虚拟仪器技术.

1、本课程的教学安排 讲课：24学时 上机：24学时 学分：3主要教学目的： 1、了解虚拟仪器的原理与技术 2、掌握虚拟仪器设计及软件编程No Measurement, No Science.No Measurement, No Science.No Science, No Industry.No Science, No Industry.No Industry, No Pollution.No Industry, No Pollution.机械式测量仪器机械式测量仪器模拟式电子测量仪器模拟式电子测量仪器模拟电子技术的发展模拟电子技术的发展数字式电子测量仪器数字式电子测量仪器数字电子技术的发展数字

2、电子技术的发展可程控仪器可程控仪器 计算机技术的发展计算机技术的发展模块式仪器模块式仪器虚拟仪器虚拟仪器软件技术的发展软件技术的发展个人仪器个人仪器个人计算机的发展个人计算机的发展嵌入式技术的发展嵌入式技术的发展智能仪器智能仪器 智能传感器智能传感器 计算机网络技术的发展计算机网络技术的发展现场总线仪器现场总线仪器网络化仪器网络化仪器网络化传感器网络化传感器虚拟仪器测试系统虚拟仪器测试系统测试技术的发展测试技术的发展一、机械式测量仪器一、机械式测量仪器时间的测量（计时器）时间的测量（计时器） 利用地球自转时日照的阴影来确定时间。利用地球自转时日照的阴影来确定时间。日日 晷晷 利用流体从小孔中匀

3、速等量的流动特性来利用流体从小孔中匀速等量的流动特性来确定时间。确定时间。沙漏计时器沙漏计时器 利用利用单摆单摆运动的等时性来确定时间。运动的等时性来确定时间。单摆运动单摆运动摆钟摆钟 利用利用游丝游丝摆动的等时性来确定时间。摆动的等时性来确定时间。游丝游丝机械钟机械钟机械手表机械手表机械秒表机械秒表温度的测量（温度计）温度的测量（温度计） 利用液体利用液体热胀冷缩热胀冷缩的原理来确定温度。的原理来确定温度。酒精温度计酒精温度计水银温度计水银温度计 利用金属簧片利用金属簧片热胀冷缩热胀冷缩的原理来确定温度。的原理来确定温度。金属温度计金属温度计力和质量的测量力和质量的测量 利用利用杠杆杠杆的平

4、衡原理来确定力和质量。的平衡原理来确定力和质量。杆秤杆秤地磅地磅天平天平物理天平物理天平分析天平分析天平 利用金属的利用金属的弹性形变弹性形变原理来确定力和质量。原理来确定力和质量。弹簧秤弹簧秤台秤台秤体重计体重计压力表压力表数的计量（计数器）数的计量（计数器）手动计数器手动计数器水表水表燃气表燃气表电度表电度表二、模拟式电子测量仪器二、模拟式电子测量仪器 出现于出现于20世纪初，伴随着电子技术的发世纪初，伴随着电子技术的发展而发展。测量、读数由人工完成，人为误展而发展。测量、读数由人工完成，人为误差和系统误差较大，且效率低，功能单一。差和系统误差较大，且效率低，功能单一。时间的测量时间的测量

5、 时间的确定由电子方式实现，时间的显时间的确定由电子方式实现，时间的显示由机械方式实现。示由机械方式实现。 即利用即利用石英晶体石英晶体的固有振荡频率来产生的固有振荡频率来产生等时间隔的脉动电流，电生磁，磁生力，力等时间隔的脉动电流，电生磁，磁生力，力驱动指针来显示时间。驱动指针来显示时间。石英晶振石英晶振石英手表石英手表石英钟石英钟电参数的测量电参数的测量 采用采用电磁感应电磁感应的原理，将各类电参数的的原理，将各类电参数的测量感应为电流，电生磁，磁生力，力驱动测量感应为电流，电生磁，磁生力，力驱动表盘指针来显示读数，或驱动表盘指针来显示读数，或驱动CRT的电子束的电子束来显示曲线。来显示曲

6、线。电磁感应式的电压测量电磁感应式的电压测量大电阻大电阻待测电压待测电压表头表头电磁感应式的电流测量电磁感应式的电流测量小电阻小电阻待测电流待测电流表头表头小电阻小电阻电磁感应式的电阻测量电磁感应式的电阻测量待测电阻待测电阻电阻电阻表头表头直流电源直流电源英国老式指针万用表英国老式指针万用表指针万用表指针万用表钳型指针万用表钳型指针万用表指针式交流毫伏表指针式交流毫伏表指针式超高频毫伏表指针式超高频毫伏表指针式接地电阻测试仪指针式接地电阻测试仪指针式绝缘电阻测试仪指针式绝缘电阻测试仪CRT方式的信号波形显示方式的信号波形显示电子枪偏转系统X偏转板Y偏转板灯丝辉度调节聚焦调节辅助聚焦荧光屏模拟示

7、波器模拟示波器模拟式频谱分析仪模拟式频谱分析仪频率特性测试仪频率特性测试仪晶体管图示仪晶体管图示仪电信号的产生电信号的产生高频信号发生器高频信号发生器低频信号发生器低频信号发生器电视信号发生器电视信号发生器三、数字式电子测量仪器三、数字式电子测量仪器 出现于出现于20世纪世纪50年代，伴随着年代，伴随着数字电路数字电路技术、技术、传感器传感器技术以及技术以及模模/数转换数转换技术的发技术的发展而发展。数字测量仪器取代模拟测量仪器展而发展。数字测量仪器取代模拟测量仪器成为发展趋势，不仅测量精度、分辨率和测成为发展趋势，不仅测量精度、分辨率和测量速度有了很大的提高，而且为实现自动化量速度有了很大的

