作者：张重雄
出版社：电子工业出版社
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现代测试技术与系统(第2版)试读：
前言
测试是人类认识和改造客观世界的一种必不可少的重要手段，测试技术是推动科学技术发展的基础技术。近几年来，随着计算机技术、电子技术、仪器仪表技术和总线技术的迅速发展，测试技术所涵盖的内容更加深刻、更加广泛，以此为基础的现代测试系统的设计水平快速提高。现代测试系统被广泛应用于科学研究、国防试验、经济建设的各个领域，测试技术在国家现代化建设中起着越来越重要的作用。
本书的第1版自2010年出版以来，得到了读者的鼓励与鞭策，并提出了许多宝贵意见，编者十分感谢。同时，本书2014年被评为“工业和信息化部‘十二五’规划教材”。本次再版结合现代测试技术的最新发展，在内容方面进行了相应的增删，并对第1版中出现的印刷错误进行了修订。
现代测试系统以计算机为核心，采用标准总线，由标准的测试模块、仪器设备、程控电源、矩阵开关及必要的专用接口组建而成。本次再版以总线分类为依据，介绍了基于不同总线所组成的测试系统，主要包括PC-DAQ测试系统、GPIB总线测试系统、VXI总线测试系统、PXI总线测试系统、LXI总线测试系统，同时还对利用虚拟仪器技术设计现代测试系统的方法进行了介绍。本书对现代测试系统的体系结构、总线规范、虚拟仪器技术等方面做了详细的论述，并给出了测试系统的设计实例，其目的是通过理论与实例结合的方式，深入浅出地介绍现代测试系统的设计方法和技巧。
本书共分7章。第1章简要介绍了测试技术与测试系统的基本概念。第2章讲述了PC-DAQ测试系统的结构形式、数据采集与控制接口的设计技术，并通过工程实例，介绍了PC-DAQ测试系统组建方法。第3章介绍了GPIB总线结构、接口功能、接口消息、接口设计和GPIB测试系统的组建方法。第4章介绍了VXI总线系统的组成结构、总线组成、器件及通信协议、系统资源、接口设计和VXI总线测试系统组建实例。第5章介绍了PXI总线规范、PXI系统结构和PXI总线测试系统的组建方法。第6章介绍LXI总线规范、LXI总线仪器模块的构成和LXI总线测试系统组建实例。第7章以美国国家仪器公司推出的LabVIEW 2012图形化编程语言为虚拟仪器开发平台，介绍了虚拟仪器的原理与设计方法，并结合实例介绍了虚拟仪器技术在现代测试系统设计中的应用。
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本书在编写过程中，南京理工大学的朱晓华教授对书稿进行了详尽的审阅，提出了许多宝贵意见。南京理工大学电子工程系的老师们对本书的编写给予了大力的支持与帮助。在此，谨向他们表示最诚挚的谢意。
由于现代测试技术发展迅速，应用广泛，限于编者水平，错误在所难免，欢迎读者批评指正。编者2014年8月
第1章 绪论
测试是人类认识和改造客观世界的一种必不可少的重要手段，测试技术是推动科学技术发展的基础技术。本章主要介绍测试与测试技术的基本概念、现代测试系统的分类和典型结构、现代测试系统的特点与应用及现代测试技术的发展趋势。
1.1 测试技术
人类对自然界的一切认识与改造均离不开获取自然界的信息，因此获取信息的活动是人类最基本的活动之一。
在日常生活中，人们可以凭借感觉器官获取满足日常生活中的大量信息，但是在浩瀚的科学技术领域中，要想获取足以揭示事物内在规律的信息，无论是在获取信息的幅度上，还是在获取信息的时间、空间上，或在分辨信息的能力方面，我们的感觉器官和大脑的功能都是十分有限的。正是基于这样的背景，测试作为定量获取事物信息的一种手段应运而生，并成为当代科学技术研究的一个重要领域。
所谓测试，就是指用实验的方法，借助一定的仪器或设备，定量获取某种研究对象原始信息的过程。测试包含着测量和试验两个内容。测量，就是把被测系统中的某种信息，如运动物体的位移、速度、加速度检测出来，并加以量度；试验，就是指通过某种人为的方法，借助于专门的装置，把被测系统所存在的某种信息激发出来进行测量。试验与测量技术是紧密相连的，试验离不开测量。在各类试验中，需通过测量取得定性定量数值，以确定试验结果；而测量是随着产品试验的阶段而划分的，不同阶段的试验内容具有相对应的测量设备和系统，用以完成试验数值、状态、特性的获取，以及传输、分析、处理、显示、报警等功能。
测试技术是信息科学的源头和重要组成部分，是进行各种科学实验的研究和生产过程参数的检测等必不可少的手段。通过测试可以揭示事物的内在联系和发展规律，从而去利用它和改造它，推动科学技术的发展。科学要发展，测试须先行。科学技术的发展历史表明，科学上很多新的发现和突破都是以测试为基础的，同时，其他领域科学技术的发展和进步又为测试提供了新的方法和装备，促进了测试技术的发展。
现代测试技术具有如下特点。（1）被测参数种类多，覆盖面宽
被测参数的种类从大的方面分，有热工量、机械量、电学量、时间量、生物量和医学量等。
现代科学技术要求测试技术能够测试被测对象的全部特征参数。例如，在大型飞机的研制过程中，为了通过试飞了解飞机的整机性能和各分系统性能及操稳品质，试飞测量参数就多达10000多个。在我国第一个月球探测器嫦娥一号卫星的研制过程中，为了实现奔月轨道的高精度控制，就要对嫦娥一号的结构分系统、测控数传分系统、GNC（制导、导航、控制）分系统、推进分系统、供配电分系统、热控分系统、星上数管分系统、有效载荷分系统等进行多次地面测试仿真。
被测参数的覆盖是指其数值范围。如现代测试技术中的频率量范-612围可以从10～10Hz，跨越18个数量级以上。当然，不能要求同一台仪器在这样宽的频率范围内工作，通常是根据不同的工作频段，采用不同的测量原理和使用不同的测量仪器。（2）被测点数多
为了能全面掌握被测对象的综合特性和不同参数之间的联系并提高效益，希望从每次试验中得到尽可能多的信息。为此，在一次试验中不仅要测多个不同的参数，而同一参数的被测点也往往不止一个。例如，在爆炸试验中，不仅希望能测出爆炸过程的爆速、爆温、爆热、爆压、爆炸冲击波压力及传播速度、爆炸生成物成分及变化情况，还希望测出爆炸对地貌、地物和环境造成的各种影响的参数，这就需要在不同的方位和距离上测量同一参数，因此测量的点数往往比被测参数的数目要大许多倍。（3）数据量大
