智能仪器与自动测量技术

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1、第 10章 智能仪器与自动测量技术 第 10章 智能仪器与自动测量技术 10.1 智能仪器与自动测量技术的发展历史 10.2 智能仪器与个人仪器 10.3 自动测试系统 10.4 虚拟仪器 10.5 网络化仪器与远程测控技术 思考题 10 第 10章 智能仪器与自动测量技术 10.1 智能仪器与自动测量技术的发展历史 1.单机及专用系统阶段 20世纪 70年代 ， 随着微电子技术的发展和微处理 器的普及 ， 以及计算机技术与电子测量技术的结合 ， 出现了以微处理器为基础的智能仪器 。 它具有键盘操 作 、 数字显示 、 数据存储与简单运算等功能 ， 可实现 自动测量 ， 如智能化 DVM、 智

2、能化 RLC测量仪 、 智能 化电子计数器 、 智能化半导体测试仪等 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 2. 进入 20世纪 70年代末期 ， 标准化的通用接口总线 出现了 ， 因而可利用 GPIB、 VXI等仪器系统总线将一 台计算机和若干台电子测量仪器连接在一起 ， 组成自 动测试系统 。 在这种自动测试系统中 ， 各设备都用标 起来 。 在这些仪器总线中 ， 最具代表性的是 GPIB总线和 VXI总线 。 GPIB总线于 1972年由美国惠普公司 （ HP， Agilent公司的前身 ） 推出 ， 后为美国电气与电子工程 师学会 （ IEEE） 及国际电工委员会 （ IEC） 接受

3、 ， 又称 IEEE-488总线 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 3. PC基仪器阶段 进入 20世纪 80年代 ， 计算机特别是个人计算机得到了 广泛的普及与应用 。 在电子测量领域 ， 计算机与仪器之间 的相互关系也在发生改变 。 在早期的自动测量系统中 ， 仪 器占据主要位置 ， 而计算机系统起辅助作用； 而到了 GPIB 仪器和 VXI仪器阶段 ， 计算机系统越来越占据着重要和主 要地位 。 基于这种趋势 ， 出现了 “ 计算机即是仪器 ” 的测 试仪器新概念 ， 诞生了个人仪器和虚拟仪器 。 个人仪器以个人计算机为核心 ， 辅以仪器电路板和扩 展箱 ， 与个人计算机内部总线相

4、连 ， 在应用软件的控制下 ， 共同完成测试测量任务 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 10.2 10.2.1 智能仪器是计算机技术与电子测量仪器紧密结合 的产物 ， 是内含微型计算机或微处理器 , 能够按照预定 的程序进行一系列测量测试的测量仪器 ， 并具有对测 量数据进行存储 、 运算 、 分析判断 、 接口输出及自动 化操作等功能 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 1. 仪器与微处理器相结合 ， 使得软件替代了许多传 统的硬件逻辑 ， 带来更小的体积 、 更高的集成度 、 更 直观方便和智能的显示与操作 、 更有效的数据存储处 理与通信 。 同传统仪器相比 ， 智能仪器具有以

5、下几个 突出特点： （ 1） 以软件为核心 ， 具有强大的控制能力 。 （ 2） 具有强大的数据存储处理功能 。 （ 3） 实现仪器功能多样化 。 （ 4） 智能化 、 自动化程度高 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 2 智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统 ， 它由硬件和软件两大部分组成 。 1） 智能仪器的硬件部分主要包括 CPU、 存储器 、 内 部总线 、 各种 I/O接口 、 通信接口 、 人机接口 （ 键盘 、 开关 、 按钮 、 显示器 ） 等 ， 如图 10.1所示 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.1 智能仪器的基本结构 存 储 器C P U 标 准

