智能化仪器原理及应用第8章

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1、第8章 新型智能仪器,8.1 个人仪器 8.2 虚拟仪器 8.3 现场总线仪器 思考题与习题,8.1 个 人仪器,8.1.1 个人仪器的原理及特点 1. 个人仪器及其发展过程 个人仪器（也称PC仪器）是在智能化仪器的发展基础上出现的又一种新型微机化仪器，它是个人计算机与电子仪器相结合的产品。这类仪器的基本构想是将原智能仪器仪表中测量部分的硬件电路以附加插件或模板的形式插入到PC机的总线插槽或扩展机箱中；而将原智能化仪器中的控制、存储、显示和操作运算等软件任务都移交给PC机来完成。由于它充分利用了PC机的软件和硬件资源，因而相对于传统的智能仪器来说，极大地降低了成本，方便了使用，提高了可靠性，显

2、示出广阔的发展前景。在此基础上，若将多种测控仪器插件或模板组合在一个PC系统中，还可以构成称之为个人仪器的系统，以代替价格昂贵的GPIB接口测试系统的工作。,1） 个人仪器的主要形式 （1） 内插式。 它把仪器插件卡直接插入到PC机内部总线扩展槽内， 如图81（a）所示。这种结构比较简单，实现方便，成本最低， 但难以满足重载仪器对电流功率和散热的要求，机内干扰也比较严重。在组成个人仪器时，由于没有专门为仪器仪表定义的总线，各仪器之间不能直接通信,模拟信号也无法经总线传递， 因此这种形式的个人仪器及系统的性能不可能很高。,（2） 外插式。 克服内插式缺点的办法之一是定义新的仪器总线，并将仪器插件

3、移到个人计算机外的独立机箱中去，如图8-1（b）所示。 HP公司6000系列模块式PC仪器系统就是这种形式的代表产品。 这种形式的个人仪器的特点是： 独立的机箱和独立的电源， 使仪器避免了微机的噪声干扰； 设计了专门的仪器总线PC-IB， 组成仪器系统很方便； 更换系统中与微机配合的接口卡， 可适应于多种个人计算机机种，并且仪器模块和接口电路中也使用了微处理机。因而HP6000系统是一种功能很强大的多CPU分布系统。,图 8-1 个人仪器的结构形式,（3） VXI总线仪器系统。上述形式的个人仪器及系统以它突出的优点显示出强大的生命力。然而，由于各厂家生产的仪器没有采用统一的标准，用户在组成个人

4、仪器系统时不能将不同厂家的仪器模块和插件插在同一主机箱内，这就妨碍了个人仪器的发展。于是，就发出了标准化的呼声。VXI仪器系统就是在这种形式下应运而生的。1987年7月，HP、 Tektronix等五家电子仪器公司提出了用于仪器模块式插卡的新型互联标准VXI总线。VXI总线是在计算机使用的一种VME总线基础上发展起来的。,2） 个人仪器的主要特点 （1） 成本低。在个人仪器系统中，每个测试功能不是由整机，而是由插件完成的。每个插件不必具有智能仪器所需的微处理器、显示装置、键盘、机箱等部件，因而制造成本大大降低。 （2） 使用方便。在个人仪器中， 标准的仪器功能写在操作软件中，并备有简单的清单（

5、Menu）。用户可根据清单进行选择，无需编制程序就能完成各种测试任务，操作方便。,（3） 制造方便。仪器插件卡与个人计算机之间的关系远不如智能仪器中微处理器与测量部件之间的关系密切， 而价廉物美的个人计算机可以购买。仪器制造厂可集中精力研制、 生产测试插件卡，生产周期短，制造方便。 （4） 实时交互作用。个人仪器是通过微机的系统总线连接的，相互间可进行实时的交互联系。例如，可让一台仪器去触发另一台仪器，使其在时间上相互关联；而在GP-IB系统中，仪器间不能实时交互，它们只接受系统控制器的控制，或向控制器提出服务请求。,2. 个人仪器的组成原理 1） 硬件结构 个人仪器的硬件是由仪器插件通过总线