由于被测量种类多，测点多，而且往往要在不同的条件下测试多次，所以测试的数据量很大。一些大型试验一次的测试数据量往往要以万计，有时甚至多达几十、几百万。（4）被测信号微弱，测量精度要求高
对微弱信号的高精度测量是测试技术的一个基本任务。目前，传感器的输出电平一般在微伏或毫伏量级，并且干扰因素又比较多，输入信噪比一般较低。例如，在应变测量中，5～10με产生的电信号为10～20μV，热电偶的灵敏度一般是几个mV/C°或更低些。然而科学实验要求以很高的精度测出这些参数及其变化情况。如果测量不精确，测量误差对最后实验结果将影响很大，从而影响到数据的可信性，甚至导致错误的结论，产生严重的后果。（5）测试速度快
对于多参数、多点、大数据量的测试要求，无论是在测试速度方面，还是在测试结果的处理方面和传输方面，都要以极高的速度进行。这也是现代测试技术广泛用于现代科技各个领域的重要原因。例如，神州十号飞船的发射、运行与返回舱返回地面，如果没有快速、自动的测量与控制则是无法想象的。（6）测试自动化
随着计算机技术，尤其是功耗低、体积小、处理速度快、可靠性高的微型计算机技术的快速发展，给测试自动化的实现奠定了基础。实现测试自动化，既可以大大缩短试验周期和提高效率，也有利于提高测试的质量。另外，由于存在一些被测过程时间短、反应快、产生很高的温度和压力情况，甚至还可能产生危及人身安全的爆炸、放射性辐射和强冲击波及其他有毒有害物质，或者是测试环境特别恶劣，这时只能借助于自动测试来完成测量任务了。测试自动化是以测试系统实现测量、控制和处理一体化为前提的。
1.2 现代测试系统
测试技术是解决测试的方法和手段问题的一门科学。在完成每一项具体测试任务时，从获取被测对象或过程中的参数信息到完成整个测试任务，不仅需要有相应的器材、设备和仪器，还需要研究如何把它们构成一个既有效又经济的整体，以保证任务的完成。通常把能够完成某项测试任务而按某种规则有机构造的、互相连接起来的一套测试仪器（设备）称为测试系统。严格来讲，测试系统是包括仪器系统、测试人员、测试对象及环境等测试行为有关和全部因素在内的整体。然而，习惯上测试系统仅指仪器系统这一部分。
所谓现代测试系统是指具有自动化、智能化、可编程化等功能的测试系统。1.2.1 现代测试系统的分类
现代测试系统主要有3大类：智能仪器、自动测试系统和虚拟仪器。智能仪器和自动测试系统的区别在于它们所用的微型计算机是否与仪器测量部分融合在一起，也就是看是采用专门设计的微处理器、存储器、接口芯片组成的系统（智能仪器），还是用现成的PC配以一定的硬件及仪器测量部分组合而成的系统（自动测试系统）。虚拟仪器与智能仪器和自动测试系统的最大区别在于它将测试仪器软件化和模块化了。这些软件化和模块化的仪器与计算机结合便构成了虚拟仪器。
1.智能仪器
所谓智能仪器是指包含有微型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。智能仪器的典型结构如图1.1所示。图1.1 智能仪器的典型结构
智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，它所具有的软件功能已使仪器呈现出某种智能作用，与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下特点。
① 操作自动化。仪器的整个测量过程（如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等）都用单片机或微控制器来控制操作，实现了测量过程的全部自动化。
② 具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪器能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。
③ 具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，故使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题现在可以用软件非常灵活地加以解决了。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压和电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅将用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。
④ 具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替了传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。⑤ 具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB、RS-232C、RS-485等标准的通信接口，可以很方便地与PC和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，以完成更复杂的测试任务。
2.自动测试系统
自动测试系统（Automatic Test System，ATS）指的是以计算机为核心，在程序控制下，自动完成特定测试任务的仪器系统。自动测试系统的发展大致可分为3个阶段，即专用型、积木型和模块化集成型。（1）第一代自动测试系统
第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。它主要用于测试工作量很大的重复测试，还可用于高可靠性的复杂测试，或者用来提高测试速度，在短时间内完成规定的测试，或者用于人员难以进入的恶劣环境的测试。第一代自动测试系统是从人工测试向自动测试迈出的重要一步，是本质上的进步，它在测试功能、性能、测试速度、效率及使用方便等方面明显优于人工测试，使用这类系统能够完成一些人工测试无法完成的任务。
