第10章_智能儀器與自動測量技術(電子測量技術課件)

1、第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術10.1 智能儀器與自動測量技術的發(fā)展歷史智能儀器與自動測量技術的發(fā)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)絡化儀器與遠程測控技術網(wǎng)絡化儀器與遠程測控技術思考題思考題10第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 10.1 智能儀器與自動測量技術的發(fā)展歷史智能儀器與自動測量技術的發(fā)展歷史1.單機及專用系統(tǒng)階段20世紀70年代，隨著微電子技術的發(fā)展和微處理器的普及，以及計算機技術與

2、電子測量技術的結合，出現(xiàn)了以微處理器為基礎的智能儀器。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)自動測量，如智能化DVM、智能化RLC測量儀、智能化電子計數(shù)器、智能化半導體測試儀等。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 2.以標準接口和總線為主要特征的階段進入20世紀70年代末期，標準化的通用接口總線出現(xiàn)了，因而可利用GPIB、VXI等儀器系統(tǒng)總線將一臺計算機和若干臺電子測量儀器連接在一起，組成自動測試系統(tǒng)。在這種自動測試系統(tǒng)中，各設備都用標準化的接口和統(tǒng)一的無源總線以搭積木的形式連接起來。 在這些儀器總線中，最具代表性的是GPIB總線和VXI總線。GP

3、IB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智能儀器與自動測量技術 3. PC基儀器階段進入20世紀80年代，計算機特別是個人計算機得到了廣泛的普及與應用。在電子測量領域，計算機與儀器之間的相互關系也在發(fā)生改變。在早期的自動測量系統(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)著重要和主要地位?；谶@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

4、。個人儀器以個人計算機為核心，輔以儀器電路板和擴展箱，與個人計算機內(nèi)部總線相連， 在應用軟件的控制下，共同完成測試測量任務。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 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與電子測量儀器緊密結合的產(chǎn)物，是內(nèi)含微型計算機或微處理器, 能夠按照預定的程序進行一系列測量測試的測量儀器，并具有對測量數(shù)據(jù)進行存儲、運算、分析判斷、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智能儀器與自動測量技術 1. 智能儀器的特點儀器與微處理器相結合，使得軟件替代了許多傳統(tǒng)的硬件邏輯，帶來更小的體

5、積、更高的集成度、更直觀方便和智能的顯示與操作、更有效的數(shù)據(jù)存儲處理與通信。同傳統(tǒng)儀器相比，智能儀器具有以下幾個突出特點： （1） 以軟件為核心，具有強大的控制能力。（2） 具有強大的數(shù)據(jù)存儲處理功能。（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智能儀器與自動測量技術 2 智能儀器的基本結構智能儀器實際上是一個專用的微型計算機系統(tǒng)，它由硬件和軟件兩大部分組成。1） 智能儀器的硬件結構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、通信接口、人機接口（鍵盤、開關、按鈕、顯示器）等，如圖10.1所示。 第第10章章 智能儀器

6、與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 圖10.1 智能儀器的基本結構存儲器CPU標準儀器接口儀器總線I/O顯示I/O鍵盤I/OD/A轉換器I/OA/D轉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智能儀器與自動測量技術 2） 智能儀器的軟件組成智能儀器的軟件是其靈魂，整個測量工作是在軟件的控制下進行的。沒有軟件，智能儀器就無法工作，軟件是智能儀器自動化程度和智能化程度的主要標志。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智能儀器與自動測量技術 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

7、微機外部的插件箱中都插入儀器卡的混合式個人儀器結構。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 圖10.2 個人儀器系統(tǒng)的構成儀 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智能儀器與自動測量技術 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、微處理機、單片機等，是系統(tǒng)的指揮及控制中心。（2） 程控儀器設備： 包括各種程控儀器、激勵源、程控開關、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

