第10章智能儀器與自動測量技術(shù)ppt課件

1、第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 第第10章章 智能儀器與自動丈量技術(shù)智能儀器與自動丈量技術(shù)10.1 智能儀器與自動丈量技術(shù)的開展歷史智能儀器與自動丈量技術(shù)的開展歷史10.2 智能儀器與個人儀器智能儀器與個人儀器10.3 自動測試系統(tǒng)自動測試系統(tǒng)10.4 虛擬儀器虛擬儀器10.5 網(wǎng)絡(luò)化儀器與遠(yuǎn)程測控技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化儀器與遠(yuǎn)程測控技術(shù)思索題思索題10第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 10.1 智能儀器與自動丈量技術(shù)的開展歷史智能儀器與自動丈量技術(shù)的開展歷史1.單機及公用系統(tǒng)階段20世紀(jì)70年代，隨著微電子技術(shù)的開展和微處置器的普及，以及計算機技術(shù)與

2、電子丈量技術(shù)的結(jié)合，出現(xiàn)了以微處置器為根底的智能儀器。它具有鍵盤操作、數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)存儲與簡單運算等功能，可實現(xiàn)自動丈量，如智能化DVM、智能化RLC丈量儀、智能化電子計數(shù)器、智能化半導(dǎo)體測試儀等。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 2.以規(guī)范接口和總線為主要特征的階段進入20世紀(jì)70年代末期，規(guī)范化的通用接口總線出現(xiàn)了，因此可利用GPIB、VXI等儀器系統(tǒng)總線將一臺計算機和假設(shè)干臺電子丈量儀器銜接在一同，組成自動測試系統(tǒng)。在這種自動測試系統(tǒng)中，各設(shè)備都用規(guī)范化的接口和一致的無源總線以搭積木的方式銜接起來。 在這些儀器總線中，最具代表性的是GPIB總線和VXI總線。G

3、PIB總線于1972年由美國惠普公司HP，Agilent公司的前身推出，后為美國電氣與電子工程師學(xué)會IEEE及國際電工委員會IEC接受，又稱IEEE-488總線。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 3. PC基儀器階段進入20世紀(jì)80年代，計算機特別是個人計算機得到了廣泛的普及與運用。在電子丈量領(lǐng)域，計算機與儀器之間的相互關(guān)系也在發(fā)生改動。在早期的自動丈量系統(tǒng)中，儀器占據(jù)主要位置，而計算機系統(tǒng)起輔助作用； 而到了GPIB儀器和VXI儀器階段，計算機系統(tǒng)越來越占據(jù)著重要和主要位置。基于這種趨勢，出現(xiàn)了“計算機即是儀器的測試儀器新概念，誕生了個人儀器和虛擬儀器。個人儀器以

4、個人計算機為中心，輔以儀器電路板和擴展箱，與個人計算機內(nèi)部總線相連， 在運用軟件的控制下，共同完成測試丈量義務(wù)。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 10.2 智能儀器與個人儀器智能儀器與個人儀器10.2.1 智能儀器智能儀器是計算機技術(shù)與電子丈量儀器嚴(yán)密結(jié)合的產(chǎn)物，是內(nèi)含微型計算機或微處置器, 可以按照預(yù)定的程序進展一系列丈量測試的丈量儀器，并具有對丈量數(shù)據(jù)進展存儲、運算、分析判別、接口輸出及自動化操作等功能。第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 1. 智能儀器的特點儀器與微處置器相結(jié)合，使得軟件替代了許多傳統(tǒng)的硬件邏輯，帶來更小的體積、更高的集

5、成度、更直觀方便和智能的顯示與操作、更有效的數(shù)據(jù)存儲處置與通訊。同傳統(tǒng)儀器相比，智能儀器具有以下幾個突出特點： 1 以軟件為中心，具有強大的控制才干。2 具有強大的數(shù)據(jù)存儲處置功能。3 實現(xiàn)儀器功能多樣化。 4 智能化、自動化程度高。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 2 智能儀器的根本構(gòu)造智能儀器實踐上是一個公用的微型計算機系統(tǒng)，它由硬件和軟件兩大部分組成。1 智能儀器的硬件構(gòu)造智能儀器的硬件部分主要包括CPU、存儲器、內(nèi)部總線、各種I/O接口、通訊接口、人機接口鍵盤、開關(guān)、按鈕、顯示器等，如圖10.1所示。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技

6、術(shù) 圖10.1 智能儀器的根本構(gòu)造存儲器CPU標(biāo)準(zhǔn)儀器接口儀器總線I/O顯示I/O鍵盤I/OD/A轉(zhuǎn)換器I/OA/D轉(zhuǎn)換器輸出電路輸入電路BUS被測電壓輸入輸出通道第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 2 智能儀器的軟件組成智能儀器的軟件是其靈魂，整個丈量任務(wù)是在軟件的控制下進展的。沒有軟件，智能儀器就無法任務(wù)，軟件是智能儀器自動化程度和智能化程度的主要標(biāo)志。智能儀器的軟件部分主要包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 10.2.2 個人儀器圖10.2示出了一種在微機內(nèi)部的擴展槽及微機外部的插件箱中都插入儀器卡的混合

