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1、虚拟仪器技术虚拟仪器技术 本课程的教学安排 讲课：24学时 上机：24学时 学分：3 主要教学目的： 1、了解虚拟仪器的原理与技术 2、掌握虚拟仪器设计及软件编程 名人名言名人名言 No Measurement, No Science. No Science, No Industry. No Industry, No Pollution. 机械式测量仪器 模拟式电子测量仪器 模拟电子技术的发展测 测 试试 技技 术术 发发 展展 走走 势势 数字式电子测量仪器 数字电子技术的发展 可程控仪器 计算机技术的发展 模块式仪器 虚拟仪器 软件技术的发展 个人仪器 个人计算机的发展 嵌入式技术的发展
2、智能仪器 智能传感器 计算机网络技术的发展 现场总线仪器 网络化仪器 网络化传感器 虚拟仪器测试系统 测试技术的发展 一、机械式测量仪器 时间的测量（计时器） 利用地球自转时日照的阴影来确定时间。 日 晷 利用流体从小孔中匀速等量的流动特性来 确定时间。 沙漏计时器 利用单摆运动的等时性来确定时间。 单摆运动 摆钟 利用游丝摆动的等时性来确定时间。 游丝 机械钟 机械手表 机械秒表 温度的测量（温度计） 利用液体热胀冷缩的原理来确定温度。 酒精温度计 水银温度计 利用金属簧片热胀冷缩的原理来确定温度。 金属温度计 力和质量的测量 利用杠杆的平衡原理来确定力和质量。 杆秤 地磅 天平 物理天平
3、分析天平 利用金属的弹性形变原理来确定力和质量 。 弹簧秤 台秤 体重计 压力表 数的计量（计数器） 手动计数器 水表 燃气表 电度表 二、模拟式电子测量仪器 出现于20世纪初，伴随着电子技术的发 展而发展。测量、读数由人工完成，人为误 差和系统误差较大，且效率低，功能单一。 时间的测量 时间的确定由电子方式实现，时间的显 示由机械方式实现。 即利用石英晶体的固有振荡频率来产生 等时间隔的脉动电流，电生磁，磁生力，力 驱动指针来显示时间。 石英晶振 石英手表 石英钟 电参数的测量 采用电磁感应的原理，将各类电参数的 测量感应为电流，电生磁，磁生力，力驱动 表盘指针来显示读数，或驱动CRT的电子
4、束 来显示曲线。 电磁感应式的电压测量 大电阻 待测电压 表头 电磁感应式的电流测量 小电阻 待测电流 表头 小电阻 电磁感应式的电阻测量 待测电阻 电阻 表头 直流电源 英国老式指针万用表 指针万用表 钳型指针万用表 指针式交流毫伏表 指针式超高频毫伏表 指针式接地电阻测试仪 指针式绝缘电阻测试仪 CRT方式的信号波形显示 电子枪 偏转系统 X偏转板 Y偏转板 灯丝 辉度调节聚焦调节辅助聚焦 荧 光 屏 模拟示波器 模拟式频谱分析仪 频率特性测试仪 晶体管图示仪 电信号的产生 高频信号发生器 低频信号发生器 电视信号发生器 三、数字式电子测量仪器 出现于20世纪50年代，伴随着数字电路 技术
5、、传感器技术以及模/数转换技术的发 展而发展。数字测量仪器取代模拟测量仪器 成为发展趋势，不仅测量精度、分辨率和测 量速度有了很大的提高，而且为实现自动化 测试奠定基础。 时间的测量 时间的确定采用电子计时方式（晶振） 来实现，并采用数码管、液晶来进行时间的 数字显示。 电子手表 电子秒表 电子钟 数字式毫秒计 模/数转换技术是模拟仪器数字化的基础 采样 关键指标为采样速率 10000000 10110001 11011011 11110110 11111111 11110110 11011011 10110001 10000000 01001111 00100101 00001010 000
