现代测试系统简介
发布时间:2011/8/27 10:25:15 访问次数:2621
现代测试系统，主要包括智能仪器、虚拟仪器、网络仪器以及由它们组成的自动测试系统等内容'融合了现代电子技术、计算机技术、信息技术、测试技术和网络技术等高科技成果，实现了电子测试技术的自动化、智能化和网络化等功能，适应了现代科技发展的需求，成为现代电子制造最重要的技术领域之一。
1．智能仪器 GM76C256CLEFW55
(MCU)能仪器是用以形容新的一代测量仪器，这类仪器仪表中含有微处理器、单片计算机(Mcu)、复杂的可编程器件(CPLD)、系统级芯片(SoPC)或体积很小的微型机，利用计算机技术构成功能强大的测试仪器。智能仪器有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器，“计算机就是仪器”的新概念即源于此。这类仪器，因为功能丰富又很灵巧，目前应用非常广泛。智能仪器基本结构如图7.3.6所示。
智能仪器与随后出现的虚拟仪器都是计算机化的仪器，但智能仪器是计算机嵌入仪器，其外部形态是仪器，图7.3.7是几种常用智能测试仪器。
2．虚拟仪器 GMS97C54Q
虚拟仪器(virtual instrument,VI)足基于计算机的可以实现传统测试仪器功能的综合测试平台，如图7.3.8所示。虚拟仪器将计算机技术应用于电子测试领域，利用计算机实现数据存储和快速处理能力并扩展普通仪器可以达到的功能。这种利用计算机实现电子测量仪器功能的 方式称为“虚拟仪器”。
1)虚拟仪器简介
所谓“虚拟”，是指它不具有传统仪器的电源、机壳、面板及显示部件等，而是通过计算机显示器及键盘、鼠标实现面板操作及显示功能；对被测信号的输入采集及调理转换功能是由专门的插卡实现的。虽然虚拟仪器的核心部分是专用软件，但对于电子测量而言，它具有传统仪器一样或超过的传统仪器的功能和性能，是实实在在的仪器，“虚拟仪器”只是一种习惯称谓。
虚拟仪器和此前的智能仪器虽然都是计算机化的仪器，但虚拟仪器是将仪器装入计算机，可以看作计算机的一种外部设备应用，其外部形态是计算机，核心技术是软件'“软件就是仪器”的新概念即源于此。
2)虚拟仪器的特点
(1)丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理。
(2)仪器由用户自己定义。
(3)开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使赍源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。
(4)便于构成复杂的测试系统。可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控和诊断，可节约仪器购买和维护费用。
3)虚拟仪器的类型
虚拟仪器既然是“仪器”，与传统仪器一样，它同样具有仪器的3个基本功能模块一一
数据采集、数据分析处理和结果输出（显示、打印或控制信号等）。
根据虚拟仪器硬件模块与计算机连接的接口，将虚拟仪器分为以下3类。
(1)利用计算机接口
①Pc总线——插卡型虚拟仪器(DAQ仪器)。这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡实现虚拟仪器功能，又称为DAQ(data acquisition)或PC-DAQ仪器。其优点是简单方便，缺点是受PC机箱和总线限制，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多等。
②并行口式虚拟仪器。
③USB/1394虚拟仪器。
④LXI仪器，即基于计算机局域网(LAN)接口和总线的虚拟仪器。
(2)采用仪器专用接口
GPIB(general purpose interface bus)总线，即IEEE 488通用接口总线，是台式仪器标准接口总线。由于传输速度低，目前正在被其他新的高效总线取代。
(3)工业标准总线方式
①VXI(VME bus extension for instrumentation)总线仪器 VME总线是一种工业微机的总线标准，主要用于微机和数字系统领域。其优点是系统具有小型便携、高速数据传输、模块式结构、系统组建灵活等；其缺点是组建VXI总绒要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
②PXI(PCI extensions for instrumentation)总线仪器 充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构-PCI。PXI是一个模块化的平台，系统的物理主机是一个拥有2～31个槽位的机箱，有的机箱还带有内置的显示器和键盘。PXI性能与VXI接近但造价比较低，使其具有良好发展前景。
图7.3.9所示为虚拟仪器结构形式示意图。
3．网络化仪器 GPS81800-263
