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虚拟仪器及其应用

1. 前言

虚拟仪器(Virtual Instruments)在四、五年前，对多数人来说还是很陌生的，今天，不但在众多媒体上可以见到虚拟仪器，而且在许多测试、测量领域里都可以见到实际的虚拟仪器了。

以往的仪器(包括电子测量仪器、分析仪器、生化仪器、医疗电子仪器等)称为传统仪器，它在人类的生产活动、科学研究乃至日常生活中都起着不可替代的作用。传统仪器是由工厂生产的，其功能和技术指标是由厂家定义好的，用户基本上是被动的操作和使用。微计算机的出现和发展，从根本上影响和改变着仪器技术的发展。由于计算机可以通过其扩展槽、接口板和装置仓等与外部仪器或设备相连接，因此使外部仪器设备可以共享其丰富的软件资源、这样就大大增加了仪器的功能，提高了仪器的性能。这就是说，通过计算机扩展梢或接口板等装置，把计算机的软件资源和硬件资源与外部的仪器设备连接起来，或与插在计算机内、外扩展槽或机箱内的数据采集板或模块连接起来，形成了一类全新的测试仪器设备，我们称这样一种全新的仪器设备为\"虚拟仪器\"(Virtual Instruments)。

虚拟仪器与传统仪器的最大区别是，它是由用户定义的，是灵活多变的，它不仅把传统仪器的现有功能搬到了计算机显示屏上，而且还利用计算机的计算技术和数字信号处理技术。增加了传统仪器所没有的计算功能和分析等功能。也就是说、在虚拟仪器中，用户不再是被动操作和使用，而是参与了仪器的设计，发挥了人的主观能动性。

虚拟仪器不仅充分利用了计算机和传统仪器的硬件资源，而且还充分利用了丰富的软件资源，因此用户可以开发出极高性能极为复杂且形式多样的虚拟仪器系统，满足不同测

试项目的需求，用于传统仪器所不能胜任的测试场合。虚拟仪器可以节省用户的投资。由于虚拟仪器的软、硬件资源可以根据用户需要组成不同的测试设备，也就是说，用户的一次投资的软硬件可以重复使用，因此大大提高了用户的投资效率。

今天，虚拟仪器技术已应用在许多极为复杂的测试测量项目中，越来越多的传统仪器都可以用虚拟仪器去替代。从70年代初兴起的GPIB总线技术到现在的VXI、PXI总线技术，以及各种仪器开发系统的出现和不断升级，极大地推动了虚拟仪器的发展。相信随着USB、FireWire等总线技术的发展．新的高性能虚拟仪器会层出不穷。

2. 虚拟仪器的构成和主要应用

2．1 虚拟仪器的构成

一般说来，虚拟仪器主要由计算机、软面板及插在计算机内外扩展槽中的板卡或标准机箱中的模块等硬件组成．有些虚拟仪器还包括有传统的仪器。

虚拟仪器的计算机可以是台式PC机、工作站、便携机或VXI、PXI中的控制器，其CPU的能力决定了虚拟仪器的数据处理能力。

虚拟仪器的软面板实际上是一组图形化用户界面，是用来操作虚拟仪器进行测量的人机界面，它是利用各种仪器开发系统(后面将作介绍)开发出来的，其形式可因测试项目要求不同而不同。虚拟仪器的硬件部分则根据虚拟仪器所采用总线的不同而异，主要有GPIB系统、VXIbus系统、PXI系统和数据采集系统等。

2．2 GPIB系统

GPIB(IEEE488)总线技术是在美HP公司1965年推出的HP-IB总线基础上发展而成的，后被IEEE接受为仪器通用接口总线(并行总线)标准，即IEEE488总线。此系统是在计算机内插入一块GPIB接口板，用GPIB电缆将带有GPIB接口的仪器与其连接起来，实现计算机对仪器的控制。GPIB(IEEE488)总线问世三十多年来，已发展成为十分成熟的技术，由于其价格低廉，技术相对简单，同时目前仍有大量用户拥有带有GPIB接口的各种仪器，各仪器生产厂家也还在生产带GPIB接口的仪器，并不断推出具有更高性能的GPIB仪器，因此，GPIB系统至今仍拥有相当可观的市场。其不足是数据传输速率低，一般只有lM-1.5Mbytes／s。

