第五章 计算机测试技术

本章学习要求：

1. 了解智能传感器的构成和工作原理

2. 了解虚拟仪器的构成和工作原理及开发平台

3. 了解计算机数据采集系统案例

近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实验研究产生了深远影响，是仪器设计的里程碑。智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实验研究产生了深远影响，是仪器设计的里程碑。

智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实验研究产生了深远影响，是仪器设计的里程碑。

5.1 智能传感器

什么是智能传感器？

智能传感器是利用微机技术使传感器智能化，是一种带微处理器的兼有检测和信息处理的传感器。分布式智能的基本前提是，在适当位置和时间拥有有关系统、子系统或组件的状态的全部知识，以进行“最优的”过程控制决策。对于一种真正的‘智能’（机器视觉）传感器，它应该不需要使用者懂得机器视觉。除了满足最基本应用的反馈信号，‘智能’传感器必须能传输其它信息。必须首先能监视自身及周围的环境，然后再决定是否对变化进行自动补偿或对相关人员发出警告。

智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量 ( 或检测 )仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用 ( 表现为智能的延伸或加强等 ) 。1984 年 我国仪器学会成立“自动测试与智能仪器专业学组”；1986 年 IMEKO( 国际测量联合会 ) 以“智能仪器”为主题召开了专门的讨论会；1988 年 IFAC ( 国际自动控制联合会 ) 的理事会正式确定“智能元件及仪器”。

仪器仪表是：仪器仪表是：国民经济的“倍增器” 国民经济的“倍增器” 科学研究的“先行官” 科学研究的“先行官” 现代战争的“战斗力” 现代战争的“战斗力” 法庭审判的“物化法官”法庭审判的“物化法官”科学仪器是信息的源头科学仪器产业是信息产业

门捷列夫：“科学是从测量开始的” 钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术是关键和基础”王大珩：王大珩：“能不能创造高水平的科学仪器和设备体“能不能创造高水平的科学仪器和设备体现了一个民族、一个国家的创新能力。发展科学仪现了一个民族、一个国家的创新能力。发展科学仪器设备应当视为国家战略”器设备应当视为国家战略”

英国著名科学家 H.Pavy 曾经明确指出：“ Nothing begets good science like development of a good instrument”（发展一种好的仪器对于一门科学的贡献超过了任何其他事情）美国能源部杰出科学家 R. F. Hirsch 博士在最近一篇获奖演说中指出：“由新工具开创的科学新方向远比由新概念开创的科学新方向要多。由概念驱动的革命影响是用新概念去阐明旧事物。而由工具驱动的革命影响是去发现需要阐明的新事物”

智能仪器四个层次

智能人工智能

趋势

模型化系统辨识、模式识别

初级智能计算机、信号处理

电子、传感、测量

兼容

聪敏仪器类

初级智能仪器类

模型化智能仪器类

高级智能仪器类

1. 分类

智能仪器的分类、基本结构与特点

兼容

趋势

智能仪器四个层次

智能仪器的基本结构 其结构可有两种基本类型：

　　●微机内嵌式　　 ●微机扩展式

将单片或多片的微机芯片与仪器有机地结合在一起形成的单机。

以个人计算机 (PC) 为核心的应用扩展型测量仪器。个人计算机仪器 (PCI) 或称微机卡式仪器。

单片机或DSP

RAM 、EPROMI/O 接口

D/A

A/D

外部通信

RS232USB

打印机

键盘、开关、显示器

传感器

电量

非电量

内嵌微处理器智能仪器的基本结构

输入通道

输出通道

个人仪器结构图

普通台式 PCI

工控机 PCI

笔记本 PCI

推动智能仪器发展的主要技术

传感器技术 A/D 等新器件的发展将显著增强仪器的 功能与测量范围 单片机 DSP 的广泛应用 ASIC、 FPGA／ CPLD 技术 LabVlEW 等图形化软件技术 网络与通信技术

