智能儀表與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)

第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)10.1智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷程10.2智能儀器與個(gè)人儀器10.3自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)10.4 虛擬儀器 10.5 網(wǎng)絡(luò)化儀器與遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)思考題 10 10.1 智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷程 20世紀(jì)70年代，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展微處理器的發(fā)展和普及，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子測(cè)量技術(shù)的結(jié)合，導(dǎo)致了基于微處理器的智能儀表的出現(xiàn)。具有鍵盤操作、數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和簡(jiǎn)單計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，如智能DVM、智能RLC測(cè)量?jī)x、智能電子計(jì)數(shù)器、智能半導(dǎo)體測(cè)試儀等。 第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)2.標(biāo)準(zhǔn)表征的階段接口和總線進(jìn)入 1970 年代后期。出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的通用接口總線。因此，可以使用GPIB、VXI等儀器系統(tǒng)總線將一臺(tái)計(jì)算機(jī)和幾臺(tái)電子測(cè)量?jī)x器連接在一起，組成一個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。在這種自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，所有設(shè)備都以具有標(biāo)準(zhǔn)化接口和統(tǒng)一無(wú)源總線的積木形式連接。在這些儀器總線中，最具代表性的是GPIB總線和VXI總線。

在電子測(cè)量領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)與儀器的關(guān)系也在發(fā)生變化。在早期的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，儀器占據(jù)主要地位，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)起輔助作用；談到GPIB儀器和VXI儀器階段，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越重要和占主導(dǎo)地位?；谶@一趨勢(shì)，測(cè)試儀器出現(xiàn)了“計(jì)算機(jī)即儀器”的新概念，個(gè)人儀器和虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生。個(gè)人儀表以個(gè)人計(jì)算機(jī)為核心，輔以儀表電路板和擴(kuò)展盒，連接個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線。在應(yīng)用軟件的控制下，測(cè)試和測(cè)量任務(wù)一起完成。第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)10.2智能儀器與個(gè)人儀器10.2.1智能儀器智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子測(cè)量?jī)x器緊密結(jié)合的產(chǎn)物. 它包含能夠按照預(yù)定程序進(jìn)行一系列測(cè)量試驗(yàn)的微型計(jì)算機(jī)或測(cè)量?jī)x器，具有測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、分析和判斷、接口輸出和自動(dòng)操作等功能。儀器與微處理器的結(jié)合使軟件取代了許多傳統(tǒng)的硬件邏輯，帶來(lái)更小體積、更高集成度、更直觀、方便和智能的顯示和操作，以及更有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理和通信。與傳統(tǒng)儀器相比，智能儀器具有以下突出特點(diǎn)： 以軟件為核心，具有強(qiáng)大的控制能力。（4）智能化、自動(dòng)化程度高。第十章智能儀表與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)智能儀表實(shí)際上是一個(gè)專用的微機(jī)系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分組成。

智能儀表的硬件部分主要包括CPU、內(nèi)存、內(nèi)部總線、各種I/O接口、通訊接口、人機(jī)接口（鍵盤、開關(guān)、按鈕、顯示器）等，如圖10.1。第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)圖10.1智能儀器基本結(jié)構(gòu)內(nèi)存CPU標(biāo)準(zhǔn)儀器接口儀器總線轉(zhuǎn)換器輸出電路輸入電路BUS被測(cè)電壓的輸入輸出通道第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量科技智能儀器的軟件是它的靈魂，整個(gè)測(cè)量工作都在軟件的控制下進(jìn)行。沒(méi)有軟件，智能儀器就無(wú)法工作。軟件是衡量智能儀表自動(dòng)化程度和智能化程度的主要指標(biāo)。智能儀表的軟件部分主要包括監(jiān)控程序和界面管理程序兩部分。第十章智能儀表與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)10.2.2 個(gè)人儀表圖10.2是微機(jī)內(nèi)部的一種擴(kuò)展槽和微機(jī)外的插件盒。插入儀器卡的混合個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)。第十章智能儀表與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)圖10.2個(gè)人儀表系統(tǒng)組成儀表插卡內(nèi)部總線個(gè)人電腦儀表插卡第十章智能儀表與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)10.3自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)10.3.1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組成控制器：主要是計(jì)算機(jī)，如小型機(jī)、個(gè)人電腦、微處理器、單片機(jī)等，是系統(tǒng)的指揮控制中心。程控儀器設(shè)備：包括各種程控儀器、勵(lì)磁源、程控開關(guān)、程控伺服系統(tǒng)、執(zhí)行器、顯示、打印、存儲(chǔ)記錄的裝置，可以完成某些特定的測(cè)試和控制任務(wù).

