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,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10,10.1 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、智能化RLC测量仪、智能化电子计数器、智能化半导体测试仪等。 ,2.以标准接口和总线为主要特征的阶段 进入20世纪70年代

2、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，各设备都用标准化的接口和统一的无源总线以搭积木的形式连接起来。 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，又称IEEE-488总线。,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

3、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连， 在应用软件的控制下，共同完成测试测量任务。,10.2 智能仪器与个人仪器,10.2.1 智能仪器 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

4、功能。,1. 智能仪器的特点 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。,2 智能仪器的基本结构 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） 智能仪器的硬件结构 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

5、）等，如图10.1所示。,图10.1 智能仪器的基本结构,2） 智能仪器的软件组成 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。,10.2.2 个人仪器 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仪器卡的混合式个人仪器结构。,图10.2 个人仪器系统的构成,10.3 自动测试系统,10.3.1 自动测试系统的组成 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

6、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） 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。,（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。,图10.3 典型的GPIB自动测试

7、系统,10.3.2 自动测试系统的总线 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。 ,图10.4 GPIB标准接口总线系统结构与连接,如图10.5所示，在一个GPIB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。,图10.5 GPIB接口消息和仪器消息,2. VXI总线 主要特点： （1） 测试仪器模块化。 VXI系统

8、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总线仪器主机架结构图如图10.6所示。,图10.6 VXI总线仪器主机架结构图,（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

9、。,（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。 （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。,（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

10、、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。,图10.7 HP75000 VXI仪器系统示意图,3. PXI总线 1） PXI总线的特点 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软件特性 为了充分发掘

11、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。,10.4 虚拟仪器,10.4.1 虚拟仪器的概念与特点 1. 虚拟仪器的概念 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。,2. 虚拟仪器的特点 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

12、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） 采用模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。,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

13、，其中最常见的是数据采集（DAQ）卡。,图10.8 虚拟仪器的硬件架构,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。,图10.9 PC-DAQ系统,2. 虚拟仪器的软件结构 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。,图10.10 虚拟仪器软件结构,3.

14、虚拟仪器应用软件开发环境 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。,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，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。,图10.11 随机信号发生器的前面板,图10.12 随机信号发生器的流程图,(

15、2) LabVIEW提供了丰富的程序调试功能。 (3) 结构化、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。,(5) 运用方便灵活的程序调试手段。 10.4.3 虚拟仪器的设计开发 1. 测试需求的制定 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，

16、并进行面板布局构思 2.硬件选择 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。,表10.1 不同体系结构虚拟仪器的系统性能,3.仪器驱动器的开发 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。,4.虚拟仪器软面板的设计 软面板的具体设计应注意以下几点： (1) 软面板应设计成能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。,(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