6、00000 00001010 00100101 01001111 10000000 量化 关键指标为量化等级 即分辨率 分辨率设为8位 模拟信号 模/数转换的方式 双积分式A/D变换 逐次比较式A/D变换 高速并行式A/D变换 数字式测量仪器的基本模型 被测对象 传感器 物理信号 模/数转换 模拟电信号 数据处理 数字电信号 数据显示/存储 温度的测量 利用温度传感器将温度感应为模拟电信号 ，再由模/数变换为数字电信号，并采用数码 管、液晶来进行温度的数字显示。 温度传感器 数字温度计 数字式温度表 笔式数字温度计 带温度测试的电子台历 利用物理的温度与其发出的红外线强度成 正比的原理，通过红
7、外传感器将红外线感应 为模拟电信号，再由模/数变换为数字电信号 。 红外传感器 便携式红外测温仪 手握式红外测温仪 笔式红外测温仪 力的测量 利用压力传感器将力感应为模拟电信号， 再由模/数变换为数字电信号。 压力传感器 电子台秤 电子地磅 电子天平 电子吊秤 数字式体重计 数字式压力表 数的计量 电子计数器 通用电子计数器 菌落计数器 台式空气尘埃粒子计数器 手持式空气尘埃粒子计数器 液体粒子计数器 血液分析仪 电参数的测量 通过模/数变换将模拟电信号转换为数字 电信号，并采用数码管、液晶或CRT来显示 读数或曲线。 数字万用表 台式数字万用表 笔式数字万用表 数字式钳型万用表 数字式毫伏表
8、 数字式接地电阻测试仪 数字式钳型接地电阻测试仪 数字式绝缘电阻测试仪 数字存储示波器 四通道数字存储示波器 手持式数字示波表 数字式频谱分析仪 手持式频谱分析仪 逻辑分析仪 网络分析仪 电信号的产生 数字合成信号发生器 数字式扫频仪 任意信号发生器 四、可程控仪器 出现于20世纪60年代，伴随着计算机技术的发 展而发展。将传统仪器中的机械开关、机械旋钮等 手动调节方式改为数字量的电调方式，从而可实现 程序控制。从单一的测量仪器发展为集控制、测量 、分析、计算、显示与存储为一体的自动测试系统 ，可以完成更多任务、更高精度、更高速度的测试 。测试软件开始出现并逐渐显露出其重要性。 同时，自动测试
9、系统从早期的面向具体测试任 务的专用接口发展为面向标准总线的RS232C接口和 GPIB接口，具有更好的通用性和扩展性。 RS232C简介 RS232C标准制定于1969年，最初是为了把计 算机通过电话网相连而设计的。它是一种点对点 的串行接口，采用异步传输方式。 RS232C标准采用25针连接器，在微型计算机 通信中常使用其中的9个引脚。 区别：串行传输和并行传输 异步传输和同步传输 RS232C 25针接口RS232C 9针接口 RS232C 引脚功能 RS232C 连接器（9针） RS232C 9-25针转换器 RS232C的特点 电缆最大长度为15米。 采用点对点连接，即器件容量为2台
10、。 传输速率较低，一般为9600b/s，最高为19.2Kb/s。 总线逻辑电平为负逻辑，即逻辑0为+3+15V， 逻辑1为-3-15V，当与TTL电平连接时需要进行 电平转换。 通用性强，大多数器件都有这种接口，且大多数计 算机语言都支持这种接口。 价格低廉。 可以采用调制解调器实现更远距离的通讯。 GPIB简介 出现于20世纪70年代。仪器设备采用了标准 化的接口和总线，可以按堆积木的方式进行连接 和扩展。 GPIB的另一个常用的称呼是IEEE-488。 GPIB 接口卡 GPIB 电缆 GPIB 接口针脚定义 可堆叠的 GPIB 测试系统 计算机 可程控仪器 可程控仪器 可程控仪器可程控仪
11、器 GPIB卡 GPIB的基本性能 可堆叠连接，器件容量为15台，即除计算机外可容 纳14台仪器。 电缆总长度不超过20米。 数据传输速率一般为250500KB/S。若采用三态 门发送，且电缆总长小于10米，则数据传输速率最 高可达1MB/S。 采用5比特地址编码，其中全1地址表示取消听或讲 功能，因此地址容量为31个。 总线的逻辑电平为TTL负逻辑。 数据传输方式为双向异步传输。 器件按执行功能分为三类： 控者：即系统的指挥者和管理者，一般为计算机。 讲者：即控者退出控制后发出命令或数据的器件。 听者：即接收命令或数据的器件。 GPIB 总线结构图 GPIB总线一般为24条或25条，其中有用
