智能儀器與自動測量技術(shù)（精）_職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)_職業(yè)教育_教育園區(qū)

第10章智能儀器和自動測量技術(shù)第10章智能儀器和自動測量技術(shù)10.1智能儀器和自動測量技術(shù)的發(fā)展歷史10.2智能儀器和個人儀器10.3自動測試系統(tǒng)10.4虛擬儀器10.5網(wǎng)絡(luò)儀器和遠(yuǎn)程測控技術(shù)的思考問題10第10章智能儀器和自動測量技術(shù)10.1智能儀器和自動測量技術(shù)的發(fā)展歷史1.獨(dú)立和專用系統(tǒng)階段1970年代，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和微處理器的普及，以及計算機(jī)技術(shù)和電子測量技術(shù)的結(jié)合，出現(xiàn)了基于微處理器的智能儀器。它具有鍵盤操作，數(shù)字顯示，數(shù)據(jù)存儲和簡單計算等功能，并可以實(shí)現(xiàn)自動測量，例如智能DVM，智能RLC測量儀，智能電子計數(shù)器，智能半導(dǎo)體測試儀等。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)2.在1970年代后期，出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的通用接口總線，因此GPIB和VXI等儀器系統(tǒng)總線可用于將計算機(jī)和若干電子測量儀器連接在一起，從而構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。在此自動測試系統(tǒng)中，每個設(shè)備都被標(biāo)記。在這些儀表總線中，最具代表性的是GPIB總線和VXI總線。 GPIB總線由惠普公司（HP，安捷倫的前身）于1972年推出，后來被電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）和國際電工委員會（IEC）接受，也稱為IEEE-488公共汽車。

第10章智能儀器和自動測量技術(shù)3.基于PC的儀器平臺在1980年代，計算機(jī)，尤其是個人計算機(jī)已得到廣泛普及和應(yīng)用。在電子測量領(lǐng)域，計算機(jī)與儀器之間的關(guān)系也在發(fā)生變化。在早期的自動測量系統(tǒng)中，儀器占據(jù)主要位置，計算機(jī)系統(tǒng)起輔助作用。當(dāng)涉及到GPIB儀器和VXI儀器階段時，計算機(jī)系統(tǒng)變得越來越重要和占主導(dǎo)地位?；谶@種趨勢，出現(xiàn)了“計算機(jī)就是儀器”測試儀器的新概念，從而誕生了個人儀器和虛擬儀器。個人儀器以個人計算機(jī)為核心，輔以儀器電路板和擴(kuò)展箱，并連接到個人計算機(jī)的內(nèi)部總線。在應(yīng)用軟件的控制下，測試和測量任務(wù)一起完成。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)10.210.2. 1智能儀器是計算機(jī)技術(shù)和電子測量儀器緊密集成的產(chǎn)物。它們包含微型計算機(jī)或微處理器，并且可以遵循預(yù)定的程序。一種測量儀，執(zhí)行一系列測量測試，并具有存儲，計算，分析和判斷測量數(shù)據(jù)，接口輸出和自動操作的功能。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)1.儀器和微處理器的結(jié)合使軟件可以替代許多傳統(tǒng)的硬件邏輯，從而實(shí)現(xiàn)了更小尺寸，更高集成度，更直觀便捷的智能顯示和操作，更有效的數(shù)據(jù)存儲處理和通訊。與傳統(tǒng)儀器相比，智能儀器具有以下突出特點(diǎn)：（1）以軟件為核心，具有強(qiáng)大的控制能力。

