第10章智能儀器和自動測量技術
第10章智能儀器和自動測量技術第10章智能儀器和自動測量技術10.1智能儀器和自動測量技術的發(fā)展歷史10.2智能儀器和個人儀器10.3自動測試系統(tǒng)虛擬儀器10.4虛擬儀器10.5網絡儀器與遠程測控技術的思考題10第10章智能儀器與自動測量技術10.1智能儀器與自動測量技術的發(fā)展歷史[1.獨立和專用系統(tǒng)階段1970年代，隨著微電子技術的發(fā)展和微處理器的普及，以及計算機技術和電子測量技術的結合，設備的普及以及計算機技術和電子技術的結合測量技術出現基于微處理器的智能nt儀器。它具有鍵盤操作，數字顯示，數據存儲和簡單計算等功能，并可以實現自動測量，例如智能DVM，智能RLC測量儀器，智能電子計數器，智能半導體測試儀等。第十章智能儀器和自動測量技術2.以標準接口和總線為主要特征的階段進入了1970年代后期。出現了標準化的通用接口總線，因此可以使用儀器系統(tǒng)總線（如GPIB和VXI）進行集成。計算機和數個電子測量儀器連接在一起，形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接口和統(tǒng)一無源總線的構造塊的形式連接。在這些儀表總線中，最具代表性的是GPIB總線和VXI總線。
GPIB總線由惠普公司（HP，安捷倫的前身）于1972年推出，后來被電氣和電子工程師協會（IEEE）和國際電工委員會（IEC）所接受。 IEEE-488總線。第10章智能儀器和自動測量技術3.基于PC的儀器進入20世紀80年代，計算機（尤其是個人計算機）得到了廣泛的推廣和應用。在電子測量領域，計算機與儀器之間的關系也在發(fā)生變化。在早期的自動測量系統(tǒng)中，儀器占據主要位置，計算機系統(tǒng)起輔助作用。當涉及到GPIB儀器和VXI儀器階段時，計算機系統(tǒng)變得越來越重要，而主計算機系統(tǒng)也變得越來越重要。重要和主要位置。基于這種趨勢，出現了用于測試儀器的“計算機就是儀器”的新概念，并且誕生了個人儀器和虛擬儀器。個人儀器以個人計算機為核心，輔以儀器電路板和擴展箱，并連接到個人計算機的內部總線。在應用軟件的控制下，測試和測量任務一起完成。第10章智能儀器和自動測量技術10.2智能儀器和個人儀器10.2. 1智能儀器智能儀器是計算機技術和電子測量儀器緊密集成的產物。它們包含微型計算機或微型計算機。處理器可以是根據預定產品包含微型計算機或微處理器的測量儀器，并且可以根據預定過程執(zhí)行一系列測量測試，并具有存儲，計算，分析和判斷，接口輸出以及自動操作功能。測量數據和其他功能。
第10章智能儀器和自動測量技術1.智能儀器的功能儀器和微處理器的結合使軟件可以取代許多傳統(tǒng)的硬件邏輯，從而實現了更小的尺寸，更高的集成度以及更直觀，便捷和智能的顯示方式。操作上，更有效地進行數據存儲處理和通訊。與傳統(tǒng)儀器相比，智能儀器具有以下突出特點：（1）以軟件為核心，具有強大的控制能力。（2）具有強大的數據存儲和處理功能。（3）實現儀器的多樣化（4）智能，高度自動化。第10章智能儀器和自動測量技術2.智能儀器的基本結構智能儀器實際上是專用的微型計算機系統(tǒng)，它由兩個主要的硬件和軟件部分組成。 ]智能儀器的硬件結構智能儀器的硬件部分主要包括CPU，內存，內部總線，各種I / O接口，通信接口自動測量設備，人機界面（鍵盤，開關，按鈕，顯示器）等，例如圖10.1.第10章智能儀器和自動測量技術內存CPU標準儀器接口I / O顯示I / O鍵盤I / OD / A轉換器轉換器I / OA / D轉換器轉換器總線被測電壓圖10.1智能儀器的基本結構儀器總線輸出電路輸入電路輸入和輸出通道第10章智能儀器和自動測量技術[ 2）智能儀器的軟件是智能儀器的靈魂，整個測量工作是在軟件的控制下進行的。
