模型而制定的，該模型根據(jù)相應(yīng)的功能將通訊的各個(gè)子任務(wù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分層，并采用總線(xiàn)授權(quán)方式來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)參與者對(duì)總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)，使它們的傳輸請(qǐng)求能夠在可期待的時(shí)間內(nèi)得到滿(mǎn)足，同時(shí)避免多個(gè)參與者同時(shí)使用總線(xiàn)所產(chǎn)生的訪(fǎng)問(wèn)沖突。 總線(xiàn)授權(quán)方式有兩種：其一，由中央控制單元集中分配使用權(quán)限；其二，由參與者分散分配使用權(quán)限。 在集中方式下，由中央控制單元作為“主機(jī)”來(lái)控制總線(xiàn)上的通訊，并可隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)，余下的設(shè)備則作為“從機(jī)”。從機(jī)無(wú)權(quán)直接發(fā)送任何消息到總線(xiàn)上，而只有在受到主機(jī)邀請(qǐng)后，方可向總線(xiàn)發(fā)送消息，此即所謂的“主從方式”。在主從方式下，中央控制單元或以固定的時(shí)間間隔——分時(shí)多路訪(fǎng)問(wèn)（TDMA）各個(gè)參與者，或在中斷后通過(guò)狀態(tài)查詢(xún)（Polling）巡回訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)參與者。 在分散分配方式下，控制權(quán)屬于各個(gè)參與者。例如，在某個(gè)時(shí)間間隔后，將總線(xiàn)的使用權(quán)交給下一個(gè)控制單元（令牌傳輸方式，如過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)——Profibus就屬于這種情況）。

握手為了避免數(shù)據(jù)的丟失，接收方必須將準(zhǔn)備好接收的狀態(tài)通知發(fā)送方，并在無(wú)法再處理其它數(shù)據(jù)的緊急情況下，停止數(shù)據(jù)的傳輸，有時(shí)接收方還有可能要求發(fā)送方重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。用于組織經(jīng)由總線(xiàn)傳輸?shù)倪^(guò)程信息，如“操作準(zhǔn)備就緒”、“接收準(zhǔn)備就緒”或者“數(shù)據(jù)有效”等，稱(chēng)為握手。單工數(shù)據(jù)傳輸只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸；半雙工數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸，但是，在某一時(shí)刻，只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，它實(shí)際上是一種切換方向的單工通信；全雙工數(shù)據(jù)通信允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸，因此，全雙工通信是兩個(gè)單工通信方式的結(jié)合，它要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨(dú)立的接收和發(fā)送能力。

傳輸

接口轉(zhuǎn)換器接口轉(zhuǎn)換器使帶有不同設(shè)備接口之間的通訊成為可能。在類(lèi)似于RS-232和RS-485的接口中，只需將數(shù)據(jù)線(xiàn)上不同的電平之間建立相互映射關(guān)系，就可實(shí)現(xiàn)二者的轉(zhuǎn)換。如果這種映射已經(jīng)存在的話(huà)，只要把硬件握手轉(zhuǎn)換成軟件握手即可。

協(xié)議轉(zhuǎn)換器協(xié)議轉(zhuǎn)換器的作用是改變信息的“打包”，或者說(shuō)改變攜帶信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但并不改變數(shù)據(jù)的編碼（信息）和信號(hào)的物理特性。4.5.2串行通訊接口

在數(shù)據(jù)傳輸速率要求不太高的場(chǎng)合下，通常利用串行接口來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備之間的通訊。

RS-232接口修訂版RS-232C是在1969年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)公布的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了9針或25針的SUB-D插頭作為連接器。對(duì)數(shù)據(jù)交換來(lái)說(shuō)，這兩種插頭具有完全相同的特性，不過(guò)，目前25針連接器已經(jīng)很少有人使用了。