12、 信号线为16条，其余为地线和屏蔽线。 有用信号线包括 8条数据线：用于传递命令、地址和数据。 3条挂钩线：用于实现可靠的异步传输。 5条管理线：用于系统的管理。 注：GPIB总线没有专门的地址总线。 地址是通过8位数据线传递的： 讲地址为 X 1 0 T5 T4 T3 T2 T1 听地址为 X 0 1 T5 T4 T3 T2 T1 X 表示任意。 设备A 听、讲、控 （如计算机） 设备B 听、讲 （如数字电压表） 设备C 听 （如信号源） 设备D 讲 （如纸带读出器） 8条数据线 3条挂钩线 5条管理线 16条有用信号线 可程控仪器的标准化 IEEE 488.1 IEEE 488.1 规定了
13、各类程控仪器在电气上、机械上和功能上的相容 性，可以保证系统中各部件间的正确通讯。 IEEE 488.2 IEEE 488.2 在 IEEE 488.1 的基础上规定了程控代码、格式、通讯协 议和公用命令方面的标准，加强了不同厂家仪器之间的兼容性。 可程控仪仪器标标准命令 SCPI 可程控仪器标准命令 SCPI 在 IEEE 488.2 的基础上进一步规定了仪 器程控和仪器响应中器件消息的标准，实现了不同类型仪器的纵向兼容 和横向兼容，大大提高了测试程序的通用性，减轻了程序员的工作量。 GPIB的功能协议层 器件消息 公用命令和查询 语法和数据结构 远地消息 IEEE 488.1IEEE 48
14、8.2IEEE 488.2SCPISCPI 器件A器件B 五、智能仪器 出现于20世纪70年代末期，伴随着计算机技术 的发展而发展。将微处理器嵌入到仪器中，仪器可 以独立运行测控程序，具有数据存储、数据运算、 逻辑判断和自动化操作等功能，具有一定的智能。 近些年，智能仪器逐渐从数据处理向知识处理 发展，如模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器 信息融合、器件寿命预测等，体现出了更高层次的 智能水平。 智能仪器的构成 智能仪器的核心是微处理器。 智能仪器具有计算机的基本结构，如微处 理器、存储器、键盘、显示器以及外设（如打 印机）接口等，其与普通计算机的主要差别在 于多了一个测试部分。 智能仪器的
15、基本组成 微处理器 ROM （程序存储） 人机接口 键盘显示器 接口 其他 外设 I/O接口 A/D 被测信号 GPIB接口 自动测试 系统 计算机部分 测试部分 RAM （数据存储） D/A 信号调 理电路 模拟输 出电路 输出信号 智能仪器的特点 智能仪器使用键盘代替传统的机械控件，大大简化了 仪器的面板布局和内部构造，方便了仪器操作，具有 良好的人机对话能力。 微处理器可以运行数据处理和误差校正等算法程序， 大大提高了仪器的测量精度。 微处理器可以实现很强的控制功能，大大提高了仪器 的自动化水平。 智能仪器可以用软件来代替很多硬件电路的工作，从 而简化了结构、减小了体积、降低了成本以及提
16、高了可 靠性。 智能仪器一般都带有 GPIB 接口，可以方便地组成自 动测试系统，完成更复杂的测试任务。 随着嵌入式技术（如单片机、DSP、ARM）的发展， 智能仪器将朝着更高智能、更多功能、更小型化的方向 发展。 智能仪器的不足 在组建自动测试系统时，各智能仪器的计 算机部分（如微处理器、存储器、键盘、显示 器、外设接口等）大多是相同的，造成了硬件 资源的冗余和浪费。 六、个人仪器 也称为PC仪器，伴随着个人计算机（PC机）的 发展而发展。即在智能仪器的基础上，将原智能仪器 的测试部分做成各种仪器卡插到计算机的内总线扩展 槽中，而原智能仪器的计算机部分（微处理器、存储 器、键盘和显示器等）则由PC机本身的资源取代。 个人仪器充分利用了PC机的软、硬件资源，结 构简单，使用维护方便，而且大