沒有軟件，智能儀器將無法工作。軟件是智能儀器自動化和智能程度的主要指標。智能儀器的軟件部分主要包括兩部分：監(jiān)控程序和界面管理程序。第10章智能儀器和自動測量技術10.2. 2個人儀器圖10.2顯示了一種混合類型，其中，將儀器卡插入微型計算機內部的擴展槽中，并將插入式插件插入微型計算機外部個人樂器的結構。第10章智能儀器和自動測量技術內部總線個人計算機圖10.2個人儀器系統(tǒng)的組成儀器插卡儀器插入卡第10章智能儀器和自動測量技術10.3自動測試系統(tǒng)10.3. 1自動測試系統(tǒng)的組成。通常，自動測試系統(tǒng)包括以下五個部分：（1）控制器：主要是計算機，例如小型計算機，個人計算機，微處理器，單片機等，它們是命令和控制中心。計算機，微處理器，單芯片計算機等是系統(tǒng)的命令和控制中心。[2）程控儀器和設備：包括各種程控儀器，激勵源，程控開關，程控伺服系統(tǒng)，執(zhí)行器和顯示器，打印，存儲記錄的設備等可以完成某些特定的測試和控制任務。（3）總線和接口：這是連接控制器和各種程序控制的儀器和設備的路徑，并完成消息，命令和數據的傳輸和交換，包括插卡，插槽，電纜等。第10章智能儀器和自動測量技術（4）測試軟件：各種被編譯以完成系統(tǒng)測試任務并在控制器上運行的應用軟件，例如測試主程序，驅動程序，數據處理程序和輸入/輸出軟件等。
（5）被測對象：根據測試任務，被測對象通常非常不同。操作員通過測試電纜，連接器，開關等將程序控制的儀器和設備連接起來。開關等。連接到程序控制的儀器與設備連接第10章智能儀器和自動測量技術GPIB接口計算機GPIB接口頻率合成器GPIB接口DMMGPIB接口頻率計GPIB接口打印機GPIB總線圖10.3典型的GPIB自動測試系統(tǒng)DUT第10章智能儀器和自動測量技術10.3. 2自動測試系統(tǒng)總線1. GPIB總線GPIB總線是由惠普公司（HP，安捷倫公司的前身）于1972年推出的，后來成為電氣和電子工程師協會（IEEE）和國際電工委員會（IEC），也稱為IEEE-488總線488總線。GPIB總線結構e和連接如圖10.4所示。 GPIB總線的結構和連接如圖10所示，第10章智能儀器和自動測量技術IFCATNEOIRENSRQDAVNRFDNDACDIO1…DIO8接口管理控制線數據鉤連接線數據總線通用接口總線線圖10.4 GPIB標準接口總線系統(tǒng)結構和連接控制/揚聲器/監(jiān)聽器（計算機）用戶編程的接口部分接口部分監(jiān)聽器/揚聲器（測量儀器）DUT接口部分監(jiān)聽器（信號源）接口部分監(jiān)聽器（記錄器）硬拷貝儀器設備接口儀器設備本身第10章智能儀器和自動測量技術圖10.5如圖所示，在GPIB標準接口總線系統(tǒng)中，為了進行有效的通信，至少存在三種類型的設備：“揚聲器”，“監(jiān)聽器”和“控制器”?？刂破鳎瑩P聲器和監(jiān)聽器稱為系統(tǒng)功能的三個元素。
第10章智能儀器和自動測量技術儀器功能接口功能接口功能儀器功能總線接口消息圖10.5 GPIB接口消息和儀器消息儀器消息第10章智能儀器和自動測量技術2. VXI主要總線的特性：（1）測試儀器的模塊化。VXI系統(tǒng)的所有組件均采用插入式結構，以VME總線作為機箱的主板總線插入機箱中，并且尺寸插件和插入插件的主機架均滿足嚴格的要求，VXI總線儀表的主機架結構如圖10.6所示。第十章智能儀表和自動測量技術12層印刷電路板式導軌P1連接器P2連接器C尺寸插入式下部導軌下部導軌B尺寸插入式電源風扇圖10.6 VXI總線儀器的主機架結構圖ram冷卻空氣孔支架B尺寸插入式運輸機冷空氣第10章智能儀器和自動測量技術（2）具有32位數據總線，數據傳輸率高主板總線在功能上等同于與之連接的GPIB總線獨立的儀器，但具有較高的吞吐率。