6、与个人计算机融合在一起构成的， 因而仪器插件硬件部分总有接口和测量控制两大部分电路， 其基本结构如图8-2所示。,图 8-2 个人仪器插件的一般结构,2） 软面板 个人仪器不同于普通智能仪器的一个显著特点是：用户不再使用仪器的硬面板，而是采用软面板实现对仪器的操作。 所谓软面板，是指在高分辨率CRT上由作图生成的仪器面板图形。用户通过操纵键盘，移动鼠标、光标或触摸屏方式来选择软面板上的“软按键”。显示在CRT上的软面板可以采用C语言、 BASIC语言及图形化编程语言来绘制。软面板根据测控仪器的性质不同可以有很多种形式，但一般包括仪器面板显示、软按键操作、状态反馈栏和系统控制窗口等。,3） 个人

7、仪器系统软件 个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，图8-3为个人仪器软件系统的一般结构。 在人工控制方式下，系统软件在微机屏幕上产生一个软面板， 用户可以像操作传统仪器那样，通过软面板选择功能、 量程以及输入有关参数的方式，建立起相应的状态标志， 提供给仪器驱动程序。软面板的键盘操作一般是以中断方式实现的，当用户按下一个键终止当前执行的功能，判断所按的键。 如果按下错误的键，就发出响声以提醒用户；如果按下正确的键，则显示所选参数，或者与仪器驱动程序模块进行通信来执行某项操作， 并实时显示测量结果。,图 8-3 个人仪器软件系统结构图,8.1.2 典型个人仪器实例 1. 内插式个人仪器 1

8、） DVM个人仪器插卡硬件结构 DVM仪器插卡硬件结构如图8-4所示。该仪器的输入电路由输入衰减器、前置放大器、量程转换和自动稳零切换电路组成， 个人计算机通过接口电路对其进行控制。输入电路的作用是将不同量程的被测电压Ux规范到A/D转换器所要求的电压值（02 V）。前置放大器采用MC7650组成的单级同相放大器，放大倍数为1倍或10倍，由继电器JK2控制切换；输入衰减系数为0.01，由继电器JK1控制切换； 零点校准由JK3控制。,图 8-4 DVM个人仪器插件硬件结构图,2） 软面板的生成 图8-5是DVM个人仪器软面板，不难看出，它与同类智能仪表的硬件面板极其相似。显示窗用来显示测量结果

9、；状态反馈窗提供当前正在执行的有关信息及出错信息等；“软键”操作窗又分成量程键区域和功能键区域两部分，可以通过按下PC机的Tab键来进行切换选择。“软键”操作窗的“键”操作，是通过PC机键盘右边小键盘中的四个方向键来控制光标的移动的。当光标移到某一项时， 就使该项以反相映像的形式进行显示，如图85 所示的状况。 ,图 8-5 DVM个人仪器软面板,3） 软件系统的设计 个人仪器是通过交互图形实现人机接口的，这就要求所用程序设计语言具有很强的控制流和数据结构，运行速度快， 并且容易与汇编语言接口。本DVM个人仪器控制软件采用了C语言。 DVM个人仪器软件系统采用模块化结构，其中主程序模块是整个软

10、件系统的一条主线，它把所有其他的程序模块连接起来。主程序首先对整个仪器以及系统中的有关器件初始化， 再调用软面板生成模块，然后把余下的模块构成一个循环圈， 仪器的功能都在这一循环圈中有选择地周而复始地运行。,图 8-6 DVM个人仪器主程序流程图,2. HP-PC个人仪器简介 HP-PC个人仪器系统是HP公司1986年推出的。当时该系统共提供了8种个人仪器组件，即函数发生器、数字多用表、通用计数器、数字示波器、数字输入输出设备、继电式多路器、 双数/模变换器和继电器驱动器。每一种个人仪器组件都封装在一个塑料机壳中，但它们拥有同一种总线标准，通过一块专用接口卡能与多种个人计算机相连。一块插入个人

11、计算机总线扩展槽内的专用接口板，最多可以连接8台个人仪器组件，所有个人仪器组件公用一个外部电源，8台仪器组件分两排叠放在电源上部， 形成了简单方便的仪器系统。若再增加一块接口板， 可以使接入的PC仪器组件最多增加至16台。,PC对HP-PC仪器的控制有程序控制和人工控制两种方式。 在人工控制方式下，HP-PC仪器系统软件在PC机的屏幕上向用户提供一幅可以人机对话的软面板。 在程序控制方式下，用户可以使用PC仪器的软件方便地编制各种应用程序。PC仪器系统软件采用的语句与BASIC语言类似。HP-PC仪器系统还带有GP-IB口，以便于和其他带GP-IB总线的仪器连接， 应用于自动测试系统中。,HP

