智能儀表與自動測量技術(shù)

第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.1智能儀器與自動測量技術(shù)的發(fā)展歷程10.2智能儀器與個人儀器10.3自動測試系統(tǒng)10.4 虛擬儀器 10.5 網(wǎng)絡化儀器與遠程測控技術(shù)思考題 10 10.1 智能儀器與自動測量技術(shù)的發(fā)展歷程 20世紀70年代，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展微處理器的發(fā)展和普及，以及計算機技術(shù)與電子測量技術(shù)的結(jié)合，導致了基于微處理器的智能儀表的出現(xiàn)。具有鍵盤操作、數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)存儲和簡單計算，可實現(xiàn)自動測量，如智能DVM、智能RLC測量儀、智能電子計數(shù)器、智能半導體測試儀等。 第10章智能儀器與自動測量技術(shù)2.標準表征的階段接口和總線進入 1970 年代后期。出現(xiàn)了標準化的通用接口總線。因此，可以使用GPIB、VXI等儀器系統(tǒng)總線將一臺計算機和幾臺電子測量儀器連接在一起，組成一個自動測試系統(tǒng)。在這種自動測試系統(tǒng)中，所有設備都以具有標準化接口和統(tǒng)一無源總線的積木形式連接。在這些儀器總線中，最具代表性的是GPIB總線和VXI總線。

在電子測量領(lǐng)域，計算機與儀器的關(guān)系也在發(fā)生變化。在早期的自動測量系統(tǒng)中，儀器占據(jù)主要地位，計算機系統(tǒng)起輔助作用；談到GPIB儀器和VXI儀器階段，計算機系統(tǒng)越來越重要和占主導地位。基于這一趨勢，測試儀器出現(xiàn)了“計算機即儀器”的新概念，個人儀器和虛擬儀器應運而生。個人儀表以個人計算機為核心，輔以儀表電路板和擴展盒，連接個人計算機內(nèi)部總線。在應用軟件的控制下，測試和測量任務一起完成。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.2智能儀器與個人儀器10.2.1智能儀器智能儀器是計算機技術(shù)與電子測量儀器緊密結(jié)合的產(chǎn)物. 它包含能夠按照預定程序進行一系列測量試驗的微型計算機或測量儀器，具有測量數(shù)據(jù)的存儲、計算、分析和判斷、接口輸出和自動操作等功能。儀器與微處理器的結(jié)合使軟件取代了許多傳統(tǒng)的硬件邏輯，帶來更小體積、更高集成度、更直觀、方便和智能的顯示和操作，以及更有效的數(shù)據(jù)存儲處理和通信。與傳統(tǒng)儀器相比，智能儀器具有以下突出特點： 以軟件為核心，具有強大的控制能力。（4）智能化、自動化程度高。第十章智能儀表與自動測量技術(shù)智能儀表實際上是一個專用的微機系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分組成。

智能儀表的硬件部分主要包括CPU、內(nèi)存、內(nèi)部總線、各種I/O接口、通訊接口、人機接口（鍵盤、開關(guān)、按鈕、顯示器）等，如圖10.1。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)圖10.1智能儀器基本結(jié)構(gòu)內(nèi)存CPU標準儀器接口儀器總線轉(zhuǎn)換器輸出電路輸入電路BUS被測電壓的輸入輸出通道第10章智能儀器與自動測量科技智能儀器的軟件是它的靈魂，整個測量工作都在軟件的控制下進行。沒有軟件，智能儀器就無法工作。軟件是衡量智能儀表自動化程度和智能化程度的主要指標。智能儀表的軟件部分主要包括監(jiān)控程序和界面管理程序兩部分。第十章智能儀表與自動測量技術(shù)10.2.2 個人儀表圖10.2是微機內(nèi)部的一種擴展槽和微機外的插件盒。插入儀器卡的混合個人儀器結(jié)構(gòu)。第十章智能儀表與自動測量技術(shù)圖10.2個人儀表系統(tǒng)組成儀表插卡內(nèi)部總線個人電腦儀表插卡第十章智能儀表與自動測量技術(shù)10.3自動測試系統(tǒng)10.3.1 自動測試系統(tǒng)的組成控制器：主要是計算機，如小型機、個人電腦、微處理器、單片機等，是系統(tǒng)的指揮控制中心。程控儀器設備：包括各種程控儀器、勵磁源、程控開關(guān)、程控伺服系統(tǒng)、執(zhí)行器、顯示、打印、存儲記錄的裝置，可以完成某些特定的測試和控制任務.