6、 仪 器 接 口 仪 器 总 线 I / O 显示 I / O 键盘 I / O D / A 转 换 器 I / O A / D 转 换 器 输出 电路 输入 电路 B U S 被 测 电 压 输 入 输 出 通 道 第 10章 智能仪器与自动测量技术 2） 智能仪器的软件是其灵魂 ， 整个测量工作是在软 件的控制下进行的 。 没有软件 ， 智能仪器就无法工作 ， 软件是智能仪器自动化程度和智能化程度的主要标志 。 智能仪器的软件部分主要包括监控程序和接口管理程 序两部分 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 10.2.2 图 10.2示出了一种在微机内部的扩展槽及微机外部 的插件箱中都插入

7、仪器卡的混合式个人仪器结构 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.2 个人仪器系统的构成 仪 器 插 件 卡 内 部 总 线 个 人 计 算 机 仪 器 插 件 卡 第 10章 智能仪器与自动测量技术 10.3 10.3.1 通常 ， 自动测试系统包括以下五部分： （ 1） 控制器： 主要是计算机 ， 如小型机 、 个人计算 机 、 微处理机 、 单片机等 ， 是系统的指挥及控制中心 。 （ 2） 程控仪器设备： 包括各种程控仪器 、 激励源 、 程控开关 、 程控伺服系统 、 执行元件 ， 以及显示 、 打印 、 存储记录等的器件 ， 能完成一定的具体的测试及控制任务 。 （ 3

8、） 总线与接口： 是连接控制器与各程控仪器 、 设 备的通路 ， 完成消息 、 命令 、 数据的传输与交换 ， 包括插 卡 、 插槽及电缆等 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 （ 4） 测试软件： 为了完成系统测试任务而编制 的 、 在控制器上运行的各种应用软件 ， 如测试主程序 、 驱动程序 、 数据处理程序 ， 以及输入 /输出软件等 。 （ 5） 被测对象： 随测试任务的不同 ， 被测对象 往往是千差万别的 ， 由操作人员通过测试电缆 ， 接插 件 、 开关等与程控仪器和设备相连 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.3 典型的 GPIB自动测试系统 G P I B 接

9、口 计 算 机 G P I B 接口 频 率 合 成 器 G P I B 接口 D M M G P I B 接口 频 率 计 G P I B 接口 打 印 机 被 测 器 件 G P I B 总线 第 10章 智能仪器与自动测量技术 10.3.2 1. GPIB总线 GPIB总线于 1972年由美国惠普公司 （ HP， Agilent 公司的前身 ） 推出 ， 后为美国电气与电子工程师学会 （ IEEE） 及国际电工委员会 （ IEC） 接纳 ， 又称 IEEE- 488总线 。 GPIB总线结构与连接如图 10.4所示 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.4 GPIB标准接口总

10、线系统结构与连接 接 口 部 分 控 / 讲 / 听者 ( 计 算 机 ) 用 户 编 程 接 口 部 分 听 / 讲者 ( 测 量 仪 器 ) D U T 接 口 部 分 听 者 ( 信 号 源 ) 接 口 部 分 听 者 ( 记 录 仪 ) 硬 拷 贝 I F C A T N E O I R E N S R Q DAV N R F D N D A C D I O 1 D I O 8 仪 器 装 置 接 口 仪 器 装 置 本 身 接 口 管 理 控 制 线 数 据 挂 钩 联 络 线 数 据 总 线 通 用 接 口 总 线 第 10章 智能仪器与自动测量技术 如图 10.5所示，在一个 G

11、PIB标准接口总线系统中， 要进行有效的通信联络，至少有 “ 讲者 ” 、 “ 听者 ” 、 “ 控者 ” 三类仪器设备，控者、讲者、听者被称为系 统功能的三要素。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.5 GPIB接口消息和仪器消息 仪 器 功 能 接 口 功 能 接 口 功 能 仪 器 功 能总线 接 口 消 息 仪 器 消 息 第 10章 智能仪器与自动测量技术 2. VXI 主要特点： （ 1） 测试仪器模块化 。 VXI系统的全部器件都采用插件式结构 ， 插入以 VME总线作为机箱主板总线的机箱内 ， 插件和供插入 插件的主机架尺寸满足严格的要求 。 VXI总线仪器主 机架结