7、式個人儀器構(gòu)造。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.2 個人儀器系統(tǒng)的構(gòu)成儀 器 插 件 卡內(nèi) 部 總 線個 人 計 算 機儀 器 插 件 卡第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 10.3 自動測試系統(tǒng)自動測試系統(tǒng)10.3.1 自動測試系統(tǒng)的組成通常，自動測試系統(tǒng)包括以下五部分： 1 控制器： 主要是計算機，如小型機、個人計算機、微處置機、單片機等，是系統(tǒng)的指揮及控制中心。2 程控儀器設(shè)備： 包括各種程控儀器、鼓勵源、程控開關(guān)、程控伺服系統(tǒng)、執(zhí)行元件，以及顯示、打印、存儲記錄等的器件，能完成一定的詳細(xì)的測試及控制義務(wù)。3 總線與接口： 是

8、銜接控制器與各程控儀器、設(shè)備的通路，完成音訊、命令、數(shù)據(jù)的傳輸與交換，包括插卡、插槽及電纜等。第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 4 測試軟件： 為了完成系統(tǒng)測試義務(wù)而編制的、在控制器上運轉(zhuǎn)的各種運用軟件，如測試主程序、驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)處置程序，以及輸入/輸出軟件等。5 被測對象： 隨測試義務(wù)的不同，被測對象往往是千差萬別的，由操作人員經(jīng)過測試電纜，接插件、開關(guān)等與程控儀器和設(shè)備相連。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.3 典型的GPIB自動測試系統(tǒng)GPIB 接口計算機GPIB 接口頻率合成器GPIB 接口DMMGPIB 接口頻率計GPI

9、B 接口打印機被測器件GPIB總線第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 10.3.2 自動測試系統(tǒng)的總線1. GPIB總線GPIB總線于1972年由美國惠普公司HP，Agilent公司的前身推出，后為美國電氣與電子工程師學(xué)會IEEE及國際電工委員會IEC接納，又稱IEEE-488總線。 GPIB總線構(gòu)造與銜接如圖10.4所示。第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.4 GPIB規(guī)范接口總線系統(tǒng)構(gòu)造與銜接接口部分控/講/聽者(計算機)用戶編程接口部分聽/講者(測量儀器)DUT接口部分聽 者(信號源)接口部分聽 者(記錄儀)硬拷貝IFCATNEOI

10、RENSRQDAVNRFDNDACDIO1DIO8儀器裝置接口儀器裝置本身接口管理控制線數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)總線通用接口總線第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 如圖10.5所示，在一個GPIB規(guī)范接口總線系統(tǒng)中，要進展有效的通訊聯(lián)絡(luò)，至少有“講者、“聽者、“控者三類儀器設(shè)備，控者、講者、聽者被稱為系統(tǒng)功能的三要素。第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.5 GPIB接口音訊和儀器音訊儀 器 功 能接 口 功 能接 口 功 能儀 器 功 能總 線接 口 消 息儀 器 消 息第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 2. VXI總

11、線主要特點： 1 測試儀器模塊化。VXI系統(tǒng)的全部器件都采用插件式構(gòu)造，插入以VME總線作為機箱主板總線的機箱內(nèi)，插件和供插入插件的主機架尺寸滿足嚴(yán)厲的要求。VXI總線儀器主機架構(gòu)造圖如圖10.6所示。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.6 VXI總線儀器主機架構(gòu)造圖12 層 印 制 電 路 板上 導(dǎo) 軌P1連 接 器P2 連 接 器C 尺 寸 插 件下 導(dǎo) 軌冷 氣 孔托 架B 尺 寸插 件B 尺 寸插 件運 送 器電 源風(fēng) 扇冷 空 氣第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 2 具有32位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸速率高。主板總線在功能上相當(dāng)于

12、銜接獨立儀器的GPIB總線，但具有更高的吞吐率，控制器也做成插卡掛接在主板總線上進展總線上的各種活動的調(diào)度和控制，根本總線數(shù)據(jù)傳輸速率為40 Mb/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他測試系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率。 3 系統(tǒng)可靠性高，可維修性好。 用VXI總線組建的系統(tǒng)構(gòu)造緊湊、體積小、分量輕，簡化了銜接和控制關(guān)系，有利于提高系統(tǒng)的可靠性和可維修性。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 4 電磁兼容性好。 在VXI總線的設(shè)計和規(guī)范的制定中，充分思索了系統(tǒng)的供電、冷卻系統(tǒng)和電磁兼容性能，以及底板上信號的傳輸延遲及同步等，對每項目的都有嚴(yán)厲的規(guī)范，全部VXI總線集中在高質(zhì)量、多層印制電路板內(nèi)，這

