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自动测试系统虚拟仪器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10.1智能仪器与自动测量技术的发展历史[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，设备的普及以及计算机技术和电子技术的结合测量技术出现基于微处理器的智能nt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测量仪器，智能电子计数器，智能半导体测试仪等。第十章智能仪器和自动测量技术2.以标准接口和总线为主要特征的阶段进入了1970年代后期。出现了标准化的通用接口总线，因此可以使用仪器系统总线（如GPIB和VXI）进行集成。计算机和数个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10章智能仪器和自动测量技术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）得到了广泛的推广和应用。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，而主计算机系统也变得越来越重要。重要和主要位置。基于这种趋势，出现了用于测试仪器的“计算机就是仪器”的新概念，并且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，辅以仪器电路板和扩展箱，并连接到个人计算机的内部总线。在应用软件的控制下，测试和测量任务一起完成。第10章智能仪器和自动测量技术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和电子测量仪器紧密集成的产物。它们包含微型计算机或微型计算机。处理器可以是根据预定产品包含微型计算机或微处理器的测量仪器，并且可以根据预定过程执行一系列测量测试，并具有存储，计算，分析和判断，接口输出以及自动操作功能。测量数据和其他功能。
第10章智能仪器和自动测量技术1.智能仪器的功能仪器和微处理器的结合使软件可以取代许多传统的硬件逻辑，从而实现了更小的尺寸，更高的集成度以及更直观，便捷和智能的显示方式。操作上，更有效地进行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）实现仪器的多样化（4）智能，高度自动化。第10章智能仪器和自动测量技术2.智能仪器的基本结构智能仪器实际上是专用的微型计算机系统，它由两个主要的硬件和软件部分组成。 ]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，通信接口自动测量设备，人机界面（键盘，开关，按钮，显示器）等，例如图10.1.第10章智能仪器和自动测量技术内存CPU标准仪器接口I / O显示I / O键盘I / OD / A转换器转换器I / OA / D转换器转换器总线被测电压图10.1智能仪器的基本结构仪器总线输出电路输入电路输入和输出通道第10章智能仪器和自动测量技术[ 2）智能仪器的软件是智能仪器的灵魂，整个测量工作是在软件的控制下进行的。
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显示了一种混合类型，其中，将仪器卡插入微型计算机内部的扩展槽中，并将插入式插件插入微型计算机外部个人乐器的结构。第10章智能仪器和自动测量技术内部总线个人计算机图10.2个人仪器系统的组成仪器插卡仪器插入卡第10章智能仪器和自动测量技术10.3自动测试系统10.3. 1自动测试系统的组成。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，微处理器，单片机等，它们是命令和控制中心。计算机，微处理器，单芯片计算机等是系统的命令和控制中心。[2）程控仪器和设备：包括各种程控仪器，激励源，程控开关，程控伺服系统，执行器和显示器，打印，存储记录的设备等可以完成某些特定的测试和控制任务。（3）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的路径，并完成消息，命令和数据的传输和交换，包括插卡，插槽，电缆等。第10章智能仪器和自动测量技术（4）测试软件：各种被编译以完成系统测试任务并在控制器上运行的应用软件，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，被测对象通常非常不同。操作员通过测试电缆，连接器，开关等将程序控制的仪器和设备连接起来。开关等。连接到程序控制的仪器与设备连接第10章智能仪器和自动测量技术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GPIB总线图10.3典型的GPIB自动测试系统DUT第10章智能仪器和自动测量技术10.3. 2自动测试系统总线1. 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，后来成为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488总线。GPIB总线结构e和连接如图10.4所示。 GPIB总线的结构和连接如图10所示，第10章智能仪器和自动测量技术IFCATNEOIRENSRQDAVNRFDNDACDIO1…DIO8接口管理控制线数据钩连接线数据总线通用接口总线线图10.4 GPIB标准接口总线系统结构和连接控制/扬声器/监听器（计算机）用户编程的接口部分接口部分监听器/扬声器（测量仪器）DUT接口部分监听器（信号源）接口部分监听器（记录器）硬拷贝仪器设备接口仪器设备本身第10章智能仪器和自动测量技术图10.5如图所示，在GPIB标准接口总线系统中，为了进行有效的通信，至少存在三种类型的设备：“扬声器”，“监听器”和“控制器”。控制器，扬声器和监听器称为系统功能的三个元素。