（2）具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲和處理功能。（3）實(shí)現(xiàn)儀器功能的多樣化。（4）智能和高度自動化。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)2.智能儀器實(shí)踐上面是一個專用的微機(jī)系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分組成1）智能儀器的硬件部分主要包括CPU，存儲器，內(nèi)部總線，各種I / O接口，通信接口和人機(jī)界面。機(jī)器接口（鍵盤，開關(guān)，按鈕，顯示屏）等，如圖1所示0.1.第10章智能儀器和自動測量技術(shù)CPU BUS存儲器I / OI / OI / OI / O標(biāo)準(zhǔn)儀器接口的測試電壓A / D轉(zhuǎn)換器D / A轉(zhuǎn)換器鍵盤顯示儀器總線輸入和輸出通道輸入電路輸出電路圖10.1智能儀器的基本結(jié)構(gòu)第10章智能儀器和自動測量技術(shù)2）智能儀器的軟件是其靈魂，整個測量工作是在軟件的控制下進(jìn)行的。沒有軟件，智能儀器將無法工作。軟件是智能儀器自動化和智能程度的主要指標(biāo)。智能儀器的軟件部分主要包括兩部分：監(jiān)控程序和界面管理程序。 No.第十章智能儀器和自動測量技術(shù)10.2. 2圖10.2顯示了一種混合個人儀器結(jié)構(gòu)，其中，儀器卡插入微型計算機(jī)內(nèi)部的擴(kuò)展槽中，而插入盒則位于外部微型計算機(jī)。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)個人計算機(jī)內(nèi)部總線儀器插件卡儀器插件卡圖10.2個人儀器系統(tǒng)的組成第10章智能儀器和自動測量技術(shù)10.310.3. 1通常，自動測試系統(tǒng)包括以下五個部分：（1）控制器：主要是計算機(jī)，例如小型計算機(jī)，個人計算機(jī)，微處理器，單片機(jī)等，是計算機(jī)的命令和控制中心。系統(tǒng)。

（2）程控儀器和設(shè)備：包括各種程控儀器，激勵源，程控開關(guān)，程控伺服系統(tǒng)，致動器以及用于顯示，打印和存儲記錄的設(shè)備， （3）總線和接口：這是連接控制器和每個程序控制的儀器和設(shè)備的通道，并完成消息，命令和數(shù)據(jù)（包括插件）的傳輸和交換卡，插槽和電纜。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)（4）測試軟件：已編譯以完成系統(tǒng)測試任務(wù)并在控制器上運(yùn)行的各種應(yīng)用程序軟件，例如主測試程序，驅(qū)動程序，數(shù)據(jù)處理程序和輸入/輸出軟件。（5）被測對象：在不同的測試任務(wù)下，被測對象通常非常不同，并且操作員連接到程序第10章智能儀器和自動測量技術(shù)GPIB總線GPIB接口計算機(jī)GPIB接口頻率合成器GPIB接口DMMGPIB接口頻率計GPIB接口被測打印機(jī)設(shè)備圖10.3典型GPIB自動測試系統(tǒng)第10章智能儀器和自動測量技術(shù)10.3. 2 1. GPIB總線GPIB總線由惠普（HP，安捷倫的前身）于1972年推出，后來被研究所采用。電氣和電子工程師（IEEE）和國際電工委員會（IEC）的簡稱，也稱為IEEE-488總線。

GPIB總線的結(jié)構(gòu)和連接如圖10.4所示。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)IFC ATN EOI REN SRQ DAV NRFD NDAC DIO1 DIO8接口部分控制/揚(yáng)聲器/監(jiān)聽器（計算機(jī)）接口部分監(jiān)聽器/揚(yáng)聲器（測量儀器）接口部分監(jiān)聽器（信號源）接口部分監(jiān)聽器（記錄器）儀器設(shè)備接口儀器設(shè)備自身接口管理控制線數(shù)據(jù)掛鉤連接線數(shù)據(jù)總線通用接口總線...用戶編程DUT硬拷貝圖10.4 GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接第10章智能儀器與自動測量技術(shù)如圖10.5所示。在GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)中，為了進(jìn)行有效的通信，至少有三種類型的設(shè)備：“揚(yáng)聲器”，“監(jiān)聽器”和“控制器”?？刂破?，揚(yáng)聲器和監(jiān)聽器被稱為系統(tǒng)功能的三個要素。第10章智能儀表和自動測量技術(shù)儀表功能接口功能總線接口消息儀表消息接口功能儀表功能圖10.5 GPIB接口消息和儀表消息第10章智能儀表和自動測量技術(shù)2. VXI主要特點(diǎn)：（[ 1）測試儀器是模塊化的，VXI系統(tǒng)的所有組件均采用插入式結(jié)構(gòu)，并以VME總線作為機(jī)箱的主板總線插入機(jī)箱中，插件和主機(jī)架的尺寸插件符合嚴(yán)格要求。