12、构图如图 10.6所示 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.6 VXI总线仪器主机架结构图 1 2 层 印 制 电 路 板 上 导 轨 P 1 连接器 P 2 连接器 C 尺寸插件 下导轨 冷气孔 托架 B 尺寸 插件 B 尺寸 插件 运送器 电源 风扇 冷 空 气 第 10章 智能仪器与自动测量技术 （ 2） 具有 32位数据总线 ， 数据传输速率高 。 主板总线在功能上相当于连接独立仪器的 GPIB总 线 ， 但具有更高的吞吐率 ， 控制器也做成插卡挂接在 主板总线上进行总线上的各种活动的调度和控制 ， 基 本总线数据传输速率为 40 Mb/s， 远远高于其他测试系 统总线的

13、数据传输速率 。 （ 3） 系统可靠性高 ， 可维修性好 。 用 VXI总线组建的系统结构紧凑 、 体积小 、 重量 轻 ， 简化了连接和控制关系 ， 有利于提高系统的可靠 性和可维修性 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 （ 4） 电磁兼容性好 。 在 VXI总线的设计和标准的制定中 ， 充分考虑了系统 的供电 、 冷却系统和电磁兼容性能 ， 以及底板上信号的传 输延迟及同步等 ， 对每项指标都有严格的标准 ， 全部 VXI 总线集中在高质量 、 多层印制电路板内 ， 这就保证了 VXI 总线系统的高精度及运行的稳定性和可靠性； 而且频带宽 ， 现已有从直流到微波的各种仪器模块 。 （

14、5） 通用性强 ， 标准化程度高 。 不仅硬件进行标准化 ， 而且软件也进行标准化 。 软件 的可维护性与可扩充性好 ， 这也是 VXI总线优于其他总线 ， 得到迅速发展的一个重要因素 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 （ 6） 适应性 、 灵活性强 ， 兼容性好 。 有 B、 C、 D三种规格的机箱和 A、 B、 C、 D四种规 格的模块供用户选择； 支持 8位 、 16位 、 24位和 32位的 数据传输 。 系统组建者可根据需要选择不同厂家 、 不同 种类的器件进行组合 ， 灵活方便地组建适应性极强的自 动测试系统 。 为了充分利用资源 ， VXI总线开发了与其 他总线系统连接和转

15、换的模块 ， 这使得 VXI总线系统具 有巨大的包容性 ， 可与任何总线系统的仪器或系统联合 工作 。 VXI系统是计算机控制下的一种自动测试系统 。 图 10.7 是选用 C型主机架的 HP75000 VXl仪器系统 示意图 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.7 HP75000 VXI仪器系统示意图 指 令 模 块 功 率 表 数 字 多 用 表 函 数 发 生 器 计 数 器 数 字 变 换 器 RF 开 关 模 拟 开 关 模 拟 矩 阵 开 关 数 设 字 备 用 户 定 做 模 板 VXI 总 线 主 机 架 软 面 板 G P I B 与 DUT 之 间 的 信 号

16、 接 口 连 接 组件 ( I T A ) 被 测 件 ( D U T ) 其他 VXI 系统 G P I B 仪器 第 10章 智能仪器与自动测量技术 3. PXI总线 1） PXI PXI总线是 PCI总线的增强与扩展，并与现有工业 标准 Compact PCI兼容。 2） PXI 为了充分发掘 PXI在提供高度集成化的测控平台方 面的潜力 ， PXI选用开放式软件体系结构 ， 用以定义出 一个与不同类型硬件相连的公共接口 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 10.4 10.4.1 1. 虚拟仪器 （ 简称 VI） 是电子测量技术与计算机技 术更加紧密结合产生的一种新仪器模式 ， 是指

17、以通用 计算机作为核心硬件平台 ， 配以相应的硬件模块作为 信号输入 /输出接口 ， 利用仪器软件开发平台在计算机 的屏幕上虚拟出仪器的面板和相应的功能 ， 通过鼠标 或键盘交互式操作完成相应测试测量任务的仪器 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 2. 与传统仪器相比 ， 虚拟仪器有以下特点： （ 1） 它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器 ， 融合了计算机强大的硬件资源 。 （ 2） 强调 “ 软件就是仪器 ” 的新概念 ， 软件在仪器 中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色 。 （ 3） 友好的图形化用户界面 ， 可实现人机交互 。 （ 4） 更新速度快 ， 可维护性好 。 （ 5）

