智能仪器和自动测量技术
第10章智能仪器和自动测量技术第10章智能仪器和自动测量技术10.1智能仪器和自动测量技术的发展历史10.2智能仪器和个人仪器10.3自动测试系统10.4虚拟仪器10.5网络仪器与远程测控技术的思考题10第10章智能仪器与自动测量技术210.1发展历史仪器和自动测量技术的发展1.独立和专用系统阶段1970年代，随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以及计算机技术和电子测量技术的结合，基于微处理器的智能仪器。它具有键盘操作，数字显示，数据存储和简单计算等功能，并可以实现自动测量，例如智能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章智能仪器和自动测量技术2.该阶段以标准接口和总线为主要特征。 3在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和VXI。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，形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接口和统一无源总线的构造块的形式连接。 在这些仪表总线中，最具代表性的是GPIB总线和VXI总线。
GPIB总线由惠普公司（HP，安捷伦的前身）于1972年推出，后来被电气和电子工程师协会（IEEE）和国际电工委员会（IEC）所接受。 IEEE-488总线。第十章智能仪器和自动测量技术[4]3.基于PC的仪器进入20世纪80年代，计算机，尤其是个人计算机已得到广泛普及和应用。在电子测量领域，计算机与仪器之间的关系也在发生变化。在早期的自动测量系统中，仪器占据主要位置，计算机系统起辅助作用。当涉及到GPIB仪器和VXI仪器阶段时，计算机系统变得越来越重要和占主导地位。基于这种趋势，出现了“计算机就是仪器”测试仪器的新概念，从而诞生了个人仪器和虚拟仪器。 个人仪器以个人计算机为核心自动测量设备，辅以仪器电路板和扩展箱，并与个人计算机的内部总线相连。在应用软件的控制下，测试和测量任务一起完成。第10章智能仪器和自动测量技术510.2智能仪器和个人仪器10.2. 1智能仪器智能仪器是计算机技术和电子测量仪器紧密集成的产物。一种测量仪器，包含微型计算机或微处理器，可以根据预定程序执行一系列测量测试，并且具有存储，计算，分析和判断，接口输出以及测量数据自动操作等功能。
第10章智能仪器和自动测量技术6 1.智能仪器的特性，即仪器和微处理器的结合，使软件能够取代许多传统的硬件逻辑，从而导致尺寸更小，集成度更高。 ，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讯。与传统仪器相比，智能仪器具有以下突出特点：（1）以软件为核心，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，高度自动化。第十章智能仪器和自动测量技术72.智能仪器的基本结构智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它由硬件和软件组成。 ]智能仪器的硬件结构，智能仪器的硬件部分主要包括CPU，内存，内部总线，各种I / O接口，通讯接口和人机界面（键盘，开关，按钮），显示器。等等，如图10.1所示。第10章智能仪器与自动测量技术8图10.1智能仪器的基本结构ry CPU标准仪器接口仪器总线I / O显示I / O键盘I / OD / A转换器I / OA / D转换器输出电路输入电路BUS测量电压输入和输出通道第10章智能仪器和自动测量技术9 2）智能仪器智能仪器的软件组成在于它的灵魂，整个测量工作都在软件的控制下进行。
