智能儀器與自動測量技術(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)展歷程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 對網(wǎng)絡(luò)化儀器和遠程測控技術(shù)的思考 10 10.1 智能儀器和自動測量技術(shù)的發(fā)展歷程 1970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，以及計算機技術(shù)與電子測量技術(shù)的結(jié)合，產(chǎn)生了基于微處理器的智能儀器。具有鍵盤操作、數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)存儲，操作簡單，可實現(xiàn)自動測量，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。第十章智能儀器與自動測量技術(shù)2.以標準為特征的階段接口和總線進入 1970 年代后期，出現(xiàn)了標準化的通用接口總線。因此，GPIB、VXI等儀器系統(tǒng)總線可用于一臺計算機，將多臺電子測量儀器連接在一起，組成一個自動測試系統(tǒng)。在這個自動測試系統(tǒng)中，每個設(shè)備都以積木的形式連接起來，具有標準化的接口和統(tǒng)一的無源總線。在這些儀器總線中，最具代表性的是GPIB總線和VXI總線。

在電子測量領(lǐng)域，計算機與儀器之間的相互關(guān)系也在發(fā)生變化。在早期的自動測量系統(tǒng)中，儀器占主要地位，計算機系統(tǒng)起輔助作用；但在GPIB儀器和VXI儀器階段，計算機系統(tǒng)越來越占據(jù)重要和主要的地位。基于這一趨勢，出現(xiàn)了測試儀器“計算機就是儀器”的新概念，個人儀器和虛擬儀器應(yīng)運而生。個人儀表以個人電腦為核心，儀表電路板和擴展盒為輔，與個人電腦內(nèi)部總線相連接。在應(yīng)用軟件的控制下，共同完成測試和測量任務(wù)。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.2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(shù)與電子測量儀器緊密結(jié)合的產(chǎn)物。它包含一個微型計算機或能按預(yù)定程序進行一系列測量試驗的微型計算機，具有測量數(shù)據(jù)的存儲、計算、分析和判斷、接口輸出和自動運行等功能。軟件取代了許多傳統(tǒng)的硬件邏輯，帶來更小的體積、更高的集成度、更直觀、更方便、更智能的顯示和操作，以及更高效的數(shù)據(jù)存儲、處理和通信。與傳統(tǒng)樂器相比，智能儀表具有以下突出特點： 以軟件為核心，具有強大的控制能力。（4）智能化，自動化程度高。第十章智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器實際上是一個專用的微機系統(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、人機界面（鍵盤、開關(guān)、按鍵、顯示器）等，如圖10.1。第10章智能儀表與自動測量技術(shù)圖10.1智能儀表內(nèi)存基本結(jié)構(gòu)CPU標準儀表接口儀表總線轉(zhuǎn)換器輸出電路輸入電路BUS被測電壓輸入輸出通道第10章智能儀表與自動測量軟件技術(shù)智能儀器是它的靈魂，整個測量工作在軟件的控制下進行。沒有軟件，智能儀器就無法工作，而軟件則是智能儀表自動化、智能化程度的主要指標。智能儀表的軟件部分主要包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。第10章智能儀器和自動測量技術(shù)10.2.2個人儀器圖10.2顯示了計算機內(nèi)部的一個擴展槽和計算機外部的一個插件盒。插入儀器卡的混合個人儀器結(jié)構(gòu)。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)圖10.2個人儀器系統(tǒng)系統(tǒng)組成10.3.1自動測試系統(tǒng)的組成控制器：主要是計算機，如小型機、個人電腦、微處理器、單片機等是系統(tǒng)的指揮控制中心。程控儀器設(shè)備：包括各種程控儀器、激勵源、程控開關(guān)、程控伺服系統(tǒng)、執(zhí)行器、顯示、打印、存儲、記錄等裝置，可完成一定的特定測試和控制任務(wù)。

3 典型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 DMM GPIB接口頻率計 GPIB接口 被測打印機設(shè)備 GPIB總線 第10章智能儀器與自動測量技術(shù) 10.3.2總線自動測試系統(tǒng)的GPIB總線于1972年由美國惠普公司（HP，安捷倫的前身）推出，后成為美國電氣電子工程師學會（IEEE接受）和國際電工委員會（IEC），也稱為 IEEE-488 總線。GPIB總線結(jié)構(gòu)及連接如圖10.4所示。圖一0. 4GPIB標準接口總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及連接接口部分Control/Speaker/Listener（計算機）用戶編程接口部分（測量儀器）DUT接口部分（信號源）接口部分（記錄儀）硬拷貝IFC ATN EOI REN SRQ DAV NRFD NDAC DIO儀器設(shè)備接口儀器設(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。在一個GPIB標準的接口總線系統(tǒng)中，要進行有效的通信，至少需要“揚聲器”、“聽者”、“控制器”三類儀器設(shè)備，控制器、揚聲器、聽者被稱為三要素系統(tǒng)功能。