該控制器也可作為插入卡制成，并連接到主板總線，以計劃和控制總線上的各種活動?；究偩€數據傳輸速率為40 Mb / s，遠高于其他測試系統(tǒng)總線的數據傳輸速率。 （3）該系統(tǒng)具有較高的可靠性和可維護性。VXI總線構建的系統(tǒng)結構緊湊，體積小，重量輕，簡化了連接和控制關系，有利于提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性。
第10章智能儀器和自動測量技術（4））良好的電磁兼容性。在VXI總線設計和標準制定中，電源，冷卻系統(tǒng)和系統(tǒng)的電磁兼容性性能以及背板上的信號傳輸延遲和同步等對每個指標都有嚴格的標準，所有VXI總線都集中在高質量的多層印刷電路板上，從而確保了VXI總線系統(tǒng)的高精度以及操作的穩(wěn)定性和可靠性?？偩€系統(tǒng)的精度高，線路的穩(wěn)定性和可靠性高；從直流電到微波都有各種儀表模塊；并且頻寬（5）用途廣泛且高度標準化。不僅進行了硬件標準化，而且軟件也標準化，軟件的可維護性和可擴展性良好，這也是快速發(fā)展的重要因素VXI總線優(yōu)于其他總線。第10章智能儀器和自動測量技術（6）適應性，靈活性和兼容性。有B，C，D機箱的三種規(guī)格和A，B，C，D模塊的四種規(guī)格供用戶選擇；支持8-位，16位，24位和32位數據傳輸，系統(tǒng)構建者可以根據需要選擇不同的制造商和不同類型的設備進行組合，并靈活方便地構建高度適應性強的自動測試系統(tǒng)。充分利用資源，開發(fā)了VXI總線，并利用資源VXI總線開發(fā)用于與其他總線系統(tǒng)連接和轉換的模塊，這使得VXI總線系統(tǒng)具有很高的容忍度，并且可以與任何總線系統(tǒng)儀器或系統(tǒng)配合使用
VXI系統(tǒng)是在計算機控制下的自動測試系統(tǒng)。圖10.7是帶有C型主機架的HP75000 VXl儀器系統(tǒng)的示意圖。第10章智能儀器和自動測量技術命令模塊功率計數字萬用表函數發(fā)生器計數器數字轉換器RF開關模擬開關模擬矩陣開關數字設備用戶定制的模板VXI總線主機軟面板其他VXI系統(tǒng)GPIB儀器圖10.7 HP75000 VXI儀器系統(tǒng)示意圖GPIB和DUT（DUT）之間的信號接口連接組件（ITA）第10章智能儀器和自動測量技術3. PXI總線1） PXI總線的特性PXI總線是PCI總線的增強和擴展并與現有的行業(yè)標準Compact PCI兼容。 2） PXI軟件的特性為了充分挖掘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來定義連接到不同類型硬件的通用接口。第10章智能儀器和自動測量技術10.4虛擬儀器10.4.1虛擬儀器的概念和功能1.虛擬儀器的概念虛擬儀器（簡稱VI）是一種電子測量技術和計算機技術虛擬儀器（VI）是通過電子測量技術和計算機技術的緊密結合而產生的一種新的儀器模式。它以通用計算機為核心硬件平臺，以相應的硬件模塊作為信號輸入/輸出接口和儀器軟件。開發(fā)平臺將儀器面板和相應功能虛擬化在計算機屏幕上，并完成相應的測試和測量。通過鼠標或鍵盤的交互操作完成任務。