没有软件，智能仪器将无法工作。软件是智能仪器自动化和智能程度的主要指标。智能仪器的软件部分主要包括两部分：监控程序和界面管理程序。第十章智能仪器和自动测量技术1010.2. 2个人仪器图10.2显示了一种微型计算机内部的扩展槽和微型计算机外部的插入盒。仪器卡的混合个人仪器结构。 第10章智能仪器与自动测量技术11图10.2个人仪器系统的组成仪器插入卡内部总线个人计算机仪器插入卡第十章智能仪器与自动测量技术 1210.3自动测试系统10.3.1自动测试系统的组成通常，自动测试系统包括以下五个部分：（1）控制器：主要是计算机，例如小型计算机，个人计算机（[ 2）程控仪器和设备：包括各种程控仪器，励磁源，程控开关，程控伺服系统，执行器以及显示，打印和存储记录设备可以完成某些特定的测试和控制（k24）总线和接口：这是连接控制器和各种程序控制的仪器和设备，完成传输和交换的路径。消息，命令和数据，包括插卡，插槽和电缆等。第10章智能仪器和自动测量技术13（4）测试软件：经过编程以完成系统测试任务的各种应用软件并在控制器上运行，例如测试主程序，驱动程序，数据处理程序和输入/输出软件等。
（5）被测对象：根据测试任务的不同，被测对象通常非常不同。操作员通过测试电缆，连接器，开关等连接到程序控制的仪器和设备。第十章智能仪器和自动测量技术14图10.3典型的GPIB自动测试系统GPIB接口计算机GPIB接口频率合成器GPIB接口DMMGPIB接口频率计GPIB接口打印机DUT GPIB总线第10章智能仪器和自动测量技术10.3.2自动测试系统的总线151. GPIB总线GPIB总线是由惠普公司（HP，安捷伦公司的前身）于1972年推出的，随后由美国接受。电气和电子工程师协会（IEEE）和国际电工委员会（IEC），也称为IEEE-488总线，GPIB总线的结构和连接如图1所示0.。 4.第10章智能仪器和自动测量技术16图10.4 GPIB标准接口总线系统结构和连接接口部分控制/扬声器/监听器（计算机）用户编程接口部分监听器/扬声器（测量）仪器）DUT接口部分侦听器（信号源）接口部分侦听器（记录器）硬拷贝IFCATNEOIRENSRQDAVNRFDNDACDIO1 ... DIO8仪器设备接口仪器设备本身接口管理控制线数据钩连接线数据总线通用接口总线第10章智能仪器和自动测量技术17图1 [如k9] 5所示，在GPIB标准接口总线系统中，为了进行有效的通信，至少有“扬声器”，“监听器”和“控制器”三种类型的仪器和设备。 ”。这些被称为系统功能的三个要素。
第10章智能仪器和自动测量技术18图10.5 GPIB接口消息和仪器消息仪器功能接口功能接口功能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 192. VXI总线主要特点：（1）测试仪器是模块化的。VXI系统的所有组件均采用插入式结构，并以VME总线作为机箱的主板总线插入机箱中。插入插件的主机架的尺寸符合严格的要求，VXI总线仪器的主机架的结构如图1所示0.6.第10章智能仪器和自动测量技术 20图10.6 VXI总线仪器的主机结构图12导轨印刷电路板上的P1连接器P2连接器C尺寸插入式下部导轨冷气孔支架B Dime nsion插件B尺寸插件运输机电源风扇冷空气第10章智能仪器和自动测量技术2）具有32位数据总线，具有很高的数据传输速率。 21主板总线在功能上等同于连接到独立仪器的GPIB总线，但是吞吐速率更高。控制器也被制成插卡。它连接到主板总线，以计划和控制总线上的各种活动。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。 （3）该系统具有较高的可靠性，良好的可维护性。采用VXI总线构建的系统具有结构紧凑，体积小，重量轻的特点，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22（4））良好的电磁兼容性。对于系统指标，以及背板上的信号传输延迟和同步，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上，从而确保了高精度和高可靠性。 VXI总线系统有从直流到微波的各种仪器模块。此外，5）的频率带宽具有较强的通用性和较高的标准化程度。不仅硬件标准化自动测量设备，软件也标准化。良好的可维护性和可扩展性，这也是VXI总线优于其他总线的快速发展的重要因素。仪器和自动测量技术[23] [6）适应性强，灵活性强，兼容性好。 B，C，D机箱共有三种规格，A，B，C，D模块有四种规格供用户选择；支持8位，16位，24位和32位数据传输。系统组织者可以根据需要选择不同的制造商和不同类型的设备进行组合，并灵活方便地构建高度适应性强的自动测试系统。为了充分利用资源，VXI总线开发了用于与其他总线系统连接和转换的模块，这使得VXI总线系统具有很大的耐受性，可以与任何总线系统仪器或系统配合使用。