VXI總線儀器的主要機(jī)架結(jié)構(gòu)圖如圖10.6所示。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)12層印刷電路板電源P1連接器上軌P 2連接器風(fēng)扇下軌C尺寸插件B尺寸插件空調(diào)孔B尺寸插件架冷空氣支架10.6 VXI總線儀器的主機(jī)結(jié)構(gòu)圖第10章智能儀器和自動測量技術(shù)（2）具有32位數(shù)據(jù)總線，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。主板總線在功能上等同于與GPIB總線相連的功能）。獨(dú)立的儀器，但具有更高的性能該控制器還被制成插入式卡，可連接到主板總線，以調(diào)度和控制總線上的各種活動，基本總線數(shù)據(jù)傳輸速率為40 Mb / s，這要高得多。 （3）該系統(tǒng)具有較高的可靠性和良好的可維護(hù)性?；赩XI總線構(gòu)建的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕的特點(diǎn)。保證了連接和控制關(guān)系，有利于提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)（4）良好的電磁兼容性。在VXI總線的設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)的制定中，充分考慮了電源，冷卻系統(tǒng)和系統(tǒng)的電磁兼容性。由于背板上的信號傳輸，延遲和同步等對每個指標(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上，從而確保了VXI的高精度，穩(wěn)定性和可靠性?？偩€系統(tǒng)；以及頻率帶寬自動測量設(shè)備，從直流到微波都有各種儀器模塊。

（5）通用性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。不僅硬件標(biāo)準(zhǔn)化，而且軟件標(biāo)準(zhǔn)化。軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性都很好。這就是VXI總線優(yōu)于其他總線的原因是快速發(fā)展的重要因素。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)（6）適應(yīng)性，靈活性和兼容性。B，C，D機(jī)架有三種規(guī)格，A，B，C，D模塊有四種規(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)構(gòu)建者可以根據(jù)需要選擇不同的制造商和不同類型的設(shè)備進(jìn)行組合，從而靈活方便地構(gòu)建高度適應(yīng)性強(qiáng)的自動測試系統(tǒng)為了充分利用資源，VXI總線開發(fā)了用于與其他總線系統(tǒng)連接和轉(zhuǎn)換的模塊，這使得VXI總線系統(tǒng)具有非常廣泛的兼容性，并且可以與其他總線系統(tǒng)協(xié)同工作。 h任何總線系統(tǒng)儀器或系統(tǒng)。 VXI系統(tǒng)在計算機(jī)控制下自動測試系統(tǒng)。圖10.7是帶有C型主機(jī)架的HP75000 VXl儀器系統(tǒng)的示意圖。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)指令模塊VXI總線主機(jī)功率計數(shù)字萬用表函數(shù)發(fā)生器計數(shù)器數(shù)字轉(zhuǎn)換器RF開關(guān)模擬開關(guān)模擬矩陣開關(guān)數(shù)字設(shè)備為其他VXI系統(tǒng)定制的模板GPIB儀器軟面板GPIB和被測設(shè)備之間的DUT信號測試（DUT）接口連接組件（IT A）圖10.7 HP75000 VXI儀器系統(tǒng)圖第10章智能儀器和自動測量技術(shù)3. PXI總線1） PXIPXI總線是PCI總線的增強(qiáng)和擴(kuò)展，并且與現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Compact PCI兼容。