网络化仪器是适合在远程测控中使用的仪器。
网络化仪器是计算机技术、网络通信技术与仪表技术相结合所产生的一种新型仪器。许多仪器仪表具有远程通信能力，近年正发生着许多新的、重要的变化，扩展了Web技术的应用，特别是扩展了传输控制协议/网络协议(TCP/IP)、浏览器和嵌套服务器的应用。在虚拟仪器的基础上，增加其登陆因特网及网络浏览的功能，就可以实现基于Web的网络化仪器功能；从这一角度讲，基于Web的网络化仪器是虚拟仪器技术的延伸与扩展，图7.3.10所示为虚拟仪器与网络结合示意图。
与“计算机就是仪器”、“软件就是仪器”的概念异曲同工，未来对于测试仪器来说，完全可以实现“网络就是仪器”。
网络化仪器通过释放系统的潜力，改变了测量技术的以往面貌，打破了在同一地点进行采集、分析和显示的传统模式；依靠网络技术，人们已能够和将能够有效地控制远程仪器设备，在任何地方进行采集、任何地方进行分析、任何地方进行显示。
4．自动测试系统
1)自动测试系统的概念
自动测试系统(auto matedtest system，ATS)是指邢些采用计算机控制，能实现自动化测试的系统，也就是对那些能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试结果的一类组合信息技术系统的统称。
自动测试系统是为了适应工业生产和科研中的大规模检测和复杂系统测试的要求而发展起来的，具有高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围等众多特点。工程上的自动测试系统往往针对一定的应用领域和被测对象，并且常按应用对象命名，例如彩色电视自动测试系统、手机自动测试系统、飞机自动测试系统和汽车自动测试系统等。
自动测试系统关注的是系统的通用性、仪器互换性、测试程序移植性，即整个系统的功能和性能，而不是单个测试设备。特别是科研开发工作中的自动测试系统，通用性具有重要意义，一套自动测试系统不需要做较大的修改就可以用于不同领域的测试，从而节省了开发新测试系统的成本。此外仪器互换性和测试程序的可移植性也是重要因素，使不同厂商开发的具有同种功能的仪器进行互换，完成某种测试功能的程序代码在更换了测量仪器后仍然可以利用，都是衡量自动测试系统水平的重要指标。
自动测试系统可由多种计算机、仪器软硬件构成，图7.3.11所示为一种基于虚拟仪器的自动测试系统架构示意图。
2)自动测试系统的基本结构
自动测试系统由计算机、可程控仪器（可程序控制的测量仪器和设备等）、接口/适配器和软件系统4个部分组成，如图7.3.12所示。
3)自动测试系统中的常用故障诊断方法
(1)直接测量法直接测量被诊断对象有关的输出量，如果超出正常变化范围，则认为对象已经或将要发生故障。这种方法简单易行，但容易出现故障的误判和漏判。初期的自动测试系统多采用这种诊断方法，目前许多测试系统仍然采用。
(2)数学模型法针对测试对象建立相应数学模型，测试时通过估计出系统的状态并结合适当模型进行诊断，或者根据过程参数的变化特性结合适当模型进行诊断。这种方法实用性强，能够诊断系统中从未发生过的故障。但对于许多实际对象而言，数学模型的建立比较困难，且对于大型被诊断系统计算量大。
(3)故障字典法首先提取电路（系统）在各种故障状态下的电路特征，建立与故障一一对应关系的“字典”。系统工作时，只要获取电路（系统）的实时特征，就可从故障字典中查出此时对应的故障。该方法是模拟电路故障诊断最典型也是最有实用价值的方法。但由于测试工作量和字典容量，以及实际电路的容差、噪声，字典法一般只作硬故障的诊断。
(4)故障树诊断法许多系统的故障诊断常常可以归纳为几个大的顶级故障事件，针对每个顶级故障事件，逐级去查找故障位置，经逐一排除后最终确定故障原因。目前，许多系统的故障诊断系统都是这种诊断方法，由于故障树的诊断方法类似于人类的思维方式，易于被接受和理解。
(5)专家系统诊断法通过知识获取系统把具有丰富经验的专家或从资料获得的故障诊断知识存入知识库，当系统工作时，推理机根据系统信息从知识库中选择适合的诊断规则，再通过输入输出系统为用户提供解答。由于专家杀统可以保存领域专家的知识和经验并且可以不断扩充和完善，因而成为自动测试系统故障诊断的应用最广泛的方法。
(6)神经网络诊断法神经网络就是采用物理上可以实现的器件、系统或现有的计算机来模拟人脑的结构和功能的人工系统。通过大量简单神经元经广泛互联构成一种计算结构，在某种程度上可以模拟人脑生物神经系统。由于神经网络具有一定分析、推理和判断能力，特别是自学能力，使其成为故障诊断的一种有效方法和手段，在实际系统中得到了成功的应用。
(7)正在发展的新型诊断法尽管已经有上述多种故障诊断方法，但对于现代越来越复杂的系统，以及工业上要求高效率和低成本的工程测试，现有的方法并不尽如人意。科技界仍然在寻找和研究更好、更快、更准的诊断法，将模糊数学理论与专家系统的融合以及将“小波分析”方法和神经网络结合的方法已显曙光。