第一代自动测试系统的缺点突出表现在接口及标准化方面。在组建这类系统时，设计者要自行解决系统中仪器与仪器、仪器与计算机之间的接口问题。当系统较为复杂时，研制工作量很大，组建系统的时间增长，研制费用增加。而且由于这类系统是针对特定的被测对象而研制的，系统的适用性较弱，所以改变测试内容往往需要重新设计电路。造成这种结果的根本原因是其接口不具备通用性。由于在这类系统的研制过程中，接口设计、仪器设备选择方面的工作都是由系统的研制者各自单独进行的，系统的设计者并未充分考虑所选仪器、设备的复用性、通用性和互换性问题，所以第一代测试系统通用性比较差。（2）第二代自动测试系统
第二代自动测试系统是在标准的接口总线（General Purpose Interface Bus，GPIB）的基础上，以积木方式组建的系统。系统中的各个设备（计算机、可程控仪器、可程控开关等）均为台式设备，每台设备都配有符合接口标准的接口电路。组装该系统时，可用标准的接口总线电缆将系统所含的各台设备连在一起。这种系统组建方便，一般不需要用户自己设计接口电路。由于组建系统时的积木式的特点，使得这类系统的更改、增减测试内容很灵活，而且设备资源的复用性好。系统中的通用仪器（如数字多用表、信号发生器、示波器等）既可作为自动测试系统中的设备使用，也可作为独立的仪器使用。应用一些基本的通用智能仪器，可以在不同时期，针对不同的要求，灵活地组建不同的自动测试系统。
目前，组建这类自动测试系统普遍采用的接口总线为可程控仪器的通用接口总线GPIB（在美国也称此总线为IEEE488，HPIB）。采用GPIB总线组建的自动测试系统特别适合于科学研究或武器装备研制过程中的各种试验、验证测试，这种系统已广泛应用于工业、交通、航空航天、核设备研制等多种领域。
基于GPIB总线的第二代自动测试系统的主要缺点表现为以下方面。
① 总线的传输速度不够高（最大传输速率为1MByte/s），很难以此总线为基础组建高速、数据吞吐量大的自动测试系统。
② 这类系统是由一些独立的台式仪器用GPIB电缆串接组建而成的，系统中的每台仪器都有自己的机箱、电源、显示面板、控制开关等，从系统角度看，这些机箱、电源、面板、开关大部分都是重复配置的，阻碍了系统的体积、质量的进一步降低。因此，以GPIB总线为基础，按积木方式难以组建体积小、质量轻的自动测试系统。（3）第三代自动测试系统
第三代自动测试系统是基于VXI，PXI等测试总线，主要由模块化的仪器/设备所组成的自动测试系统。VXI（VMEbus eXtension for Instrumentation）总线是VME（Versabus Module European）计算机总线标准向仪器领域的扩展，具有高达40MByte/s的数据传输速率。PXI（PCI eXtension for Instrumentation）总线是PCI（Peripheral Component Interconnect）总线向仪器领域的扩展，其数据传输速率为132～264MByte/s。以这些种总线为基础，可组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。
在VXI，PXI总线系统中，仪器、设备或嵌入式计算机均以VXI，PXI总线插卡的形式出现，系统中所采用的众多模块化仪器/设备均插入带有VXI，PXI总线插座、插槽、电源的VXI，PXI总线机箱中，仪器的显示面板及操作用统一的计算机显示屏以软面板的形式来实现，从而避免了系统中各仪器、设备在机箱、电源、面板、开关等方面的重复配置，大大减小了整个系统的体积、质量，并能在一定程度上节约成本。
基于VXI，PXI等先进的总线，由模块化的仪器/设备所组成的自动测试系统具有数据传输速率高、数据吞吐量大、体积小、质量轻，系统组建灵活，扩展容易，资源复用性好，标准化程度高等众多优点，是当前自动测试系统的主流组建方案。
自动测试系统是计算机技术、通信技术同测试技术相结合的产物，计算机技术与测试技术以不同的形式相结合，可以构造不同结构的自动测试系统。常见的自动测试系统一般由测试控制器、可程控测试仪器、标准数字接口总线、测试软件等组成。测试控制器能够通过接口线向其他设备发送测试操作命令，并接收其他设备发回的响应数据。测试控制器通常还具有测试数据分析、处理能力。测试控制器是自动测试系统的核心，多由特定的计算机担任，也称测控计算机；可程控测试仪器是为完成特定测试任务而选择的测试设备的总称，包括激励设备和测量设备等。可程控设备可能是独立的单机仪器，如示波器、信号源、频率计；也可能是插入机箱中的测试功能模块，如VXI数据采集模块、PXI示波器模块等；接口总线是实现测试控制器与测试仪器连接、通信的物理手段，是测试控制器和测试仪器之间进行有效通信的重要环节；测试软件通常包括操作系统、测试开发工具和测试应用程序等。测控计算机通过执行测试程序，才能实行对测试设备的操作控制，实施数据处理分析，最终得出测试结果，完成特定的测试任务。
典型的自动测试系统组成结构如图1.2所示。测控计算机通过MXI-3（Multisystem eXtension Interface）接口连接PXI系统和VXI系统，PXI系统中的GPIB接口还可以用来连接GPIB仪器，构建成多总线混合自动测试系统。图1.2 典型的自动测试系统组成结构
3.虚拟仪器
虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器是现代仪器技术与计算机技术相结合的产物，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继模拟式仪器、数字式仪器、智能化仪器之后的新一代仪器。虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。硬件是虚拟仪器工作的基础，由计算机和I/O接口设备组成。软件是虚拟仪器的关键，通过运行在计算机上的软件，一方面实现虚拟仪器图形化仪器界面，给用户提供一个检验仪器通信、设置仪器参数、修改仪器操作和实现仪器功能的人机接口；另一方面使计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的分析，完成数据的输入、存储、综合分析和输出等功能。虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统。虚拟仪器的组成结构如图1.3所示。图1.3 虚拟仪器的组成结构1.2.2 现代测试系统的体系结构
现代测试系统是计算机技术、数字信号处理技术、自动控制技术同测量技术相结合的产物。从硬件平台结构来看，现代测试系统有以下两种基本类型。（1）以单片机或微处理器为核心组成的内嵌微处理器测试系统
内嵌微处理器测试系统的结构如图1.4所示。
被测信号经过传感器及调理电路输入到A/D转换器中，再由A/D转换器将模拟输入信号转换为数字信号并送入CPU系统中进行分析处理。图1.4 内嵌微处理器测试系统的结构
输出通道包括D/A转换器、RS-232外部通信接口等。其中D/A转换器会将CPU系统输出的数字信号转换为模拟信号，用于外部设备的控制。
CPU系统包含输入键盘和输出显示接口等，一般较复杂的系统还需要扩展程序存储器和数据存储器，当系统较小时，最好选用带有程序、数据存储器的CPU，甚至带有A/D转换器和D/A转换器的微处理器芯片，以便简化硬件系统设计。CPU可选用单片机、DSP或其他微处理器。（2）以个人计算机为核心的个人仪器测试系统
个人仪器测试系统结构框图如图1.5所示。图1.5 个人仪器测试系统结构框图
在这种测试系统的组建方法中，具有测量功能的模块或仪器卡是直接与个人计算机的系统总线连接的。连接时模块或仪器卡既可以插在计算机内的接口槽上，也可插在计算机外部专用的仪器板卡架上或专用机箱内。个人仪器的各种测量功能都是由在个人计算机上开发的测试应用程序来实现的。
典型的基于VXI模块化仪器的个人仪器测试系统如图1.6所示。VXI测试系统的最小物理单元是仪器模块，仪器模块的机械载体是VXI标准机箱。标准机箱后备板装有VXI总线信号线和连接器插座，插入标准机箱的模块连接器插头与背板插座连接。标准机箱背板信号线作为机箱内各个模块间的互连总线使用。这样就组成了“个人计算机+标准机箱+模块”形式的个人仪器测试系统。图1.6 典型的基于VXI模块化仪器的个人仪器测试系统
在用个人仪器组建的测试系统中，可以去掉一些不必要的硬件，充分利用个人计算机的软、硬件资源。在这种情况下，不同功能的仪器仅体现测量模块及其软件的不同，而仪器不再以传统的独立形态出现了，从而提高了系统的设计效率。1.2.3 现代测试系统的特点
计算机技术日新月异的发展以及高速度、高精度A/D转换器的发展，将测试技术推向一个新的发展阶段。以计算机为核心组成的测试系统，使得数据采集、处理和控制融为了一体。现代测试系统与传统测试系统相比，具有以下特点。（1）测试速度快、效率高
能够进行快速测试是现代测试系统的一个基本指标。随着电子技术的发展，电子产品日渐复杂，性能也相应提高，导致测试项目增多，而且其中有些项目的测试难以用人工来完成。采用现代测试系统，各种测试过程可在计算机事先编好的程序控制下自动进行，能够很快地完成测试任务，其测试速度可比常规人工测试快几十倍甚至几百倍，从而大大节省了时间和人力。（2）测试精度高、性能好
现代测试系统可利用计算机的功能（特别是软件功能）进行自动校准、自选量程、自动调整测试点、自动检测系统误差并对各种因素引入的测量误差进行修正。这些特点决定了它具有以往简单测试仪器所没有的极高性能。（3）设计制造容易，操作简单，维修方便，可靠性高
在利用计算机为核心组建的现代测试系统中，可以用软件代替许多惯用的硬件，使测试系统的结构简化，从而缩短设计和研制时间。目前，由于微处理器、微型计算机和大规模集成电路的发展，其可靠性日益提高，售价逐渐降低，使测试系统的硬件不断改进和减少，可靠性大大提高，成本也大大降低。另外，采用模块仪器组建和设计系统时，维修也十分简便。
1.3 现代测试技术的应用
测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数的检测等必不可少的手段，正如培根所说“科学是建立在试验的基础上的”。随着近代科学技术，特别是信息科学、材料科学、微电子技术和计算机技术的迅速发展，测试技术所涵盖的内容更加深刻、更加广泛。现代人类的社会生产、生活和科学研究都与测试技术息息相关。各个科学领域，特别是生物、海洋、航天、航空、气象、地质、通信、控制、机械和电子等，都离不开测试技术，测试技术在这些领域中起着越来越重要的作用。
现代测试技术的几个典型应用领域如下。（1）产品质量的检定
产品质量是生产者关注的首要问题，对于产品的零件、组件、部件及整体的各个环节，都必须进行性能质量测量和出厂检验。
例如，发动机是汽车的主要组成部件，是车辆行驶的动力来源。由于它的结构复杂、零件多、工作条件恶劣，运行中易出现故障，所以为了保证质量，出厂前对每台机器都要在一定的工况（油门）下，对其温度、压力、功耗、转速、振动等指标进行测试。又如压缩机是冰箱的关键部件，占冰箱成本的20%以上，其性能的好坏直接影响冰箱的质量，因此，压缩机生产厂家在压缩机出厂前都要对其进行严格检测，检测项目以规定工况下的制冷量为主，其他检测项目还包括压缩机功率、电流、电压、电源频率、转速、主绕组温升、机壳温度、启动电流等。（2）生产过程的监视与控制
在生产过程中通过测试与运行条件有关的物理量，可确保生产的正常运行。例如，焦炉是焦化厂最主要的生产装置之一，在整个焦炉生产工艺过程中，焦炉集气管压力是焦炉正常生产、减少环境污染的重要参数，它受风机出口压力、外供煤气压力、煤气发生量等多种参数影响较大。因此，为了保证焦化生产的正常进行，提高产品质量，减少环境污染，就需要对焦化厂生产过程中的温度、压力、流量等工艺参数进行监测，对检测结果进行实时分析与处理，并将分析结果反馈给生产设备控制装置，对集气管压力进行自动调节。（3）故障诊断