8、提高，而且为实现自动化测试奠定基础。测试奠定基础。 时间的测量时间的测量 时间的确定采用电子计时方式（晶振）时间的确定采用电子计时方式（晶振）来实现，并采用数码管、液晶来进行时间的来实现，并采用数码管、液晶来进行时间的数字显示。数字显示。电子手表电子手表电子秒表电子秒表电子钟电子钟数字式毫秒计数字式毫秒计模模/数转换技术是模拟仪器数字化的基础数转换技术是模拟仪器数字化的基础采样采样关键指标为采样速率采样速率 10000000 10110001 11011011 11110110 11111111 11110110 11011011 10110001 10000000 01001111 0010

9、0101 00001010 00000000 00001010 00100101 01001111 10000000量化量化关键指标为量化等级量化等级即分辨率分辨率分辨率设为8位模拟信号模拟信号模模/数转换的方式数转换的方式 双积分式双积分式A/D变换变换 逐次比较式逐次比较式A/D变换变换 高速并行式高速并行式A/D变换变换数字式测量仪器的基本模型数字式测量仪器的基本模型被测对象被测对象传感器传感器物理信号物理信号模模/数转换数转换模拟电信号模拟电信号数据处理数据处理数字电信号数字电信号数据显示数据显示/存储存储温度的测量温度的测量 利用利用温度传感器温度传感器将温度感应为模拟电信号，将温度

10、感应为模拟电信号，再由再由模模/数变换数变换为数字电信号，并采用数码管、为数字电信号，并采用数码管、液晶来进行温度的数字显示。液晶来进行温度的数字显示。温度传感器温度传感器数字温度计数字温度计数字式温度表数字式温度表笔式数字温度计笔式数字温度计带温度测试的电子台历带温度测试的电子台历 利用物理的温度与其发出的红外线强度成利用物理的温度与其发出的红外线强度成正比的原理，通过正比的原理，通过红外传感器红外传感器将红外线感应将红外线感应为模拟电信号，再由为模拟电信号，再由模模/数变换数变换为数字电信号。为数字电信号。红外传感器红外传感器便携式红外测温仪便携式红外测温仪手握式红外测温仪手握式红外测温仪

11、笔式红外测温仪笔式红外测温仪力的测量力的测量 利用利用压力传感器压力传感器将力感应为模拟电信号，将力感应为模拟电信号，再由再由模模/数变换数变换为数字电信号。为数字电信号。压力传感器压力传感器电子台秤电子台秤电子地磅电子地磅电子天平电子天平电子吊秤电子吊秤数字式体重计数字式体重计数字式压力表数字式压力表数的计量数的计量电子计数器电子计数器通用电子计数器通用电子计数器菌落计数器菌落计数器台式空气尘埃粒子计数器台式空气尘埃粒子计数器手持式空气尘埃粒子计数器手持式空气尘埃粒子计数器液体粒子计数器液体粒子计数器血液分析仪血液分析仪电参数的测量电参数的测量 通过通过模模/数变换数变换将模拟电信号转换为数

12、字将模拟电信号转换为数字电信号，并采用数码管、液晶或电信号，并采用数码管、液晶或CRT来显示来显示读数或曲线。读数或曲线。数字万用表数字万用表台式数字万用表台式数字万用表笔式数字万用表笔式数字万用表数字式钳型万用表数字式钳型万用表数字式毫伏表数字式毫伏表数字式接地电阻测试仪数字式接地电阻测试仪数字式钳型接地电阻测试仪数字式钳型接地电阻测试仪数字式绝缘电阻测试仪数字式绝缘电阻测试仪数字存储示波器数字存储示波器四通道数字存储示波器四通道数字存储示波器手持式数字示波表手持式数字示波表数字式频谱分析仪数字式频谱分析仪手持式频谱分析仪手持式频谱分析仪逻辑分析仪逻辑分析仪网络分析仪网络分析仪电信号的产生电

13、信号的产生数字合成信号发生器数字合成信号发生器数字式扫频仪数字式扫频仪任意信号发生器任意信号发生器四、可程控仪器四、可程控仪器 出现于出现于20世纪世纪60年代，伴随着计算机技术的发年代，伴随着计算机技术的发展而发展。将传统仪器中的机械开关、机械旋钮等展而发展。将传统仪器中的机械开关、机械旋钮等手动调节方式改为数字量的电调方式，从而可实现手动调节方式改为数字量的电调方式，从而可实现程序控制程序控制。从单一的测量仪器发展为集控制、测量、。从单一的测量仪器发展为集控制、测量、分析、计算、显示与存储为一体的分析、计算、显示与存储为一体的自动测试系统自动测试系统，可以完成更多任务、更高精度、更高速度的

14、测试。可以完成更多任务、更高精度、更高速度的测试。测试软件测试软件开始出现并逐渐显露出其重要性。开始出现并逐渐显露出其重要性。 同时，自动测试系统从早期的面向具体测试任同时，自动测试系统从早期的面向具体测试任务的务的专用接口专用接口发展为面向标准总线的发展为面向标准总线的RS232C接口接口和和GPIB接口接口，具有更好的通用性和扩展性。，具有更好的通用性和扩展性。RS232C简介简介 RS232C标准制定于标准制定于1969年，最初是为了把年，最初是为了把计算机通过电话网相连而设计的。它是一种点对计算机通过电话网相连而设计的。它是一种点对点的点的串行接口串行接口，采用，采用异步传输方式异步传