现代测试系统，主要包括智能仪器、虚拟仪器、网络仪器以及由它们组成的自动测试系统等内容'融合了现代电子技术、计算机技术、信息技术、测试技术和网络技术等高科技成果，实现了电子测试技术的自动化、智能化和网络化等功能，适应了现代科技发展的需求，成为现代电子制造最重要的技术领域之一。
1．智能仪器 GM76C256CLEFW55
(MCU)能仪器是用以形容新的一代测量仪器，这类仪器仪表中含有微处理器、单片计算机(Mcu)、复杂的可编程器件(CPLD)、系统级芯片(SoPC)或体积很小的微型机，利用计算机技术构成功能强大的测试仪器。智能仪器有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器，“计算机就是仪器”的新概念即源于此。这类仪器，因为功能丰富又很灵巧，目前应用非常广泛。智能仪器基本结构如图7.3.6所示。
智能仪器与随后出现的虚拟仪器都是计算机化的仪器，但智能仪器是计算机嵌入仪器，其外部形态是仪器，图7.3.7是几种常用智能测试仪器。
2．虚拟仪器 GMS97C54Q
虚拟仪器(virtual instrument,VI)足基于计算机的可以实现传统测试仪器功能的综合测试平台，如图7.3.8所示。虚拟仪器将计算机技术应用于电子测试领域，利用计算机实现数据存储和快速处理能力并扩展普通仪器可以达到的功能。这种利用计算机实现电子测量仪器功能的 方式称为“虚拟仪器”。
1)虚拟仪器简介
所谓“虚拟”，是指它不具有传统仪器的电源、机壳、面板及显示部件等，而是通过计算机显示器及键盘、鼠标实现面板操作及显示功能；对被测信号的输入采集及调理转换功能是由专门的插卡实现的。虽然虚拟仪器的核心部分是专用软件，但对于电子测量而言，它具有传统仪器一样或超过的传统仪器的功能和性能，是实实在在的仪器，“虚拟仪器”只是一种习惯称谓。
虚拟仪器和此前的智能仪器虽然都是计算机化的仪器，但虚拟仪器是将仪器装入计算机，可以看作计算机的一种外部设备应用，其外部形态是计算机，核心技术是软件'“软件就是仪器”的新概念即源于此。
2)虚拟仪器的特点
(1)丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理。
(2)仪器由用户自己定义。
(3)开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使赍源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。
(4)便于构成复杂的测试系统。可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控和诊断，可节约仪器购买和维护费用。
3)虚拟仪器的类型
虚拟仪器既然是“仪器”，与传统仪器一样，它同样具有仪器的3个基本功能模块一一
数据采集、数据分析处理和结果输出（显示、打印或控制信号等）。
根据虚拟仪器硬件模块与计算机连接的接口，将虚拟仪器分为以下3类。
(1)利用计算机接口
①Pc总线——插卡型虚拟仪器(DAQ仪器)。这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡实现虚拟仪器功能，又称为DAQ(data acquisition)或PC-DAQ仪器。其优点是简单方便，缺点是受PC机箱和总线限制，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多等。
②并行口式虚拟仪器。
③USB/1394虚拟仪器。
④LXI仪器，即基于计算机局域网(LAN)接口和总线的虚拟仪器。
(2)采用仪器专用接口
GPIB(general purpose interface bus)总线，即IEEE 488通用接口总线，是台式仪器标准接口总线。由于传输速度低，目前正在被其他新的高效总线取代。
(3)工业标准总线方式
①VXI(VME bus extension for instrumentation)总线仪器 VME总线是一种工业微机的总线标准，主要用于微机和数字系统领域。其优点是系统具有小型便携、高速数据传输、模块式结构、系统组建灵活等；其缺点是组建VXI总绒要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
②I(PCI extensions for instrumentation)总线仪器 充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构-PCI。I是一个模块化的平台，系统的物理主机是一个拥有2～31个槽位的机箱，有的机箱还带有内置的显示器和键盘。I性能与VXI接近但造价比较低，使其具有良好发展前景。
图7.3.9所示为虚拟仪器结构形式示意图。
3．网络化仪器 GPS81800-263
网络化仪器是适合在远程测控中使用的仪器。
