智能仪器与自动测量技术
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程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 对网络化仪器和远程测控技术的思考 10 10.1 智能仪器和自动测量技术的发展历程 1970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，产生了基于微处理器的智能仪器。具有键盘操作、数字显示、数据存储，操作简单，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。第十章智能仪器与自动测量技术2.以标准为特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，GPIB、VXI等仪器系统总线可用于一台计算机，将多台电子测量仪器连接在一起，组成一个自动测试系统。在这个自动测试系统中，每个设备都以积木的形式连接起来，具有标准化的接口和统一的无源总线。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，仪器占主要地位，计算机系统起辅助作用；但在GPIB仪器和VXI仪器阶段，计算机系统越来越占据重要和主要的地位。基于这一趋势，出现了测试仪器“计算机就是仪器”的新概念，个人仪器和虚拟仪器应运而生。个人仪表以个人电脑为核心，仪表电路板和扩展盒为辅，与个人电脑内部总线相连接。在应用软件的控制下，共同完成测试和测量任务。第10章智能仪器与自动测量技术10.2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与电子测量仪器紧密结合的产物。它包含一个微型计算机或能按预定程序进行一系列测量试验的微型计算机，具有测量数据的存储、计算、分析和判断、接口输出和自动运行等功能。软件取代了许多传统的硬件逻辑，带来更小的体积、更高的集成度、更直观、更方便、更智能的显示和操作，以及更高效的数据存储、处理和通信。与传统乐器相比，智能仪表具有以下突出特点： 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。第十章智能仪器与自动测量技术智能仪器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、人机界面（键盘、开关、按键、显示器）等，如图10.1。第10章智能仪表与自动测量技术图10.1智能仪表内存基本结构CPU标准仪表接口仪表总线转换器输出电路输入电路BUS被测电压输入输出通道第10章智能仪表与自动测量软件技术智能仪器是它的灵魂，整个测量工作在软件的控制下进行。没有软件，智能仪器就无法工作，而软件则是智能仪表自动化、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接口管理程序两部分。第10章智能仪器和自动测量技术10.2.2个人仪器图10.2显示了计算机内部的一个扩展槽和计算机外部的一个插件盒。插入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图10.2个人仪器系统系统组成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、激励源、程控开关、程控伺服系统、执行器、显示、打印、存储、记录等装置，可完成一定的特定测试和控制任务。
3 典型GPIB自动测试系统 GPIB接口计算机 GPIB接口频率合成器 GPIB接口 DMM GPIB接口频率计 GPIB接口 被测打印机设备 GPIB总线 第10章智能仪器与自动测量技术 10.3.2总线自动测试系统的GPIB总线于1972年由美国惠普公司（HP，安捷伦的前身）推出，后成为美国电气电子工程师学会（IEEE接受）和国际电工委员会（IEC），也称为 IEEE-488 总线。GPIB总线结构及连接如图10.4所示。图一0. 4GPIB标准接口总线系统结构及连接接口部分Control/Speaker/Listener（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仪器设备接口仪器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。在一个GPIB标准的接口总线系统中，要进行有效的通信，至少需要“扬声器”、“听者”、“控制器”三类仪器设备，控制器、扬声器、听者被称为三要素系统功能。
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采用插件式结构，以VME总线作为机箱主板总线插入机箱，插件和插入插件的主机架尺寸符合严格要求。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印制电路板导轨尺寸第10章智能仪器与自动测量技术采用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，连接在主板总线上，用于调度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。采用VXI总线搭建的系统结构紧凑、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，系统的电源、散热系统和电磁兼容性能，以及背板上信号的传输延迟和同步，都得到了充分的考虑。经过考虑的。有严格的标准，所有的VXI总线都集中在高品质、多层的印刷电路板上，保证了VXI总线系统和频带宽的高精度和运行稳定性和可靠性。各种仪器模块。以及背板上信号的传输延迟和同步，都被充分考虑。有严格的标准，所有的VXI总线都集中在高品质、多层的印刷电路板上，保证了VXI总线系统和频带宽的高精度和运行稳定性和可靠性。各种仪器模块。以及背板上信号的传输延迟和同步，都被充分考虑。有严格的标准，所有的VXI总线都集中在高品质、多层的印刷电路板上，保证了VXI总线系统和频带宽的高精度和运行稳定性和可靠性。各种仪器模块。
