第八章智能仪器与自动测量技术（电子测量技术课件）（2)
第八章智能仪器与自动测量技术第八章智能仪器与自动测量技术81智能仪器与自动测量技术的发展历程82智能仪器与个人仪器83自动测试系统84虚拟仪器85网络仪器与远程测控技术思考题8 第8章智能仪器与自动测量技术 81智能仪器与自动测量技术的发展历程1 1970年代微电子技术单机专用系统阶段的发展和普及计算机技术与电子测量技术相结合，以微处理器为基础的智能仪表应运而生。具有键盘操作、数字显示、数据存储和简单计算等功能，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8章智能仪器与自动测量技术2以标准接口和总线为主要特征的阶段，1970年代末进入标准化通用接口总线的出现，使得利用GPIBVXI等仪器系统总线连接一台计算机和多台电子测量仪器，组成自动测试系统成为可能。在这个自动测试系统中，每个设备都使用标准化的接口和统一的无源总线。积木块以积木块的形式连接起来。这些仪器总线中最具代表性的是 GPIB 总线和 VXI 总线。 GPIB 总线由美国惠普安捷伦的前身于 1972 年推出。 IEC 委员会接受也称为 IEEE-488 总线第 8 章智能仪器和自动测量技术 基于 3PC 的仪器阶段进入 80 年代，计算机，特别是个人计算机，在电子测量计算机和计算机领域得到了广泛的推广和应用。仪器之间的相互关系也在发生变化。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。在GPIB仪器和VXI仪器阶段，计算机系统变得越来越重要，并基于这种趋势出现了主要地位。计算机即仪器的测试仪器新概念催生了个人仪器和虚拟仪器。个人仪器是以个人计算机为基础，辅以仪器电路板和扩展盒，连接到个人计算机的内部总线，在应用软件的控制下共同完成测试测量任务。第八章智能仪器与自动测量技术 82智能仪器与个人仪器821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。它们包含可以预先确定的微型计算机或微处理器程序，是一种进行一系列测量试验并具有测量数据的存储、运算、分析、判断、接口输出、自动运行等功能的测量仪器。第8章智能仪器与自动测量技术 1智能仪器的特点仪器与微处理软件的结合使软件取代了许多传统
硬件逻辑带来更小的体积、更高的集成度、更直观、方便、智能的显示和操作，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： 1 软件为核心，具有强大的控制能力。 2 具有强大的数据存储和处理功能。 3 实现了仪器功能的多样化。 4、智能化程度高。第八章智能仪器与自动测量技术。智能仪表的基本结构。智能仪表实际上是一个专用的微机系统。它由两部分组成：硬件和软件。 1 智能仪表的硬件结构。智能仪表的硬件部分主要包括CPU内存的内部总线和各种IO接口通讯。界面人机界面键盘开关按钮显示等如图81 第八章智能仪器与自动测量技术 图81 智能仪器基本结构第八章智能仪器与自动测量技术2 智能仪器的软件构成 智能仪器的软件是它的灵魂。整个测量工作在软件的控制下进行。智能仪器离不开软件。软件是智能仪表自动化程度和智能化程度的主要标志。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八章智能仪表与自动测量技术822个人仪表图82所示为一种插在微机内部扩展槽中的仪表卡与微机外的插件盒 混合式个人仪器结构 第8章智能仪器及自动测量技术 图82个人仪器系统组成第8章智能仪器及自动测量技术 83自动测试系统831自动测试系统组成 通常一个自动测试系统包括以下五个部分。 1 控制器主要是小型计算机、个人计算机、微处理器、单片机等计算机，是系统的指挥控制中心。 2 程控仪器设备包括各种程控仪表、励磁源、程控开关、程控伺服系统等显示、打印和存储记录的执行元件和装置，可以完成某些特定的测试和控制任务。 3 总线和接口是连接控制器和各个程控仪器设备完成报文命令和数据传输和交换的通路，包括卡槽和电缆等。 第8章智能仪器和自动测量技术 4 测试软件 运行在控制器上为完成系统测试任务而准备的各种应用软件，如测试主程序、驱动程序、数据处理程序、输入输出软件等 5 被测对象往往因被测对象不同而有很大差异任务。操作人员通过测试电缆接头开关等与程控仪器设备相连。 第8章智能仪器及自动测量技术 图83典型GPIB自动测试系统第8章智能仪器及自动测量技术 832自动测试系统的总线1GPIB总线GPIB总线是惠普公司于1972年开发的。