18、采用模块化结构 ， 系统具有良好的开放性和可 扩展性 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 10.4.2 虚拟仪器的架构 1. 虚拟仪器的硬件构成 拟仪器的硬件架构如图 10.8所示 。 数据的采集通过 输入 /输出接口设备来完成 。 输入 / 输出接口设备可以 是以各种 PC为基础的内置数据采集插卡 、 通用接口总 线 （ GPIB） 卡 、 串口 、 VXI或 PXI总线接口模块等设备 ， 或者是其他各种可编程的外置测试设备 ， 分别构成 DAQ、 GPIB、 VXI、 PXI等标准体系结构的虚拟仪器 ， 其中最常见的是数据采集 （ DAQ） 卡 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术

19、图 10.8 虚拟仪器的硬件架构 S CX I1 14 0 S CX I1 14 0 S CX I1 14 0 S CX I 1 14 0 S CX I- 10 01 M A IN FR A ME S CX I S CX I1 10 0 NA T IO NA L IN S TR U M EN T S b us C on tro l Pa ne l F low P re s ure A la rm C o nd ito n s S TO P T em p era tu re GPI B 仪器 串口仪器 D AQ 产品 测试 单元 工业过程 VX I 仪器 应用软件 PC 或 工作站 采集与控制

20、仪器硬件 分析与表达 应用软件 分 析 与 表 达 应 用 软 件 应 用 软 件 PC 或 工 作 站 采 集 与 控 制 仪 器 硬 件 VXI 仪器 G P I B 仪器 串 口 仪 器 DAQ 产品 工 业 过 程 测 试 单 元 第 10章 智能仪器与自动测量技术 在 PC计算机上挂接若干 DAQ功能模块 ， 配合相应 的软件 ， 就可以构成一台具有若干功能的 PC仪器 ， 如 示波器 、 数字万用表 、 串行数据分析仪 、 动态信号分 析仪 、 任意波形发生器等 ， 如图 10.9所示 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.9 PC-DAQ系统 第 10章 智能仪器与自

21、动测量技术 2. 硬件平台是虚拟仪器的基础 ， 仪器用软件是其核 心 。 基本硬件确定后 ， 要使虚拟仪器具有用户自行定 义的功能与界面 ， 就必须有功能强大的仪器用软件 。 VXI总线虚拟仪器的软件结构示意图如图 10.10所 示 ， 包括应用软件开发环境 、 仪器驱动器 、 VISA API 三部分 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.10 虚拟仪器软件结构 交 互 式 控 制 工 具 资 源 编 辑 器 资 源 管 理 器 VXI 功 能 库 V I S A A P I 仪 器 驱 动 器 应 用 软 件 包 编 程 语 言 ( V i s u a l C + + 或 V

22、i s u a l B a s i c 等 ) 应 用 软 件 开 发 环 境 第 10章 智能仪器与自动测量技术 3. 目前 ， 市场上可供选择的面向工程的虚拟仪器软 件开发平台比较多 ， 其大致可分为两类： 一类是图形 化编程环境 ， 如原 HP公司的 HP VEE和 NI公司的 LabVIEW； 另一类是传统的程序语言编程环境 ， 如 NI 公司的 LabWindows/CVI， 以及微软的 Visual C、 Visual Basic等 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 1） LabVIEW 其主要特点有： (1) 可视化图形开发环境 ， 流程图式的编程 ， 简单 易学 、 易用

23、 ， 大大节省了开发时间 。 LabVIEW开发环 境分为前面板和流程图两部分 ， 分别如图 10.11和图 10.12所示 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.11 随机信号发生器的前面板 显 示 对 象 ( 输出 ) 控 制 对 象 ( 输入 ) 第 10章 智能仪器与自动测量技术 图 10.12 随机信号发生器的流程图 函数 : 随 机 数 发 生 器 结构 : 循环 与 前 面 板 控 件 对 应 的 连 线 端 子 与 前 面 板 控 件 对 应 的 连 线 端 子 第 10章 智能仪器与自动测量技术 (2) LabVIEW提供了丰富的程序调试功能 。 (3) 结构化