第10章智能儀器和自動測量技術(shù) 圖10.5GPIB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(shù)采用插件式結(jié)構(gòu)，以VME總線作為機箱主板總線插入機箱，插件和插入插件的主機架尺寸符合嚴格要求。VXI總線儀器的主要框架結(jié)構(gòu)圖如圖10.6所示。第10章智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10. 6VXI總線儀器主機結(jié)構(gòu)圖12印制電路板導(dǎo)軌尺寸第10章智能儀器與自動測量技術(shù)采用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于連接獨立儀器的GPIB總線，但吞吐率更高?？刂破饕沧龀刹蹇?，連接在主板總線上，用于調(diào)度和控制總線上的各種活動?；究偩€數(shù)據(jù)傳輸速率為40 Mb/s，遠高于其他測試系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率。采用VXI總線搭建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，簡化了連接和控制關(guān)系，有利于提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)在VXI總線的設(shè)計和標準的制定中，系統(tǒng)的電源、散熱系統(tǒng)和電磁兼容性能，以及背板上信號的傳輸延遲和同步，都得到了充分的考慮。經(jīng)過考慮的。有嚴格的標準，所有的VXI總線都集中在高品質(zhì)、多層的印刷電路板上，保證了VXI總線系統(tǒng)和頻帶寬的高精度和運行穩(wěn)定性和可靠性。各種儀器模塊。以及背板上信號的傳輸延遲和同步，都被充分考慮。有嚴格的標準，所有的VXI總線都集中在高品質(zhì)、多層的印刷電路板上，保證了VXI總線系統(tǒng)和頻帶寬的高精度和運行穩(wěn)定性和可靠性。各種儀器模塊。以及背板上信號的傳輸延遲和同步，都被充分考慮。有嚴格的標準，所有的VXI總線都集中在高品質(zhì)、多層的印刷電路板上，保證了VXI總線系統(tǒng)和頻帶寬的高精度和運行穩(wěn)定性和可靠性。各種儀器模塊。

不僅硬件標準化，軟件也包含在第十章智能儀器與自動測量技術(shù)中 機箱B、C、D三種規(guī)格，A、B、C、D四種規(guī)格模塊供用戶選擇；支持8位、16位、24位和32位數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)搭建商可以根據(jù)需要選擇不同廠家、不同類型的設(shè)備進行組合，靈活方便地搭建適應(yīng)性強的自動化測試系統(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，使得VXI總線系統(tǒng)具有很強的包容性，可以與任何總線系統(tǒng)儀器或系統(tǒng)配合工作。VXI系統(tǒng)是計算機控制下的自動測試系統(tǒng)圖10. 7HP75000 VXI儀器系統(tǒng)示意圖 VXI總線主機軟面板GPIB和DUT信號接口連接組件（ITA）（DUT） 其他VXI系統(tǒng)GPIB儀器 第10章智能儀器和自動測量技術(shù) PXI總線是PCI總線的增強和擴展，并且與現(xiàn)有的工業(yè)標準 Compact PCI 兼容。為了充分發(fā)揮 PXI 在提供高度集成的測量和控制平臺方面的潛力，PXI 選擇了一種開放的軟件架構(gòu)來定義與不同類型硬件連接的通用接口。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.4虛擬儀器10.4. 1虛擬儀器的概念和特點虛擬儀器（簡稱VI）是電子測量技術(shù)和計算機技術(shù)的結(jié)合。緊密集成產(chǎn)生的新儀表模式是指以通用計算機為核心硬件平臺，以相應(yīng)的硬件模塊為信號輸入/輸出接口，利用儀表軟件開發(fā)平臺虛擬化儀表盤及相應(yīng)硬件在電腦屏幕上。它是通過鼠標或鍵盤的交互操作完成相應(yīng)測試和測量任務(wù)的儀器。以相應(yīng)的硬件模塊作為信號輸入/輸出接口，利用儀表軟件開發(fā)平臺在電腦屏幕上虛擬化儀表板及相應(yīng)的硬件。它是通過鼠標或鍵盤的交互操作完成相應(yīng)測試和測量任務(wù)的儀器。以相應(yīng)的硬件模塊作為信號輸入/輸出接口，利用儀表軟件開發(fā)平臺在電腦屏幕上虛擬化儀表板及相應(yīng)的硬件。它是通過鼠標或鍵盤的交互操作完成相應(yīng)測試和測量任務(wù)的儀器。