HP Agilent 的前身推出后，被电气和电子工程师协会 IEEE 和国际电工委员会 IEC 采用。也称为IEEE-488总线，GPIB总线结构与连接如图84所示。 第8章智能仪器与自动测量技术 图84 GPIB标准接口总线系统结构与连接第8章智能仪器与自动测量技术 如图85 所示，在GPIB 标准接口总线系统中应该进行有效的通信，至少说话者应该能听到它。控制器、扬声器、听者三类设备称为系统功能的三要素。第八章智能仪器和自动测量技术 图85 GPIB接口消息和仪器消息第八章智能仪器和自动测量技术2VXI总线主要特点1 测试仪器模块化VXI系统的所有组件均采用即插即用以VME总线为机箱主板总线的机箱中插入插件的结构，插件主机的尺寸符合VXI的严格要求 总线仪表的主机框架结构图图86 第8 章智能仪表与自动测量技术 图86 VXI 总线仪表的主要框架结构第8 章智能仪表与自动测量技术 2 具有32 位数据的总线数据传输速率高。主板总线在功能上等同于连接独立仪器的 GPIB 总线，但具有更高的吞吐量。控制器也被做成一个插卡，连接到主板总线上，用于调度和控制总线上的各种活动。总线数据传输速率为40Mbs，远高于其他测试系统总线的数据传输速率。 3 系统可靠性高，可维护性好。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，有利于系统的改进。可靠性与可维护性第8章智能仪器与自动测量技术 4良好的电磁兼容性在VXI总线的设计和标准的制定中，充分考虑了电源冷却系统和系统的电磁兼容性能，以及背板上的信号。传输延迟和同步对每个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。这样既保证了VXI总线系统的高精度，又保证了运行和频带宽的稳定性和可靠性。有各种仪器模块，从直流到微波。 5 通用性强。标准化程度高。不仅硬件标准化，软件也标准化。软件的可维护性和可扩展性良好。这就是为什么VXI总线优于其他总线并且发展迅速的原因。第八章智能仪器与自动测量技术的重要因素6．良好的适应性和灵活性。兼容性好。共有三种规格的BCD机箱和四种规格的ABCD模块供用户选择。支持 8 位、16 位和 24 位。并且32位数据传输系统构建者可以选择不同厂商的不同类型的设备，灵活方便地组合，构建适应性强的自动测试系统，充分发挥效益
利用资源VXI总线开发与其他总线系统连接和转换的模块。这使得 VXI 总线系统具有极大的包容性。它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 87 是带有 C 型主机架的 HP75000VXl 仪器系统示意图。第八章智能仪器与自动测量技术 图87 HP75000VXI仪器系统原理图第八章智能仪器与自动测量技术 3PXI总线1PXI总线特点PXI总线是PCI总线的增强和扩展，兼容现有的行业标准 CompactPCI。 2PXI 软件功能。为了充分挖掘PXI在提供高度集成的测控平台方面的潜力，PXI选择了开放的软件架构，定义了连接不同类型硬件的公共接口第8章智能仪器和自动测量技术84虚拟仪器841 虚拟仪器的概念和特点 1 虚拟仪器的概念 VI 简称VI 是电子测量技术和计算机技术 紧密结合产生的新型仪器模型是指以通用计算机为核心硬件平台，以相应的硬件模块作为信号输入和输出接口。仪表软件开发平台用于在电脑屏幕上虚拟化仪表盘及相应的功能。鼠标或键盘交互操作仪器，完成相应的测试和测量任务。第八章智能仪器与自动测量技术。 2、虚拟仪器的特点。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点： 1 是一种功能 仪器在意义上而非物理意义上集成了计算机强大的硬件资源。 2 强调软件是仪器的新概念。软件通过硬件甚至整机来扮演过去仪器的角色。 3 友好的图形用户界面，可实现人机交互 4 更新速度快，可维护性好 5 模块化结构系统具有良好的开放性和可扩展性 第 8 章 智能仪器和自动测量技术 842 虚拟仪器架构 1 虚拟仪器硬件配置 伪仪器硬件架构如图 88 所示。数据收集是通过输入和输出接口设备完成的。输入输出接口设备可以是各种基于PC机的内置数据采集插卡，带接口总线GPIB卡串口VXI或PXI总线接口模块等设备或其他各种可编程的外部测试设备，分别构成虚拟仪器DAQGPIBVXIPXI 和其他标准架构。最常见的一种是数据采集DAQ卡。第八章智能仪器与自动测量技术 图88 虚拟仪器硬件架构第八章智能仪器与自动测量技术 将多个DAQ功能模块连接到PC机上，配合相应的软件，即可组成一台PC机示波器数字万用表串行数据分析仪等多种功能。