3 典型GPIB自動測試系統(tǒng)GPIB接口計算機GPIB接口頻率合成儀GPIB接口DMMGPIB接口頻率計GPIB接口打印機DUT GPIB總線第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.3.2 GPIB總線自動測試系統(tǒng)由惠普公司（HP，安捷倫公司的前身）于 1972 年推出，后成為美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE 認可）和國際電工委員會（IEC），又稱IEEE-488 總線。GPIB總線結(jié)構(gòu)和連接如圖10.4所示。圖10. 4GPIB標準接口總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及連接接口部分控制/揚聲器/聽者（計算機）用戶編程接口部分（測量儀器）DUT接口部分（信號源）接口部分（記錄儀）硬拷貝IFC ATN EOI REN SRQ DAV NRFD NDAC DIO儀器設備接口儀表設備本身接口管理控制線數(shù)據(jù)掛鉤連接線數(shù)據(jù)總線如圖10.5。在GPIB標準接口總線系統(tǒng)中，需要有效的通信。至少有“揚聲器”、“聽者”和“控制器”三類設備，控制器、揚聲器和聽者被稱為系統(tǒng)功能的三要素。

第10章智能儀器和自動測量技術(shù)圖10.5GPIB接口消息和儀器消息儀器功能接口函數(shù)接口函數(shù)儀器功能總線接口消息儀器消息第10章智能儀器和自動測量技術(shù)VXI系統(tǒng)的所有設備都是采用插入式結(jié)構(gòu)，以VME總線作為機箱主板總線插入機箱，插件的尺寸和插入插件的主機架符合嚴格要求。VXI總線儀器的主要框架結(jié)構(gòu)圖如圖10.6所示。第10章智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.6VXI總線儀器主機結(jié)構(gòu) 圖12 印刷電路板上導軌尺寸，下軌空調(diào)孔支架尺寸、插件尺寸、輸送器、電源風扇、冷風段第10章智能儀表與自動測量技術(shù)具有32位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸率高。主板總線在功能上相當于連接獨立儀器的GPIB總線，但吞吐率更高?？刂破饕沧龀刹蹇ǎc主板總線相連，對總線上的各種活動進行調(diào)度和控制?；究偩€數(shù)據(jù)傳輸速率為40 Mb/s，遠高于其他測試系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率。采用VXI總線構(gòu)建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，簡化了連接和控制關(guān)系，有助于提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)在VXI總線的設計和標準的制定中，充分考慮了系統(tǒng)的電源、冷卻系統(tǒng)和電磁兼容性能，以及背板上的信號傳輸延遲和同步自動測量設備，并且每一項指標都有嚴格的標準。所有VXI總線都集中在高質(zhì)量的多層印刷電路板中，保證了VXI總線系統(tǒng)的高精度、運行的穩(wěn)定性和可靠性以及頻率帶寬?，F(xiàn)在有從直流到微波的各種儀器模塊。散熱系統(tǒng)和電磁兼容性能，以及背板上的信號傳輸延遲和同步，都得到了充分的考慮，每一項指標都有嚴格的標準。所有VXI總線都集中在高質(zhì)量的多層印刷電路板中，保證了VXI總線系統(tǒng)的高精度、運行的穩(wěn)定性和可靠性以及頻率帶寬?，F(xiàn)在有從直流到微波的各種儀器模塊。散熱系統(tǒng)和電磁兼容性能，以及背板上的信號傳輸延遲和同步，都得到了充分的考慮，每一項指標都有嚴格的標準。所有VXI總線都集中在高質(zhì)量的多層印刷電路板中，保證了VXI總線系統(tǒng)的高精度、運行的穩(wěn)定性和可靠性以及頻率帶寬?，F(xiàn)在有從直流到微波的各種儀器模塊。運行的穩(wěn)定性和可靠性，以及頻率帶寬?，F(xiàn)在有從直流到微波的各種儀器模塊。運行的穩(wěn)定性和可靠性，以及頻率帶寬?，F(xiàn)在有從直流到微波的各種儀器模塊。