VXI系统是在计算机控制下的自动测试系统。图10.7是带有C型主机架的HP75000 VXl仪器系统的示意图。第10章智能仪器和自动测量技术24图10.7 HP75000 VXI仪器系统示意图命令模块功率计数字万用表函数发生器计数器数字转换器RF开关模拟开关模拟矩阵开关数字设备用户定制的模板VXI总线大型机软面板GPIB和DUT信号接口连接组件（ITA），其他VXI系统GPIB仪器第十章智能仪器和自动测量技术[25]3. PXI总线1） PXI总线的特性是PCI总线的增强和扩展，并且与现有的行业标准Compact PCI兼容。 2） PXI软件的特性为了充分挖掘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。第十章智能仪器和自动测量技术[261]0.4虚拟仪器10.4.1虚拟仪器的概念和特征1.虚拟仪器的概念虚拟仪器（简称VI）是通过电子测量技术和计算机技术的紧密结合而产生的一种新的仪器模型。它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/输出接口，并在计算机屏幕上使用仪器软件开发平台对仪器的面板和相应功能进行虚拟化，并且通过鼠标或键盘的交互操作完成相应的测试和测量任务。
第10章智能仪器和自动测量技术[27]虚拟仪器的特征与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特征：（1）是一种功能意义，而不是物理意义。仪器，它集成了计算机强大的硬件资源。（2）强调了“软件是一种仪器”的新概念，软件在以前由硬件甚至整个机器实现的仪器中发挥了作用。（[ 3）友好的图形用户界面，可以实现人机交互。[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。第十章智能仪表和自动测量技术 2810.4.2虚拟仪器架构1.虚拟仪器硬件配置虚拟仪器的硬件架构如图10.8所示。输入/输出接口设备完成。输入/输出接口设备可以是各种基于PC的内置数据采集插件卡，通用接口总线（GPIB）卡，串行端口，VXI或PXI总线接口模块或其他设备可编程外部测试设备构成DAQ，GPIB，VXI，PXI和其他标准架构的虚拟仪器，其中最常见的是数据采集（DAQ）卡。 第10章智能仪器和自动测量技术29图10.8虚拟仪器的硬件体系结构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确保了POS TT PER的警报eGPIB仪器GPIB仪器串行仪器串行仪器DAQ产品DAQ产品测试单元测试单元工业过程工业过程VXI仪器VXI仪器应用软件应用软件PC或工作站工作站采集与控制仪器硬件仪器硬件分析与表达应用软件分析与表达应用软件PC或采集与控制第10章智能仪器和自动测量技术30将多个DAQ功能模块连接到PC，并与相应的软件配合，组成具有多种乐趣的PC仪器示波器，数字万用表，串行数据分析仪，动态信号分析仪，任意波形发生器等功能，如图10.9所示。
第十章智能仪器和自动测量技术31图10.9 PC-DAQ系统第十章智能仪器和自动测量技术32 2.虚拟仪器软件结构硬件平台是虚拟仪器的基础，而仪器软件是其核心。确定基本硬件后，如果虚拟仪器具有用户定义的功能和接口，则它必须具有功能强大的仪器软件。 VXI总线虚拟仪器的软件结构图如图10.10所示，包括三个部分：应用软件开发环境，仪器驱动程序和VISA API。 第10章智能仪器和自动测量技术33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功能库VISA API仪器驱动程序应用程序包编程语言（V isual C ++或Visual Basic）应用软件开发环境第10章智能仪器和自动测量技术343.虚拟仪器应用软件开发环境当前，有面向工程的虚拟环境，有很多仪器软件开发平台，大致可以概括为分为两类：一类是图形化编程环境，例如HP的HP VEE和NI的LabVIEW。另一个是传统的编程语言编程环境，例如NI。 LabWindows / CVI以及Microsoft Visual C，VisualBasic等。
