智能儀器和自動測量技術
第10章智能儀器和自動測量技術第10章智能儀器和自動測量技術10.1智能儀器和自動測量技術的發(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網絡儀器與遠程測控技術的思考題10第10章智能儀器與自動測量技術210.1發(fā)展歷史儀器和自動測量技術的發(fā)展1.獨立和專用系統(tǒng)階段1970年代，隨著微電子技術的發(fā)展和微處理器的普及，以及計算機技術和電子測量技術的結合，基于微處理器的智能儀器。它具有鍵盤操作，數字顯示，數據存儲和簡單計算等功能，并可以實現自動測量，例如智能DVM，智能RLC測量儀，智能電子計數器，智能半導體測試儀等。 第10章智能儀器和自動測量技術2.該階段以標準接口和總線為主要特征。 3在1970年代后期，出現了標準化的通用接口總線，因此可以使用GPIB和VXI。儀器系統(tǒng)總線將一臺計算機和幾臺電子測量儀器連接在一起，形成一個自動測試系統(tǒng)。在這種自動測試系統(tǒng)中，所有設備都以具有標準接口和統(tǒng)一無源總線的構造塊的形式連接。 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會（IEEE）和國際電工委員會（IEC）所接受。 IEEE-488總線。第十章智能儀器和自動測量技術[4]3.基于PC的儀器進入20世紀80年代，計算機，尤其是個人計算機已得到廣泛普及和應用。在電子測量領域，計算機與儀器之間的關系也在發(fā)生變化。在早期的自動測量系統(tǒng)中，儀器占據主要位置，計算機系統(tǒng)起輔助作用。當涉及到GPIB儀器和VXI儀器階段時，計算機系統(tǒng)變得越來越重要和占主導地位?；谶@種趨勢，出現了“計算機就是儀器”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為核心自動測量設備，輔以儀器電路板和擴展箱，并與個人計算機的內部總線相連。在應用軟件的控制下，測試和測量任務一起完成。第10章智能儀器和自動測量技術510.2智能儀器和個人儀器10.2. 1智能儀器智能儀器是計算機技術和電子測量儀器緊密集成的產物。一種測量儀器，包含微型計算機或微處理器，可以根據預定程序執(zhí)行一系列測量測試，并且具有存儲，計算，分析和判斷，接口輸出以及測量數據自動操作等功能。
第10章智能儀器和自動測量技術6 1.智能儀器的特性，即儀器和微處理器的結合，使軟件能夠取代許多傳統(tǒng)的硬件邏輯，從而導致尺寸更小，集成度更高。 ，更直觀，方便，智能的顯示和操作，更有效的數據存儲處理和通訊。與傳統(tǒng)儀器相比，智能儀器具有以下突出特點：（1）以軟件為核心，具有強大的控制能力。（2）具有強大的數據存儲和處理功能。（3）實現了儀器功能的多樣化。（4）智能，高度自動化。第十章智能儀器和自動測量技術72.智能儀器的基本結構智能儀器實際上是一個專用的微型計算機系統(tǒng)，它由硬件和軟件組成。 ]智能儀器的硬件結構，智能儀器的硬件部分主要包括CPU，內存，內部總線，各種I / O接口，通訊接口和人機界面（鍵盤，開關，按鈕），顯示器。等等，如圖10.1所示。第10章智能儀器與自動測量技術8圖10.1智能儀器的基本結構ry CPU標準儀器接口儀器總線I / O顯示I / O鍵盤I / OD / A轉換器I / OA / D轉換器輸出電路輸入電路BUS測量電壓輸入和輸出通道第10章智能儀器和自動測量技術9 2）智能儀器智能儀器的軟件組成在于它的靈魂，整個測量工作都在軟件的控制下進行。
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。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。第十章智能儀器和自動測量技術1010.2. 2個人儀器圖10.2顯示了一種微型計算機內部的擴展槽和微型計算機外部的插入盒。儀器卡的混合個人儀器結構。 第10章智能儀器與自動測量技術11圖10.2個人儀器系統(tǒng)的組成儀器插入卡內部總線個人計算機儀器插入卡第十章智能儀器與自動測量技術 1210.3自動測試系統(tǒng)10.3.1自動測試系統(tǒng)的組成通常，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，例如小型計算機，個人計算機（[ 2）程控儀器和設備：包括各種程控儀器，勵磁源，程控開關，程控伺服系統(tǒng)，執(zhí)行器以及顯示，打印和存儲記錄設備可以完成某些特定的測試和控制（k24）總線和接口：這是連接控制器和各種程序控制的儀器和設備，完成傳輸和交換的路徑。消息，命令和數據，包括插卡，插槽和電纜等。第10章智能儀器和自動測量技術13（4）測試軟件：經過編程以完成系統(tǒng)測試任務的各種應用軟件并在控制器上運行，例如測試主程序，驅動程序，數據處理程序和輸入/輸出軟件等。