在我国，GPIB总线技术的推广应用虽然已有近20年的历史，一些仪器生产厂家也研制生产出某些门类和品种的带GPIB接口的仪器、但由于种种原因，GPIB枝术在我国的应用还是不平衡的，许多用户的带有GPIB接口的仪器，其接口部分并未使用，实际上这是一批宝贵的资源，如果将其充分利用起来，不但可以大大提高工作效率，在某种程度上也可大大节省用户的投资。

用GPIB构成的虚拟仪器主要用于实现对带有GPIB接口的仪器的控制，组成自动测试系统，多用在实验室或计量室内对测试速度要求不高的项目，也可用于数据采集和过程控制。

2．3 VXI系统

VXIbus系统是一种模块化的仪器系统平台，它是标准工业微机总线VMEBus在仪器领域中的扩展， \"VXI\" 即 \"VMEbus Extension for Instrumentation\"的缩写。自1987年提出VXIbus技术规范以来，VXI技术取得了迅速的发展，在国际自动测试系统领域得到了普遍的认可，并成为电子测量仪器技术发展的一个主要方向。 VXIbus规范于1993

年被正式接纳为IEEE1155标准，1993年11月．由美国(GenRad、NI、Racal、Tektronix和Wavetek公司共同发起成立了VXI即插即用系统联盟(VXIplug&play)。现在．世界上已有几百家厂商和公司生产近1300种的VXI产品，真正成为多供应商的开放的工业标准化产品。

由于VXIbus系统具有体积小、结构紧凑，数据传输速率高(40Mbytes／s)、信息吞吐量大，系统可靠性强，吸取了计算机发展的最新技术，特别是其测试功能强大、易于组建、使用灵活，大大减少了用户的系统开发时间，因此在复杂科研和高技术产品领域迅速受到重视。VXI技术的推出，使仪器和自动测试技术产生了一个质的飞跃，成为虚拟仪器领域中最重要的代表。用VXIbus组成的虚拟仪器，适用于测试工作量大、测试项目复杂、要求测试速度高精度高且空间狭小环境比较恶劣的地方，多用在高科技和军工部门。在我国，由于VXI价格较高．推广应用受到一定限制，主要集中在航空、航天等国防军工领域。

2．4 PXI模块仪器系统

PXI(PCI eXtcRsion for Instrumentation)是PCI总线扩展到仪器方面而推出的以PC机为基础的高性能低价位的模块仪器测量系统，它是虚拟仪器领域里的新星。l997年10月，美国NI公司公布了PXI模块仪器系统的技术规范，它一经出现，立刻受到各方面的极大关注，作为一个开放的工业标准，1998年成立了PXI系统联盟，目前已有40多个公司参加。

PXI在结构形式上与VXIbus有些类似，但其总线确有根本的区别。PXI的核心是CompactPCI的结构和Microsoft Windows软件，它直接采用当今主流计算机的PCI总线，在保留PCI总线与CompactPCI模块结构的所有优越性能(如优良的机械性能，易于系统集成。以及比台式计算机更多的扩展槽等)的同时、在机械、电气和软件方面增加了仪

器测量所特别需要的性能和特点，加上人们在台式PC机上所熟悉使用的Microsoft Windows软件，使得PXI系统集诸方面优点于一身，脱颖而出成为一种新型的虚拟仪器系统。

PXI主要面向广大中低档仪器用户，其价格要比VXI要便宜得多，能够满足不同层次用户对测试、测量、数据采集和工业自动化的应用需求，PXI模块即插即用。使用灵活方便，其标准化的机箱设计，使其既可作台式，又可作架装，还可作便携式测试系统。由于采用PCI总线，因此其数据传输速率高(132-264Mbytes／s)；尤其是PXI的操作系统和开发系统是为人们所熟悉的Microsoft Windows 软件及 LabVIEW、LabWindows／CVI等，因此在心理和习惯上大大缩短了用户与PXI的距离，易于开发进行系统集成；与PXI一样，PXI在机械、电气方面均有极严格的标准，结构坚固而用可靠性强；等等，这一切都使得PXI系统倍受从事自动测试测量的工程技术人员的青睐，在诸多方面有用武之地。