8、的具體的測試及控制任務。（3） 總線與接口： 是連接控制器與各程控儀器、設備的通路，完成消息、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智能儀器與自動測量技術 （4） 測試軟件： 為了完成系統(tǒng)測試任務而編制的、在控制器上運行的各種應用軟件，如測試主程序、驅動程序、數(shù)據(jù)處理程序，以及輸入/輸出軟件等。（5） 被測對象： 隨測試任務的不同，被測對象往往是千差萬別的，由操作人員通過測試電纜，接插件、開關等與程控儀器和設備相連。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 圖10.3 典型的GPIB自動測試系統(tǒng)GPIB 接口計算機GPIB 接口

9、頻率合成器GPIB 接口DMMGPIB 接口頻率計GPIB 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智能儀器與自動測量技術 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會（IEEE）及國際電工委員會（IEC）接納，又稱IEEE-488總線。 GPIB總線結構與連接如圖10.4所示。第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 圖10.4 GPIB標準接口總線系統(tǒng)結構與連接接口部分控/講/聽者(計算機)用戶編程接口部分聽/講者(測量儀器)DUT接口

10、部分聽 者(信號源)接口部分聽 者(記錄儀)硬拷貝IFCATNEOIRENSRQDAVNRFDNDACDIO1DIO8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智能儀器與自動測量技術 如圖10.5所示，在一個GPIB標準接口總線系統(tǒng)中，要進行有效的通信聯(lián)絡，至少有“講者”、“聽者”、“控者”三類儀器設備，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智能儀器與自動測量技術 圖10.5 GPIB接口消息和儀器消息儀 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

11、第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 2. VXI總線主要特點： （1） 測試儀器模塊化。VXI系統(tǒng)的全部器件都采用插件式結構，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格的要求。VXI總線儀器主機架結構圖如圖10.6所示。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 圖10.6 VXI總線儀器主機架結構圖12 層 印 制 電 路 板上 導 軌P1連 接 器P2 連 接 器C 尺 寸 插 件下 導 軌冷 氣 孔托 架B 尺 寸插 件B 尺 寸插 件運 送 器電 源風 扇冷 空 氣第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器

12、與自動測量技術 （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于連接獨立儀器的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行總線上的各種活動的調(diào)度和控制，基本總線數(shù)據(jù)傳輸速率為40 Mb/s，遠遠高于其他測試系統(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)結構緊湊、體積小、重量輕，簡化了連接和控制關系，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智能儀器與自動測量技術 （4） 電磁兼容性好。 在VXI總線的設計和標準的制定中，充分考慮了系統(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

13、輸延遲及同步等，對每項指標都有嚴格的標準，全部VXI總線集中在高質量、多層印制電路板內(nèi)，這就保證了VXI總線系統(tǒng)的高精度及運行的穩(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，標準化程度高。不僅硬件進行標準化，而且軟件也進行標準化。軟件的可維護性與可擴充性好，這也是VXI總線優(yōu)于其他總線，得到迅速發(fā)展的一個重要因素。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 （6） 適應性、靈活性強，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)需要選擇不同廠家、不

14、同種類的器件進行組合，靈活方便地組建適應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)了與其他總線系統(tǒng)連接和轉換的模塊，這使得VXI總線系統(tǒng)具有巨大的包容性，可與任何總線系統(tǒng)的儀器或系統(tǒng)聯(lián)合工作。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)示意圖。第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 圖10.7 HP75000 VXI儀器系統(tǒng)示意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開關模擬開關模擬矩陣開關 數(shù) 設 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

15、)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智能儀器與自動測量技術 3. PXI總線1） PXI總線的特點 PXI總線是PCI總線的增強與擴展，并與現(xiàn)有工業(yè)標準Compact PCI兼容。 2） PXI軟件特性為了充分發(fā)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結構，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智能儀器與自動測量技術 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）是電子測量技術與計算機技術更加緊密結合產(chǎn)生的一種新儀器模式，

16、是指以通用計算機作為核心硬件平臺，配以相應的硬件模塊作為信號輸入/輸出接口，利用儀器軟件開發(fā)平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應的功能，通過鼠標或鍵盤交互式操作完成相應測試測量任務的儀器。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 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，融合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，軟件在儀器中充當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） 采用模塊化結構，系統(tǒng)具有良好的開

