《PC计算机测控技术及应用 教学课件 ppt 作者 李世平 第5－7章 第6章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PC计算机测控技术及应用 教学课件 ppt 作者 李世平 第5－7章 第6章（180页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章 计算机虚拟仪器系统,6.1 计算机仪器基础 6.2 PC虚拟仪器 6.3 虚拟仪器测量功能的设计基础,6.1 计算机仪器基础,6.1.1 计算机仪器系统的组成 实际应用中PC仪器有两种类型，一种是功能确定型的PC仪器，另一种是功能面向用户开放的虚拟仪器。 图61(a)所示为功能确定型的PC仪器。由PC机、功能仪器卡及其相应的软件组成，与一般传统仪器一样它可以独立完成各种确定的测量测试工作。,图61 PC仪器的组成 (a)一般PC仪器的组成；(b) 仪器功能用户可编程的PC仪器,6.1.2 PC仪器的硬件电路简介 1. 总线驱动与控制 所有PC仪器卡都要连接到微机系统总线上被总线驱动才能
2、工作，因此对系统总线来讲， 仪器卡就是它的负载。接口系统不同，这种负载的大小轻重也不同。总线每个端口的负载能力总是有限的，为了工作可靠，总线外接的负载必须小于它的负载能力，否则就必须对总线进行驱动，进一步增加它的负载能力。,另一方面，系统总线上所挂接的各种不同的外部电路和设备都要与CPU进行数据交换，因而总线上的数据流动非常繁忙， 稍不注意就会“撞车”。发生两个不同电路同时抢用一条总线输出的现象，就叫总线“竞争”。总线竞争一旦发生，轻则会使微机工作失常，重则会损坏元器件，造成重大事故， 因此总线竞争是绝对不允许的。 如何避免总线竞争的发生也是PC仪器硬件设计时必须考虑的重大问题。,1) 总线负
3、载能力的估算 进行仪器功能电路卡设计时必须考虑总线的负载能力。 总线负载能力表现为直流负载能力和交流负载能力两个方面。 (1) 总线直流负载的估算。 总线输出低电平时的直流负载能力用它所能吸收外部负载电流的大小来表示。吸收能力愈大，该总线的负载能力就愈强。 可用下式计算：,(61),式中,IOL为总线输出低电平时所能吸收的电流，IIL是每个负载电路所呈现的负载电流。NOL就是总线允许挂接的负载个数。,总线输出高电平时的直流负载能力用它所能驱动外部负载电流的大小来表示，可用下式计算：,(62),式中, IOH为总线输出高电平时的输出电流，IIH为高电平时的负载电流，NOH为总线高电平输出负载能力
4、。可见总线直流负载估算就是对NOL和NOH的估算，其能力取两者之小者。,(2) 总线交流负载能力的估算。 总线交流负载能力常用它所能驱动的负载电容的大小来表示，具体表示为,(63),式中,COP是总线允许的负载电容大小，CIP为每个负载所体现的实际负载电容的大小。因此NP直接反映了总线交流负载能力的大小。,2) 总线驱动和控制方法 总线驱动就是要增加总线的驱动能力，总线控制就是要防止总线竞争现象的发生。增加总线驱动能力的最好办法是在应用电路系统中对重负载的总线增接一个总线驱动器，而防止总线竞争的最好办法是采用三态控制的总线寻址方式。 因此总线驱动器一般都具有三态控制能力，常见有同相驱动器74L
5、S244， 反相驱动器74LS240，双向驱动器74LS245等。有时也可直接选用8255、8155等可编程接口器件实现上述目的。图62示出了三态总线驱动器的接口电路方法。,图62 三态总线驱动器的接口原理 (a) 输出（写）； （b） 输入（读）,图63画出了用74LS245进行数据总线双向三态驱动的实际接口方法。,图63 数据总线的驱动方法,2. PC I/O地址译码电路 1) PC I/O地址分配微型机对外寻址是统一编址的， 表6.1示出了IBM PC机常用I/O地址的部分编址规则， 因此， 在进行PC仪器电路选址设计时，一般都应采用表6.1中“任用”项地址进行编址，系统才能安全工作。对