故障诊断是设备性能检测与维护的重要手段。故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息，结合已有的特性和参数，判断确定故障性质、类别，指出故障发生和发展的趋势及后果，提出控制故障继续发展和消除故障的措施。例如，石油、化工、冶金等工业生产中，大型传动机械、压缩机、风机、反应塔罐、炉体等关键设备一旦因故障停止工作，将导致整个生产停顿，造成巨大的经济损失。因此，在这些设备的运行状态下，人们需要通过测试的方法，了解和掌握其内部状况，对设备的内部状况做出诊断，安排好维修的方式、时间和所需准备的零部件等，确保设备运行的可靠性、实时性和有效性。（4）科学研究
科技要发展，测试须先行。在科学研究中，需要对研究方案、设计的电路或系统等进行反复的测试与论证，用测试数据来确定方案、电路或系统的正确与否。例如，在卫星的研制过程中，测试是十分重要的工作，贯穿整个研究过程。从方案论证到发射全过程，它根据测试性质可分为仿真测试和实物测试；根据研制阶段可分为模样测试、初样测试、正样测试等；根据测试对象可分为单机测试和整机测试；根据场合可分为研制厂房测试、技术阵地测试、发射阵地测试等。另外还有考核卫星各种力、热、电磁等方面的测试。灵活、通用的测试系统，可极大地提高卫星的研制效率。（5）国防电子装备测试
现代测试系统在各个电子领域都有着非常迫切的需要，尤其是航空、航天及武器装备等军事电子领域。随着武器装备的信息化发展，新型武器装备都采用了大量的电子和信息技术，而使装备经常处于良好战备状态，是保持和恢复装备战斗力的重要手段。因此，只有充分利用先进的计算机技术、网络技术、测试技术和故障诊断技术来构建自动化的综合保障系统，实现武器装备测试、维修和保障的综合化，才能提高维修保障效率。现代测试系统已经成为武器装备体系中不可或缺的组成部分。
1.4 现代测试技术的发展趋势
现代测试技术的发展和其他科学技术的发展相辅相成。测试技术既是促进科技发展的重要技术，又是科学技术发展的结果。现代科学技术的发展不断地向测试技术提出新的要求，推动测试技术的进步；与此同时，测试技术迅速吸收和综合各个科技领域（如物理学、化学、材料科学、微电子学、计算机科学等）的新成就，不断开发出新的方法和装置。大致来说，现代测试技术将朝如下几个方向发展。（1）先进的总线技术
总线是所有测试系统的基础和关键技术，是系统标准化、模块化、组合化的根本条件，总线的能力直接影响测试系统的总体水平。在现代测试系统的发展过程中，最能代表现代测试系统结构体系变化和发展的是所采用的总线形式，从某种程度上讲，若测试仪器没有开放、标准的总线接口，就不可能有现代测试系统的诞生，总线形式已成为现代测试系统发展的重要标志。因此，研究和开发总线系统是设计、研制开放式体系结构的核心任务，也是测试系统技术研究的关键技术。目前，现代测试系统广为采用的是GPIB，VXI，PXI，未来必将采用GPIB/VXI/PXI/LXI混合总线。（2）硬件设计向着模块化、系列化和标准化方向发展
开放式、标准化的体系结构是现代测试系统发展的主要趋势。在硬件设计方面，加强模块化、标准化设计，采取开放式的硬件架构，可使测试系统的组建方便灵活，可更好地实现可互换性和互操作性。而模块式结构将使测试系统体积减小、速度提高，从而使测试系统的小型化实现成为可能。（3）网络化测试技术
随着计算机、通信技术和网络技术的不断发展，一种涵盖范围更宽、应用领域更广的全新现代测试技术——网络化测试技术迅速发展起来了。具备网络化测试技术与网络功能的新型仪器——LXI总线仪器应运而生，使得测试技术的现场化、远程化、网络化成为可能。由于LXI基于开放的以太网技术，不受带宽、软件和计算机背板总线等的限制，故其覆盖范围宽、继承性能好、生命周期长、成本也低，具有广阔的发展应用前景。LXI是现代测试系统未来理想的模块化仪器平台。
现代测试系统经过几十年的发展，已日趋形成系列化、标准化和通用化产品，在各行各业均发挥了重要作用，但还存在一些不足。在新一代测试系统的研制过程中，应加快新技术的引入、新测试理论的研究和采纳国际通用标准，以将测试系统设计成为一体化测试、维护与保障系统，促使测试向综合化、智能化、网络化和虚拟现实方向发展，从而提高现代测试系统的技术水平。
思考题与习题
1.1 何谓测试?测试与测量有何不同?
1.2 何谓测试系统?
1.3 现代测试系统分为哪几类?
1.4 现代测试系统的特点是什么?
1.5 为什么说总线的能力直接影响测试系统的总体水平?
1.6 试述现代测试技术的应用领域和意义。
1.7 简要说明现代测试系统的发展趋势。
第2章 PC-DAQ测试系统
PC-DAQ（Personal Computer Data Acquisition）测试系统是以个人计算机（PC）为平台，配以用于测量和测试的数据采集卡及专用软件，为实现某些测量、测试、数据分析功能而构成的通用或专用测试系统。PC-DAQ测试系统具有性价比高、通用性强、设计手段灵活等优点，目前应用较为广泛。本章在分析PC-DAQ测试系统特点的基础上，重点介绍PC-DAQ测试系统中数据采集通道和控制通道的接口设计，并结合应用实例，介绍PC-DAQ测试系统的组建方法。
2.1 概述
PC-DAQ测试系统的出现和发展与微型计算机密切相关。PC-DAQ测试系统以微型计算机为平台，将计算机硬件（某类总线、数据采集卡）和计算机软件结合起来，实现特定的测试和数据分析等功能。2.1.1 PC-DAQ测试系统的特点
测试系统追求的目标主要有两个：一是精度，二是速度。对任何量的测试都要有一定的精度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大测试系统的适用范围，便于实现动态测试。PC-DAQ测试系统一般具有以下特点：
① 系统由计算机控制，使测试系统的质量和效率大为提高，也节省了硬件投资；