2） PXI為了充分挖掘PXI在提供高度集成的測量和控制平臺方面的潛力，PXI使用開放軟件體系結(jié)構(gòu)來定義連接到不同類型硬件的通用接口。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)10.410.4.1 1.虛擬儀器（簡稱VI）是通過電子測量技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的緊密結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模型。通用計算機(jī)用作核心硬件平臺，相應(yīng)的硬件模塊用作信號輸入/輸出接口。儀器軟件開發(fā)平臺用于虛擬化儀器面板和計算機(jī)屏幕上的相應(yīng)功能，并通過鼠標(biāo)或鍵盤儀器的交互操作完成相應(yīng)的功能，以完成測試和測量任務(wù)。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)2.與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下特征：（1）它是功能上而非物理上的儀器，并且結(jié)合了硬件的強(qiáng)大硬件資源。計算機(jī)。（2）強(qiáng)調(diào)了“軟件就是儀器”的新概念，軟件在以前由硬件甚至整個機(jī)器實(shí)現(xiàn)的儀器中發(fā)揮了作用。（3）友好的圖形用戶界面，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互（4）更新速度快，可維護(hù)性好。（5）采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴(kuò)展性。第十章智能儀器和自動測量技術(shù)10.4.2虛擬儀器1.虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)如圖10.8所示。數(shù)據(jù)收集是通過輸入/輸出接口設(shè)備完成的。

輸入/輸出接口設(shè)備可以是各種基于PC的內(nèi)置數(shù)據(jù)采集插件卡，通用接口總線（GPIB）卡，串行端口，VXI或PXI總線接口模塊以及其他設(shè)備，或其他各種可編程的外部測試設(shè)備構(gòu)成具有標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的虛擬儀器，例如DAQ，GPIB，VXI，PXI等。最常見的一種是數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)采集與控制采集與控制儀器硬件儀器硬件SC X S1C I1 -S 1 C 4 1 X 0 S 0I0 1 X 111 C 4 S 0I1 X 40 C 1 IX 4PC PC或工作站工作站溫度其他我們在T紙上安裝的分析和表達(dá)分析及表達(dá)應(yīng)用程序軟件手臂OPC入門和應(yīng)用軟件nsS 1C 1X 0 0I M SC AX IN I F0IRAMEDAQ DAQ產(chǎn)品串行端口儀器串行儀器工業(yè)流程工業(yè)流程GPIB儀器GPIB儀器測試單元測試單元N IN？ SAT TIO RUNMA BU N N應(yīng)用軟件軟件TSVXI儀器VXI儀器圖10.8虛擬儀器硬件架構(gòu)第10章智能儀器和自動測量技術(shù)將多個DAQ功能模塊連接到PC計算機(jī)自動測量設(shè)備，并與相應(yīng)的軟件配合使用形成具有多種功能的PC儀器，例如示波器，數(shù)字萬用表，串行數(shù)據(jù)分析儀，動態(tài)信號分析儀，任意波形發(fā)生器等，如圖10.9所示。

第10章智能儀器和自動測量技術(shù)?10.9 PC-DAQ??第10章智能儀器和自動測量技術(shù)2.硬件平臺是虛擬儀器的基礎(chǔ)，而儀器軟件是其核心。確定基本硬件后，如果虛擬儀器具有用戶定義的功能和接口，則它必須具有功能強(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，包括三個部分：應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，儀器驅(qū)動程序和VISA API。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境應(yīng)用軟件包編程語言（Visual C ++或Visual Basic等）儀器驅(qū)動程序VISA API交互式控制工具資源編輯器資源管理器VXI功能庫圖10.10虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)第10章智能儀器和自動測量技術(shù)3.當(dāng)前，市場上有許多面向工程的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，可以將其大致分為兩類：一類是圖形化編程環(huán)境，例如原始的HP VEE和NI LabVIEW；另一類是傳統(tǒng)的編程語言編程環(huán)境，例如NI LabWindows / CVI，Microsoft Visual C，VisualBasic等。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)1） LabVIEW的主要特征是：（1)Visual graphic開發(fā)環(huán)境，流程圖式編程，易于學(xué)習(xí)，易于使用，并大大節(jié)省了開發(fā)時間。