6、PC机来讲，插在槽口上的I/O电路地址要用A9 A0 10位地址线进行译码(只有直接面向CPU时， 才可用A15A0 16条地址线译码)。实际仪器卡都插在PC机的I/O槽口上， 因此I/O地址都是10位地址编码的。 具体的地址译码电路既可以用常规数字集成电路，也可以用门阵列器件来设计。,表6.1 IBM PC对I/O地址的分配（分配）,2) 用MSI进行I/O地址译码 这种地址译码电路的设计方法与单片机仪器扩展地址分区译码方法是一样的。只是有两点必须注意，一是仪器卡寻址区间用表6.1中“任用”项地址空间，二是要用10位地址线进行译码。下面我们举例说明。 设有一个仪器卡有6种测量电路需要和计算机
7、进行数据交换， 试用数字集成电路设计一个地址译码电路，分别提供这6种选通地址。 将地址空间，设在3E0H3EFH区间按每组2个地址译码， 可产生8个I/O寻址信号。选用8输出端的38译码器74LS138进行设计，该地址译码电路如图64所示。图中AEN所以要参加I/O地址译码是为了确保该地址只受CPU控制。,图64 PCI/O地址译码电路举例,3. PC仪器中I/O接口电路 PC应用中的I/O接口电路常指PC机测控系统中开关量的输入输出及其控制电路。 1) 简单I/O接口电路设计 (1) PC开关量输出接口。PC机输出一组开关量时，由于CPU将数据送上端口后还要去进行别的操作，端口数据是不能久留
8、的，因此必须要用一个锁存器将CPU送出的数据及时锁存起来。 常见的接口电路如图65所示。图中采用74LS373锁存输出数据， 其中Q0输出用作驱动一只LED显示器，Q1用作驱动一只单相交流电机， 其它输出端可做它用。,图65 采用锁存器的数据输出方法,(2) PC开关量输入接口。 开关量输入接口相对比较简单， 一般只需用一只三态门电路就可实现。 图66示出了一种典型的接口方法。,图66 开关量输入接口电路,2) 隔离I/O接口电路 隔离式I/O接口电路常用于PC电力测控系统中，最常用的隔离器件有三种，如图67所示，其中(a)为通用继电器； (b)为光电隔离器件；(c)为用光电耦合器件和可控硅开
9、关元件组合电路制成的固态继电器。这三种元器件的使用方法十分类似， 图68画出了用光电隔离器件实现对开关Sx状态的数据采集电路，在该电路中当Sx闭合时，PC机读入的Di1；当开关未合时，读入数据Di0。,图67 三种典型的隔离器件 （a） 通用继电器；（b） 光电耦合器件；（c） 固态继电器,图68 光电隔离式输入接口方法,图69画出了一个用PC机控制一台三相电动机启停的接口电路。图中用一只D触发器接收计算机的启停命令。当PC机输出Di1时，Q1使V1导通，经光电耦合V2也导通，继电器J吸合。 由于J接点的吸合使电力接触器JC也吸合，三相电机加电被启动。反之，写入数据Di0则电机停止工作。,图6
10、9 光电输出控制接口举例,6.2 PC 虚 拟 仪 器,6.2.1 基本概念 虚拟仪器(Virtual Instrument)概念是为了适应PC卡式仪器而提出的。众所周知，传统仪器主要包括三个部分：数据采集与控制，数据分析，数据显示。而PC卡式仪器由于自身不带仪器面板， 有的甚至不带微处理器，因此必须借助于PC机作为其数据分析与显示的工具，利用PC机强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、 数据分析与显示。这种包含实际仪器使用、 操作信息的软件与PC机结合构成的仪器，就称之为虚拟仪器。或者说，虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的PC机仪器，它由PC机、一系列功能化硬
11、件模块和控制软件组成。,虚拟仪器它主要有以下特点： (1) 软件是虚拟仪器的核心。 (2)虚拟仪器的性价比高 (3) 虚拟仪器的出现缩小了仪器厂商与用户之间的距离。 (4) 虚拟仪器具有良好的人机界面。 (5) 虚拟仪器具有和其它设备互联的能力， 如和VXI总线或现场总线等的接口能力。 (6) 虚拟仪器的硬、 软件都具有开放性、 模块化、 可重复使用及互换性等特点。,6.2.2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器充分利用了当代先进技术，如计算机、模块化的数据采集调理电路及总线技术等。 图610展示了虚拟仪器系统的组成框图。 从图610中可以看出， 它主要由硬件和软件两大部分组成。,图610 虚拟仪器系统