RS-232串行接口一般使用9針的Sub-D連接器，也成為COM口，多數(shù)PC機(jī)主板提供兩個(gè)COM口，分別成為COM1和COM2.9針COM口和通過(guò)串行電纜和串行儀器或設(shè)備的9口接頭連接。（引腳排列與定義見(jiàn)書(shū)P121表4-1）可實(shí)現(xiàn)半雙工或全雙工信號(hào)傳輸。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)給出了數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)的電平及其變化范圍，限定了傳輸電纜的長(zhǎng)度（小于15m），規(guī)定了串行數(shù)據(jù)傳速率范圍（O～20kbps）。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)可以滿(mǎn)足大多數(shù)IPC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PTP）通訊的基本要求，覆蓋了工控機(jī)所使用的波特率范圍（50～9600bps）。兩臺(tái)RS-232儀器之間所能達(dá)到的傳輸距離取決于所使用的電纜和波特率。由于允許使用高電壓和大的電壓允差（邏輯1：-3～-12；邏輯0：+3～+12），這一距離可跨越幾十米之遠(yuǎn)。

RS-422接口串行接口RS-422是利用差分傳輸方式來(lái)增大通訊距離和可靠性的，它在發(fā)送端使用2根信號(hào)線(xiàn)發(fā)送同一信號(hào)(2根線(xiàn)的極性相反)，在接收端對(duì)這兩根線(xiàn)上的電壓信號(hào)相減得到實(shí)際信號(hào)。在這兩根信號(hào)線(xiàn)中，用-2～-6V的電壓編碼表示邏輯1，而用+2～+6V的電壓編碼表示邏輯0。這種差分傳輸方式可以有效地抑制共模干擾，增大通訊距離。在數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbps時(shí)，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1200m。與RS-232一樣，RS-422也可以實(shí)現(xiàn)全雙工通訊。

RS-485接口其電器標(biāo)準(zhǔn)與RS-422完全相同，其差異在于：當(dāng)RS-485線(xiàn)路空閑(即不傳送信號(hào))時(shí)，線(xiàn)路處于高阻(或掛起)狀態(tài)，允許被其它設(shè)備占用，也即具有RS-485接口的儀器設(shè)備可以連成網(wǎng)絡(luò)。如果僅僅是兩個(gè)儀器設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離通訊，使用RS-422接口與使用RS-485接口的效果是一樣的，不過(guò)，RS-485僅能實(shí)現(xiàn)半雙工通訊方式。 RS-485和RS-422總線(xiàn)最多可支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，但如果使用特制的485芯片，則可支持128個(gè)或256個(gè)節(jié)點(diǎn)，甚至400個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于RS-485和RS-422具有諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被大量采用，然而，由于普通工控機(jī)很少直接配置RS-485或RS-422通訊接口，因此，必須使用RS-232/RS-485或者RS-232/RS-422接口轉(zhuǎn)換器，才能建立IPC的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

圖4-5基于RS-485網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)RS-485數(shù)據(jù)采集模塊帶有以太網(wǎng)接口的工業(yè)控制主板現(xiàn)場(chǎng)控制室RP485-2IRSP485Hub-S52RP485-2IRP485-2I485/232接口服務(wù)器

CAN總線(xiàn)

CAN（ControllerAreaNetwork）是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，主要用于各種過(guò)程（設(shè)備）的監(jiān)測(cè)與控制。 CAN最初是由德國(guó)的Bosch公司為汽車(chē)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，目前已不再局限于汽車(chē)行業(yè)。由于CAN總線(xiàn)本身的獨(dú)到之處，國(guó)際上越來(lái)越多的大公司采用了這一工業(yè)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，并已形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。 圖4-6所示的例子是利用虛擬串口軟件，通過(guò)IPC-CAN接口卡和CAN-RS232轉(zhuǎn)換器、CAN-RS485和CAN—USB轉(zhuǎn)換器等設(shè)備，可以在一條普通雙絞線(xiàn)上連接建立多達(dá)2048個(gè)串口設(shè)備，其通訊距離可達(dá)10km甚至更遠(yuǎn)。CAN-bus虛擬串口網(wǎng)絡(luò)串口設(shè)備1，2，…CAN—/RS-232CAN—RS-485轉(zhuǎn)換器CAN—USBIPC-CAN接口卡圖4-6基于CAN-bus分布式遠(yuǎn)程測(cè)量與控制系統(tǒng)表4-2串行通訊接口（總線(xiàn)）的性能指標(biāo)