第10章智能儀器和自動測量技術2.與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下特征：（1）它是功能上而非物理上的儀器。它集成了強大的硬件資源。 （2）強調了“軟件就是儀器”的新概念。軟件在過去扮演著硬件甚至整個儀器的角色。[3）友好的圖形用戶界面，實現人機交互（4）更新速度快，維護性好。（5）采用模塊化結構，系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴展性。第十章智能儀器與自動測量技術10.4.2虛擬儀器架構1.虛擬儀器的硬件配置虛擬儀器的硬件架構如圖10.8所示，數據通過輸入/輸出接口收集。 rface設備完成。輸入/輸出接口設備可以是各種基于PC的內置數據采集插件卡，通用接口總線（GPIB）卡，串行端口，VXI或PXI總線接口模塊或其他設備可編程外部測試設備，分別構成DAQ，GPIB，VXI，PXI和其他標準架構的虛擬儀器，其中最常見的是數據采集（DAQ）卡。第10章智能儀器和自動測量技術SCXI1140 SCXI1 140 SCXI1140 SCXI1140 SCXI-1001MAINFRAME SCXISCXI 11 00控制面板流量壓力報警條件STOP溫度串行儀器串行儀器串行儀器DAQ產品DAQ產品應用軟件應用軟件PC或工作站工作站采集和控制儀器硬件儀器硬件分析和表達式應用程序軟件分析和表達式應用程序軟件PC或采集和控制圖10.8虛擬儀器硬件體系結構NATIONALINSTRUMENTS?busGPIB儀器GPIB儀器測試單元測試單元工業(yè)過程工業(yè)過程VXI儀器VXI儀器第10章智能儀器和自動測量技術在PC計算機上連接多個DAQ功能該模塊與相應的軟件一起可以構成具有多種功能的PC儀器，例如示波器，數字萬用表，串行數據ta分析儀，動態(tài)信號分析儀，任意波形發(fā)生器等，如圖10.9.所示。
第10章智能儀器和自動測量技術SD8000HP J411 0A ProCurveDAQ插件卡DAQ插件卡調節(jié)信號調節(jié)信號圖10.9 PC-DAQ系統(tǒng)SCXI框架SCXI框架SCXI模塊SCXI模塊I / O信號傳感器信號傳感器信號I / O信號第10章智能儀器和自動測量技術2.虛擬儀器的軟件結構硬件平臺是虛擬儀器的基礎，而儀器軟件是其核心。確定基本硬件后，如果虛擬儀器具有用戶定義的功能和接口，則它必須具有功能強大的儀器軟件。 VXI總線虛擬儀器的軟件結構示意圖如圖10.10所示，包括應用軟件開發(fā)環(huán)境，儀器驅動程序和包括應用軟件開發(fā)環(huán)境儀器驅動程序VISA API的VISA API。第10章智能儀器和自動測量技術儀器驅動程序儀器驅動程序應用軟件包編程語言（Visual C ++或Visual Basic等）應用程序軟件開發(fā)環(huán)境圖10.10虛擬儀器軟件結構交互式控制工具資源編輯器資源管理器VXI功能庫VISA API第10章智能儀器和自動測量技術3.虛擬儀器應用軟件開發(fā)環(huán)境目前，市場上有許多面向工程的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，大致可分為兩類：圖形化編程環(huán)境，例如HP的原始HP VEE和NI的LabVIEW；另一個是傳統(tǒng)的編程語言環(huán)境，例如NI LabWindows / CVI的LabWindows / CVI，以及Microsoft的Visual C，Visual / CVI和Microsoft的Vil CVilBasic等。