15、输方式。 RS232C标准采用标准采用25针连接器，在微型计算机针连接器，在微型计算机通信中常使用其中的通信中常使用其中的9个引脚。个引脚。区别：串行传输和并行传输串行传输和并行传输 异步传输和同步传输异步传输和同步传输RS232C 25针接口针接口RS232C 9针接口针接口RS232C 引脚功能引脚功能RS232C 连接器（连接器（9针）针）RS232C 9-25针转换器针转换器RS232C的特点的特点 电缆最大长度为电缆最大长度为15米。米。 采用点对点连接，即器件容量为采用点对点连接，即器件容量为2台。台。 传输速率较低，一般为传输速率较低，一般为9600b/s，最高为，最高为19.2

16、Kb/s。 总线逻辑电平为总线逻辑电平为负逻辑负逻辑，即，即逻辑逻辑0为为+3+15V，逻辑逻辑1为为-3-15V，当与当与TTL电平电平连接时需要进行连接时需要进行电平转换。电平转换。 通用性强，大多数器件都有这种接口，且大多数通用性强，大多数器件都有这种接口，且大多数计算机语言都支持这种接口。计算机语言都支持这种接口。 价格低廉。价格低廉。 可以采用调制解调器实现更远距离的通讯。可以采用调制解调器实现更远距离的通讯。GPIB简介简介 出现于出现于20世纪世纪70年代。仪器设备采用了标准年代。仪器设备采用了标准化的接口和总线，可以按化的接口和总线，可以按堆积木堆积木的方式进行连接的方式进行连

17、接和扩展。和扩展。 GPIB的另一个常用的称呼是的另一个常用的称呼是IEEE-488。GPIB 接口卡接口卡GPIB 电缆电缆GPIB 接口针脚定义接口针脚定义可堆叠可堆叠的的 GPIB 测试系统测试系统计算机计算机可程控仪器可程控仪器可程控仪器可程控仪器可程控仪器可程控仪器可程控仪器可程控仪器GPIB卡卡GPIB的基本性能的基本性能 可堆叠连接，器件容量为可堆叠连接，器件容量为15台，即除计算机外可容台，即除计算机外可容纳纳14台仪器。台仪器。 电缆总长度不超过电缆总长度不超过20米。米。 数据传输速率一般为数据传输速率一般为250500KB/S。若采用。若采用三态三态门门发送，且电缆总长小

18、于发送，且电缆总长小于10米，则数据传输速率最米，则数据传输速率最高可达高可达1MB/S。 采用采用5比特地址编码，其中全比特地址编码，其中全1地址表示取消听或讲地址表示取消听或讲功能，因此地址容量为功能，因此地址容量为31个。个。 总线的逻辑电平为总线的逻辑电平为TTL负逻辑负逻辑。 数据传输方式为数据传输方式为双向异步传输双向异步传输。 器件按执行功能分为三类：器件按执行功能分为三类： 控者控者：即系统的指挥者和管理者，一般为计算机。：即系统的指挥者和管理者，一般为计算机。 讲者讲者：即控者退出控制后发出命令或数据的器件。：即控者退出控制后发出命令或数据的器件。 听者听者：即接收命令或数据

19、的器件。：即接收命令或数据的器件。GPIB 总线结构图总线结构图GPIB总线一般为总线一般为24条或条或25条，其中有用条，其中有用信号线为信号线为16条，其余为地线和屏蔽线。条，其余为地线和屏蔽线。有用信号线包括有用信号线包括8条数据线条数据线：用于传递命令、地址和数据。：用于传递命令、地址和数据。3条挂钩线条挂钩线：用于实现可靠的异步传输。：用于实现可靠的异步传输。5条管理线条管理线：用于系统的管理。：用于系统的管理。注：注：GPIB总线没有专门的地址总线。总线没有专门的地址总线。地址是通过地址是通过8位数据线传递的：位数据线传递的： 讲地址为讲地址为 X X 1 0 T5 T4 T3 T

20、2 T1 听地址为听地址为 X X 0 1 T5 T4 T3 T2 T1 X 表示任意。表示任意。设备设备A听、讲、控听、讲、控 （如计算机）（如计算机）设备设备B听、讲听、讲 （如数字电压表）（如数字电压表） 设备设备C听听（如信号源）（如信号源）设备设备D讲讲 （如纸带读出器）（如纸带读出器）8条数据线条数据线3条挂钩线条挂钩线5条管理线条管理线16条有用信号线条有用信号线可程控仪器的标准化可程控仪器的标准化 IEEE 488.1 IEEE 488.1 规定了各类程控仪器在电气上、机械上和功能上的相容规定了各类程控仪器在电气上、机械上和功能上的相容性，可以保证系统中各部件间的正确通讯。性，