名稱(chēng)性能指標(biāo)RS-232CRS-422RS-485USBCAN傳輸形式Bit串行全雙工、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)Bit串行全雙工、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)Bit串行半雙工、多點(diǎn)Bit串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)Bit串行多點(diǎn)、多宿主數(shù)據(jù)傳輸率（bps）20k10M10M1.5M、12M480M1M/40m最遠(yuǎn)傳輸距離（m）1512001200510k抗干擾能力一般強(qiáng)強(qiáng)一般較強(qiáng)PC標(biāo)準(zhǔn)接口是否否是否即插即用---是-4.5.3并行通訊總線(xiàn)

在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，常用的并行數(shù)據(jù)連接總線(xiàn)有GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus，通用接口總線(xiàn)）、PCI（PeripheralControllerInterface，外圍設(shè)備接口）、VXI（VMEbus

eXtensuionsforInstrumentation,VME總線(xiàn)儀器擴(kuò)展）和PXI（PCIeXtensuionsforInstrumentation，PCI總線(xiàn)儀器擴(kuò)展）等四種。一、GPIB總線(xiàn)

GPIB是獨(dú)立儀器上的一種最通用的I/O接口，是專(zhuān)門(mén)為計(jì)算機(jī)與可編程儀器的連接而設(shè)計(jì)的。GPIB源于美國(guó)HP公司的HP-IB（惠普接口總線(xiàn)，1975年），最初的標(biāo)準(zhǔn)定義了總線(xiàn)的電氣、機(jī)械和功能規(guī)范以及軟件通訊協(xié)議。2003年發(fā)布最初規(guī)范的更新版本——IEEE488.1-2003，定義了一種高速數(shù)據(jù)傳輸模式。GPIB使用字位并行（8bits）、字節(jié)串行的異步通訊方式，數(shù)據(jù)傳送速率最高可達(dá)8Mbps。

GPIB儀器是由儀器本體、一塊GPIB接口卡和一個(gè)24腳（扁形接口插座）數(shù)字化并行總線(xiàn)組成，如圖4-8.并行總線(xiàn)由16根信號(hào)線(xiàn)盒8根接地返回線(xiàn)組成。臺(tái)式計(jì)算機(jī)連接器臺(tái)式計(jì)算機(jī)插卡筆記本電腦連接器筆記本電腦連插卡GPIB儀器圖4-8GPIB接口卡、連接器和GPIB儀器實(shí)例USB—GPIB轉(zhuǎn)換器 GPIB不是標(biāo)準(zhǔn)的IPC總線(xiàn)，IPC也不直接提供GPIB接口，故而從IPC到GPIB儀器的連接需要通過(guò)一個(gè)GPIB接口卡實(shí)現(xiàn)。常用的GPIB接口卡是基于標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線(xiàn)，可直接插入計(jì)算機(jī)的PCI插槽中；也可采用USB—GPIB轉(zhuǎn)換器，一端是與IPC連接的USB接口，另一端則是與儀器連接的GPIB接口。 GPIB儀器既可以獨(dú)立使用，又可以利用GPIB總線(xiàn)把可編程儀器與PC聯(lián)系起來(lái)，而且還可以用多臺(tái)儀器來(lái)構(gòu)建綜合參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。二、PCI總線(xiàn) 從1992年創(chuàng)立至今，PCI總線(xiàn)已成為事實(shí)上的計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)。PCI總線(xiàn)具有即插即用和中斷共享等優(yōu)點(diǎn)。圖4-9給出了利用PCI數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用實(shí)例。 從數(shù)據(jù)寬度來(lái)看，PCI總線(xiàn)有32bit和64bit之分；從總線(xiàn)速度來(lái)看，PCI總線(xiàn)有33MHz和66MHz之分。目前常用的是32bit@33MHz,其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100Mbps。改進(jìn)版PCI-X總線(xiàn)為64bit@133MHz，其數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)了1Gbps。ADCDACDigitalCntr/Timer圖4-9基于PCI數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制系統(tǒng)模擬I/O數(shù)字I/O時(shí)鐘控制 PCI的最新版本PCIExpress——PCle繼承了傳統(tǒng)PCI／PCI—X插卡的軟件優(yōu)勢(shì)，但把并行總線(xiàn)替換為高速串行總線(xiàn)。PCIe軟件模塊與PCI/PCI—X軟件模塊完全兼容，在不需要修改設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或操作系統(tǒng)的前提下，即可在任意的PCIe系統(tǒng)上啟動(dòng)、運(yùn)行PCI/PCI—X應(yīng)用程序。 在PCIe串行總線(xiàn)上的通訊，是以數(shù)據(jù)包的通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其單線(xiàn)單向數(shù)據(jù)的最高傳輸率可達(dá)6.4Gbps。