PXI模块仪器系统适用于各种工作量大、要求测试速度高精度高、被测信号频率较低(1MHz以下)且测试场地狭小环境比较恶劣的复杂测试项目，无论是组成自动测试系统，或是数据采集系统，还是图像采集、工业通信、动作控制系统等都是适宜的，特别是由于它和GPIB、VXI、CompactPCI的兼容性，可以很方便的组成混合系统。

2．5 数据采集系统

在多数的测试测量、过程监视和工业控制以及实验室研究中，我们面临的是数据采集的问题，且多为非电量的采集，如温度、压力、流量、转速、湿度、酸硷度等。在以计算机为控者的数据采集系统中，数据采集实际上归结为计算机的输入／输出(I／O)。在虚拟仪中，是利用插在计算机的内外扩展槽或VXI、PXI机箱中的数据采集板或数据采集模块以及信号调理系统来完成数据的I/0的。数据采集板或模块是一A/D、D/A装置，其进行实

时的数据采集并将数据存到计算机的RAM中，由于计算机和开发系统具有强大的数据计算、分析和处理功能，所以可以根据需要对采集的数据进行计算、分析和处理。

这一类的虚拟仪器，或是替代传统的台式仪器．如数字示波器、数字多用表、频谱分析仪等，或是做成专用的医用检测仪器，如心脏监测仪器，或是根据需要组成各种专用的数据采集监控系统、工业通信系统、图像采集分析系统等。在替代传统仪器方面．NI公司的VirtualBench(通用仪器)和BioBench(医用仪器)是一典型代表。

3. 虚拟仪器开发系统软件

\"软件即是仪器!\"这已成为一个事实并为多数人所接受，因为随着计算机和软件技术的发展，在现代仪器中和自动测试系统中软件的投资占有的比例越来越大，远远大于硬件投资，有的甚至占到70％-80％以上。

虚拟仪器的重要组成部分是软面板，它是代表虚拟仪器的整个驱动软件, 因此，软面板的水平在很大程度上代表了虚拟仪器的水平。随着计算机技术和软件技术的飞速发展，各种专用仪器开发系统的功能也越来越强大和完善，这里有NI公司的LabVIEW、LabWindows／CVI，HP公司的VEE，iOtech公司的DASLab，KEITHLEY公司的VIEWDAC，HEM Date公司的Snap-Master等，其中首屈一指员具特色且在世界上销售量最大的要数NI公司的LabVIEW了。自从笔者所在的公司1993年首次正式将LabVIEW介引进到国内以来，LabVIEW已为广大从事测量测试的工程技术人员所熟悉，并拥有了一大批用户。

LabVIEW，即虚拟仪器工程平台，是建立在windows(NT／3．1／95／98)基础上的图形化仪器开发系统(也可用于Mac OS、Sun、HP-UX等)。用LabVIEW建立的软面板，

其界面友好形象逼真操作简单直观；与传统文本语言相比、用Lab VIEW编程易学易懂省时省力，可以节省大量系统开发时间，即使对于没有文本语言基础的非软件工程师来说．也可以很快学习、掌握并应用LabVIEW来开发虚拟仪器。

LabVIEW是一个完全的开放的仪器开发系统，利用它可以构成任意形式的虚拟仪器，如GPIB、VXl、PXI、串行系统、PLC和插入式数据采集系统等，并可通过互联网与其它数据源连接进行动态数据交换，还可以在LabVIEE中嵌入ActiveX控件．从其它开发环境调用LabVIEW的原代码，或用LabVIEW以动态链接库的形式在Windows下或在其它平台下以分享库的形式调用现存代码。

LabVIEW分析库大约有230多个数据分析和数学计算库函数，包括测量、信号生成、窗口、滤波、统计、信号处理、曲线弥合、线性代数、数学等，这使得LabVIEW具有强大的分析和计算功能，加上与其配套的一系列工具软件，使LabVIEW几乎可以构成任何复杂的虚拟仪器，并可进行任何复杂的分析计算(比如图像的采集和分析)，而这在常规文本语言下普通人是难以完成的工作。