不僅硬件標準化，軟件也進階到第十章智能儀器與自動測量技術(shù)。有B、C、D機箱三種規(guī)格和A、B、C、D模塊四種規(guī)格供用戶選擇；支持8位、16位、24位和32位數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)搭建者可以根據(jù)需要選擇不同廠家、不同類型的設備進行組合，靈活方便地構(gòu)建適應性強的自動測試系統(tǒng)。為了充分利用資源，VXI總線開發(fā)了與其他總線系統(tǒng)連接和轉(zhuǎn)換的模塊。這使得 VXI 總線系統(tǒng)具有極高的耐受性，可以與任何總線系統(tǒng)儀器或系統(tǒng)配合使用。VXI系統(tǒng)是計算機控制下的自動測試系統(tǒng)。圖1< @0.7HP75000 VXI儀器系統(tǒng)原理圖VXI總線主機軟面板與DUT之間的信號接口連接組件（ITA）（ITA）（DUT）其他VXI系統(tǒng)GPIB儀器第10章智能儀器與自動測量技術(shù)PXI總線是PCI總線的增強和擴展，兼容現(xiàn)有的行業(yè)標準Compact PCI。為了充分挖掘 PXI 在提供高度集成的測量和控制平臺方面的潛力，PXI 使用開放的軟件架構(gòu)來定義連接到不同類型硬件的通用接口。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.4虛擬儀器10.4. 1 虛擬儀器的概念和特點 緊密集成產(chǎn)生的一種新型儀器模型，是指以通用計算機為核心硬件平臺，相應的硬件模塊作為信號輸入/輸出接口。儀表軟件開發(fā)平臺用于將儀表盤虛擬化并在電腦屏幕上進行對應。鼠標或鍵盤交互操作功能，完成儀器相應的測試和測量任務。

輸入/輸出接口設備可內(nèi)置基于各種PC 設備，如數(shù)據(jù)采集插件卡、通用接口總線（GPIB）卡、串口、VXI 或PXI 總線接口模塊，或其他類型的可編程設備外部測試設備，分別構(gòu)成DAQ、GPIB、VXI、PXI等標準架構(gòu)，這些虛擬儀器中最常見的是數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)圖10.

圖1 0.9PC-DAQ系統(tǒng)第十章智能儀器與自動測量技術(shù)硬件平臺是虛擬儀器的基礎(chǔ)，儀器軟件是其核心?；A(chǔ)硬件確定后，如果虛擬儀器具有用戶自定義的功能和接口，就必須有強大的儀器軟件。VXI總線虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖10.10所示，包括應用軟件開發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動、VISA API三部分。第10章智能儀表與自動測量技術(shù)圖10. 10 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 交互式控制工具 資源編輯器 資源管理器 VXI 函數(shù)庫 VISA API 儀器驅(qū)動應用軟件包 編程語言（Visual C++ 或 Visual Basic 等） 應用軟件開發(fā)環(huán)境 第 10 章智能儀器與自動測量技術(shù)市場上有很多面向工程的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，大致可以分為兩類：一類是圖形化編程環(huán)境，如原HP公司的HP VEE和NI公司的LabVIEW；另一種是傳統(tǒng)的編程語言編程環(huán)境，如NI公司的LabWindows/CVI，以及微軟的Visual C、Visual Basic等。第10章：智能儀表和自動測量技術(shù) 可視化圖形開發(fā)環(huán)境，流程圖編程，易學易用自動測量設備，大大節(jié)省開發(fā)時間。LabVIEW開發(fā)環(huán)境分為前面板和流程圖兩部分，如圖10.11和圖10.12，圖10.11 前面板顯示隨機信號發(fā)生器的對象（輸出） 控制對象（輸入） 第十章智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.12 隨機信號發(fā)生器流程圖 功能： 隨機數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)：