第10章智能仪器和自动测量技术1）LabVIEW35其主要特点是：（1)可视化图形开发环境，流程图式编程，易学，易用，并且节省大量开发时间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所示。第10章智能仪器和自动测量技术36图10.11随机信号发生器的前面板显示对象（输出），控制对象（输入）第10章智能仪器和自动测量技术37图10.12的流程图随机信号发生器功能：随机数发生器结构：循环对应于前面板控件的连接端子和对应于前面板控件的连接端子第十章智能仪器和自动测量技术38 LabVIEW提供了丰富的程序调试功能。 （3)结构化和模块化编程，良好的可移植性。[（4)丰富的库功能，开放性和良好的可伸缩性。2） LabWindows /CVI具体来说，它具有以下功能：（1)使用集成开发平台和开放式体系结构。[2)使用可视化编程轻松设计用户图形界面。[3)使用交互式编辑方法自动生成程序源代码。（4)使用丰富的库函数极大地简化了编程。
第10章智能仪器和自动测量技术5)使用方便灵活的程序调试方法。3910.4.3虚拟仪器的设计和开发1.制定测试要求明确用户要解决的问题，即仪器需要完成哪些功能，以及用户对面板操作的要求，以确定面板需要哪些控制组件和指示组件，并进行面板布局。 2.硬件选择虚拟仪器硬件通常分为基本硬件平台和仪器硬件设备，表10.1显示了具有不同硬件架构的虚拟仪器系统的性能比较，用户必须根据实际情况做出合理选择。测试功能，性能要求和财务状况第10章智能仪器和自动测量技术40表10.1系统具有不同体系结构的虚拟仪器的性能第10章智能仪器和自动测量技术413.仪器驱动程序的开发通常，仪器驱动程序包括以下部分：（1)功能体。 （2)交互式操作接口。（3)编程接口。（4) I / O接口。（5)功能库（6)子例程接口。]第10章智能仪器和自动测量技术 424.虚拟仪器软面板设计。软面板的具体设计应注意以下几点：（1)软面板的设计应能够在不同平台和计算机显示器上完成各种操作。 ，因此必须确保每个软面板都可以在不同平台和不同分辨率的显示器之间移植。
（2)字体选择应基于可移植性和易读性。（3)根据外观，效果，可移植性和打印要求选择颜色。第十章智能仪器和自动测量技术43（[ [5)工具或公司的图标显示在主面板上。（5)不同面板上的控制器和指示器应保持一致，易于阅读，并应能够容纳显示的最大数字或选项。 6)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器和自动测量技术4410.5网络仪器和远程测控技术化学仪器具有以下优点：（1）通过网络，用户可以远程监控控制过程和实验数据，实时性非常好。[2）通过网络，测试仪器可以连接位于不同位置的位置，可以构建一个分布式自动测试系统，例如在不同区域进行环境监视。 （3）通过网络，用户可以远程监视多个过程，并且多个用户可以同时监视同一过程。第十章智能仪器和自动测量技术[45] [4）通过网络， （5）通过网络，用户还可以在全球范围内就自己感兴趣的问题进行合作和访问。）第10章智能仪器和自动测量技术46.问题101。简要介绍自动测量技术的发展。
2。什么是智能仪器？它的主要特点是什么？ 3。智能仪器的基本结构是什么？ 4。什么是自动测试系统？它的基本成分是什么？ 5. GPIB通用接口总线的主要功能是什么？ 6。 VXI总线仪器的优点是什么？ 第十章智能仪器与自动测量技术7。 PXI总线的特点是什么？ 478。什么是虚拟仪器？虚拟仪器是模拟仪器吗？它与真实乐器有何不同？ 9。虚拟仪器的优点是什么？虚拟仪器的软件和硬件系统结构是什么？ 10。虚拟仪器应用软件的主要开发环境是什么？简要介绍LabVIEW和LabWindows / CVI的主要功能和特性。 11。虚拟仪器设计的主要内容是什么？ 12。什么是联网工具？有什么特点？