21、可以保证系统中各部件间的正确通讯。 IEEE 488.2 IEEE 488.2 在在 IEEE 488.1 的基础上规定了程控代码、格式、通讯协的基础上规定了程控代码、格式、通讯协议和公用命令方面的标准，加强了不同厂家仪器之间的兼容性。议和公用命令方面的标准，加强了不同厂家仪器之间的兼容性。 可程控仪器标准命令可程控仪器标准命令 SCPI 可程控仪器标准命令可程控仪器标准命令 SCPI 在在 IEEE 488.2 的基础上进一步规定了仪的基础上进一步规定了仪器程控和仪器响应中器件消息的标准，实现了不同类型仪器的器程控和仪器响应中器件消息的标准，实现了不同类型仪器的纵向兼容纵向兼容和和横向兼容横

22、向兼容，大大提高了测试程序的通用性，减轻了程序员的工作量。，大大提高了测试程序的通用性，减轻了程序员的工作量。GPIB的功能协议层的功能协议层器件消息器件消息公用命令和查询公用命令和查询语法和数据结构语法和数据结构远地消息远地消息IEEE 488.1IEEE 488.2IEEE 488.2SCPISCPI器件器件A器件器件B五、智能仪器五、智能仪器 出现于出现于20世纪世纪70年代末期，伴随着计算机技术年代末期，伴随着计算机技术的发展而发展。将的发展而发展。将微处理器微处理器嵌入到仪器中，仪器可嵌入到仪器中，仪器可以独立运行测控程序，具有数据存储、数据运算、以独立运行测控程序，具有数据存储、数

23、据运算、逻辑判断和自动化操作等功能，具有一定的智能。逻辑判断和自动化操作等功能，具有一定的智能。 近些年，智能仪器逐渐从近些年，智能仪器逐渐从数据处理数据处理向向知识处理知识处理发展，如模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器发展，如模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器信息融合、器件寿命预测等，体现出了更高层次的信息融合、器件寿命预测等，体现出了更高层次的智能水平。智能水平。智能仪器的构成智能仪器的构成 智能仪器的核心是智能仪器的核心是微处理器微处理器。 智能仪器具有计算机的基本结构，如微处智能仪器具有计算机的基本结构，如微处理器、存储器、键盘、显示器以及外设（如打理器、存储器、键盘、显示器以及外

24、设（如打印机）接口等，其与普通计算机的主要差别在印机）接口等，其与普通计算机的主要差别在于多了一个测试部分。于多了一个测试部分。智能仪器的基本组成智能仪器的基本组成微处理器微处理器ROM（程序存储）（程序存储）人机接口人机接口键盘键盘显示器显示器接口接口其他其他外设外设I/O接口接口A/D被测信号被测信号GPIB接口接口自动测试自动测试系统系统计算机部分计算机部分测试部分测试部分RAM（数据存储）（数据存储）D/A信号调信号调理电路理电路模拟输模拟输出电路出电路输出信号输出信号智能仪器的特点智能仪器的特点 智能仪器使用键盘代替传统的机械控件，大大简化智能仪器使用键盘代替传统的机械控件，大大简化

25、了仪器的面板布局和内部构造，方便了仪器操作，具了仪器的面板布局和内部构造，方便了仪器操作，具有良好的人机对话能力。有良好的人机对话能力。 微处理器可以运行数据处理和误差校正等算法程序，微处理器可以运行数据处理和误差校正等算法程序，大大提高了仪器的测量精度大大提高了仪器的测量精度。 微处理器可以实现很强的控制功能，大大提高了仪微处理器可以实现很强的控制功能，大大提高了仪器的自动化水平器的自动化水平。 智能仪器可以用软件来代替很多硬件电路的工作，从智能仪器可以用软件来代替很多硬件电路的工作，从而简化了结构、减小了体积、降低了成本以及提高了可而简化了结构、减小了体积、降低了成本以及提高了可靠性。靠性

26、。 智能仪器一般都带有智能仪器一般都带有 GPIB 接口，可以方便地组成自接口，可以方便地组成自动测试系统，完成更复杂的测试任务。动测试系统，完成更复杂的测试任务。 随着嵌入式技术（如单片机、随着嵌入式技术（如单片机、DSP、ARM）的发展，）的发展，智能仪器将朝着更高智能、更多功能、更小型化的方向智能仪器将朝着更高智能、更多功能、更小型化的方向发展。发展。智能仪器的不足智能仪器的不足 在组建自动测试系统时，各智能仪器的计在组建自动测试系统时，各智能仪器的计算机部分（如微处理器、存储器、键盘、显示算机部分（如微处理器、存储器、键盘、显示器、外设接口等）大多是相同的，造成了硬件器、外设接口等）大

27、多是相同的，造成了硬件资源的冗余和浪费。资源的冗余和浪费。六、个人仪器六、个人仪器 也称为也称为PC仪器仪器，伴随着个人计算机（，伴随着个人计算机（PC机）的机）的发展而发展。即在智能仪器的基础上，将原智能仪发展而发展。即在智能仪器的基础上，将原智能仪器的器的测试部分测试部分做成各种仪器卡插到计算机的做成各种仪器卡插到计算机的内总线内总线扩展槽中，而原智能仪器的扩展槽中，而原智能仪器的计算机部分计算机部分（微处理器、（微处理器、存储器、键盘和显示器等）则由存储器、键盘和显示器等）则由PC机本身的资源取机本身的资源取代。代。 个人仪器个人仪器充分利用了充分利用了PC机的软、硬件资源，结机的软、硬