综上所述，虚拟仪器是计算机技术、仪器技术、测量技术、数／模、模／数转换技术、软件等技术个完美的结合，它已被愈来愈多的技术人员所接受，成为当今测量测试领域里的一支最重要的方面军。相信，紧跟微电子技术和软件等技术的发展，虚拟仪器技术一定会得到更快地发展，并在科研生产特别是高科技领域得到更广泛地应用。

虚拟仪器及其应用

技术分类： 测试与测量 | 2006-09-01

来源：电力自动化设备 | 河南省驻马店地区电业局 潘莹玉

虚拟仪器是80年代末出现的新的仪器概念，它是计算机技术、测量仪器技术和软件技术的高速发展共同孕育出的一项革命性新技术。虚拟仪器的出现，彻底改变了传统的仪器观，开辟了测量测试技术的新纪元。

1 虚拟仪器的概念

微机及DSP提供了强大的计算能力使得在一定的实时性要求下代替了许多原来由硬件完成的功能，这标志着“软件即仪器（The software is the instrument）”时代的到来。人们给这样的测试仪器起了一个形象的名字——虚拟仪器。

从1987年以专用集成电路(ASIC)和计算机技术为基础的总线仪器——虚拟仪器的雏形问世，到1993年虚拟仪器已发展到三百多家厂商、一千多种虚拟仪器产品，1995年厂商更达一千余家，产品达数千种。据预测，到2000年将有50%的仪器仪表是虚拟仪器。

1．1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，它可利用软件在微型机屏幕上构成虚拟仪器面板，在有足够的硬件支持下对信号进行采样，在离线条件下，经软件处理而得到测量结果。它具有结构简单、一机多用、测量精度高等特点，使用者自己操作这台计算机，就象是在操作一台自己专门设计的传统电子仪器。

虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合

的产物，是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何使用者都可通过修改软件的方法方便地改变、增减仪器系统的功能和规模。

1．2 虚拟仪器的优点

我们知道，任何仪器都基本上分三部分组成，即数据采集与控制、数据处理与分析、数据的显示。传统仪器是将这三部分放在一个仪表机箱内，而虚拟仪器则是一种功能意义上的仪器，是具有仪器功能的软硬件组合，它并不强调物理上的实现形式。虚拟仪器相对传统仪器的优势是显而易见的，概括起来有以下几个方面：

（1） 传统仪器功能由仪器厂商定义；虚拟仪器功能由用户自己定义。仪器制造厂仅需提供基本的软硬件，如信号调节器、信号转换器等硬件和仪器应用软件生成环境等软件，真正需要什么样的仪器功能则是用户自己的事情。

（2） 传统仪器与其它仪器设备的连接受限制；而虚拟仪器则是面向应用的系统结构，可方便地与网络、外设及其它应用连接。

（3） 传统仪器图形界面小，人工读数，信息量少；虚拟仪器则展现图形界面，计算机直接读数、分析处理。

（4） 硬件是传统仪器的关键部分；而虚拟仪器中硬件仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器的关键部分，其测试功能均由软件来实现。

（5） 传统仪器系统封闭，功能固定；虚拟仪器则是基于计算机技术的开放灵活的功

能模块，可构成多种仪器。

（6） 传统仪器扩展性差，数据无法编辑；虚拟仪器数据可编辑、存储、打印。

（7） 信号每经过一次硬件处理都会引起误差；由于虚拟仪器减少了硬件的使用，因而减少了测量误差。

（8） 传统仪器价格高，技术更新慢（周期为5～10 a），开发和维护费用亦高；虚拟仪器价格低（是传统仪器的五至十分之一），而且可重复利用，技术更新也快（周期为1～2 a），基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用。

虚拟仪器在国际上早已进入实用阶段，在我国虽刚起步，但发展迅速，已在电子测量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析、物矿勘探、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中广泛应用。