3 典型GPIB自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)GPIB接口計(jì)算機(jī)GPIB接口頻率合成儀GPIB接口DMMGPIB接口頻率計(jì)GPIB接口打印機(jī)DUT GPIB總線第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)10.3.2 GPIB總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由惠普公司（HP，安捷倫公司的前身）于 1972 年推出，后成為美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE 認(rèn)可）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC），又稱IEEE-488 總線。GPIB總線結(jié)構(gòu)和連接如圖10.4所示。圖10. 4GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及連接接口部分控制/揚(yáng)聲器/聽者（計(jì)算機(jī)）用戶編程接口部分（測(cè)量?jī)x器）DUT接口部分（信號(hào)源）接口部分（記錄儀）硬拷貝IFC ATN EOI REN SRQ DAV NRFD NDAC DIO儀器設(shè)備接口儀表設(shè)備本身接口管理控制線數(shù)據(jù)掛鉤連接線數(shù)據(jù)總線如圖10.5。在GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)中，需要有效的通信。至少有“揚(yáng)聲器”、“聽者”和“控制器”三類設(shè)備，控制器、揚(yáng)聲器和聽者被稱為系統(tǒng)功能的三要素。

第10章智能儀器和自動(dòng)測(cè)量技術(shù)圖10.5GPIB接口消息和儀器消息儀器功能接口函數(shù)接口函數(shù)儀器功能總線接口消息儀器消息第10章智能儀器和自動(dòng)測(cè)量技術(shù)VXI系統(tǒng)的所有設(shè)備都是采用插入式結(jié)構(gòu)，以VME總線作為機(jī)箱主板總線插入機(jī)箱，插件的尺寸和插入插件的主機(jī)架符合嚴(yán)格要求。VXI總線儀器的主要框架結(jié)構(gòu)圖如圖10.6所示。第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù) 圖10.6VXI總線儀器主機(jī)結(jié)構(gòu) 圖12 印刷電路板上導(dǎo)軌尺寸，下軌空調(diào)孔支架尺寸、插件尺寸、輸送器、電源風(fēng)扇、冷風(fēng)段第10章智能儀表與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)具有32位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸率高。主板總線在功能上相當(dāng)于連接獨(dú)立儀器的GPIB總線，但吞吐率更高?？刂破饕沧龀刹蹇ǎc主板總線相連，對(duì)總線上的各種活動(dòng)進(jìn)行調(diào)度和控制?；究偩€數(shù)據(jù)傳輸速率為40 Mb/s，遠(yuǎn)高于其他測(cè)試系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率。采用VXI總線構(gòu)建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，簡(jiǎn)化了連接和控制關(guān)系，有助于提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)在VXI總線的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的制定中，充分考慮了系統(tǒng)的電源、冷卻系統(tǒng)和電磁兼容性能，以及背板上的信號(hào)傳輸延遲和同步自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，并且每一項(xiàng)指標(biāo)都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。所有VXI總線都集中在高質(zhì)量的多層印刷電路板中，保證了VXI總線系統(tǒng)的高精度、運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性以及頻率帶寬。現(xiàn)在有從直流到微波的各種儀器模塊。散熱系統(tǒng)和電磁兼容性能，以及背板上的信號(hào)傳輸延遲和同步，都得到了充分的考慮，每一項(xiàng)指標(biāo)都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。所有VXI總線都集中在高質(zhì)量的多層印刷電路板中，保證了VXI總線系統(tǒng)的高精度、運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性以及頻率帶寬?，F(xiàn)在有從直流到微波的各種儀器模塊。散熱系統(tǒng)和電磁兼容性能，以及背板上的信號(hào)傳輸延遲和同步，都得到了充分的考慮，每一項(xiàng)指標(biāo)都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。所有VXI總線都集中在高質(zhì)量的多層印刷電路板中，保證了VXI總線系統(tǒng)的高精度、運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性以及頻率帶寬?，F(xiàn)在有從直流到微波的各種儀器模塊。運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，以及頻率帶寬。現(xiàn)在有從直流到微波的各種儀器模塊。運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，以及頻率帶寬?，F(xiàn)在有從直流到微波的各種儀器模塊。