28、件资源，结构简单，使用维护方便，而且大大降低了成本，也构简单，使用维护方便，而且大大降低了成本，也缩短了研发周期。缩短了研发周期。个人仪器的构成个人仪器的构成数字示波器卡数字示波器卡数字电压表卡数字电压表卡信号源卡信号源卡CPU内存内存PC 机主板机主板内总线扩展槽内总线扩展槽PC机内总线简介机内总线简介 PC总线总线 用于早期的用于早期的IBM PC/XT机及兼容机，机及兼容机，62个引脚，支个引脚，支持持8位数据宽度和位数据宽度和20位地址通道，传输速率较低。位地址通道，传输速率较低。 ISA总线总线 最早用于最早用于IBM PC/AT机及兼容机，在机及兼容机，在PC总线的基础总线的基础上

29、扩展了一个上扩展了一个36线的插槽，共线的插槽，共98个引脚，支持个引脚，支持16位数据位数据宽度和宽度和24位地址通道，传输速率可达到位地址通道，传输速率可达到 8MB/s。 EISA总线总线 随着随着80386、80486等微处理器的推出而出现，主要等微处理器的推出而出现，主要是为了解决是为了解决CPU强大的处理能力与低性能的系统总线之强大的处理能力与低性能的系统总线之间瓶颈问题。间瓶颈问题。 EISA总线在总线在ISA总线的基础上增加了数据线、地址总线的基础上增加了数据线、地址线和控制线，采用上下两列的结构形式，将线和控制线，采用上下两列的结构形式，将ISA的的98个个引脚扩展到了引脚扩

30、展到了196个引脚。个引脚。 PCI总线总线 PCI总线是一个高性能的总线是一个高性能的局部总线局部总线，120个引脚，支个引脚，支持持32位数据宽度，并可以扩展到位数据宽度，并可以扩展到64位。当采用位。当采用32位数据位数据宽度、宽度、33MHz时钟频率时，传输速率可以达到时钟频率时，传输速率可以达到132MB/s，当采用当采用64位数据宽度、位数据宽度、66MHz时钟频率时，传输速率时钟频率时，传输速率可以达到可以达到528MB/s。 另外，另外，PCI控制器采用了与控制器采用了与CPU无关的设计结构，无关的设计结构，总线机制完全独立，从而可以支持未来的各种总线机制完全独立，从而可以支持

31、未来的各种CPU，具，具有长久的生命期。有长久的生命期。PCI 数据采集卡数据采集卡数字电压表数字电压表数字示波器数字示波器电子计数器电子计数器个人仪器的不足个人仪器的不足主要体现在以下几个方面：主要体现在以下几个方面： 在在PC机内，各仪器卡不能同步触发，仪器卡之间无法机内，各仪器卡不能同步触发，仪器卡之间无法直接通讯，也无法传递模拟信号。直接通讯，也无法传递模拟信号。 在在PC机内，仪器卡受到较强的电磁干扰，并缺乏有效机内，仪器卡受到较强的电磁干扰，并缺乏有效的电磁兼容措施。的电磁兼容措施。 PC机无法满足重载仪器对电流和散热的要求。机无法满足重载仪器对电流和散热的要求。 在在PC机内，各

32、仪器卡的控制和处理工作都统一由机内，各仪器卡的控制和处理工作都统一由CPU来处理，使得个人仪器系统的工作效率不高。来处理，使得个人仪器系统的工作效率不高。七、模块式仪器七、模块式仪器 也称为也称为插件式仪器插件式仪器。即将个人仪器向。即将个人仪器向PC机外扩展，机外扩展，采用独立的机箱和与地隔离的独立电源系统，采取有采用独立的机箱和与地隔离的独立电源系统，采取有效的电磁兼容措施，并定义新的仪器总线，将仪器卡效的电磁兼容措施，并定义新的仪器总线，将仪器卡做成做成插件（模块）插件（模块）插到机箱中，不仅组建、使用灵活插到机箱中，不仅组建、使用灵活方便，而且避开了方便，而且避开了PC机和外界的电磁干

33、扰。另外，采机和外界的电磁干扰。另外，采用独立的微处理器，提高了控制能力和处理速度，并用独立的微处理器，提高了控制能力和处理速度，并可向多可向多CPU分布式系统发展，满足更高测试速度的要分布式系统发展，满足更高测试速度的要求。求。 目前广泛应用的标准规范有目前广泛应用的标准规范有VXI总线总线和和PXI总线总线。VXI 总线系统简介总线系统简介 出现于出现于20世纪世纪80年代末，由年代末，由HP、Tektronix等五等五家国际著名的仪器制造商联合制定，统一了家国际著名的仪器制造商联合制定，统一了模块式模块式仪器仪器的标准及行业规范。的标准及行业规范。 VXI总线总线是是VME总线总线（工业

34、控制标准总线）在（工业控制标准总线）在仪器领域的扩展，并以其完全开放的模块式结构，仪器领域的扩展，并以其完全开放的模块式结构，小型便携、组建灵活、使用方便的特点以及高速率、小型便携、组建灵活、使用方便的特点以及高速率、高精度、高可靠的性能，迅速被业界所接受。高精度、高可靠的性能，迅速被业界所接受。 VXI即不象可程控仪器那样只把计算机当作简单即不象可程控仪器那样只把计算机当作简单的控制器，也不象个人仪器那样过分依赖计算机的的控制器，也不象个人仪器那样过分依赖计算机的环境，环境，VXI的出现标志着测试仪器系统进入了一个的出现标志着测试仪器系统进入了一个崭新的发展阶段。崭新的发展阶段。A尺寸尺寸B