2 虚拟仪器的系统构成

虚拟仪器的基本框图如图1所示。

图1 虚拟仪器构成的基本框图

nbsp; 2．1 虚拟仪器的硬件构成

如图1，虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种：

（1） 基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统

GPIB（General Purpose InteRFace Bus）仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用GPIB接口卡将若干GPIB仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易。它可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。

利用GPIB技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可预先编制好测试程序，实现自动测试，提高了测试效率。

（2） 基于数据采集的虚拟仪器系统

通过A/D变换将模拟、数字信号采集入计算机进行分析、处理、显示等，并可通过D/A转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。

（3） 利用VXI总线仪器实现虚拟仪器系统

VXI（VME bus extension for Instrumention）总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。VXI总线是一种高速计算机总线——VME（Versa Module Eurocard）总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放，传输速率高，数据吞吐能力强，定时和同步精确，模块化设计，结构紧凑，使用方便灵活，已越来越受人们的重视。它便于组织大规模、

集成化系统，是仪器发展的一个方向。

（4） 基于串行口或其它工业标准总线的系统

将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。

2．2 虚拟仪器的软件构成

构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键。没有一个优秀的控制分析软件，很难想象可以构成一台理想的虚拟仪器系统。

以VXI虚拟仪器系统为例（图2），从图可以看到，VXI虚拟仪器系统至少需要仪器、通信和驱动程序三种接口软件。其中仪器接口为仪器与计算机之间的通信协议和方法。通信接口按标准方式将仪器连接起来，它是仪器与仪器驱动程序之间的通信接口，实际上就是VXI系统的I/O接口软件。仪器驱动程序接口将通信接口与应用开发环境（ADE）连接起来。

图2 VXI虚拟仪器系统软件结构框架

仪器驱动器是完成对某一特定仪器控制与通信的一段程序。它作为用户应用程序的一

部分在计算机上运行。仪器驱动器是VXI虚拟仪器系统的核心，是完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。应用软件开发环境将计算机的数据分析、显示能力与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必要的软件工具和环境。目前有两种较流行的虚拟仪器开发环境：一是用传统的编程语言设计虚拟仪器，如HPITGII、Labwindows等；一是用图形编程语言设计虚拟仪器，如HPVEE，LabVIEW等。

特别指出LabVIEW是美国国家仪器公司（National Instruments Co．）推出的图形化软件编程平台。在这个平台上，各专业领域的工程师、科学家们通过定义和连接代表各种功能模块的图标来方便迅速地建立高水平的应用程序。在这个软件环境中，提供了一种象数据流一样的编程模式，用户只要连接各个逻辑框即可构成程序。同时，还以图形方式提供了大量的显示和分析程序库，利用软件平台可大大缩短虚拟仪器控制软件的开发时间，而

且在这个平台上用户可以建立自己的测试方案。

3 虚拟仪器的应用

3．1 电力参数测试装置

该装置由武汉水利电力大学电力工程学院研究。虚拟仪器下的电力参数测试充分利用了微型机的硬件资源，并尽可能以软件代替硬件，使仪表的硬件结构简单，可靠性高，成本低廉。

该装置以微型机为核心，将电力参数采集卡插入微型机总线插槽中，直接与微型机内总线连接，以实现对电力参数的测试。其硬件结构框图见图3。

图3 电力参数测试装置结构框图

图中，三相电压、电流信号由电力线经电压互感器、电流互感器引入，经变压器和霍尔电流传感器后，6路输入Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic均为交流信号；同时，根据采样原理，使6路信号分别经6个采样保持器，在同一采样脉冲信号控制下，对这6路信号同时采样。为了实现对每一信号的频率跟踪，该系统采用锁相环跟踪技术：将一路被测信号经零检测电路变成方波信号（此方波信号的频率与电网基频相同），同时对它进行跟踪、锁相和倍频。这样就能使采样脉冲的频率fs严格地跟踪电网基频f1，且每一周期内的采样点数N＝fs/f1为恒定常数。采样的6路模拟量经多路模拟开关后依次送到A/D转换器。测频采用测周方式：假如在一个周期内，计数脉冲数为m，则被测信号频率为fx＝fc/m，其中fc为计数脉冲的频率。