24、、 模块化编程 ， 可移植性好 。 (4) 库函数丰富 ， 开放性 、 可扩展性好 。 2） LabWindows/CVI 具体来说 ， 它具有以下特点： (1) 采用集成开发平台 、 开放式体系结构 。 (2) 采用可视化编程 ， 设计用户图形界面轻松自如 。 (3) 采用交互式编辑方法 ， 可自动生成程序源代码 。 (4) 运用丰富的库函数 ， 使编程工作大大简化 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 (5) 运用方便灵活的程序调试手段。 10.4.3 1. 明确用户想解决什么问题 ， 即仪器要完成哪些功能 ， 以 及用户对面板操作上的要求 ， 从而确定面板需要什么控制部 件和指示部件

25、， 2. 虚拟仪器的硬件一般分为基础硬件平台和仪器硬件设 备。 采用不同硬件体系结构的虚拟仪器系统性能比较如表 10.1所示 ， 用户必须根据测试功能与性能需求 、 资金情况等 进行合理的选择 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 表 10.1 不同体系结构虚拟仪器的系统性能 第 10章 智能仪器与自动测量技术 3. 通常 ， 仪器驱动器包括以下几个部分： (1) 函数体 。 (2) 交互式操作接口 。 (3) 编程接口 。 (4) I/O接口 。 (5) 功能库 。 (6) 子程序接口 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 4. 软面板的具体设计应注意以下几点： (1) 软面板应设计成能

26、在不同平台和计算机显示器上完 成各种操作 ， 所以必须保证每个软面板在不同平台和不同 分辨率的显示器之间是可移植的 。 (2) 字体选择应基于可移植性和易读性 。 (3) 根据外观 、 效果 、 可移植性及打印的要求来选择颜 色 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 (4) 仪器或公司的图标显示在主面板上 。 (5) 不同面板上的控制器和指示器应该是一致的 、 易读的 ， 应能足够容纳所表示的最大数字或选项 。 (6) 软面板应支持鼠标和键盘操作 ， 应提供在线帮 助功能 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 10.5 网络化仪器具有以下优点： （ 1） 通过网络 ， 用户能够远程监测控制

27、过程和实验数 据 ， 而且实时性非常好 。 （ 2） 通过网络 ， 可以把位于不同位置的测试仪器连接 起来 ， 可构造一个分布式的自动测试系统 ， 如不同地区的 环境监测等 。 （ 3） 通过网络 ， 一个用户能远程监控多个过程 ， 而多 个用户也能同时对同一过程进行监控 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 （ 4） 通过网络 ， 大大增强了用户的工作能力 。 （ 5） 通过网络 ， 用户还可就自己感兴趣的问题在 世界范围内进行合作和访问 。 第 10章 智能仪器与自动测量技术 思考题 10 1 简述自动测量技术的发展概况 。 2 什么是智能仪器 ？ 其主要特点是什么 ？ 3 智能仪器的基本结构是怎样的 ？ 4什么是自动测试系统？ 其基本组成是什么？ 5 GPIB通用接口总线有哪些主要特征 ？ 6 VXI 第 10章 智能仪器与自动测量技术 7 PXI总线有何特点 ？ 8 何为虚拟仪器 ？ 虚拟仪器是仿真仪器吗 ？ 它 和真实的仪器有何区别 ？ 9 虚拟仪器有何优点 ？ 虚拟仪器的软 、 硬件系 统结构是怎样的 ？ 10 虚拟仪器应用软件开发环境主要有哪些 ？ 简 述 LabVIEW和 LabWindows/CVI两种软件的主要功能及 特点 。 11 虚拟仪器的设计主要包括哪些内容 ？ 12 什么是网络化仪器 ？ 它有什么特点