13、就保證了VXI總線系統(tǒng)的高精度及運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性； 而且頻帶寬，現(xiàn)已有從直流到微波的各種儀器模塊。5 通用性強，規(guī)范化程度高。不僅硬件進展規(guī)范化，而且軟件也進展規(guī)范化。軟件的可維護性與可擴展性好，這也是VXI總線優(yōu)于其他總線，得到迅速開展的一個重要要素。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 6 順應(yīng)性、靈敏性強，兼容性好。有B、C、D三種規(guī)格的機箱和A、B、C、D四種規(guī)格的模塊供用戶選擇； 支持8位、16位、24位和32位的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)組建者可根據(jù)需求選擇不同廠家、不同種類的器件進展組合，靈敏方便地組建順應(yīng)性極強的自動測試系統(tǒng)。為了充分利用資源，VXI總線開發(fā)了與

14、其他總線系統(tǒng)銜接和轉(zhuǎn)換的模塊，這使得VXI總線系統(tǒng)具有宏大的包容性，可與任何總線系統(tǒng)的儀器或系統(tǒng)結(jié)合任務(wù)。VXI系統(tǒng)是計算機控制下的一種自動測試系統(tǒng)。 圖10.7 是選用C型主機架的HP75000 VXl儀器系統(tǒng)表示圖。第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.7 HP75000 VXI儀器系統(tǒng)表示圖指令模塊功率表數(shù)字多用表函數(shù)發(fā)生器計數(shù)器數(shù)字變換器RF開關(guān)模擬開關(guān)模擬矩陣開關(guān) 數(shù) 設(shè) 字 備用戶定做模板VXI總線主機架軟面板GPIB與DUT之間的信號接口連接組件(ITA)被測件(DUT)其他VXI系統(tǒng)GPIB儀器第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量

15、技術(shù) 3. PXI總線1 PXI總線的特點 PXI總線是PCI總線的加強與擴展，并與現(xiàn)有工業(yè)規(guī)范Compact PCI兼容。 2 PXI軟件特性為了充分開掘PXI在提供高度集成化的測控平臺方面的潛力，PXI選用開放式軟件體系構(gòu)造，用以定義出一個與不同類型硬件相連的公共接口。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 10.4 虛擬儀器虛擬儀器10.4.1 虛擬儀器的概念與特點1. 虛擬儀器的概念虛擬儀器簡稱 VI是電子丈量技術(shù)與計算機技術(shù)更加嚴(yán)密結(jié)合產(chǎn)生的一種新儀器方式，是指以通用計算機作為中心硬件平臺，配以相應(yīng)的硬件模塊作為信號輸入/輸出接口，利用儀器軟件開發(fā)平臺在計算機的

16、屏幕上虛擬出儀器的面板和相應(yīng)的功能，經(jīng)過鼠標(biāo)或鍵盤交互式操作完成相應(yīng)測試丈量義務(wù)的儀器。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 2. 虛擬儀器的特點與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有以下特點： 1它是一種功能意義上而非物理意義上的儀器，交融了計算機強大的硬件資源。 2強調(diào)“軟件就是儀器 的新概念，軟件在儀器中充任了以往由硬件甚至整機實現(xiàn)的角色。 3 友好的圖形化用戶界面，可實現(xiàn)人機交互。 4 更新速度快，可維護性好。 5 采用模塊化構(gòu)造，系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴展性。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 10.4.2 虛擬儀器的架構(gòu)1. 虛擬儀器的硬件構(gòu)

17、成 擬儀器的硬件架構(gòu)如圖10.8所示。數(shù)據(jù)的采集經(jīng)過輸入/輸出接口設(shè)備來完成。輸入/ 輸出接口設(shè)備可以是以各種PC為根底的內(nèi)置數(shù)據(jù)采集插卡、通用接口總線GPIB卡、串口、VXI或PXI總線接口模塊等設(shè)備，或者是其他各種可編程的外置測試設(shè)備，分別構(gòu)成DAQ、GPIB、VXI、PXI等規(guī)范體系構(gòu)造的虛擬儀器，其中最常見的是數(shù)據(jù)采集DAQ卡。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.8 虛擬儀器的硬件架構(gòu)S C X I1 1 4 0 S C X I1 1 4 0 S C X I1 1 4 0 S C X I1 1 4 0 S C X I - 1 0 0 1MA I N F