17、放性和可擴展性。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 10.4.2 虛擬儀器的架構1. 虛擬儀器的硬件構成 擬儀器的硬件架構如圖10.8所示。數(shù)據(jù)的采集通過輸入/輸出接口設備來完成。輸入/ 輸出接口設備可以是以各種PC為基礎的內(nèi)置數(shù)據(jù)采集插卡、通用接口總線（GPIB）卡、串口、VXI或PXI總線接口模塊等設備，或者是其他各種可編程的外置測試設備，分別構成DAQ、GPIB、VXI、PXI等標準體系結構的虛擬儀器，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智能儀器與自動測量技術 圖10.8 虛擬儀器的硬件架構S C X I1 1 4 0 S

18、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 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

19、件分析與表達分析與表達應用軟件應用軟件分析與表達應用軟件應用軟件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)品工業(yè)過程測試單元第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 在PC計算機上掛接若干DAQ功能模塊，配合相應的軟件，就可以構成一臺具有若干功能的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、任意波形發(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智能儀器與自動測量技術 圖10.9 PC-DAQ系統(tǒng)第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 2. 虛擬儀器的軟件結構硬件平臺是虛擬儀器的基礎，儀器用軟件

20、是其核心?；居布_定后，要使虛擬儀器具有用戶自行定義的功能與界面，就必須有功能強大的儀器用軟件。 VXI總線虛擬儀器的軟件結構示意圖如圖10.10所示，包括應用軟件開發(fā)環(huán)境、儀器驅動器、VISA API三部分。第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 圖10.10 虛擬儀器軟件結構交互式控制工具資源編輯器資源管理器VXI功能庫VISA API儀器驅動器應用軟件包編程語言(Visual C+或Visual Basic等)應用軟件開發(fā)環(huán)境第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 3. 虛擬儀器應用軟件開發(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

21、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HP公司的HP VEE和NI公司的LabVIEW； 另一類是傳統(tǒng)的程序語言編程環(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智能儀器與自動測量技術 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、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智能儀器與自動測量技術 圖10.11 隨機信號發(fā)生器的前面板

22、顯示對象(輸出)控制對象(輸入)第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 圖10.12 隨機信號發(fā)生器的流程圖函數(shù): 隨機數(shù)發(fā)生器結構: 循環(huán)與前面板控件對應的連線端子與前面板控件對應的連線端子第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 (2) LabVIEW提供了豐富的程序調(diào)試功能。(3) 結構化、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具體來說，它具有以下特點： (1) 采用集成開發(fā)平臺、開放式體系結構。 (2) 采用可視化編程，設計用戶圖形界面輕松自如。(3) 采用交互式編輯方法，可自動生成程序源

23、代碼。 (4) 運用豐富的庫函數(shù)，使編程工作大大簡化。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 (5) 運用方便靈活的程序調(diào)試手段。 10.4.3 虛擬儀器的設計開發(fā)1. 測試需求的制定明確用戶想解決什么問題，即儀器要完成哪些功能，以及用戶對面板操作上的要求，從而確定面板需要什么控制部件和指示部件，并進行面板布局構思2.硬件選擇 虛擬儀器的硬件一般分為基礎硬件平臺和儀器硬件設備。采用不同硬件體系結構的虛擬儀器系統(tǒng)性能比較如表10.1所示，用戶必須根據(jù)測試功能與性能需求、資金情況等進行合理的選擇。 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 表10.1 不同體系結構虛擬儀器的系統(tǒng)性能 第第10章章 智能儀器與自動測量技術智能儀器與自動測量技術 3.儀器驅動器的開發(fā)通常，儀器驅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智能儀器與自動測量技術 4.虛擬儀器軟面板的設計軟面板的具體設計應注意以下幾點： (1) 軟面板應設計成能在不同平臺和計算機顯示器上完成各種操作，所以必須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) 字體選擇應基于可移植性和易讀性。 (3)