应用软件采用Borland C＋＋和Visual Basic编写。由于C语言具有直接操作硬件的功能，故采用其编写仪器的驱动程序，以便完成仪器的接口。虚拟仪器的软面板采用VB制作，它由4个互不重合的窗口组成：控制窗口、状态窗口、绘图窗口和数据显示窗口。

3．2 内燃机试验测试系统

清华大学汽车工程系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检测，主要检测发动机的功率性、负荷性等。

过去采用DOS下的C语言开发程序，开发出来的检验系统的功能、操作界面及使用的方便程度都不很理想。利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW后，使整个系统移植到LabVIEW下，并大大增强了功能，操作界面也更加美观，检测时间大大减少，使用更加方便。检测后还能打印出完整的测试报告。

基于虚拟仪器的某弱信号处理模块测试系统设计与实现

技术分类： 测试与测量 | 2010-01-26

国外电子测量技术 中国空空导弹研究院 雷翔飞 李志攀 张新朝

0 引 言

随着测控技术的发展，要求测试的项目和测试参数日益增多，对自动化测试速度和测试准确度也提出了较高的要求。虚拟仪器是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常由控制模块、仪器模块和软件组成。由软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件对数据进行显示、存储以及分析处理，广泛应用于民用和军用测量领域Ⅲ。作为虚拟仪器技术的一种，GPIB总线仪器以其良好的可靠性和高精度性使基于该总线的虚拟仪器在自动化测试领域中得到广泛的研究与应用。

GPIB总线是一个数字式的24线并行总线。它由16条信号线和8条接地返回线组成。GPIB的16条信号线分为8条数据线，5条接口管理线，3条握手线等三大组。可以实现诸如总线初始化、设备寻址或地址释放以及为远程或本地编程设置设备模式的任务。GPIB使用8位并行的异步数据传输方案。

由于某弱信号处理模块需要测试的性能指标繁多，传统的手动测量的方法效率较低，人为因素的影响较大，操作失误情况下容易损坏模块，不适用于批量生产的产品测试。研制针对该模块的自动测试设备在批量的产品测试中可以有效的节省人力和时间，减少由于人为因素而产生的差错，提高测试准确性，对于产品的批量生产具有很大的促进作用，并有利于对产品的质量控制。

1 系统的主要功能

该自动测试系统主要应用在对某型弱信号处理模块的自动化检测中，实现对7个大项，100多个小项的自动化检测，取代使用分立的仪器逐项手动测试。测试系统需具备以下几个主要功能。1)为模块提供+12V、-12V直流电源及可变频变幅的正弦及脉冲信号输入；2)测试模块的交流噪声及直流偏置；3)测试交流通道输出波形失真度；4)进行模块的跨阻、高低端截止频率、AGC、隔离度等多项性能参数的自动测试；5)测试直流通道跨阻等性能指标；6)提供高低温测试夹具并实现常温及高低温状态下的测试；7)对结果以波形及数据表等方式记录显示和打印输出；8)自检功能及过流保护功能。测试系统应具有良好的图形用户界面，友好的人机对话环境。软件界面上应包括电源自检和信号源自检以及自校准功能。输入模块的激励信号的频率和幅值可以调节。测试系统应有两种工作方式，可以按照测试项目顺序依次进行测试，也可以对选中的单个或多个测试项目进行程控测试。测试过程中界面上实时显示测试系统的工作状态、测试项目和测得的数据。具有产品测试数据实时记录、储存及打印功能，能自动生成规范的测试报告、测试曲线。测试过程可随时终止，

并可查看自动生成的测试表格，自动标识不合格项。测试系统的组成框图如图1所示。测试系统的设计包括硬件没计和软件设计两部分。

2 测试系统硬件设计

测试系统的硬件部分由专用夹具、采集控制板、GPIB接口卡、数字I／O卡、函数信号发生器、数字万用表、数字存储示波器及工控机等组成。工控机通过采集控制板对模块的各引脚通道进行选择并发送信号，待测量通道的信号输入到相应仪器进行测量。工控机与各仪器通过GPIB总线相连，将控制命令发送到各仪器，测得的数据被发送到工控机进行分析处理等工作。采用GPIB总线星型连接方式，可以避免因某个仪器的关闭或非正常工作而影响工控机与其他仪器间的通信。