18、 R A ME S C X IS C X I1 1 0 0 N A T I ON A L I N S T R U ME N T Sb u sC o n t r o l P a n e lF l o wP r e s s u r e A l a r m C o n d i t i o n sS T OPT e mp e r a t u r eGPIB 儀器串口儀器DAQ 產(chǎn)品測試 單元工業(yè)過程VXI 儀器應(yīng)用軟件PC 或 工作站采集與控制采集與控制儀器硬件儀器硬件分析與表達分析與表達應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件分析與表達應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件PC或工作站采集與控制儀器硬件VXI儀器GPIB儀器串口儀器DAQ產(chǎn)品工

19、業(yè)過程測試單元第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 在PC計算機上掛接假設(shè)干DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有假設(shè)干功能的PC儀器，如示波器、數(shù)字萬用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、恣意波形發(fā)生器等，如圖10.9所示。第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.9 PC-DAQ系統(tǒng)第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 2. 虛擬儀器的軟件構(gòu)造硬件平臺是虛擬儀器的根底，儀器用軟件是其中心。根本硬件確定后，要使虛擬儀器具有用戶自行定義的功能與界面，就必需有功能強大的儀器用軟件。 VXI總線虛擬儀器的軟件構(gòu)造表示

20、圖如圖10.10所示，包括運用軟件開發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動器、VISA API三部分。第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.10 虛擬儀器軟件構(gòu)造交 互 式 控 制 工 具資 源 編 輯 器資 源 管 理 器VXI功 能 庫VISA API儀 器 驅(qū) 動 器應(yīng) 用 軟 件 包編 程 語 言 (Visual C+或 Visual Basic等 )應(yīng) 用 軟 件 開 發(fā) 環(huán) 境第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 3. 虛擬儀器運用軟件開發(fā)環(huán)境 目前，市場上可供選擇的面向工程的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺比較多，其大致可分為兩類： 一類是圖形化編程環(huán)境，如原H

21、P公司的HP VEE和NI公司的LabVIEW； 另一類是傳統(tǒng)的程序文語編程環(huán)境，如NI公司的LabWindows/CVI，以及微軟的Visual C、Visual Basic等。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 1 LabVIEW其主要特點有： (1) 可視化圖形開發(fā)環(huán)境，流程圖式的編程，簡單易學(xué)、易用，大大節(jié)省了開發(fā)時間。LabVIEW開發(fā)環(huán)境分為前面板和流程圖兩部分，分別如圖10.11和圖10.12所示。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.11 隨機信號發(fā)生器的前面板顯示對象(輸出)控制對象(輸入)第第10章章 智能儀器與自動

22、測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 圖10.12 隨機信號發(fā)生器的流程圖函數(shù): 隨機數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu): 循環(huán)與前面板控件對應(yīng)的連線端子與前面板控件對應(yīng)的連線端子第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) (2) LabVIEW提供了豐富的程序調(diào)試功能。(3) 構(gòu)造化、模塊化編程，可移植性好。(4) 庫函數(shù)豐富，開放性、可擴展性好。2 LabWindows/CVI詳細(xì)來說，它具有以下特點： (1) 采用集成開發(fā)平臺、開放式體系構(gòu)造。 (2) 采用可視化編程，設(shè)計用戶圖形界面輕松自若。(3) 采用交互式編輯方法，可自動生成程序源代碼。 (4) 運用豐富的庫函數(shù)，使編程任務(wù)大大簡化。 第第1

23、0章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) (5) 運用方便靈敏的程序調(diào)試手段。 10.4.3 虛擬儀器的設(shè)計開發(fā)1. 測試需求的制定明確用戶想處理什么問題，即儀器要完成哪些功能，以及用戶對面板操作上的要求，從而確定面板需求什么控制部件和指示部件，并進展面板規(guī)劃構(gòu)思2.硬件選擇 虛擬儀器的硬件普通分為根底硬件平臺和儀器硬件設(shè)備。采用不同硬件體系構(gòu)造的虛擬儀器系統(tǒng)性能比較如表10.1所示，用戶必需根據(jù)測試功能與性能需求、資金情況等進展合理的選擇。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 表10.1 不同體系構(gòu)造虛擬儀器的系統(tǒng)性能 第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 3.儀器驅(qū)動器的開發(fā)通常，儀器驅(qū)動器包括以下幾個部分： (1) 函數(shù)體。 (2) 交互式操作接口。(3) 編程接口。(4) I/O接口。 (5) 功能庫。(6) 子程序接口。第第10章章 智能儀器與自動測量技術(shù)智能儀器與自動測量技術(shù) 4.虛擬儀器軟面板的設(shè)計軟面板的詳細(xì)設(shè)計應(yīng)留意以下幾點： (1) 軟面板應(yīng)設(shè)計成能在不同平臺和計算機顯示器上完成各種操作，所以必需保證每個軟面板在不同平臺和不同分辨率的顯示器之間是可移植的。(2) 字體選擇應(yīng)基于可移植性和易讀性