② 软件在测试系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性；
③ 测试与处理相互结合日益紧密，从而实现从测试、处理到控制的全部工作；
④ 测试过程一般都具有“实时”特性，以满足更多的应用环境；
⑤ 随着微电子技术的发展和电路集成度的提高，测试系统的体积越来越小，可靠性越来越高；
⑥ 总线在测试系统中有着广泛的应用，总线技术对测试系统结构的发展起着重要作用。2.1.2 PC-DAQ测试系统的结构形式
PC-DAQ测试系统的组成结构主要有以下方式。
1.插卡式结构
把数据采集卡插入PC主机板的总线插槽上，从而组成插卡式结构的PC-DAQ测试系统，如图2.1所示。
2.外挂式结构
直接利用PC的外总线接口（如并行口、USB口）接入数据采集卡。
PC-DAQ测试系统的设计都是基于某一种PC总线进行的，因此，总线的标准和规范将对所设计的测试系统性能，包括结构上的先进性、可靠性、兼容性、互换标准及扩充与升级等方面起到关键作用。图2.1 插卡式结构的PC-DAQ测试系统2.1.3 PC-DAQ测试系统设计的关键技术
PC-DAQ测试系统的设计包括硬件设计和软件设计两大部分。硬件设计包括与总线的接口方式、A/D与D/A转换电路、多路开关、高速缓存、高稳定时钟、高稳定电源、高阻抗低噪声低漂移运算放大器、滤波电路、控制电路与辅助电源等；软件设计涉及操作系统、编程语言、用户接口和编程技术等。（1）总线扩展与总线接口技术
PC-DAQ测试系统无论是插卡式结构还是外挂式结构，其组成都离不开总线，如PCI、ISA、USB、1394等。基于某一种总线进行PC-DAQ测试系统设计，都需要与总线接口。当总线扩展槽不够用时，还需要进行总线的驱动扩展，以增强其负载能力。总线的驱动技术包括单向驱动、双向驱动及三态隔离驱动技术。与总线的接口技术主要包括端口地址译码与分配技术，通过总线进行数据传输技术等。通常的数据传输方法有同步传送、查询、中断、DMA传送等，视数据传输速率的要求及接口实现的难易程度而定。（2）A/D和D/A转换技术
A/D是将模拟量转换为数字量的专用电路，几乎所有的PC-DAQ测试系统都要用到A/D。D/A是将数字信号转换成模拟信号的专用电路，用以控制外部电路。
为确保系统处理结果的精确度，A/D和D/A必须要具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时检测与控制，A/D和D/A还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。（3）多路开关和滤波放大技术
高质量的多路开关主要用来实现通道切换，因此要求寄生电容小，通道间的隔离效果好。
滤波放大电路是模拟信号调理的主要电路，如50Hz陷波、低通滤波、高通滤波和限带（带通、带阻）滤波等。无论是高阻抗低噪声低漂移放大还是滤波电路，都是测试系统设计中的关键电路，形式千变万化，直接影响系统的精度，而这些电路又是各种系统中都需要采用的电路。（4）高速缓存电路
高速缓存电路主要用于存储A/D转换器转换后的结果，以增强测试系统的实时采样能力。一般来说，多通道高速信息采样的场合均需采用高速缓冲技术。（5）可编程逻辑器件与逻辑控制电路
逻辑控制电路完成PC-DAQ测试系统的硬件与软件的协调工作，主要由译码器与逻辑控制电路构成。一个好的逻辑控制电路应具有体积小，组态灵活及安全的特点。近年来迅速发展的可编程逻辑器件可以较好地满足这些要求，目前市场上流行的FPGA及CPLD都是比较理想的器件，用这些功能可灵活组合的器件实现PC-DAQ测试系统的逻辑控制电路是较佳的选择。（6）软件技术
软件设计涉及操作系统、编程语言、用户接口和编程技术等。在PC-DAQ测试系统的软件设计过程中，可最大限度地利用微型计算机现有的软件资源，使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，开发高效、可靠的测试、分析、过程控制和显示等功能程序。
2.2 PC-DAQ测试系统中数据采集通道接口设计
在PC-DAQ测试系统中，为了实现对各种模拟信号的测量、分析和处理，必须通过数据采集通道将待测信号转换为数字信号后送入计算机。数据采集通道是外部模拟信号进入计算机的必由之路，是计算机辅助测试系统中必不可少的前向通道。2.2.1 数据采集通道的组成结构
数据采集通道一般主要由多路模拟开关（MUX）、采样/保持（S/H）电路、模数（A/D）转换器及其接口电路组成，如图2.2所示。图2.2 数据采集通道组成结构（1）多路模拟开关
数据采集通道往往要对多路模拟量进行采集，在不要求高速采样的场合，一般采用公共的 A/D转换器，分时对各路模拟量进行模数转换，这样做的目的是简化电路，降低成本。在这种情况下，可以用多路模拟开关来轮流切换各路模拟量与 A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到 A/D转换器，从而实现分时转换。
目前，采集通路中常用的是CMOS多路模拟开关。CMOS多路模拟开关的导通电阻与模拟信号电平之间的关系曲线较为平直，功耗小、速度快、导通电阻受电源电压和环境温度变化的影响小。
多路模拟开关的主要技术指标是导通电阻、导通时间、关断时的泄漏电阻和关断时间。目前，常用的集成化多路模拟开关有AD7501，AD7503（8路输入通道，1路输出通道），AD7506（16路输入通道，1路输出通道）等。（2）采样/保持电路
在A/D转换期间，应保持 A/D转换器的输入信号值不变，以免A/D转换的输出发生错误。这种保持A/D转换期间输入信号不变的电路就称为采样/保持电路。在A/D转换过程中，采样/保持电路对保证A/D转换的精度有着重要的作用。
采样/保持电路具有采样和保持两个状态。处于采样状态时，电路的输出始终跟随输入模拟信号；处于保持状态时，电路的输出保持着前一次采样结束前瞬时的输入模拟量。采样/保持电路的原理图如图2.3所示。图2.3 采样/保持电路的原理图