第10章智能儀器和自動測量技術1） LabVIEW的主要特征是：（1)可視化圖形開發(fā)環(huán)境，流程圖式編程，易學，易用，大大節(jié)省了開發(fā)時間。LabVIEW開發(fā)環(huán)境分為前面板和流程圖兩部分，分別如圖10.11和圖10 12、10.12所示。第10章智能儀器和自動測量技術顯示對象（輸出）控制對象（輸入）圖10.11隨機信號發(fā)生器的前面板第10章智能儀器和自動測量技術功能：與隨機數發(fā)生器和前面板控件相對應的連接端子和連接圖10.12隨機信號發(fā)生器的流程圖結構：回路第10章智能儀器和自動測量技術技術（2)LabVIEW提供了許多程序調試功能。 （3)結構化，模塊化編程，可移植性好。（4)豐富的庫函數，開放性和良好的可伸縮性。2） LabWindows / CVI特別具有以下特征：具體來說，它具有以下特征：（1)采用集成開發(fā)平臺，開放式體系結構。（2)可視化編程可輕松設計用戶圖形界面。（3)交互式編輯方法可用于自動生成程序源代碼。（4)使用豐富的庫函數可以使編程工作大大簡化。第十章智能儀器和自動測量技術（5)使用方便靈活的程序調試方法。
10.4.3虛擬儀器的設計和開發(fā)1.測試要求的制定闡明了用戶想要解決的問題，即儀器必須完成的功能以及用戶對面板的要求操作，從而確定面板需要哪些控制組件，指示組件和指示組件，以及面板布局概念和面板布局概念2.硬件選擇虛擬儀器的硬件通常分為基本硬件平臺和儀器硬件設備。表10.1顯示了具有不同硬件架構的虛擬儀器系統(tǒng)的性能比較。用戶必須根據測試功能，性能要求和財務狀況做出合理的選擇。第10章智能儀器和自動測量技術表10.1具有不同體系結構的虛擬儀器的系統(tǒng)性能第10章智能儀器和自動測量技術3.儀器驅動程序開發(fā)通常，儀器驅動程序包括以下部分：（[1)功能體。（2)交互式操作界面。（3)編程界面。（4) I / O界面。（5)功能庫。（6)子例程界面。第10章智能儀表和自動測量技術[4.虛擬儀器軟面板設計軟面板的具體設計應注意以下幾點：（1)軟面板應設計為在不同平臺和計算機顯示器上執(zhí)行各種操作，因此必須確保面板可在不同平臺和不同分辨率的顯示器之間移植。（2)字體選擇應基于可移植性和可讀性。（[ 3)根據外觀，效果，便攜性和印刷來選擇所需的顏色。
第10章智能儀器和自動測量技術（4)儀器或公司的圖標顯示在主面板上。（5)不同面板上的控制器和指示器應保持一致且易于閱讀。 （6)軟面板應支持鼠標和鍵盤操作，并應提供在線幫助功能。）第10章智能儀器和自動測量技術10.5聯網儀器和遠程測量與控制技術網絡化儀器具有以下優(yōu)點：（1）通過網絡，用戶可以遠程監(jiān)控控制過程和實驗數據，實時性非常好。（2）（2）通過網絡，進行測試位于不同位置的儀器通過網絡，可以連接位于不同位置的測試儀器，并構建分布式自動測試系統(tǒng)，例如環(huán)境全面監(jiān)測不同地區(qū)。 （3）通過網絡，用戶可以遠程監(jiān)視多個過程，多個用戶也可以同時監(jiān)視同一過程。第10章智能儀器和自動測量技術（4）通過網絡，用戶的工作能力（5）通過網絡自動測量設備，用戶也可以對自己感興趣，可以合作并訪問世界各地。第10章智能儀器和自動測量技術的思考問題101.簡要描述自動測量技術的發(fā)展。2.什么是智能儀器嗎？它的主要特征是什么？33.智能儀器什么是智能儀器的基本結構？4.什么是自動測試系統(tǒng)？它的基本組成是什么？5. GPIB的主要特征是什么通用接口總線？6. VXI總線儀器的優(yōu)點是什么？第10章智能儀器和自動測量技術7.有哪些優(yōu)點？ PXI總線的特點？ 8.什么是虛擬儀器？虛擬儀器是模擬儀器嗎？它和真實樂器有什么區(qū)別？ 9.虛擬儀器的優(yōu)點是什么？軟件和硬件系統(tǒng)的結構是什么？ 10.虛擬儀器應用軟件的主要開發(fā)環(huán)境是什么？簡要介紹兩種軟件LabVIEW和LabWindows / CVI的主要功能和特點。 11.虛擬儀器設計的主要內容是什么？ 12。什么是聯網儀器？有什么特點？