三、VXI總線(xiàn)

VXI在對(duì)VME（VersaModuleEurocard）總線(xiàn)進(jìn)行擴(kuò)展的同時(shí)，保留了VME系統(tǒng)的模塊化特點(diǎn)。與基于GPIB的疊堆式（Rack&Stack）儀器系統(tǒng)相比，VXI成功地減小了儀器系統(tǒng)的尺寸，并提高了系統(tǒng)的集成化水平，如圖4-10所示。VXI系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)傳輸率高（80Mbps）、信息吞吐量大、定時(shí)觸發(fā)和時(shí)間同步精確、以及系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。由于VXI系統(tǒng)不僅易于組建、使用靈活，而且有功能覆蓋面廣的各種插卡可資選用，因此，在組建中大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以及對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度、準(zhǔn)確度要求較高的場(chǎng)合，VXI系統(tǒng)有著其它總線(xiàn)系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。圖4-10VXI插卡和VXI機(jī)箱

現(xiàn)代流行的計(jì)算機(jī)總線(xiàn)不支持VXI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，所以不能充分利用計(jì)算機(jī)軟硬件優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致了VXI系統(tǒng)成本高，應(yīng)用受到限制。1997年9月，美國(guó)NI公司發(fā)布了一種全新的開(kāi)放性、模塊化儀器總線(xiàn)規(guī)范——PXI，它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線(xiàn)技術(shù)擴(kuò)展成適合于測(cè)量與控制應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，建立了一種新的儀器體系結(jié)構(gòu)。雖然，在結(jié)構(gòu)形式上，PXI與VXI總線(xiàn)類(lèi)似，如圖4-11所示，但PXI的核心是CompactPCI結(jié)構(gòu)和MicrosoftWindows軟件，它直接采用當(dāng)今主流計(jì)算機(jī)的PCI總線(xiàn)，在保留PCI總線(xiàn)與CompactPCI模塊結(jié)構(gòu)之全部?jī)?yōu)越性能的同時(shí)，增強(qiáng)了儀器必備的機(jī)械、電氣和軟件等方面的性能。四、PXI總線(xiàn)圖4-11PXI機(jī)箱、插卡及軟件界面 PXI的軟件結(jié)構(gòu)有四層：系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用程序、儀器驅(qū)動(dòng)程序和I/O接口。這種結(jié)構(gòu)可以使測(cè)試管理與程序的開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)捷，加之，PXI總線(xiàn)的機(jī)械、電氣和軟件特性是建立在PC的基礎(chǔ)之上的，是以熟悉PCI儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者，只需花很少的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，便可將PC的軟、硬件資源直接應(yīng)用于更堅(jiān)固的PXI系統(tǒng)中。4.5.4總線(xiàn)平臺(tái)的比較 基于GPIB總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)、VXI總線(xiàn)和PXI總線(xiàn)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ATS），它們因其所用總線(xiàn)的不同而各具不同的優(yōu)缺點(diǎn)，因而各有與之相適應(yīng)的應(yīng)用范圍。 GPIB儀器適合于實(shí)時(shí)性要求不太高，但測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合。GPIB儀器的不足之處是：GPIB接口的速度慢、系統(tǒng)體積大、總線(xiàn)傳輸距離較短，且當(dāng)同時(shí)使用多臺(tái)儀器時(shí)，需要增加額外的電路以來(lái)滿(mǎn)足同步觸發(fā)的需求。 PCI-ATS在性能、靈活性、易操作性和高性?xún)r(jià)比等方面具有優(yōu)勢(shì)。