35、尺寸尺寸C尺寸尺寸D尺寸尺寸P1连接器连接器P1连接器连接器P2连接器连接器P1连接器连接器P2连接器连接器P1连接器连接器P2连接器连接器P3连接器连接器VXI 总线的四种尺寸的模块（插件）总线的四种尺寸的模块（插件）VXI总线连接器总线连接器A列（列（32脚）脚）B列（列（32脚）脚）C列（列（32脚）脚）共共96个引脚个引脚VXI总线的 C 尺寸机箱P2 连接器P1 连接器下导轨上导轨冷气孔0 槽1-12 槽背板（12层印制板）冷风扇气流方向VXI 总线的总线的C尺寸尺寸机箱机箱VXI 总线的总线的C尺寸尺寸模块模块VXI 总线的总线的D尺寸尺寸模块模块VXI 总线测试总线测试系统系统V

36、XI 总线系统的几种典型结构总线系统的几种典型结构单单CPU系统系统主控计算机主控计算机CPU仪器仪器1仪器仪器2RAM仪器仪器3VXI 机箱机箱0 槽模块槽模块接口接口软面板软面板多多CPU系统系统主控计算机主控计算机CPU仪器仪器1仪器仪器2RAMHardDiskVXI 机箱机箱0 槽模块槽模块接口接口CPUCPU仪器仪器3仪器软面板仪器软面板分层仪器系统分层仪器系统主控计算机主控计算机CPU仪器仪器1仪器仪器1VXI 机箱机箱0 槽模块槽模块接口接口CPUCPU仪器仪器2命令者命令者从者从者从者从者仪器仪器1仪器仪器2命令者命令者从者从者CPU软面板软面板多机箱系统多机箱系统主控计算机主

37、控计算机CPU仪器仪器1仪器仪器10 槽模块槽模块CPUCPU仪器仪器2命令者命令者从者从者从者从者仪器仪器1仪器仪器2命令者命令者从者从者CPU软面板软面板CPU仪器仪器3仪器仪器4CPU仪器仪器50 槽模块槽模块 仪器仪器6内嵌式独立系统内嵌式独立系统嵌入式嵌入式仪器仪器1仪器仪器2CPUCPU仪器仪器3RAMHardDiskCPU主控主控计算机计算机VXI 机箱与计算机的接口机箱与计算机的接口 RS232C 串行接口串行接口 参见第四讲参见第四讲可程控仪器可程控仪器。计算机计算机CPU仪器仪器1仪器仪器2RAM仪器仪器3CPU仪器仪器1仪器仪器2RAM仪器仪器3VXI机箱机箱RS232C

38、VXIRS232CVXI GPIB 接口接口 参见第四讲参见第四讲可程控仪器可程控仪器。计算机计算机CPU仪器仪器1仪器仪器2RAM仪器仪器3VXI机箱机箱GPIB卡卡CPU仪器仪器1仪器仪器2RAM仪器仪器3GPIBVXIGPIBVXI MXI 总线接口总线接口 MXI（Multi-system eXtension Interface）是美国是美国NI公公司于司于19891989年公布的一种开放的总线结构。年公布的一种开放的总线结构。 MXI总线的特点：总线的特点： 并行总线，宽度为并行总线，宽度为62线。线。 可堆叠连接，最多可连接可堆叠连接，最多可连接32个个VXI机箱。机箱。 电缆最大

39、长度为电缆最大长度为20米。米。 高速，可达到高速，可达到 20MB/s的传输速率。的传输速率。 实时性好。实时性好。计算机计算机CPU仪器仪器1仪器仪器2RAM仪器仪器3VXI机箱机箱MXI卡卡CPU仪器仪器1仪器仪器2RAM仪器仪器3MXIVXIMXIVXI IEEE1394 接口接口 IEEE1394接口是美国接口是美国Apple公司于公司于20世纪世纪80年代提出年代提出的一种高速的的一种高速的串行接口串行接口，最高速率可以达到，最高速率可以达到400Mb/s。 1394接口突出优点是具有热插拔特性，可自动识别，接口突出优点是具有热插拔特性，可自动识别，自动组态，实现即插即用。自动组态

40、，实现即插即用。 另外另外1394接口的成本较低，性价比较好。接口的成本较低，性价比较好。计算机计算机CPU仪器仪器1仪器仪器2RAM仪器仪器3CPU仪器仪器1仪器仪器2RAM仪器仪器3VXI机箱机箱1394VXI1394VXIVXI 总线的组成总线的组成 VXI总线总线是由是由VME总线总线扩展而来，因此扩展而来，因此VXI总线的组成包括总线的组成包括VME总线和扩展的总线两大部总线和扩展的总线两大部分。分。 VME总线总线 VME总线由四种总线组成：总线由四种总线组成： 数据传输总线数据传输总线DTB（75条）条） 32bit数据宽度和数据宽度和4G字节的寻址空间，传输速率可达字节的寻址空

41、间，传输速率可达到到40MB/s。 DTB仲裁总线（仲裁总线（14条）条） 用于多处理器系统，分为用于多处理器系统，分为4种优先级，避免多个模块种优先级，避免多个模块同时使用数据传输总线。同时使用数据传输总线。 优先中断总线（优先中断总线（10条）条） 用于处理中断请求和中断认可等操作，分为用于处理中断请求和中断认可等操作，分为7种优先种优先级的中断。级的中断。 公用总线（公用总线（6条）条） 提供提供16MHz系统时钟以及定义系统初始化和故障监系统时钟以及定义系统初始化和故障监测等功能。测等功能。 VXI扩展的总线扩展的总线 VXI总线在总线在VME总线基础上新增了一些适合于测试总线基础上新