第10章智能仪器和自动测量技术仪器功能接口功能接口功能仪器功能总线接口消息图10.5 GPIB接口消息和仪器消息仪器消息第10章智能仪器和自动测量技术2. VXI主要总线的特性：（1）测试仪器的模块化。VXI系统的所有组件均采用插入式结构，以VME总线作为机箱的主板总线插入机箱中，并且尺寸插件和插入插件的主机架均满足严格的要求，VXI总线仪表的主机架结构如图10.6所示。第十章智能仪表和自动测量技术12层印刷电路板式导轨P1连接器P2连接器C尺寸插入式下部导轨下部导轨B尺寸插入式电源风扇图10.6 VXI总线仪器的主机架结构图ram冷却空气孔支架B尺寸插入式运输机冷空气第10章智能仪器和自动测量技术（2）具有32位数据总线，数据传输率高主板总线在功能上等同于与之连接的GPIB总线独立的仪器，但具有较高的吞吐率。该控制器也可作为插入卡制成，并连接到主板总线，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和可维护性。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，有利于提高系统的可靠性和可维护性。
第10章智能仪器和自动测量技术（4））良好的电磁兼容性。在VXI总线设计和标准制定中，电源，冷却系统和系统的电磁兼容性性能以及背板上的信号传输延迟和同步等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上，从而确保了VXI总线系统的高精度以及操作的稳定性和可靠性。总线系统的精度高，线路的稳定性和可靠性高；从直流电到微波都有各种仪表模块；并且频宽（5）用途广泛且高度标准化。不仅进行了硬件标准化，而且软件也标准化，软件的可维护性和可扩展性良好，这也是快速发展的重要因素VXI总线优于其他总线。第10章智能仪器和自动测量技术（6）适应性，灵活性和兼容性。有B，C，D机箱的三种规格和A，B，C，D模块的四种规格供用户选择；支持8-位，16位，24位和32位数据传输，系统构建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。充分利用资源，开发了VXI总线，并利用资源VXI总线开发用于与其他总线系统连接和转换的模块，这使得VXI总线系统具有很高的容忍度，并且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总线主机软面板其他VXI系统GPIB仪器图10.7 HP75000 VXI仪器系统示意图GPIB和DUT（DUT）之间的信号接口连接组件（ITA）第10章智能仪器和自动测量技术3. PXI总线1） PXI总线的特性PXI总线是PCI总线的增强和扩展并与现有的行业标准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10章智能仪器和自动测量技术10.4虚拟仪器10.4.1虚拟仪器的概念和功能1.虚拟仪器的概念虚拟仪器（简称VI）是一种电子测量技术和计算机技术虚拟仪器（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式。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/输出接口和仪器软件。开发平台将仪器面板和相应功能虚拟化在计算机屏幕上，并完成相应的测试和测量。通过鼠标或键盘的交互操作完成任务。
第10章智能仪器和自动测量技术2.与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特征：（1）它是功能上而非物理上的仪器。它集成了强大的硬件资源。 （2）强调了“软件就是仪器”的新概念。软件在过去扮演着硬件甚至整个仪器的角色。[3）友好的图形用户界面，实现人机交互（4）更新速度快，维护性好。（5）采用模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。第十章智能仪器与自动测量技术10.4.2虚拟仪器架构1.虚拟仪器的硬件配置虚拟仪器的硬件架构如图10.8所示，数据通过输入/输出接口收集。 rface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，分别构成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SCXI1140 SCXI1 140 SCXI1140 SCXI1140 SCXI-1001MAINFRAME SCXISCXI 11 00控制面板流量压力报警条件STOP温度串行仪器串行仪器串行仪器DAQ产品DAQ产品应用软件应用软件PC或工作站工作站采集和控制仪器硬件仪器硬件分析和表达式应用程序软件分析和表达式应用程序软件PC或采集和控制图10.8虚拟仪器硬件体系结构NATIONALINSTRUMENTS®busGPIB仪器GPIB仪器测试单元测试单元工业过程工业过程VXI仪器VXI仪器第10章智能仪器和自动测量技术在PC计算机上连接多个DAQ功能该模块与相应的软件一起可以构成具有多种功能的PC仪器，例如示波器，数字万用表，串行数据ta分析仪，动态信号分析仪，任意波形发生器等，如图10.9.所示。