PCI數(shù)據(jù)采集與控制板卡具有與PC插卡相同的尺寸，將它直接插入PC的PCI總線(xiàn)插槽中，就可充分利用PC的資源來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、故障分析與診斷、或者過(guò)程控制等功能。 PCI-ATS的缺點(diǎn)是：缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間同步觸發(fā)線(xiàn)，抗干擾和電磁兼容性較差，且不能滿(mǎn)足大功率和高散熱率的應(yīng)用需求。除此之外，由于PC的插槽有限，難以容納大規(guī)模的模擬與數(shù)字通道。 利用VXI-板卡（主要用于多通道的數(shù)字信號(hào)的測(cè)量）與GPIB-臺(tái)式儀器（主要針對(duì)性能要求嚴(yán)格的射頻/微波信號(hào)測(cè)量）相結(jié)合來(lái)組建的ATS，是過(guò)去20年軍工企業(yè)普遍遵從的主流原則和典范。這與美國(guó)在90年代提倡采用流行商用儀器（Commer-cialOfftheShell，COTS）來(lái)構(gòu)建軍用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)有很大關(guān)系，它可以極大地降低整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的組建、開(kāi)發(fā)、維護(hù)、替換和升級(jí)的成本。 PXI-板卡與PCI-板卡完全兼容，因而在許多場(chǎng)合下，它們可以互相替代。不過(guò)，PXI-板卡的價(jià)格要高得多，性能也更加優(yōu)越。用戶(hù)如果打算將現(xiàn)有的PCI-ATS轉(zhuǎn)向PXI-ATS，則只需增加PXI機(jī)箱及部分硬件投資，原有的軟件不加任何修改即可在PXI-ATS上運(yùn)行。同時(shí)，由于PXI規(guī)范了機(jī)箱內(nèi)部器件的工作環(huán)境，并擁有比PC更多的擴(kuò)展槽，因此，PXI-ATS可在更惡劣環(huán)境下正常工作，其應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛。 不同的測(cè)試任務(wù)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)有不同的要求，基于任何一種總線(xiàn)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)都不可能涵蓋所有的測(cè)試需求。大體而言，GPIB-ATS適用于獨(dú)立儀器應(yīng)用廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，如電子技術(shù)領(lǐng)域；PCI-ATS通常適用于實(shí)時(shí)性和精度要求不太高的過(guò)程控制、教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的常規(guī)測(cè)試；PXI-ATS適合于一般要求的工業(yè)系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試；VXI-ATS適用于速度高、頻帶寬、數(shù)據(jù)流大的自動(dòng)測(cè)試，尤其適用于武器裝備系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試。4.6局域網(wǎng)通訊系統(tǒng) 前面介紹的三種主要的測(cè)試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（GPIB、VXI和PXI）存在如下問(wèn)題：

GPIB:

雖然GPIB是一種傳統(tǒng)和應(yīng)用最為廣泛的儀器總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，但它的數(shù)據(jù)傳輸率要比其它體系結(jié)構(gòu)慢得多，且最多只能外接14臺(tái)儀器，還必須在IPC中安裝接口卡，需要昂貴的外接電纜。

VXI:

這種體系結(jié)構(gòu)需要配置昂貴的機(jī)箱、0槽控制器和專(zhuān)用接口。

PXI:

除了需要與VXI類(lèi)似的經(jīng)費(fèi)投入外，PXI的尺寸、功率和EMI問(wèn)題也限制了此類(lèi)PC插卡儀器的應(yīng)用范圍。

隨著局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）普及應(yīng)用，安捷倫和VXI技術(shù)公司率先利用LAN技術(shù)對(duì)儀器進(jìn)行擴(kuò)展——LXI（LANeXtensionforInstrumentation，局域網(wǎng)儀器擴(kuò)展），它包括經(jīng)典的臺(tái)式儀器（ClassicInstrument），無(wú)面板模塊化儀器（ModularInstrument）和合成儀器(SyntheticInstrument，SI)。 隨著LXI儀器的持續(xù)增長(zhǎng)，用戶(hù)將在基于GPIB、PXI和VXI的測(cè)試系