（5）被測對象：根據測試任務的不同，被測對象通常非常不同。操作員通過測試電纜，連接器，開關等連接到程序控制的儀器和設備。第十章智能儀器和自動測量技術14圖10.3典型的GPIB自動測試系統(tǒng)GPIB接口計算機GPIB接口頻率合成器GPIB接口DMMGPIB接口頻率計GPIB接口打印機DUT GPIB總線第10章智能儀器和自動測量技術10.3.2自動測試系統(tǒng)的總線151. GPIB總線GPIB總線是由惠普公司（HP，安捷倫公司的前身）于1972年推出的，隨后由美國接受。電氣和電子工程師協會（IEEE）和國際電工委員會（IEC），也稱為IEEE-488總線，GPIB總線的結構和連接如圖1所示0.。 4.第10章智能儀器和自動測量技術16圖10.4 GPIB標準接口總線系統(tǒng)結構和連接接口部分控制/揚聲器/監(jiān)聽器（計算機）用戶編程接口部分監(jiān)聽器/揚聲器（測量）儀器）DUT接口部分偵聽器（信號源）接口部分偵聽器（記錄器）硬拷貝IFCATNEOIRENSRQDAVNRFDNDACDIO1 ... DIO8儀器設備接口儀器設備本身接口管理控制線數據鉤連接線數據總線通用接口總線第10章智能儀器和自動測量技術17圖1 [如k9] 5所示，在GPIB標準接口總線系統(tǒng)中，為了進行有效的通信，至少有“揚聲器”，“監(jiān)聽器”和“控制器”三種類型的儀器和設備。 ”。這些被稱為系統(tǒng)功能的三個要素。
第10章智能儀器和自動測量技術18圖10.5 GPIB接口消息和儀器消息儀器功能接口功能接口功能儀器功能總線接口消息儀器消息第10章智能儀器和自動測量技術 192. VXI總線主要特點：（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構，并以VME總線作為機箱的主板總線插入機箱中。插入插件的主機架的尺寸符合嚴格的要求，VXI總線儀器的主機架的結構如圖1所示0.6.第10章智能儀器和自動測量技術 20圖10.6 VXI總線儀器的主機結構圖12導軌印刷電路板上的P1連接器P2連接器C尺寸插入式下部導軌冷氣孔支架B Dime nsion插件B尺寸插件運輸機電源風扇冷空氣第10章智能儀器和自動測量技術2）具有32位數據總線，具有很高的數據傳輸速率。 21主板總線在功能上等同于連接到獨立儀器的GPIB總線，但是吞吐速率更高?？刂破饕脖恢瞥刹蹇āＫB接到主板總線，以計劃和控制總線上的各種活動?；究偩€數據傳輸速率為40 Mb / s，遠高于其他測試系統(tǒng)總線的數據傳輸速率。 （3）該系統(tǒng)具有較高的可靠性，良好的可維護性。采用VXI總線構建的系統(tǒng)具有結構緊湊，體積小，重量輕的特點，簡化了連接和控制關系，有助于提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性。
第10章智能儀器與自動測量技術22（4））良好的電磁兼容性。對于系統(tǒng)指標，以及背板上的信號傳輸延遲和同步，每個指標都有嚴格的標準，所有VXI總線都集中在高質量的多層印刷電路板上，從而確保了高精度和高可靠性。 VXI總線系統(tǒng)有從直流到微波的各種儀器模塊。此外，5）的頻率帶寬具有較強的通用性和較高的標準化程度。不僅硬件標準化自動測量設備，軟件也標準化。良好的可維護性和可擴展性，這也是VXI總線優(yōu)于其他總線的快速發(fā)展的重要因素。儀器和自動測量技術[23] [6）適應性強，靈活性強，兼容性好。 B，C，D機箱共有三種規(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位數據傳輸。系統(tǒng)組織者可以根據需要選擇不同的制造商和不同類型的設備進行組合，并靈活方便地構建高度適應性強的自動測試系統(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)連接和轉換的模塊，這使得VXI總線系統(tǒng)具有很大的耐受性，可以與任何總線系統(tǒng)儀器或系統(tǒng)配合使用。