不僅硬件標(biāo)準(zhǔn)化，軟件也進(jìn)階到第十章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)。有B、C、D機(jī)箱三種規(guī)格和A、B、C、D模塊四種規(guī)格供用戶選擇；支持8位、16位、24位和32位數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)搭建者可以根據(jù)需要選擇不同廠家、不同類型的設(shè)備進(jìn)行組合，靈活方便地構(gòu)建適應(yīng)性強(qiáng)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。為了充分利用資源，VXI總線開發(fā)了與其他總線系統(tǒng)連接和轉(zhuǎn)換的模塊。這使得 VXI 總線系統(tǒng)具有極高的耐受性，可以與任何總線系統(tǒng)儀器或系統(tǒng)配合使用。VXI系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制下的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。圖1< @0.7HP75000 VXI儀器系統(tǒng)原理圖VXI總線主機(jī)軟面板與DUT之間的信號(hào)接口連接組件（ITA）（ITA）（DUT）其他VXI系統(tǒng)GPIB儀器第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)PXI總線是PCI總線的增強(qiáng)和擴(kuò)展，兼容現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Compact PCI。為了充分挖掘 PXI 在提供高度集成的測(cè)量和控制平臺(tái)方面的潛力，PXI 使用開放的軟件架構(gòu)來(lái)定義連接到不同類型硬件的通用接口。第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)10.4虛擬儀器10.4. 1 虛擬儀器的概念和特點(diǎn) 緊密集成產(chǎn)生的一種新型儀器模型，是指以通用計(jì)算機(jī)為核心硬件平臺(tái)，相應(yīng)的硬件模塊作為信號(hào)輸入/輸出接口。儀表軟件開發(fā)平臺(tái)用于將儀表盤虛擬化并在電腦屏幕上進(jìn)行對(duì)應(yīng)。鼠標(biāo)或鍵盤交互操作功能，完成儀器相應(yīng)的測(cè)試和測(cè)量任務(wù)。

輸入/輸出接口設(shè)備可內(nèi)置基于各種PC 設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集插件卡、通用接口總線（GPIB）卡、串口、VXI 或PXI 總線接口模塊，或其他類型的可編程設(shè)備外部測(cè)試設(shè)備，分別構(gòu)成DAQ、GPIB、VXI、PXI等標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，這些虛擬儀器中最常見的是數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡。第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)圖10.

圖1 0.9PC-DAQ系統(tǒng)第十章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)硬件平臺(tái)是虛擬儀器的基礎(chǔ)，儀器軟件是其核心?；A(chǔ)硬件確定后，如果虛擬儀器具有用戶自定義的功能和接口，就必須有強(qiáng)大的儀器軟件。VXI總線虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖10.10所示，包括應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動(dòng)、VISA API三部分。第10章智能儀表與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)圖10. 10 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 交互式控制工具 資源編輯器 資源管理器 VXI 函數(shù)庫(kù) VISA API 儀器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用軟件包 編程語(yǔ)言（Visual C++ 或 Visual Basic 等） 應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境 第 10 章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)市場(chǎng)上有很多面向工程的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，大致可以分為兩類：一類是圖形化編程環(huán)境，如原HP公司的HP VEE和NI公司的LabVIEW；另一種是傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言編程環(huán)境，如NI公司的LabWindows/CVI，以及微軟的Visual C、Visual Basic等。第10章：智能儀表和自動(dòng)測(cè)量技術(shù) 可視化圖形開發(fā)環(huán)境，流程圖編程，易學(xué)易用自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間。LabVIEW開發(fā)環(huán)境分為前面板和流程圖兩部分，如圖10.11和圖10.12，圖10.11 前面板顯示隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的對(duì)象（輸出） 控制對(duì)象（輸入） 第十章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù) 圖10.12 隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器流程圖 功能： 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)：