第10章智能仪器和自动测量技术SD8000HP J411 0A ProCurveDAQ插件卡DAQ插件卡调节信号调节信号图10.9 PC-DAQ系统SCXI框架SCXI框架SCXI模块SCXI模块I / O信号传感器信号传感器信号I / O信号第10章智能仪器和自动测量技术2.虚拟仪器的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示意图如图10.10所示，包括应用软件开发环境，仪器驱动程序和包括应用软件开发环境仪器驱动程序VISA API的VISA API。第10章智能仪器和自动测量技术仪器驱动程序仪器驱动程序应用软件包编程语言（Visual C ++或Visual Basic等）应用程序软件开发环境图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第10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目前，市场上有许多面向工程的虚拟仪器软件开发平台，大致可分为两类：图形化编程环境，例如HP的原始HP VEE和NI的LabVIEW；另一个是传统的编程语言环境，例如NI LabWindows / CVI的LabWindows / CVI，以及Microsoft的Visual C，Visual / CVI和Microsoft的Vil CVilBasic等。
第10章智能仪器和自动测量技术1） LabVIEW的主要特征是：（1)可视化图形开发环境，流程图式编程，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10.11和图10 12、10.12所示。第10章智能仪器和自动测量技术显示对象（输出）控制对象（输入）图10.11随机信号发生器的前面板第10章智能仪器和自动测量技术功能：与随机数发生器和前面板控件相对应的连接端子和连接图10.12随机信号发生器的流程图结构：回路第10章智能仪器和自动测量技术技术（2)LabVIEW提供了许多程序调试功能。 （3)结构化，模块化编程，可移植性好。（4)丰富的库函数，开放性和良好的可伸缩性。2） LabWindows / CVI特别具有以下特征：具体来说，它具有以下特征：（1)采用集成开发平台，开放式体系结构。（2)可视化编程可轻松设计用户图形界面。（3)交互式编辑方法可用于自动生成程序源代码。（4)使用丰富的库函数可以使编程工作大大简化。第十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。
10.4.3虚拟仪器的设计和开发1.测试要求的制定阐明了用户想要解决的问题，即仪器必须完成的功能以及用户对面板的要求操作，从而确定面板需要哪些控制组件，指示组件和指示组件，以及面板布局概念和面板布局概念2.硬件选择虚拟仪器的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10.1具有不同体系结构的虚拟仪器的系统性能第10章智能仪器和自动测量技术3.仪器驱动程序开发通常，仪器驱动程序包括以下部分：（[1)功能体。（2)交互式操作界面。（3)编程界面。（4) I / O界面。（5)功能库。（6)子例程界面。第10章智能仪表和自动测量技术[4.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)软面板应设计为在不同平台和计算机显示器上执行各种操作，因此必须确保面板可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可读性。（[ 3)根据外观，效果，便携性和印刷来选择所需的颜色。
第10章智能仪器和自动测量技术（4)仪器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且易于阅读。 （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10章智能仪器和自动测量技术10.5联网仪器和远程测量与控制技术网络化仪器具有以下优点：（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）（2）通过网络，进行测试位于不同位置的仪器通过网络，可以连接位于不同位置的测试仪器，并构建分布式自动测试系统，例如环境全面监测不同地区。 （3）通过网络，用户可以远程监视多个过程，多个用户也可以同时监视同一过程。第10章智能仪器和自动测量技术（4）通过网络，用户的工作能力（5）通过网络自动测量设备，用户也可以对自己感兴趣，可以合作并访问世界各地。第10章智能仪器和自动测量技术的思考问题101.简要描述自动测量技术的发展。2.什么是智能仪器吗？它的主要特征是什么？33.智能仪器什么是智能仪器的基本结构？4.什么是自动测试系统？它的基本组成是什么？5. GPIB的主要特征是什么通用接口总线？6. VXI总线仪器的优点是什么？第10章智能仪器和自动测量技术7.有哪些优点？ PXI总线的特点？ 8.什么是虚拟仪器？虚拟仪器是模拟仪器吗？它和真实乐器有什么区别？ 9.虚拟仪器的优点是什么？软件和硬件系统的结构是什么？ 10.虚拟仪器应用软件的主要开发环境是什么？简要介绍两种软件LabVIEW和LabWindows / CVI的主要功能和特点。 11.虚拟仪器设计的主要内容是什么？ 12。什么是联网仪器？有什么特点？