图2为该系统的硬件组成框图。其中直流稳压源提供模块的工作电压，通过采集控制板向模块专用夹具提供。函数信号发生器、数字万用表和数字存储示波器本身带有GPIB接口，在工控机扩展槽中插入GPIB卡获得工控机的GPIB接口，通过GPIB电缆线连接在一起，可以进行数据和信号的传输。工控机通过GPIB卡和数字I／O卡实现对采集控制板和其他设备的实时控制，向被控对象发出命令，协调它们之间的动作，从测量设备读出数

据，并对数据进行分析和处理，将完整的测量结果进行保存或制成报表打印输出。

函数信号发生器采用Agilent 33220A，用来向模块提供正弦信号和脉冲波信号。Agilent 33220A所能提供的正弦波的频率范围为1μHz～20MHz，幅度范围为10mVpp～10Vpp，精度为1mVp-p。Agilent 33220A函数信号发生器带有IEEE488．2标准的GPIB端口，可以和工控机进行通信，并由工控机对其输出波形参数进行设置。数字示波器采用Tektronix公司生产的TDS1002，带宽为60MHz，采样率1．0GS／s，可以满足测试要求；TDS1002示波器带有满足IEEE488．2标准的GPIB端口，可以和工控机进行通信，将测试结果传递给工控机。数字万用表采用Agilent 34401A，具有6位半数字分辨率，最高精度为1μV，交流电压测量量程为15mV～750V，频率测量范围为5Hz～1MHz，最高精度为0．01Hz，带有满足IEEE488．2标准的GPIB端口，可以和工控机进行通信，用来完成模块各通道输出波形的频率和交直流幅值的测量，并检测直流稳压源和函数信号发生器的输出。

2．1 直流稳压电源单元

直流稳压电源为模块提供+12V和-12V电压，为控制板和模块夹具板上的GPLD和继电器提供+5V工作电压。采用DH1718G-4型直流稳压源，此电源有0～+36V和0～-36V两路可调直流电压输出和一路十5V固定电压输出，输出电流分别为0～+3．5A和0～-3．5A，纹波电压有效值为0．5mV。

2．2 主控计算机系统

主控计算机系统由工控机主机、GPIB总线接口卡和数字I／O卡构成。计算机主机采用研华科技有限公司生产的工控机，内存在软件计算和显示中对容量要求比较大，内存容量配置为1Gbytes。GPIB总线接口卡选用了National Instruments公司生产的PCI-GPIB接口卡，该接口卡支持“Plug and Play\"标准，接插件采用IEEE488．1的标准24针接头，数据传输支持标准IEEE488和HS488两种模式。数字I／O卡采用National Instruments公司生产的PCI-6503，是PCI总线接口的数字I／O卡，兼容性强，支持“Plug and Play\"标准，采用5V TTL／CMOS控制电平，具有3通道共24位输入／输出。

基于CPLD的开放式四轴运动控制器的设计

技术分类： 可编程器件 | 2010-04-02

工控世界网

作为运动控制的核心部件，运动控制器普遍采用16位或32位微控制器，其灵活的系统集成方式和高速的指令执行速度提高了运动控制性能、改善了控制系统的精度、增强了系统构成的灵活性。如DeltaTau公司的PMAC系列、MEI公司的XMP系列的产品，均采用了高速数据信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）技术，一般可以控制1～

8个轴。这些基于PC机总线的运行控制器，虽然因采用高性能微处理器在信息处理速度方面有较大的提高，并在实际应用中提供了灵活的接口，但在使用以及系统集成的时候，仍然有很多不便，如价格比较高、应用非常复杂等。并且在结构上是封闭的，只能针对某一类型的应用，控制策略单一，很难同时满足控制系统在多种应用场合中的要求，实际定制应用。