12、-PC仪器系统中的PC仪器组件由测试功能电路和PC-IB接口两部分组成。虽然PC仪器中大量工作已转移到PC中完成， 但是由于微处理器芯片价格大幅度下降，因此为了设计及控制的方便，在PC仪器组件中也可以采用一片至数片微处理器， 以便更好地完成测试和接口功能。图8-7是HP-PC仪器中DMM组件部分电路框图。测试功能部分采用了一片微处理器对A/D转换进行控制，并设置了量程与模式锁存器来存放从个人计算机收到的控制信号，以便控制DMM的量程和功能模块。测试功能部分的前端有三个可控开关：S3闭合时测直流电压；S2闭合时测交流电压；S1及S3均闭合时进行电阻测量，这时电流源供给一个确定的电流流经被测电阻，

13、通过测量电阻上的电压获得电阻值。非易失性存储器用来存储测量中的标准或定标常数。 A/D控制用微处理器从A/D转换器读取数据，并对偏移和增益进行校正后， 才把数据送往个人计算机。,图 8-7 HP-61013 DMM组件电路,PC-IB接口部分采用单片机管理，接口的光电隔离串行链路满足了DMM需要浮置的要求。由于光电隔离使组件部分与个人计算机分开，因此DMM组件也不必像一般智能DMM那样采用两套电源供电，使电路大为简化。总的看来，整个DMM个人仪器组件的规模大体上与智能DMM中的模拟部分相当。,3. VXI总线个人仪器简介 VXI总线个人仪器系统是一种计算机控制的功能系统， 在很宽的范围内允许不

14、同厂家生产的仪器接口卡和计算机以模块的形式共同存在于同一主机箱内。VXI系统的组建按照主控计算机放置在机架内部或外部，分为内控方式和外控方式。 图8-8（a）给出了一个典型外控方式VXI个人仪器系统构成图。,图 8-8 VXI总线仪器系统的组建 (a) 外控方式； (b) 内控方式,图8-9是选用C型主机架的HP75000外控式VXI仪器系统装配示意图。外部控制器可以采用一台个人PC机，通过GP-IB、 RS-232C、 MXI、 VME等总线或者以太网与主机架连接。主机架上的0号插槽指定为放置指令模板用。指令模板主要承担VXI系统资源管理以及GP-IB总线对VXI总线的翻译功能。插入其他插槽

15、中的每一个仪器或设备都是VXI总线仪器模板。本系统的主机架最多可以插放13个标准宽度的模板。有的仪器只需一个模板，而有的仪器则需要用两个模板来构成（如图中的数字设备）。与个人计算机相连的GP-IB总线还可以接至其他VXI系统或其他GP-IB仪器系统， 可见这种系统的组成是很灵活的。,图 8-9 HP75000外控式VXI仪器系统,8.2 虚拟仪器,8.2.1 虚拟仪器的原理及特点 1. 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与必要的功能化硬件模块结合起来的一种仪器，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像操作自己定义，自己专门设计的一台单个传统仪器一样，从而完成对被测控参

16、数的采集、 运算与处理、显示、数据存储、 输出等任务。虚拟仪器通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。仪器模块的功能主要靠软件实现，通过编程在显示屏上构成波形发生器、示波器或数字万用表等传统仪器的软面板；,而波形发生器发生的波形、频率、占空比、幅值和偏置， 或者示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号（沿口、电平、类型）等都可用鼠标或按键进行设置， 如同常规仪器一样使用，不过，虚拟仪器具有更强的分析处理能力。 随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，用户只能使用制造商提供的仪器功能的传统观念正在改变，而用户自己设计、定义的范围进一步扩大。同一台虚拟仪器可在更多场合应用，比如既可在电量测量中应用，又可在振动、运动和图像等非电量测量中应用，甚至在网络测控中应用。,虚拟仪器强调软件的作用，提出“软件就是仪器”的理念。 它克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的缺陷， 摆脱了由传统硬件构成一件件仪器再连成系统的模式，变为由用户根据自己的需要，通过编制不同的测控软件来组合成各种虚拟仪器。其中许多功能直接就由用户