状态信号分析仪的任意波形发生器如图89所示。 第八章智能仪器与自动测量技术 图89 PC-DAQ系统第八章智能仪器与自动测量技术 2软件结构虚拟仪器。硬件平台是虚拟仪器的基础仪器。该仪器的软件是其核心。基础硬件确定后，虚拟仪器必须具有用户自定义的功能和接口，还必须具有强大的仪器软件。 VXI总线虚拟仪器 图88所示的软件结构示意图包括应用软件开发环境仪器驱动VISAAPI的三部分。第八章智能仪器和自动测量技术 图88 虚拟仪器软件结构第八章智能仪器和自动测量技术3 虚拟仪器应用软件开发环境有许多面向工程的虚拟仪器软件开发平台。市场，大致可以分为两类。一种是图形化编程环境，如原HP公司的HPVEE和NI公司。另一类LabVIEW是传统的编程语言编程环境，如NI的LabWindowsCVI和微软的VisualCVisualBasic等。 第8章智能仪器与自动测量技术1LabVIEW其主要特点是1可视化图形开发环境流程图式编程简单易学易用，大大节省了开发时间。 LabVIEW开发环境分为前面板和流程图两部分，分别如图811和图812所示。第八章智能仪表与自动测量技术 图811随机信号产生装置前面板第八章智能仪表与自动测量技术 图812随机信号发生器流程图第八章智能仪表与自动测量技术 2 LabVIEW提供了丰富的程序调试功能 3 结构化模块化编程具有良好的移植性，4 库函数丰富自动测量设备，开放性和扩展性好 2LabWindowsCVI，具体来说，它具有以下特点： 1 采用集成开发平台开放架构 2 采用可视化编程轻松自由地设计用户图形界面 3 采用交互编辑方式可自动生成程序源代码。 4 使用丰富的库函数，大大简化编程。第八章智能仪器与自动测量技术 5 使用方便灵活的程序调试方法 843 虚拟仪器的设计与开发 1 测试需求的制定明确了用户想要解决什么问题，即仪器需要什么功能完成和用户对面板操作的要求自动测量设备，从而确定面板需要哪些控制元件和指示元件，并规划面板的布局。 2 硬件选择，虚拟仪器的硬件一般分为基础硬件平台和仪器硬件设备。不同硬件架构下的虚拟仪器系统性能对比如表81所示，用户必须根据测试功能、性能要求等进行合理选择。
选择第8章智能仪器和自动测量技术 表81不同架构虚拟仪器的系统性能第8章智能仪器和自动测量技术 3仪器驱动程序的开发。通常仪器驱动包括以下部分： 1 函数体 2 交互操作界面 3 编程接口 4 IO 接口 5 函数库 6 子程序接口 第八章智能仪器与自动测量技术 4 虚拟仪器软面板设计 4 软面板 具体设计应注意以下几点： 1 软面板应设计成能在不同平台和电脑显示器上完成各种操作，因此必须保证每个软面板在不同平台和不同分辨率显示器之间可移植。 2 字体选择应以便携性和易读性为基础。 3 颜色应根据外观效果的便携性和印刷要求来选择。第八章智能仪器与自动测量技术 4 仪器或公司图标显示在主面板上 5 不同面板上的控制器和指示器应一致且易于阅读。它们应该能够容纳显示的最大数量或选项。 6 软面板应支持鼠标和键盘操作。应提供在线帮助功能。第八章智能仪器与自动测量技术 85联网仪器与远程测控技术。联网仪器具有以下优点： 1、通过网络，用户可以远程监控控制过程和实验数据，具有很好的实时性。 2、通过网络，可以安装位于不同位置的测试仪器。可连接构建不同区域的环境监测等分布式自动测试系统。 3 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。第8章智能仪器与自动测量技术4通过网络极大地提高了用户的工作能力5通过网络用户还可以就他们感兴趣的问题进行合作和访问世界。 第8章智能仪器和自动测量技术 思考题81.简述自动测量技术的发展2．什么是智能仪表，它的主要特点是什么？ 3．智能仪表的基本结构是什么？ 4．什么是自动测试系统，它的基本组成是什么？ 5． GPIB通用接口总线的主要特点是什么？ 6． VXI总线仪器有哪些优势？第八章智能仪器与自动测量技术 7． PXI总线有什么特点？ 8. 什么是虚拟仪器？虚拟仪器是模拟仪器吗？它与真实仪器有何不同？ 9、虚拟仪器有什么优势？虚拟仪器的硬件和软件体系结构是怎样的？ 10．虚拟仪器应用软件开发环境的主要功能和特点是什么？简述LabVIEW和LabWindowsCVI.11的主要功能和特点。虚拟仪器设计的主要内容有哪些？ 12．什么是联网仪器，其特点是什么？
