智能仪表与自动测量技术
第10章智能仪器与自动测量技术10.1智能仪器与自动测量技术的发展历程10.2智能仪器与个人仪器10.3自动测试系统10.4 虚拟仪器 10.5 网络化仪器与远程测控技术思考题 10 10.1 智能仪器与自动测量技术的发展历程 20世纪70年代，随着微电子技术的发展微处理器的发展和普及，以及计算机技术与电子测量技术的结合，导致了基于微处理器的智能仪表的出现。具有键盘操作、数字显示、数据存储和简单计算，可实现自动测量，如智能DVM、智能RLC测量仪、智能电子计数器、智能半导体测试仪等。 第10章智能仪器与自动测量技术2.标准表征的阶段接口和总线进入 1970 年代后期。出现了标准化的通用接口总线。因此，可以使用GPIB、VXI等仪器系统总线将一台计算机和几台电子测量仪器连接在一起，组成一个自动测试系统。在这种自动测试系统中，所有设备都以具有标准化接口和统一无源总线的积木形式连接。在这些仪器总线中，最具代表性的是GPIB总线和VXI总线。
在电子测量领域，计算机与仪器的关系也在发生变化。在早期的自动测量系统中，仪器占据主要地位，计算机系统起辅助作用；谈到GPIB仪器和VXI仪器阶段，计算机系统越来越重要和占主导地位。基于这一趋势，测试仪器出现了“计算机即仪器”的新概念，个人仪器和虚拟仪器应运而生。个人仪表以个人计算机为核心，辅以仪表电路板和扩展盒，连接个人计算机内部总线。在应用软件的控制下，测试和测量任务一起完成。第10章智能仪器与自动测量技术10.2智能仪器与个人仪器10.2.1智能仪器智能仪器是计算机技术与电子测量仪器紧密结合的产物. 它包含能够按照预定程序进行一系列测量试验的微型计算机或测量仪器，具有测量数据的存储、计算、分析和判断、接口输出和自动操作等功能。仪器与微处理器的结合使软件取代了许多传统的硬件逻辑，带来更小体积、更高集成度、更直观、方便和智能的显示和操作，以及更有效的数据存储处理和通信。与传统仪器相比，智能仪器具有以下突出特点： 以软件为核心，具有强大的控制能力。（4）智能化、自动化程度高。第十章智能仪表与自动测量技术智能仪表实际上是一个专用的微机系统，由硬件和软件两部分组成。
智能仪表的硬件部分主要包括CPU、内存、内部总线、各种I/O接口、通讯接口、人机接口（键盘、开关、按钮、显示器）等，如图10.1。第10章智能仪器与自动测量技术图10.1智能仪器基本结构内存CPU标准仪器接口仪器总线转换器输出电路输入电路BUS被测电压的输入输出通道第10章智能仪器与自动测量科技智能仪器的软件是它的灵魂，整个测量工作都在软件的控制下进行。没有软件，智能仪器就无法工作。软件是衡量智能仪表自动化程度和智能化程度的主要指标。智能仪表的软件部分主要包括监控程序和界面管理程序两部分。第十章智能仪表与自动测量技术10.2.2 个人仪表图10.2是微机内部的一种扩展槽和微机外的插件盒。插入仪器卡的混合个人仪器结构。第十章智能仪表与自动测量技术图10.2个人仪表系统组成仪表插卡内部总线个人电脑仪表插卡第十章智能仪表与自动测量技术10.3自动测试系统10.3.1 自动测试系统的组成控制器：主要是计算机，如小型机、个人电脑、微处理器、单片机等，是系统的指挥控制中心。程控仪器设备：包括各种程控仪器、励磁源、程控开关、程控伺服系统、执行器、显示、打印、存储记录的装置，可以完成某些特定的测试和控制任务.