过去，受计算机处理能力的限制，高性能的运动控制技术需要在板处理器如单片机或DSP上实现，一般PC机中的微处理器很难同时完成如轨迹插补运算和伺服控制运算等任务。目前PC机微处理器已经采用了更先进的工艺技术，信息处理能力明显提高，可以满足高速实时运动控制的要求，硬件支持能力大在增强，并且PC机良好的软件开发环境使构造开放式运动控制平台成为功可能。本文提出了一种不采用在板处理器而以PC机微处理器为控制核心的开放式四轴运动控制器，该运动控制器采用ALTERA公司的复杂可编程门阵列（CPLD）EPF6016实现硬件管理功能，硬件的功能可以通过软件配置，而应用层的功能如运动轨迹规则和伺服控制等均由PC机完成。

1、系统硬件结构

开放式四轴运动控制器的硬件结构如图1所示。其中，虚线框内的部分由ALTERA公司的复杂可编程门阵列EPF6016实现。FLEX6000系列器件EPF6016是ALTERA公司为大容量设计提供的一种低成本可编程交织式门阵列，共有16000个可用门，1320个逻辑单元，117个I/O引脚，每个I/O引脚都有独立的三态输出使能控制。该器件采用OPEFLEX结构，能在最小的芯片尺寸上保持高性能和高布线率。器件的基本组成是逻辑单元（LE）。每个逻辑单元由一个4输入查找表、一个寄存器以及作为进位链和级连链功能的专用通道。每十个逻辑单元组成一个逻辑阵列块（LAB）。器件采用SRAM构造，可以通过外部EEPROM或控制器实现在线配置，能使设计者在设计初期以及设计测试过程中对设计作灵

活的修改，同时也能够通过在线重新配置来改变其内部功能。运动控制器的硬件功能编程由ALTERA公司提供的MAX+PLUSII开发系统支持，设计采用了原理图输入方式，设计和调试比较直观、简便。

该运动控制器的硬件结构分为以下几部分：

（1）主机接口电路：运动控制器采用了ISA-AT总线接口，同时设计了PC-104接口。数据总线宽度为16位，接口功能在EPF6016内部实现，其中包括总线地址译码、数据和命令锁存、中断及复位等功能。

（2）光电编码器接口电路：运动控制器接收四路光电编码器差分输入信号作为位置反馈，最高输入频率为1MHz，输入的A、B相信号经过差动接收后，在EPF6016内部经过数字滤处理后进行倍频和辨向，产生的方向信号和脉冲信号进入16位加减计数器。系统软件可以计数而获得实际的位置变化。

（3）模拟量输出电路：高性能的运动控制器应采用高分辨率的D/A转换器。为了保证模拟量控制信号的精度，并考虑到模拟量信号在线上传输引起的漂移和电压降落，运动控制器和伺服驱动器之间的模拟控制接口信号至少应有12位以上的精度。本文中的运动控制器采用了低成本、小封装体积的双16位串行输入D/A转换器AD1866，构成双极性电压输出方式。在EPF6016内部设计了控制4路并发式并行/串行数据转换以及4路D/A地址选择电路，运动控制器的模拟量电压输出范围为±10V。

（4）数字量输入输出电路：运动控制的所有I/O信号均采用光电隔离处理，考虑到I/O并关信号可能产生的信号抖动现象，对每一路I/O信号都进行了相应的数字滤波处理以消除噪声信号。控制器设计了40路I/O信号，其中包括16路专用输入信号、2中特殊开关输入信号（用于坐标测量或定位的接触式测头信号和急停开关信号），另外还设计了16路可编程通用I/O信号（8路输入/8路输出）。实际上，所有的I/O信号除个别信号具有独特的功能外，都是开放的，可以根据I/O信号除个别信号具有独特功能外，都是开放的，可以根据应用的特点设计具体的功能。

（5）模拟量输入电路：对于一些控制场合，需要检测或控制外部状态量的变化，运动

控制器也设计了相应的单端或差动式模拟量反馈输入通道。系统采用MAXIM公司的8通道、12位转换精度、150kHz采样频率的A/D转换器MAX197。各模拟量通道可以独立编程选择输入范围：±10V、±5V、0～10V、0～5V，A/D转换器的转换基准采用内部基准。