采用集成開發(fā)平臺和開放式架構(gòu)。使用可視化編程，很容易設計用戶圖形界面。采用交互式編輯方式，可自動生成第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.4.3 虛擬儀器的設計與開發(fā)，明確用戶想解決什么問題，即有什么功能儀表應齊全，以及用戶對面板操作的要求，從而確定面板需要哪些控制元件和指示元件，并進行面板布局構(gòu)想。虛擬儀器的硬件一般分為基礎(chǔ)硬件平臺和儀器硬件設備。不同硬件架構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)性能對比見表10.1。用戶必須根據(jù)測試功能、性能要求和財務狀況做出合理選擇。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)表1 0.1 不同架構(gòu)虛擬儀器的系統(tǒng)性能第10章智能儀器與自動測量技術(shù)子程序接口。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)軟面板的設計應能在不同平臺和計算機顯示器上完成各種操作。因此，需要確保每個軟面板在不同平臺和不同分辨率的顯示器之間具有可移植性。根據(jù)外觀選擇顏色，效果、便攜性和印刷要求。不同面板上的控制器和指示器應該一致且易于閱讀，并且應該足夠大以容納顯示的最大數(shù)字或選項。軟面板應支持鼠標和鍵盤操作，并應提供在線幫助功能。第十章智能儀表與自動測量技術(shù) 10.5 網(wǎng)絡化儀表與遠程測控技術(shù) 通過網(wǎng)絡，用戶可以遠程監(jiān)控控制過程和實驗數(shù)據(jù)，實時性非常好。軟面板應支持鼠標和鍵盤操作，并應提供在線幫助功能。第十章智能儀表與自動測量技術(shù) 10.5 網(wǎng)絡化儀表與遠程測控技術(shù) 通過網(wǎng)絡，用戶可以遠程監(jiān)控控制過程和實驗數(shù)據(jù)，實時性非常好。軟面板應支持鼠標和鍵盤操作，并應提供在線幫助功能。第十章智能儀表與自動測量技術(shù) 10.5 網(wǎng)絡化儀表與遠程測控技術(shù) 通過網(wǎng)絡，用戶可以遠程監(jiān)控控制過程和實驗數(shù)據(jù)，實時性非常好。

通過網(wǎng)絡，可以連接位于不同地點的測試儀器，構(gòu)建分布式自動測試系統(tǒng)，如不同區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測。通過網(wǎng)絡，一個用戶可以遠程監(jiān)控多個進程，多個用戶可以同時監(jiān)控同一個進程。通過網(wǎng)絡，用戶的工作能力大大提高。通過網(wǎng)絡，用戶還可以就自己感興趣的問題在世界各地進行合作和訪問。 2、什么是智能儀表？它的主要特點是什么？4. 什么是自動測試系統(tǒng)？它的基本組成是什么？8. 什么是虛擬儀器？虛擬儀器是模擬儀器嗎？它與真正的樂器有何不同？9. 虛擬儀器有哪些優(yōu)勢？虛擬儀器的軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是怎樣的？10、虛擬儀器應用軟件開發(fā)環(huán)境 11、虛擬儀器設計的主要內(nèi)容有哪些？12. 什么是聯(lián)網(wǎng)儀器？有哪些特點？