3 典型GPIB自动测试系统GPIB接口计算机GPIB接口频率合成仪GPIB接口DMMGPIB接口频率计GPIB接口打印机DUT GPIB总线第10章智能仪器与自动测量技术10.3.2 GPIB总线自动测试系统由惠普公司（HP，安捷伦公司的前身）于 1972 年推出，后成为美国电气和电子工程师协会（IEEE 认可）和国际电工委员会（IEC），又称IEEE-488 总线。GPIB总线结构和连接如图10.4所示。图10. 4GPIB标准接口总线系统结构及连接接口部分控制/扬声器/听者（计算机）用户编程接口部分（测量仪器）DUT接口部分（信号源）接口部分（记录仪）硬拷贝IFC ATN EOI REN SRQ DAV NRFD NDAC DIO仪器设备接口仪表设备本身接口管理控制线数据挂钩连接线数据总线如图10.5。在GPIB标准接口总线系统中，需要有效的通信。至少有“扬声器”、“听者”和“控制器”三类设备，控制器、扬声器和听者被称为系统功能的三要素。
第10章智能仪器和自动测量技术图10.5GPIB接口消息和仪器消息仪器功能接口函数接口函数仪器功能总线接口消息仪器消息第10章智能仪器和自动测量技术VXI系统的所有设备都是采用插入式结构，以VME总线作为机箱主板总线插入机箱，插件的尺寸和插入插件的主机架符合严格要求。VXI总线仪器的主要框架结构图如图10.6所示。第10章智能仪器与自动测量技术 图10.6VXI总线仪器主机结构 图12 印刷电路板上导轨尺寸，下轨空调孔支架尺寸、插件尺寸、输送器、电源风扇、冷风段第10章智能仪表与自动测量技术具有32位数据总线，数据传输率高。主板总线在功能上相当于连接独立仪器的GPIB总线，但吞吐率更高。控制器也做成插卡，与主板总线相连，对总线上的各种活动进行调度和控制。基本总线数据传输速率为40 Mb/s，远高于其他测试系统总线的数据传输速率。采用VXI总线构建的系统结构紧凑、体积小、重量轻，简化了连接和控制关系，有助于提高系统的可靠性和可维护性。第10章智能仪器与自动测量技术在VXI总线的设计和标准的制定中，充分考虑了系统的电源、冷却系统和电磁兼容性能，以及背板上的信号传输延迟和同步自动测量设备，并且每一项指标都有严格的标准。所有VXI总线都集中在高质量的多层印刷电路板中，保证了VXI总线系统的高精度、运行的稳定性和可靠性以及频率带宽。现在有从直流到微波的各种仪器模块。散热系统和电磁兼容性能，以及背板上的信号传输延迟和同步，都得到了充分的考虑，每一项指标都有严格的标准。所有VXI总线都集中在高质量的多层印刷电路板中，保证了VXI总线系统的高精度、运行的稳定性和可靠性以及频率带宽。现在有从直流到微波的各种仪器模块。散热系统和电磁兼容性能，以及背板上的信号传输延迟和同步，都得到了充分的考虑，每一项指标都有严格的标准。所有VXI总线都集中在高质量的多层印刷电路板中，保证了VXI总线系统的高精度、运行的稳定性和可靠性以及频率带宽。现在有从直流到微波的各种仪器模块。运行的稳定性和可靠性，以及频率带宽。现在有从直流到微波的各种仪器模块。运行的稳定性和可靠性，以及频率带宽。现在有从直流到微波的各种仪器模块。
不仅硬件标准化，软件也进阶到第十章智能仪器与自动测量技术。有B、C、D机箱三种规格和A、B、C、D模块四种规格供用户选择；支持8位、16位、24位和32位数据传输。系统搭建者可以根据需要选择不同厂家、不同类型的设备进行组合，灵活方便地构建适应性强的自动测试系统。为了充分利用资源，VXI总线开发了与其他总线系统连接和转换的模块。这使得 VXI 总线系统具有极高的耐受性，可以与任何总线系统仪器或系统配合使用。VXI系统是计算机控制下的自动测试系统。图1< @0.7HP75000 VXI仪器系统原理图VXI总线主机软面板与DUT之间的信号接口连接组件（ITA）（ITA）（DUT）其他VXI系统GPIB仪器第10章智能仪器与自动测量技术PXI总线是PCI总线的增强和扩展，兼容现有的行业标准Compact PCI。为了充分挖掘 PXI 在提供高度集成的测量和控制平台方面的潜力，PXI 使用开放的软件架构来定义连接到不同类型硬件的通用接口。第10章智能仪器与自动测量技术10.4虚拟仪器10.4. 1 虚拟仪器的概念和特点 紧密集成产生的一种新型仪器模型，是指以通用计算机为核心硬件平台，相应的硬件模块作为信号输入/输出接口。仪表软件开发平台用于将仪表盘虚拟化并在电脑屏幕上进行对应。鼠标或键盘交互操作功能，完成仪器相应的测试和测量任务。
输入/输出接口设备可内置基于各种PC 设备，如数据采集插件卡、通用接口总线（GPIB）卡、串口、VXI 或PXI 总线接口模块，或其他类型的可编程设备外部测试设备，分别构成DAQ、GPIB、VXI、PXI等标准架构，这些虚拟仪器中最常见的是数据采集（DAQ）卡。第10章智能仪器与自动测量技术图10.