42、增了一些适合于测试系统的总线：系统的总线： 10MHz系统时钟线系统时钟线 模块识别线模块识别线 用于检测模块的存在并指出其物理位置。用于检测模块的存在并指出其物理位置。 TTL触发总线（触发总线（8条）条） 用于仪器的触发、定时和消息传递，最高工作频率用于仪器的触发、定时和消息传递，最高工作频率为为12.5MHz。 ECL触发总线（触发总线（6条）条） 与与TTL触发总线相比，速度快，最高工作频率为触发总线相比，速度快，最高工作频率为5062.5MHz ，且在引脚排列上被交流地隔离，尽可能地避，且在引脚排列上被交流地隔离，尽可能地避免了干扰。免了干扰。 双向星形触发线（双向星形触发线（2条）

43、条） 为模块间的异步通信提供更加准确的定时资源。为模块间的异步通信提供更加准确的定时资源。 本地总线（本地总线（36条）条） 由生产厂家定义，为相邻模块之间提供直接的高速数由生产厂家定义，为相邻模块之间提供直接的高速数据传输，可传输数字和模拟信号。据传输，可传输数字和模拟信号。P2连接器中有连接器中有12条本地条本地总线，可达到总线，可达到250MB/s的传输速率，的传输速率， P3连接器中又增加了连接器中又增加了24条本地总线，可达到条本地总线，可达到1GB/s的传输速率。的传输速率。 100MHz系统时钟线系统时钟线 100MHz同步信号线同步信号线 用来使多个器件相对于用来使多个器件相对

44、于100MHz时钟的上升沿同步，以时钟的上升沿同步，以便在多个器件之间提供非常准确的时间配合。便在多个器件之间提供非常准确的时间配合。 保留线（保留线（7条）条） 留给用户定义。留给用户定义。 电源线电源线 VXI机箱内部可提供机箱内部可提供7种不同的直流电压：种不同的直流电压：+5V、 12V、 24V、 5.2V、 2V。若仪器模块上需要其他的电压，可。若仪器模块上需要其他的电压，可对现有电压进行变换或外接电压源。另外，对现有电压进行变换或外接电压源。另外，VXI机箱的电源机箱的电源系统可为每个模块提供系统可为每个模块提供268W的功率。的功率。 模拟相加线模拟相加线 用来把模拟信号送入背

45、板，并在通路上叠加，即对模拟用来把模拟信号送入背板，并在通路上叠加，即对模拟信号求和。信号求和。 VXI总线系统性能卓越，但价格昂贵，推广应总线系统性能卓越，但价格昂贵，推广应用受到了很大限制，主要应用于航空、航天、军事、用受到了很大限制，主要应用于航空、航天、军事、科研等高端领域。另外，科研等高端领域。另外，VXI总线基于过时的总线基于过时的VME总线，而现代计算机不支持这种总线结构，所以总线，而现代计算机不支持这种总线结构，所以计计算机软硬件技术发展的成就无法在算机软硬件技术发展的成就无法在VXI系统系统中得到中得到应用，无法应用，无法能将主流软硬件的支持以及低成本、高能将主流软硬件的支持

46、以及低成本、高性能等好处带给最终用户。性能等好处带给最终用户。 VXI 总线系统的不足总线系统的不足PXI 总线系统简介总线系统简介 出现于出现于20世纪世纪90年代末，由年代末，由NI公司首先提出。公司首先提出。PXI是是CompactPCI在仪器领域的扩展，并采用了在仪器领域的扩展，并采用了VXI的模块化设计思想。的模块化设计思想。 PCI总线在总线在VME总线之后出现，目前已成为个总线之后出现，目前已成为个人计算机的标准总线，具有很高的传输速率，并有人计算机的标准总线，具有很高的传输速率，并有着广泛的软件和硬件的支持。着广泛的软件和硬件的支持。CompactPCI是封装坚是封装坚固的固的

47、PCI规范，提供了出众的机械完整性，易于装卸规范，提供了出众的机械完整性，易于装卸和维护。和维护。 因此，因此，PXI同时具备了同时具备了VXI和和PCI的优点。的优点。3U尺寸的尺寸的PXI机箱背板机箱背板P2连接器连接器（有有64根根 PCI信号信号线线以及以及PXI扩展的扩展的信号信号线）线） P1连接器连接器（有有32根根 PCI信号信号线线以及以及PXI扩展的扩展的信号信号线）线）系统控制器扩充槽（系统控制器扩充槽（1号号）外设槽（外设槽（2号号8号）号）（注：背板上没有电路器件，是为了便于更好地维护和升级）（注：背板上没有电路器件，是为了便于更好地维护和升级）PXI总线结构总线结构

48、10MHz高精度时钟高精度时钟 各时钟线和各星形触发线长度相等，各时钟线和各星形触发线长度相等，以使延时相等，保证准确的同步触发。以使延时相等，保证准确的同步触发。即即 L1L2 = = L6 = L7 K1 = K2 = = K6 = K7系统控制器系统控制器触发控制器模块触发控制器模块外设模块外设模块外设模块外设模块外设外设模块模块PCI总线总线公用触发总线（公用触发总线（8条）条）L1L2L6L7K6K7K110MHz时钟线时钟线星形触发线星形触发线本地总线本地总线1槽槽2槽槽3槽槽6槽槽7槽槽PXI的本地总线的本地总线星形触发总线（星形触发总线（13条）条）本地总线（本地总线（13条）