LabVIEW開發(fā)環(huán)境分為前面板和流程圖兩部分，分別如圖10.11和圖10.12所示。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)控制對象（輸入）顯示對象（輸出）圖10.11隨機(jī)信號發(fā)生器的前面板第10章智能儀器和自動測量技術(shù)的功能：隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和前面板連接端子對應(yīng)到控件和與前面板控件相對應(yīng)的連接端子結(jié)構(gòu)：循環(huán)圖10.12隨機(jī)信號發(fā)生器的流程圖第10章智能儀器和自動測量技術(shù)（2)LabVIEW提供了豐富的程序Debugging功能。3)結(jié)構(gòu)化和模塊化的編程，良好的可移植性。（4)豐富的庫功能，開放性和良好的可伸縮性。2） LabWindows / CVI特別具有以下特征：（1)使用集成開發(fā)平臺和開放式體系結(jié)構(gòu)。 （2)使用可視化編程，設(shè)計用戶圖形界面非常容易。（3)使用交互式編輯方法hod，程序源代碼可以自動生成。 （4)使用大量的庫函數(shù)極大地簡化了編程工作。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)（5)使用便捷而靈活的程序調(diào)試方法。10.4.3 1.指定用戶想要解決什么問題，即儀器需要完成什么功能，以及用戶對面板操作的要求，以確定面板需要哪些控制組件和指示組件。虛擬儀器的硬件一般分為基本硬件平臺和儀器硬件設(shè)備。

表10.1顯示了具有不同硬件架構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)的性能比較。用戶必須根據(jù)測試功能，性能要求和財務(wù)狀況做出合理的選擇。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)表10.1具有不同體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器的系統(tǒng)性能第10章智能儀器和自動測量技術(shù)3.通常，儀器驅(qū)動程序包括以下部分：（1)功能體。 （2)交互式操作界面。（3)編程界面。（4) I / O界面。（5)功能庫。（6)子例程界面。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)4.軟面板的具體設(shè)計應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1)軟面板應(yīng)設(shè)計為在不同平臺和計算機(jī)顯示器上完成各種操作，因此必須確保每個軟面板都在不同平臺上和不同的分辨率它可以在高速監(jiān)視器之間移植。（2)字體選擇應(yīng)基于可移植性和可讀性。（3)根據(jù)顏色選擇顏色效果，便攜性和打印要求。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)（4)儀器或公司的圖標(biāo)顯示在主面板上。（5)不同面板上的控制器和指示器應(yīng)保持一致且易于閱讀，并應(yīng)能夠（6)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。第十章智能儀器和自動測量技術(shù)10.5聯(lián)網(wǎng)儀器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（ 1）通過網(wǎng)絡(luò)，用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控控制過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時性非常好。

（2）通過網(wǎng)絡(luò)，可以連接位于不同位置的測試儀器以構(gòu)建分布式自動測試系統(tǒng)，例如在不同區(qū)域進(jìn)行環(huán)境監(jiān)視。（3）通過網(wǎng)絡(luò)，用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)視多個過程，多個用戶可以同時監(jiān)視同一過程。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)（4）通過網(wǎng)絡(luò)，大大提高了用戶的工作能力。（5）通過網(wǎng)絡(luò)，用戶您也可以就感興趣的問題進(jìn)行合作并走遍世界第10章智能儀器和自動測量技術(shù)問題101.簡要描述自動測量技術(shù)的發(fā)展2.什么是智能儀器？其主要功能是什么？3.智能儀器的基本結(jié)構(gòu)是什么？4.什么是自動測試系統(tǒng)？它的基本組成是什么？5.有哪些主要特征？ f GPIB通用接口總線？ 6. VXI第10章智能儀器和自動測量技術(shù)7. PXI總線的特征是什么？ 8.什么是虛擬儀器？虛擬儀器是模擬儀器嗎？它與真實(shí)樂器有何不同？ 9.虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)是什么？虛擬儀器的軟件和硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是什么？ 10.虛擬儀器應(yīng)用軟件的主要開發(fā)環(huán)境是什么？簡要介紹LabVIEW和LabWindows / CVI的主要功能和特性。 11.虛擬儀器設(shè)計的主要內(nèi)容是什么？ 12.什么是聯(lián)網(wǎng)工具？有什么特點(diǎn)？