不仅硬件标准化，软件也包含在第十章智能仪器与自动测量技术中 机箱B、C、D三种规格，A、B、C、D四种规格模块供用户选择；支持8位、16位、24位和32位数据传输。系统搭建商可以根据需要选择不同厂家、不同类型的设备进行组合，灵活方便地搭建适应性强的自动化测试系统。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，使得VXI总线系统具有很强的包容性，可以与任何总线系统仪器或系统配合工作。VXI系统是计算机控制下的自动测试系统图10. 7HP75000 VXI仪器系统示意图 VXI总线主机软面板GPIB和DUT信号接口连接组件（ITA）（DUT） 其他VXI系统GPIB仪器 第10章智能仪器和自动测量技术 PXI总线是PCI总线的增强和扩展，并且与现有的工业标准 Compact PCI 兼容。为了充分发挥 PXI 在提供高度集成的测量和控制平台方面的潜力，PXI 选择了一种开放的软件架构来定义与不同类型硬件连接的通用接口。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虚拟仪器（简称VI）是电子测量技术和计算机技术的结合。紧密集成产生的新仪表模式是指以通用计算机为核心硬件平台，以相应的硬件模块为信号输入/输出接口，利用仪表软件开发平台虚拟化仪表盘及相应硬件在电脑屏幕上。它是通过鼠标或键盘的交互操作完成相应测试和测量任务的仪器。以相应的硬件模块作为信号输入/输出接口，利用仪表软件开发平台在电脑屏幕上虚拟化仪表板及相应的硬件。它是通过鼠标或键盘的交互操作完成相应测试和测量任务的仪器。以相应的硬件模块作为信号输入/输出接口，利用仪表软件开发平台在电脑屏幕上虚拟化仪表板及相应的硬件。它是通过鼠标或键盘的交互操作完成相应测试和测量任务的仪器。
第10章智能仪器与自动测量技术 与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：思想是软件在仪器中扮演以前由硬件甚至整机实现的角色。友好的图形用户界面可以实现人机交互。第十章智能仪器与自动测量技术10.4.@ >2 虚拟仪器架构 数据采集卡、通用接口总线（GPIB）卡、串口、VXI或PXI总线接口模块等设备，或其他各种可编程外部测试设备，分别构成DAQ，GPIB、VXI、PXI等标准架构的虚拟仪器，其中最常见的是数据采集（DAQ）卡。第十章智能仪器与自动测量技术图10.8 虚拟仪器硬件架构GPIB仪器串行仪器DAQ产品测试单元工业流程VXI仪器应用软件PC工作站采集控制仪器硬件分析表达应用软件分析表达应用软件应用软件PC或工作站采集控制仪器硬件VXI仪器GPIB仪器串口仪器DAQ产品工业过程测试单元 第10章 智能仪器与自动测量技术 将PC机上的多个DAQ功能模块与相应的软件如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪等相连接，即可组成具有多种功能的PC仪器、任意波形发生器等，如图10.9。
图10.9PC-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。在基本硬件确定后，要使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所示自动测量设备，包括应用软件开发环境、仪器驱动和VISA API。第10章智能仪器与自动测量技术 图10. 10 虚拟仪器软件结构 交互控制工具 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 目前，有市面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，如原来的HP VEE和NI LabVIEW；另一种是传统的编程语言编程环境，如NI的LabWindows/CVI，以及微软的Visual C、Visual Basic等。第10章智能仪器与自动测量技术可视化图形开发环境，流程图编程，易学易用，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对象（输出） 控制对象（输入） 第 10 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：
它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定义了用户想要解决的问题自动测量设备，即仪表需要完成哪些功能，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，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。使用不同硬件架构的虚拟仪器系统的性能比较如表 10.1 所示。用户必须根据测试功能、性能要求和财务状况做出合理的选择。第10章智能仪器和自动测量技术 表1 0.1不同架构的虚拟仪器系统性能 第10章智能仪器和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 软屏应设计成能够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屏在不同平台和不同分辨率的显示器之间可移植。根据外观选择颜色，效果、便携性和打印要求。不同面板上的控件和指示器应一致、清晰且大到足以容纳所代表的最大数量或选项。软面板应支持鼠标和键盘操作，并提供在线帮助功能。第10章智能仪器与自动测量技术10.5网络化仪器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，实时性很好。并提供在线帮助功能。第10章智能仪器与自动测量技术10.5网络化仪器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，实时性很好。并提供在线帮助功能。第10章智能仪器与自动测量技术10.5网络化仪器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，实时性很好。
通过网络，可以连接位于不同位置的测试仪器，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，大大提升了用户的工作能力。通过该网络，用户还可以在全球范围内就他们感兴趣的问题进行协作和访问。2.什么是智能仪表？它的主要特点是什么？4. 什么是自动化测试系统？它的基本组成是什么？8. 什么是虚拟乐器？虚拟仪器是仿真仪器吗？它与真正的乐器有何不同？9. 虚拟仪器有什么优势？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？有什么特点？