图1 0.9PC-DAQ系统第十章智能仪器与自动测量技术硬件平台是虚拟仪器的基础，仪器软件是其核心。基础硬件确定后，如果虚拟仪器具有用户自定义的功能和接口，就必须有强大的仪器软件。VXI总线虚拟仪器的软件结构图如图10.10所示，包括应用软件开发环境、仪器驱动、VISA API三部分。第10章智能仪表与自动测量技术图10. 10 虚拟仪器软件结构 交互式控制工具 资源编辑器 资源管理器 VXI 函数库 VISA API 仪器驱动应用软件包 编程语言（Visual C++ 或 Visual Basic 等） 应用软件开发环境 第 10 章智能仪器与自动测量技术市场上有很多面向工程的虚拟仪器软件开发平台，大致可以分为两类：一类是图形化编程环境，如原HP公司的HP VEE和NI公司的LabVIEW；另一种是传统的编程语言编程环境，如NI公司的LabWindows/CVI，以及微软的Visual C、Visual Basic等。第10章：智能仪表和自动测量技术 可视化图形开发环境，流程图编程，易学易用自动测量设备，大大节省开发时间。LabVIEW开发环境分为前面板和流程图两部分，如图10.11和图10.12，图10.11 前面板显示随机信号发生器的对象（输出） 控制对象（输入） 第十章智能仪器与自动测量技术 图10.12 随机信号发生器流程图 功能： 随机数发生器结构：
采用集成开发平台和开放式架构。使用可视化编程，很容易设计用户图形界面。采用交互式编辑方式，可自动生成第10章智能仪器与自动测量技术10.4.3 虚拟仪器的设计与开发，明确用户想解决什么问题，即有什么功能仪表应齐全，以及用户对面板操作的要求，从而确定面板需要哪些控制元件和指示元件，并进行面板布局构想。虚拟仪器的硬件一般分为基础硬件平台和仪器硬件设备。不同硬件架构的虚拟仪器系统性能对比见表10.1。用户必须根据测试功能、性能要求和财务状况做出合理选择。第10章智能仪器与自动测量技术表1 0.1 不同架构虚拟仪器的系统性能第10章智能仪器与自动测量技术子程序接口。第10章智能仪器与自动测量技术软面板的设计应能在不同平台和计算机显示器上完成各种操作。因此，需要确保每个软面板在不同平台和不同分辨率的显示器之间具有可移植性。根据外观选择颜色，效果、便携性和印刷要求。不同面板上的控制器和指示器应该一致且易于阅读，并且应该足够大以容纳显示的最大数字或选项。软面板应支持鼠标和键盘操作，并应提供在线帮助功能。第十章智能仪表与自动测量技术 10.5 网络化仪表与远程测控技术 通过网络，用户可以远程监控控制过程和实验数据，实时性非常好。软面板应支持鼠标和键盘操作，并应提供在线帮助功能。第十章智能仪表与自动测量技术 10.5 网络化仪表与远程测控技术 通过网络，用户可以远程监控控制过程和实验数据，实时性非常好。软面板应支持鼠标和键盘操作，并应提供在线帮助功能。第十章智能仪表与自动测量技术 10.5 网络化仪表与远程测控技术 通过网络，用户可以远程监控控制过程和实验数据，实时性非常好。
通过网络，可以连接位于不同地点的测试仪器，构建分布式自动测试系统，如不同区域的环境监测。通过网络，一个用户可以远程监控多个进程，多个用户可以同时监控同一个进程。通过网络，用户的工作能力大大提高。通过网络，用户还可以就自己感兴趣的问题在世界各地进行合作和访问。 2、什么是智能仪表？它的主要特点是什么？4. 什么是自动测试系统？它的基本组成是什么？8. 什么是虚拟仪器？虚拟仪器是模拟仪器吗？它与真正的乐器有何不同？9. 虚拟仪器有哪些优势？虚拟仪器的软硬件系统结构是怎样的？10、虚拟仪器应用软件开发环境 11、虚拟仪器设计的主要内容有哪些？12. 什么是联网仪器？有哪些特点？