第10章智能儀器與自動測量技術(shù) 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下特點：思想是軟件在儀器中扮演以前由硬件甚至整機實現(xiàn)的角色。友好的圖形用戶界面可以實現(xiàn)人機交互。第十章智能儀器與自動測量技術(shù)10.4.@ >2 虛擬儀器架構(gòu) 數(shù)據(jù)采集卡、通用接口總線（GPIB）卡、串口、VXI或PXI總線接口模塊等設(shè)備，或其他各種可編程外部測試設(shè)備，分別構(gòu)成DAQ，GPIB、VXI、PXI等標準架構(gòu)的虛擬儀器，其中最常見的是數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡。第十章智能儀器與自動測量技術(shù)圖10.8 虛擬儀器硬件架構(gòu)GPIB儀器串行儀器DAQ產(chǎn)品測試單元工業(yè)流程VXI儀器應(yīng)用軟件PC工作站采集控制儀器硬件分析表達應(yīng)用軟件分析表達應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件PC或工作站采集控制儀器硬件VXI儀器GPIB儀器串口儀器DAQ產(chǎn)品工業(yè)過程測試單元 第10章 智能儀器與自動測量技術(shù) 將PC機上的多個DAQ功能模塊與相應(yīng)的軟件如示波器、數(shù)字萬用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀等相連接，即可組成具有多種功能的PC儀器、任意波形發(fā)生器等，如圖10.9。

圖10.9PC-DAQ系統(tǒng)第十章智能儀器與自動測量技術(shù)硬件平臺是虛擬儀器的基礎(chǔ)，儀器軟件是其核心。在基本硬件確定后，要使虛擬儀器具有用戶自定義的功能和接口，就必須有強大的儀器軟件。VXI總線虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖10.10所示自動測量設(shè)備，包括應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動和VISA API。第10章智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10. 10 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 交互控制工具 資源編輯器 資源管理器 VXI 函數(shù)庫 VISA API 儀器驅(qū)動 應(yīng)用軟件包 編程語言（Visual C++或Visual Basic等） 應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境 第10章 智能儀器與自動測量技術(shù) 目前，有市面上有很多面向工程的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，大致可以分為兩類：一類是圖形化編程環(huán)境，如原來的HP VEE和NI LabVIEW；另一種是傳統(tǒng)的編程語言編程環(huán)境，如NI的LabWindows/CVI，以及微軟的Visual C、Visual Basic等。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)可視化圖形開發(fā)環(huán)境，流程圖編程，易學易用，大大節(jié)省開發(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 圖10.11前面板顯示隨機信號發(fā)生器對象（輸出） 控制對象（輸入） 第 10 章智能儀器與自動測量技術(shù) 圖 10.12 隨機信號發(fā)生器流程圖 功能： 隨機數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)：

它采用集成開發(fā)平臺和開放式架構(gòu)。使用可視化編程，很容易設(shè)計用戶圖形界面。采用交互編輯方式，可自動生成第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.4.3虛擬儀器的設(shè)計與開發(fā)明確定義了用戶想要解決的問題自動測量設(shè)備，即儀表需要完成哪些功能，以及用戶對面板操作的要求，從而確定面板需要哪些控制元件和指示元件，進行面板布局構(gòu)想。虛擬儀器的硬件一般分為基礎(chǔ)硬件平臺和儀器硬件設(shè)備。使用不同硬件架構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)的性能比較如表 10.1 所示。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1 0.1不同架構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)性能 第10章智能儀器和自動測量技術(shù)子程序接口。第10章智能儀器與自動測量技術(shù) 軟屏應(yīng)設(shè)計成能夠在不同平臺和電腦顯示器上完成各種操作，因此必須保證每個軟屏在不同平臺和不同分辨率的顯示器之間可移植。根據(jù)外觀選擇顏色，效果、便攜性和打印要求。不同面板上的控件和指示器應(yīng)一致、清晰且大到足以容納所代表的最大數(shù)量或選項。軟面板應(yīng)支持鼠標和鍵盤操作，并提供在線幫助功能。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.5網(wǎng)絡(luò)化儀器與遠程測控技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)，用戶可以遠程監(jiān)控控制過程和實驗數(shù)據(jù)，實時性很好。并提供在線幫助功能。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.5網(wǎng)絡(luò)化儀器與遠程測控技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)，用戶可以遠程監(jiān)控控制過程和實驗數(shù)據(jù)，實時性很好。并提供在線幫助功能。第10章智能儀器與自動測量技術(shù)10.5網(wǎng)絡(luò)化儀器與遠程測控技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)，用戶可以遠程監(jiān)控控制過程和實驗數(shù)據(jù)，實時性很好。

通過網(wǎng)絡(luò)，可以連接位于不同位置的測試儀器，構(gòu)建分布式自動測試系統(tǒng)，如不同區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測。通過網(wǎng)絡(luò)，一個用戶可以遠程監(jiān)控多個進程，多個用戶可以同時監(jiān)控同一個進程。通過網(wǎng)絡(luò)，大大提升了用戶的工作能力。通過該網(wǎng)絡(luò)，用戶還可以在全球范圍內(nèi)就他們感興趣的問題進行協(xié)作和訪問。2.什么是智能儀表？它的主要特點是什么？4. 什么是自動化測試系統(tǒng)？它的基本組成是什么？8. 什么是虛擬樂器？虛擬儀器是仿真儀器嗎？它與真正的樂器有何不同？9. 虛擬儀器有什么優(yōu)勢？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)計的主要內(nèi)容有哪些？12. 什么是聯(lián)網(wǎng)儀器？有什么特點？