虚拟仪器是利用软件在标准计算机屏幕上构建虚拟的仪器面板，在系统硬件的支持下对现场信息进行采样；在离

5.2 虚拟仪器定义

线条件下，用软件处理得到测量结果。

仪器定义和功能的转变

传统仪器 : 厂商定义

虚拟仪器 : 用户定义

DISPLAY AND

CONTROL

用户定义虚拟仪器的优点：

费用

性能

• 用户定义• 低费用• 灵活• 可再用性• 可重新配置

4.常用虚拟仪器板卡

DAQ Card

IMAQ CardField Point

Motion Control Card

虚拟仪器的组成

PXIVXI

GPIB

DAQIMAQ

Motion

硬件板卡软件

程序解决方案

软件驱动模块

常见的虚拟仪器软件平台

LabViewAgilent VEE

DASYLab DirectView ProcessControl

虚拟仪器案例

虚拟仪器图形控件设计简介

80

0

绘图过程分解：

设计样例： x=120y=70Fillbar x,y,140,120,10904646Arc x+70,y+100-15,80,45,135,14Fillcircle x+70,y+90,4,14Line x+70,y+100-10,x+14,y+27,14Line x+70,y+100-10,x+127,y+27,14Line x+70,y+5,x+70,y+15,14Textout x+30,y+70,15,"-50"Textout x+90,y+70,15,"50"Textout x+35,y+100,15," 数字电压表 "Line x,y,x+140,y,15Line x,y,x,y+120,15Line x+140,y,x+140,y+120,8Line x,y+120,x+140,y+120,8Line x+70,y+100-10,x+100,y+20,12Line x+71,y+100-10,x+100,y+20,12Line x+69,y+100-10,x+100,y+20,12

-50 50

数字电压表

计算机技术的进步计算机技术的进步

芯片芯片

硬件硬件

软件软件

网络网络 LANsLANsLANsLANs InternetInternetInternetInternet

总线总线 ATATATAT

催生虚拟仪器的土壤

虚拟仪器技术的优点VI 传统仪器

软件使得开发与维护费用降至最低 开发与维护开销高

技术更新周期短 (1～ 2 年 ) 技术更新周期长 (5～ 10年 )

关键是软件 关键是硬件

价格低、可复用与可重配置性强 价格昂贵

用户定义仪器功能 厂商定义仪器功能

开放、灵活，计算机技术同步发展 封闭、固定

与网络及其它周边设备互联 功能单一的独立设备

5.3 自动数据采集系统表 1 某坦克装甲车辆工况参数表

序号 所测参数 测量部位和测点数

1 温度 12 排气管道 2 ；机油和冷却液 4 ；空气滤进、出口 2 ；散热器进、出口 4

2 压力 6 机油和冷却液 2 ；车内气压 1 ；进排气压 2 ；燃油压力 1

3 转速和扭矩 8 发动机输出轴 1 ；变速箱输入输出轴 3 ；传动箱输入输出轴 1 ；主动轮轴 2 ；风扇轴 1

4 应力应变 17 扭力轴 6 ；平衡肘 6 ；传动箱体 1 ；车体受力部件 4

5 流量 7 燃油和冷却液 2 ；润滑系 2 ；散热器进出口 3

5 流量 7 燃油和冷却液 2 ；润滑系 2 ；散热器进出口 3

6 振动加速度 26 负重轮轴 6 ；发动机体 1 ；发动机座 2 ；传动部件 2 ；排气管 1 ；车内底甲板 6 ；车体顶部 6；仪器支架 2

7 车体姿态 2 2

8 角位移 6 扭力轴 6

9 力 4 操纵杆力 2 ；制动踏板 1 ；牵引钩 1

10 噪声 2 车内声级 2 ；车内声谱 1

被测被测对象对象

传感器传感器 信号信号调理调理

信号信号采集采集

数据数据处理处理

反馈反馈控制控制

传感技术非电量测量…

电路基础电子技术高频电子线路…

自动控制…

电子测量原理单片机微机原理智能仪器设计…

信号与系统数字信号处理误差理论与数据处理计算机基础工程软件程序设计…

自动测试系统

发动机导弹雷达汽车…

自动数据采集系统 自动数据采集系统基本组成； 自动数据采集系统结构形式； 自动数据采集系统的主要技术指标。

自动数据采集系统结构

自动数据采集系统的主要技术指标1. 通道数2. 数据采集速度（系统最高重复采样率、单通道最

高重复采样率）3. 分辨率与精度 (A/D 转换器位数 )

自动数据采集系统应用

激光三座标测量，快速成形技术，全自动加工流水

线

全自动发动机台架试验（运行曲线、时间、记录、

显示、打印``````），无人驾驶飞机，无人机舱，核电

站数据采集和控制系统等

工业应用机械控制

机械检测

数据采集与控制

振动监控

机械状况检测

数据记录与分析

人与机械接口 (HMI)Human-Machine Interface

维修

过程监视与控制

电力监控

测试系统

汽油机电控系统