VXI系統(tǒng)是在計算機控制下的自動測試系統(tǒng)。圖10.7是帶有C型主機架的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24圖10.7 HP75000 VXI儀器系統(tǒng)示意圖命令模塊功率計數字萬用表函數發(fā)生器計數器數字轉換器RF開關模擬開關模擬矩陣開關數字設備用戶定制的模板VXI總線大型機軟面板GPIB和DUT信號接口連接組件（ITA），其他VXI系統(tǒng)GPIB儀器第十章智能儀器和自動測量技術[25]3. PXI總線1） PXI總線的特性是PCI總線的增強和擴展，并且與現有的行業(yè)標準Compact PCI兼容。 2） PXI軟件的特性為了充分挖掘PXI在提供高度集成的測量和控制平臺方面的潛力，PXI使用開放的軟件架構來定義連接到不同類型硬件的通用接口。第十章智能儀器和自動測量技術[261]0.4虛擬儀器10.4.1虛擬儀器的概念和特征1.虛擬儀器的概念虛擬儀器（簡稱VI）是通過電子測量技術和計算機技術的緊密結合而產生的一種新的儀器模型。它以通用計算機為核心硬件平臺，以相應的硬件模塊作為信號輸入/輸出接口，并在計算機屏幕上使用儀器軟件開發(fā)平臺對儀器的面板和相應功能進行虛擬化，并且通過鼠標或鍵盤的交互操作完成相應的測試和測量任務。
第10章智能儀器和自動測量技術[27]虛擬儀器的特征與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下特征：（1）是一種功能意義，而不是物理意義。儀器，它集成了計算機強大的硬件資源。（2）強調了“軟件是一種儀器”的新概念，軟件在以前由硬件甚至整個機器實現的儀器中發(fā)揮了作用。（[ 3）友好的圖形用戶界面，可以實現人機交互。[4）更新速度快，可維護性好。（5）模塊化結構，系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴展性。第十章智能儀表和自動測量技術 2810.4.2虛擬儀器架構1.虛擬儀器硬件配置虛擬儀器的硬件架構如圖10.8所示。輸入/輸出接口設備完成。輸入/輸出接口設備可以是各種基于PC的內置數據采集插件卡，通用接口總線（GPIB）卡，串行端口，VXI或PXI總線接口模塊或其他設備可編程外部測試設備構成DAQ，GPIB，VXI，PXI和其他標準架構的虛擬儀器，其中最常見的是數據采集（DAQ）卡。 第10章智能儀器和自動測量技術29圖10.8虛擬儀器的硬件體系結構S CX I1 1 4 0 S CX I1 1 4 0 S CX IX I1 1 4 0 S C1 1 4 0 S CX I -1 0 0 1MA INF RACING S CX IS CX I1 1 0 0 NI NST RA TIO NA LE NU MTS?BU PAN FOLO P LOW LP確保了POS TT PER的警報eGPIB儀器GPIB儀器串行儀器串行儀器DAQ產品DAQ產品測試單元測試單元工業(yè)過程工業(yè)過程VXI儀器VXI儀器應用軟件應用軟件PC或工作站工作站采集與控制儀器硬件儀器硬件分析與表達應用軟件分析與表達應用軟件PC或采集與控制第10章智能儀器和自動測量技術30將多個DAQ功能模塊連接到PC，并與相應的軟件配合，組成具有多種樂趣的PC儀器示波器，數字萬用表，串行數據分析儀，動態(tài)信號分析儀，任意波形發(fā)生器等功能，如圖10.9所示。
第十章智能儀器和自動測量技術31圖10.9 PC-DAQ系統(tǒng)第十章智能儀器和自動測量技術32 2.虛擬儀器軟件結構硬件平臺是虛擬儀器的基礎，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大的儀器軟件。 VXI總線虛擬儀器的軟件結構圖如圖10.10所示，包括三個部分：應用軟件開發(fā)環(huán)境，儀器驅動程序和VISA API。 第10章智能儀器和自動測量技術33圖10.10虛擬儀器軟件結構交互式控制工具資源編輯器資源管理器VXI功能庫VISA API儀器驅動程序應用程序包編程語言（V isual C ++或Visual Basic）應用軟件開發(fā)環(huán)境第10章智能儀器和自動測量技術343.虛擬儀器應用軟件開發(fā)環(huán)境當前，有面向工程的虛擬環(huán)境，有很多儀器軟件開發(fā)平臺，大致可以概括為分為兩類：一類是圖形化編程環(huán)境，例如HP的HP VEE和NI的LabVIEW。另一個是傳統(tǒng)的編程語言編程環(huán)境，例如NI。 LabWindows / CVI以及Microsoft Visual C，VisualBasic等。