49、条）本地总线（本地总线（13条）条）本地总线（本地总线（13条）条）本地总线（本地总线（13条）条）本地总线（本地总线（13条）条）2槽槽3槽槽4槽槽 PXI 本地总线为本地总线为13条，采用菊花链式连接，可以在相邻条，采用菊花链式连接，可以在相邻的两个模块之间高速传输的两个模块之间高速传输TTL数字信号或高达数字信号或高达42V的模拟信号。的模拟信号。PXI机箱机箱PXI机箱机箱带带P1、P2连接器的连接器的PXI模块（插卡）模块（插卡）带带P1连接器的连接器的PXI模块（插卡）模块（插卡）便携式便携式PXI机箱机箱 技术规格的对比技术规格的对比 VXI仪器规范已被证明是非常健壮和成功的，而

50、仪器规范已被证明是非常健壮和成功的，而PXI也也为仪器定义了许多与为仪器定义了许多与VXI规范一样的扩展特性。规范一样的扩展特性。 局部总线局部总线 触发器触发器 时钟时钟 星形总线星形总线VXIPXI12线（线（D尺寸尺寸增加增加24条）条）8个个TTL, 2个个ECL, D尺寸尺寸 增加增加4个个ECL10 MHz(ECL), D 尺寸增加尺寸增加100 MHz (ECL)仅仅D尺寸尺寸13线线8 TTL10 MHz(TTL)每槽每槽1个个D尺寸的尺寸的VXI系统因为其尺寸很大，故很少使用。系统因为其尺寸很大，故很少使用。PXI和和VXI 的比较的比较 成本和性能成本和性能 VXI总线系统

51、性能卓越，但成本高昂且难以集成化，总线系统性能卓越，但成本高昂且难以集成化，使得使得VXI总线没有被测量与自动化之外的主流行业所采用。总线没有被测量与自动化之外的主流行业所采用。 而而PXI总线总线采用的是主流的采用的是主流的PCI总线总线技术，技术，PCI总线在台总线在台式式PC机中应用广泛，技术成熟，因此机中应用广泛，技术成熟，因此PXI产品的设计、制产品的设计、制造更加容易，并能从规模经济中获得成本优势。同时，造更加容易，并能从规模经济中获得成本优势。同时，PXI总线系统可以很容易地将最新的总线系统可以很容易地将最新的PC技术引入到技术引入到PXI系系统中，使用最新的处理器获得更好的性能

52、。统中，使用最新的处理器获得更好的性能。 传输速率传输速率 VXI总线基于总线基于VME总线，而总线，而VME总线采用的解释执总线采用的解释执行机制（基于消息机制的标准通讯）无法完全利用行机制（基于消息机制的标准通讯）无法完全利用VXI总总线的可用带宽，标准线的可用带宽，标准VME总线的传输速率只有总线的传输速率只有40MB/s。而而PXI总线基于总线基于PCI总线，传输速率为总线，传输速率为132MB/s528MB/s，所以所以PXI总线更有优势。总线更有优势。 体积体积 PXI总线系统基于总线系统基于CompactPCI，具有比，具有比VXI系统更小系统更小巧、轻便的体积和更紧凑、牢固的结

53、构，使用维护更加方巧、轻便的体积和更紧凑、牢固的结构，使用维护更加方便、灵活。在所有的开放式结构的仪器系统中，便、灵活。在所有的开放式结构的仪器系统中，PXI系统系统所需的空间是最小的。所需的空间是最小的。 电磁干扰（电磁干扰（EMI） 为了使系统中不同模块间辐射干扰的相互影响最小，为了使系统中不同模块间辐射干扰的相互影响最小，VXI 规范要求所有规范要求所有VXI模块都封装在金属屏蔽装置中，取模块都封装在金属屏蔽装置中，取得了很好的电磁兼容（得了很好的电磁兼容（EMC)性能，但对有些不需要屏蔽性能，但对有些不需要屏蔽的模块也加以屏蔽就无谓地增加了成本。而的模块也加以屏蔽就无谓地增加了成本。而

54、PXI规范也明规范也明确规定确规定PXI产品必须符合规定的辐射要求，包括欧洲的产品必须符合规定的辐射要求，包括欧洲的CE规范。但是规范。但是PXI规范不要求每个模块都有金属屏蔽装置，规范不要求每个模块都有金属屏蔽装置，而是根据实际需要来加以屏蔽，尽可能地降低了成本。而是根据实际需要来加以屏蔽，尽可能地降低了成本。 电源供应电源供应 VXI在背板上为仪器开发人员定义了大量的额外电源在背板上为仪器开发人员定义了大量的额外电源（+ +5,- -5.2, - -2, 12, 24 V）以供设计之用。但是在许多情）以供设计之用。但是在许多情况下这些电源并没有被使用，这些多路输出电源加大了况下这些电源并没有被使用，这些多路输出电源加大了VXI系统的成本和热耗。而基于系统的成本和热耗。而基于PCI的的PXI规定的电压更适规定的电压更适合于先进的低功率集成