S/H电路主要由保持电容器C，输入和输出缓冲放大器A、A，H12工作方式控制开关K组成。在采样期间，工作方式控制开关K闭合，放大器A的输出通过开关给电容器C快速充电；在保持期间，工作1H方式控制开关K断开，由于运算放大器A的阻抗极高，在理想情况下，2电容器将保持充电时的最终值。在保持期间，A/D转换器完成一次模数转换，所产生的数字量对应S/H电路开始保持的电压值。S/H电路的两个重要技术参数是采样时间T和孔径时间T。采样时间T是ACAPAC指S/H电路处于保持状态时接到采样命令，其输出从所保持的值达到当前输出信号的值所需的时间，T影响采样频率的提高。孔径时间ACT是指从保持命令发出到电路实际转入保持状态所需的一小段时AP间，T影响转换精度。AP
随着大规模集成电路技术的发展，目前已生产出多种集成采样/保持器，如可用于一般目的的AD582、AD583、LF398等，用于高速场合的HTS-0025、HTS-0010、HTC-0300等。为了使用方便，有些采样/保持器的内部还设有保持电容，如AD389、AD585等。（3）A/D转换器
A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件。A/D转换由采集、量化和编码3个过程组成，其实质是对时间和幅值的离散化。A/D转换器的转换原理主要有逐次逼近式和双积分式两种。A/D转换器的主要技术指标有以下几个。
① 转换精度。转换精度指的是A/D转换后的结果相对于实际值的偏差。把这个偏差的最大值定义为绝对精度，把这个最大偏差除以满量程值的百分数定义为相对精度。
② 分辨率。它反映的是A/D转换器所能分辨的被测量的最小值，一般用A/D转换器输出的数字量的位数来表示。一个n位A/D转换器的n分辨率等于最大允许的模拟输入量（满度值）除以2。
③ 转换时间。它指A/D转换器从启动转换到转换结束，完成一次A/D转换所需的时间，也可用A/D转换器在每秒内所能完成的转换次数，即转换速度表示。
选择A/D转换器时，分辨率和转换时间是首先考虑的指标，因为这两个指标直接影响系统的精度和响应速度。选用高分辨率和转换时间短的A/D转换器，可提高系统的精度和响应时间，但成本也随之增大。另外，在确定A/D转换器的分辨率指标时应留有一定的余量，要考虑到多路模拟开关，采样/保持器等带来的误差。2.2.2 8位A/D转换器与PC的接口
ADC0809是美国模拟器件公司的产品，是最常用的8位A/D转换器。下面以该芯片为例，说明8位A/D转换器与PC的接口方法。
1.ADC0809的特点、内部结构和引脚功能
ADC0809是单片集成8位A/D转换器，采用的是CMOS工艺及逐次逼近转换原理，转换一次约100μs。芯片共有8路模拟输入通道，通道的地址输入能够进行锁存和译码，控制逻辑与微处理机兼容。转换后的数据具有三态输出和锁存功能，与微处理机可直接相连。它是应用较广的一种A/D转换芯片。
ADC0809的内部结构框图如图2.4所示，它包括转换器、多路开关、三态输出数据锁存器等部分，各部分的作用如下。（1）转换器8
转换器是ADC0809的核心部分，它由256R T型电阻网络（即2个电阻分压器）、逐次逼近寄存器（SAR）、比较器等组成。转换器在启动脉冲的上升沿来到时被复位，在启动脉冲的下降沿A/D开始转换。如果在转换过程中接收到新的启动转换脉冲，则中止转换。转换结束信号EOC在A/D转换完成时为逻辑1。（2）比较器
比较器采用斩波比较式，把直流输入信号转换成交流信号，经高增益交流放大器放大后，再恢复为直流电平，这样大大降低了放大器的漂移，提高了整个A/D转换器的精度。（3）多路模拟开关
多路模拟开关包括一个8通道单端（单极性）模拟输入多路开关和地址译码器。3位地址码经锁存器与译码器后，可以去控制选通某一输入通道。当地址锁存允许信号ALE的上升沿到来时，地址信号被锁入译码器内。（4）三态输出锁存器
三态输出锁存器由允许输出信号OE控制，当OE=1时，数据输出线D0～D7脱离高阻态，A/D转换结果被送到数据线上。
ADC0809采用28脚双列直插式封装，引脚布置如图2.5所示。图2.4 ADC0809的内部结构框图图2.5 ADC0809引脚布置
该芯片的引脚说明如下所示。表2.1 模拟量输入通道与地址选择线的关系
IN0～IN7：模拟电压输入端。可分别接入8路单端模拟输入信号。
V（＋），V（—）：基准电压的正极和负极，由此施加基REFREF准电压。
ADDA，ADDB，ADDC：模拟量输入通道地址选择线，模拟量输入通道与地址选择线的关系如表2.1所示。
ALE：地址锁存允许输入信号。低电平向高电平的正跳变有效，锁存地址选择线状态，选通相应的模拟信号输入通道。
START：启动转换输入信号。为了启动A/D转换过程，应在此引脚施加一个正脉冲，在脉冲的上升沿将所有内部寄存器清零，在下降沿开始A/D转换过程。
EOC：转换完毕输出信号，高电平有效。在START信号上升沿之后0～8个时钟脉冲周期内，EOC变为低电平。当转换结束，所得到的数字代码可以被CPU读出时，EOC变成高电平。
OE：数据输出使能信号，高电平有效。当它有效时，会将输出寄存器中的数字代码放到数据总线上，供CPU读取。
CLOCK：时钟输入信号。时钟频率决定了转换速度，它一般不高于640kHz。
D7～D0：数字量输出，D7为最高位，D0为最低位。
2.ADC0809的工作时序
ADC0809的工作时序如图2.6所示。图2.6 ADC0809的工作时序
通道锁存信号ALE的上升沿将ADDA、ADDB、ADDC引脚提供的通道地址锁存起来，以便对选定通道的模拟量进行A/D转换。
启动信号START的前沿和后沿与ADC0809最重要的两个时间有关。
① t：指从START的上升沿起，到EOC下降沿止的时间，它EOC与工作时钟有关，即
当时钟为500kHz时，T=2μs，t≤18μs；当时钟为640kHz时，EOCT=1.56μs，t≤14.5μs。EOC
② t：从 START的下降沿起，到EOC上升沿止的时间，是CONVADC0809的转换时间。