采用集成開發(fā)平臺(tái)和開放式架構(gòu)。使用可視化編程，很容易設(shè)計(jì)用戶圖形界面。采用交互式編輯方式，可自動(dòng)生成第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)10.4.3 虛擬儀器的設(shè)計(jì)與開發(fā)，明確用戶想解決什么問(wèn)題，即有什么功能儀表應(yīng)齊全，以及用戶對(duì)面板操作的要求，從而確定面板需要哪些控制元件和指示元件，并進(jìn)行面板布局構(gòu)想。虛擬儀器的硬件一般分為基礎(chǔ)硬件平臺(tái)和儀器硬件設(shè)備。不同硬件架構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)性能對(duì)比見表10.1。用戶必須根據(jù)測(cè)試功能、性能要求和財(cái)務(wù)狀況做出合理選擇。第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)表1 0.1 不同架構(gòu)虛擬儀器的系統(tǒng)性能第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)子程序接口。第10章智能儀器與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)軟面板的設(shè)計(jì)應(yīng)能在不同平臺(tái)和計(jì)算機(jī)顯示器上完成各種操作。因此，需要確保每個(gè)軟面板在不同平臺(tái)和不同分辨率的顯示器之間具有可移植性。根據(jù)外觀選擇顏色，效果、便攜性和印刷要求。不同面板上的控制器和指示器應(yīng)該一致且易于閱讀，并且應(yīng)該足夠大以容納顯示的最大數(shù)字或選項(xiàng)。軟面板應(yīng)支持鼠標(biāo)和鍵盤操作，并應(yīng)提供在線幫助功能。第十章智能儀表與自動(dòng)測(cè)量技術(shù) 10.5 網(wǎng)絡(luò)化儀表與遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù) 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控控制過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性非常好。軟面板應(yīng)支持鼠標(biāo)和鍵盤操作，并應(yīng)提供在線幫助功能。第十章智能儀表與自動(dòng)測(cè)量技術(shù) 10.5 網(wǎng)絡(luò)化儀表與遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù) 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控控制過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性非常好。軟面板應(yīng)支持鼠標(biāo)和鍵盤操作，并應(yīng)提供在線幫助功能。第十章智能儀表與自動(dòng)測(cè)量技術(shù) 10.5 網(wǎng)絡(luò)化儀表與遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù) 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控控制過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性非常好。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以連接位于不同地點(diǎn)的測(cè)試儀器，構(gòu)建分布式自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，如不同區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控多個(gè)進(jìn)程，多個(gè)用戶可以同時(shí)監(jiān)控同一個(gè)進(jìn)程。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，用戶的工作能力大大提高。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，用戶還可以就自己感興趣的問(wèn)題在世界各地進(jìn)行合作和訪問(wèn)。 2、什么是智能儀表？它的主要特點(diǎn)是什么？4. 什么是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)？它的基本組成是什么？8. 什么是虛擬儀器？虛擬儀器是模擬儀器嗎？它與真正的樂(lè)器有何不同？9. 虛擬儀器有哪些優(yōu)勢(shì)？虛擬儀器的軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是怎樣的？10、虛擬儀器應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境 11、虛擬儀器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有哪些？12. 什么是聯(lián)網(wǎng)儀器？有哪些特點(diǎn)？