第10章智能儀器和自動測量技術1）LabVIEW35其主要特點是：（1)可視化圖形開發(fā)環(huán)境，流程圖式編程，易學，易用，并且節(jié)省大量開發(fā)時間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所示。第10章智能儀器和自動測量技術36圖10.11隨機信號發(fā)生器的前面板顯示對象（輸出），控制對象（輸入）第10章智能儀器和自動測量技術37圖10.12的流程圖隨機信號發(fā)生器功能：隨機數發(fā)生器結構：循環(huán)對應于前面板控件的連接端子和對應于前面板控件的連接端子第十章智能儀器和自動測量技術38 LabVIEW提供了豐富的程序調試功能。 （3)結構化和模塊化編程，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具體來說，它具有以下功能：（1)使用集成開發(fā)平臺和開放式體系結構。[2)使用可視化編程輕松設計用戶圖形界面。[3)使用交互式編輯方法自動生成程序源代碼。（4)使用豐富的庫函數極大地簡化了編程。
第10章智能儀器和自動測量技術5)使用方便靈活的程序調試方法。3910.4.3虛擬儀器的設計和開發(fā)1.制定測試要求明確用戶要解決的問題，即儀器需要完成哪些功能，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，并進行面板布局。 2.硬件選擇虛擬儀器硬件通常分為基本硬件平臺和儀器硬件設備，表10.1顯示了具有不同硬件架構的虛擬儀器系統(tǒng)的性能比較，用戶必須根據實際情況做出合理選擇。測試功能，性能要求和財務狀況第10章智能儀器和自動測量技術40表10.1系統(tǒng)具有不同體系結構的虛擬儀器的性能第10章智能儀器和自動測量技術413.儀器驅動程序的開發(fā)通常，儀器驅動程序包括以下部分：（1)功能體。 （2)交互式操作接口。（3)編程接口。（4) I / O接口。（5)功能庫（6)子例程接口。]第10章智能儀器和自動測量技術 424.虛擬儀器軟面板設計。軟面板的具體設計應注意以下幾點：（1)軟面板的設計應能夠在不同平臺和計算機顯示器上完成各種操作。 ，因此必須確保每個軟面板都可以在不同平臺和不同分辨率的顯示器之間移植。
（2)字體選擇應基于可移植性和易讀性。（3)根據外觀，效果，可移植性和打印要求選擇顏色。第十章智能儀器和自動測量技術43（[ [5)工具或公司的圖標顯示在主面板上。（5)不同面板上的控制器和指示器應保持一致，易于閱讀，并應能夠容納顯示的最大數字或選項。 6)軟面板應支持鼠標和鍵盤操作，并應提供在線幫助功能第十章智能儀器和自動測量技術4410.5網絡儀器和遠程測控技術化學儀器具有以下優(yōu)點：（1）通過網絡，用戶可以遠程監(jiān)控控制過程和實驗數據，實時性非常好。[2）通過網絡，測試儀器可以連接位于不同位置的位置，可以構建一個分布式自動測試系統(tǒng)，例如在不同區(qū)域進行環(huán)境監(jiān)視。 （3）通過網絡，用戶可以遠程監(jiān)視多個過程，并且多個用戶可以同時監(jiān)視同一過程。第十章智能儀器和自動測量技術[45] [4）通過網絡， （5）通過網絡，用戶還可以在全球范圍內就自己感興趣的問題進行合作和訪問。）第10章智能儀器和自動測量技術46.問題101。簡要介紹自動測量技術的發(fā)展。
2。什么是智能儀器？它的主要特點是什么？ 3。智能儀器的基本結構是什么？ 4。什么是自動測試系統(tǒng)？它的基本成分是什么？ 5. GPIB通用接口總線的主要功能是什么？ 6。 VXI總線儀器的優(yōu)點是什么？ 第十章智能儀器與自動測量技術7。 PXI總線的特點是什么？ 478。什么是虛擬儀器？虛擬儀器是模擬儀器嗎？它與真實樂器有何不同？ 9。虛擬儀器的優(yōu)點是什么？虛擬儀器的軟件和硬件系統(tǒng)結構是什么？ 10。虛擬儀器應用軟件的主要開發(fā)環(huán)境是什么？簡要介紹LabVIEW和LabWindows / CVI的主要功能和特性。 11。虛擬儀器設計的主要內容是什么？ 12。什么是聯網工具？有什么特點？