当时钟为500kHz时，t 约为128μs；当时钟为640kHz时，CONVt约为100μs。CONV
实际应用时，应将ALE和START两引脚合并，由CPU的写信号和ADC0809的端口地址组合后给出，写信号的脉宽完全满足ADC0809对ALE和START脉宽的要求。
t这段时间之所以重要，是因为它决定ADC0809完成A/D转CONV换的时间。CPU启动ADC0809后，可以通过测试EOC是否由低变高来查询是否完成A/D转换。也可以用反相后的EOC由高变低作为边沿触发，向CPU的外部中断端口发中断请求。在通过查询或中断确认A/D转换完成后，就可以用读命令选通OE，从ADC0809读取数字量了。
t 这段时间之所以重要，是因为它提醒采用查询方式读转换EOC结果的用户注意在启动ADC0809之后，必须等t 时间过后，EOCEOC才由高变低。此后查询EOC由低变高才是正确的转换结果。
3.操作过程
ADC0809的操作过程如下：
① 首先通过ALE和ADDA、ADDB、ADDC地址信号线把预选通的模拟量输入通道地址送入ADC0809并锁存；
② 发送A/D启动信号START，在脉冲上升沿复位，在下降沿开始转换；
③ A/D转换完成后，EOC=1，可利用这一信号向CPU请求中断，或在查询方式下待CPU查询EOC信号为“1”后进行读数服务，CPU通过发出OE信号读取A/D转换结果。
4.接口电路
ADC0809与PC的接口电路如图2.7所示。图2.7 ADC0809与PC的接口电路
图2.7为ADC0809采用查询方式与PC相连接的原理电路图。因为ADC0809的工作频率不大于640kHz，所以一般可利用PC扩展槽上的CLK信号分频得到该工作频率。地址译码由门电路构成，按图2.7的连接，ADC0809占用了3F0H～3F8H范围内的9个端口地址。其中3F0H～3F7H对应8个模拟输入通道IN0～IN7的端口地址，3F8H为查询EOC状态的端口地址。当CPU向某个A/D通道的端口地址发送一个数据时，IOW有效，它和A0～A9通过门电路产生的信号再通过或非门使得START和ALE有效，启动ADC0809进行A/D转换。在转换过程中，CPU可通过读3F8H端口地址查询EOC的状态，判断读入的EOC状态是否为“1”，若为“1”则说明转换结束，可向相应的输入通道端口地址发读命令，即IOR有效。进而使OE有效，从而打开ADC0809内部的三态输出锁存器，读取转换结果。
例如，对模拟输入通道IN0采样一次，采用查询方式读取转换结果的C语言程序段如下：
outp（0x3f0，0x00）；//选择通道0，启动A/D转换
do{n=inp（0x3f8）；}//检查EOC状态
while（（n&0x80）==0）；//若EOC=1则转换完成
x=inp（0x3f0）；//读取通道0的转换结果
至于8通道的循环采集程序，只需对上面的程序稍作修改即可。2.2.3 12位A/D转换器与PC的接口
AD574A是美国模拟器件公司的产品，价格比较便宜、性能较好，是常用的12位A/D转换器。下面以该芯片为例，介绍12位A/D转换器与PC的接口方法。
1.AD574A的特点、内部结构和引脚功能
AD574A是12位A/D转换器，采用的是逐次逼近转换原理，典型转换时间为25μs。输入模拟信号范围可为0～10V，0～20V或双极性±5V、±10V。其内设高精度的参考电压，转换操作所需的时钟信号也由其内部提供，典型功耗仅为390mW。
AD574A的内部结构框图如图2.8所示，它主要由快速12位D/A转换器、高性能比较器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路以及三态输出锁存器组成，可以很方便地与微处理机配接，是一种广泛应用的A/D转换器。
AD574A有28只引脚，采用双列直插式封装，其引脚布置如图2.9所示。图2.8 AD574A的内部结构框图图2.9 AD574A的引脚布置图
AD574A的引脚功能如下所示。
VL：数字逻辑部分电源+5V。：数据输出格式选择。当该信号线为“1”时，12条输出线均有效；当该信号线为“0”时，12位分成高8位和低4位两次输出。
A0：字节选择，在读数状态，如果为低电平，当A0=0时，允许高8位数据输出；当A0=1时，允许低4位数据加4位0输出。在转换状态，当A0=0时，产生12位转换，转换周期为25μs；当 A0=1时，产生8位转换，转换周期为16μs。：芯片选择。当时，芯片被选中。
CE：芯片允许。CE=1允许转换或读取A/D转换结果。时，允许读取A/D转换结果。当时，允许启动A/D转换。
10V：模拟量10V或双极性±5V量程的输入端口。IN
20V：模拟量20V或双极性±10V量程的输入端口。IN
REF OUT：芯片内部10V参考电压输出端，具有1.5mA的带负载能力。
REF IN：参考电压输入端。
BIP OFF：双极性补偿端，接到正负可调的分压网络上，可调整芯片零点。
STS：A/D转换器的工作状态输出端。转换时，STS为高电平；转换结束时，返回低电平。
DB0～DB11：数据输出端，DB0为最低位（LSB），DB11为最高位（MSB）。
V：正电源输入端，接+15V或+12V。CC
V：负电源输入端，接-15V或-12V。EE
AGND：模拟公共端。
DGND：数字公共端。
2.AD574A的工作时序
AD574A有根控制线，这些控制线的功能如表2.2所示。表2.2 AD574A控制线的功能组合表
启动转换时，要求，启动转换时序图如图2.10（a）所示。数据读取操作与启动转换的不同之处是，读数时序如图2.10（b）所示。图2.10 AD574A工作时序
3.AD574A的单极性和双极性输入方法
AD574A引脚8、10、12外接不同的电路，可改变AD574A模拟信号的输入极性。单极性输入电路和双极性输入电路分别如图2.11和图2.12所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]