网络化仪器是计算机技术、网络通信技术与仪表技术相结合所产生的一种新型仪器。许多仪器仪表具有远程通信能力，近年正发生着许多新的、重要的变化，扩展了Web技术的应用，特别是扩展了传输控制协议/网络协议(TCP/IP)、浏览器和嵌套服务器的应用。在虚拟仪器的基础上，增加其登陆因特网及网络浏览的功能，就可以实现基于Web的网络化仪器功能；从这一角度讲，基于Web的网络化仪器是虚拟仪器技术的延伸与扩展，图7.3.10所示为虚拟仪器与网络结合示意图。
与“计算机就是仪器”、“软件就是仪器”的概念异曲同工，未来对于测试仪器来说，完全可以实现“网络就是仪器”。
网络化仪器通过释放系统的潜力，改变了测量技术的以往面貌，打破了在同一地点进行采集、分析和显示的传统模式；依靠网络技术，人们已能够和将能够有效地控制远程仪器设备，在任何地方进行采集、任何地方进行分析、任何地方进行显示。
4．自动测试系统
1)自动测试系统的概念
自动测试系统(auto matedtest system，ATS)是指邢些采用计算机控制，能实现自动化测试的系统，也就是对那些能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试结果的一类组合信息技术系统的统称。
自动测试系统是为了适应工业生产和科研中的大规模检测和复杂系统测试的要求而发展起来的，具有高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围等众多特点。工程上的自动测试系统往往针对一定的应用领域和被测对象，并且常按应用对象命名，例如彩色电视自动测试系统、手机自动测试系统、飞机自动测试系统和汽车自动测试系统等。
自动测试系统关注的是系统的通用性、仪器互换性、测试程序移植性，即整个系统的功能和性能，而不是单个测试设备。特别是科研开发工作中的自动测试系统，通用性具有重要意义，一套自动测试系统不需要做较大的修改就可以用于不同领域的测试，从而节省了开发新测试系统的成本。此外仪器互换性和测试程序的可移植性也是重要因素，使不同厂商开发的具有同种功能的仪器进行互换，完成某种测试功能的程序代码在更换了测量仪器后仍然可以利用，都是衡量自动测试系统水平的重要指标。
自动测试系统可由多种计算机、仪器软硬件构成，图7.3.11所示为一种基于虚拟仪器的自动测试系统架构示意图。
2)自动测试系统的基本结构
自动测试系统由计算机、可程控仪器（可程序控制的测量仪器和设备等）、接口/适配器和软件系统4个部分组成，如图7.3.12所示。
3)自动测试系统中的常用故障诊断方法
(1)直接测量法直接测量被诊断对象有关的输出量，如果超出正常变化范围，则认为对象已经或将要发生故障。这种方法简单易行，但容易出现故障的误判和漏判。初期的自动测试系统多采用这种诊断方法，目前许多测试系统仍然采用。
(2)数学模型法针对测试对象建立相应数学模型，测试时通过估计出系统的状态并结合适当模型进行诊断，或者根据过程参数的变化特性结合适当模型进行诊断。这种方法实用性强，能够诊断系统中从未发生过的故障。但对于许多实际对象而言，数学模型的建立比较困难，且对于大型被诊断系统计算量大。
(3)故障字典法首先提取电路（系统）在各种故障状态下的电路特征，建立与故障一一对应关系的“字典”。系统工作时，只要获取电路（系统）的实时特征，就可从故障字典中查出此时对应的故障。该方法是模拟电路故障诊断最典型也是最有实用价值的方法。但由于测试工作量和字典容量，以及实际电路的容差、噪声，字典法一般只作硬故障的诊断。
(4)故障树诊断法许多系统的故障诊断常常可以归纳为几个大的顶级故障事件，针对每个顶级故障事件，逐级去查找故障位置，经逐一排除后最终确定故障原因。目前，许多系统的故障诊断系统都是这种诊断方法，由于故障树的诊断方法类似于人类的思维方式，易于被接受和理解。
(5)专家系统诊断法通过知识获取系统把具有丰富经验的专家或从资料获得的故障诊断知识存入知识库，当系统工作时，推理机根据系统信息从知识库中选择适合的诊断规则，再通过输入输出系统为用户提供解答。由于专家杀统可以保存领域专家的知识和经验并且可以不断扩充和完善，因而成为自动测试系统故障诊断的应用最广泛的方法。
(6)神经网络诊断法神经网络就是采用物理上可以实现的器件、系统或现有的计算机来模拟人脑的结构和功能的人工系统。通过大量简单神经元经广泛互联构成一种计算结构，在某种程度上可以模拟人脑生物神经系统。由于神经网络具有一定分析、推理和判断能力，特别是自学能力，使其成为故障诊断的一种有效方法和手段，在实际系统中得到了成功的应用。
(7)正在发展的新型诊断法尽管已经有上述多种故障诊断方法，但对于现代越来越复杂的系统，以及工业上要求高效率和低成本的工程测试，现有的方法并不尽如人意。科技界仍然在寻找和研究更好、更快、更准的诊断法，将模糊数学理论与专家系统的融合以及将“小波分析”方法和神经网络结合的方法已显曙光。
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