12、框图,1. 虚拟仪器的硬件 硬件是虚拟仪器工作的基础，它的主要功能是完成对被测信号的采集、传输和显示测量的结果。 虚拟仪器的硬件主要由计算机和信号采集调理部件组成，其中计算机包括微处理器、 储存器和显示器等，它主要用来提供实时高效的数据处理功能。而信号采集调理部件可以是GPIB仪器模块、VXI仪器模块、PXI仪器模块或数据采集卡，它主要用来采集、 传输信号。目前用得比较多的是数据采集卡和VXI仪器模块， 尤其是数据采集卡特别为广大科技人员所钟爱。,另外，虚拟仪器还有一个优秀的硬件平台VXI总线系统， 它是一种在世界范围内开放的、适于多供货商的32位高速模块化仪器总线系统。它具有多处理器结构、高
13、效的数据传送性能和共享存储器等特点，同时还能实时地对多个数据通道进行操作，实现多参数高精度测量。VXI总线系统是公认的测试系统的优秀平台，它为虚拟仪器的应用提供了广阔的前景。 PXI也是虚拟仪器的理想平台，任何公司的PXI产品都能很方便地构建一个虚拟仪器系统。与VXI相比，PXI具有更高的性价比、更低的开发周期，因此，它有很广的应用市场。,2. 虚拟仪器的软件 虚拟仪器的软件可以分为几个层次，其中包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器， 设置特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态。 应用程序主要用来对输入计算机的数据进行分析和处理， 用户就是通过
14、编制应用程序来定义虚拟仪器的功能。软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，用于显示控制参数和测量结果等。用户可以通过软面板上的开关和按钮，模拟传统仪器面板上的各种操作，通过键盘或鼠标实现对虚拟仪器的操作。,6.2.3 仪器驱动器基本概念 对于VXI总线虚拟仪器而言，软件主要包括三部分：VXI总线接口软件、 仪器驱动器和应用软件。软件的组成结构如图611所示。VXI总线接口软件是实现VXI总线虚拟仪器最基础的软件，它驻留在计算机系统之中执行VXI总线的特殊功能； 仪器驱动器是完成对某一特定仪器的控制与通信的程序，它作为用户应用程序的一部分
15、在计算机上运行；应用软件开发环境将计算机的数据分析和显示能力与仪器驱动器融合在一起， 为用户开发虚拟仪器提供了必需的软件工具与环境。,图611 虚拟仪器软件框架,VXI总线即插即用仪器驱动器由多个控制特定仪器的软件模块组成，仪器驱动器的软件模块 既与系统内的其它软件模块相互作用，又同仪器、更高级的软件和使用仪器驱动器的最终用户相互联系。仪器驱动器最简单的定义可表述为处理与一特定仪器进行控制和通信的一种软件。图612给出了通用仪器驱动器的外部模型，它由5部分组成： (1) 操作接口，便于在计算机屏幕上直接与仪器驱动程序本身进行交互动作；,图612 仪器驱动器外部接口模型,(2) 编程接口，目的是
16、在主程序中使用驱动程序； (3) 仪器驱动程序的功能描述； (4) I/O接口，完成仪器驱动程序与仪器间的通信； (5) 子程序接口， 当仪器驱动器为完成其任务而需调用其它软件模块的操作系统、格式、功能库及分析函数库时， 将使用到子程序接口。 对一特定的仪器驱动器可能由上述全部或部分功能构成。 仪器驱动器的内部接口模型如图613所示。,图613 仪器驱动器内部接口模型,1. 设计准则 (1) 设计模块化的仪器驱动器，它应该包括一系列函数， 每个函数只执行单一的任务或功能。模块化的方式能保证灵活性、可执行性、易使用性。例如，在数字示波器驱动器的设计时，如果对仪器组态和进行测量都使用一个函数，那么每次测量时都要对仪器重新进行组态；一个好的方法是构造两个函数，一个用来组态，一个用来测量，这样用户只需进行一次组态， 就可以进行多次测量。 (2) 对仪器驱动器的高级和低级函数有一个全面的认识， 并知道这些函数在系统中是如何使用的。只有正确使用高级
