第二部分 现代电子测量技术20141128课件

第八章

智能仪器与自动测量技术8.1智能仪器与自动测量技术的发展历史8.2智能仪器与个人仪器8.3自动测试系统8.4虚拟仪器8.5网络化仪器与远程测控技术12/16/202218.1智能仪器与自动测量技术的发展历史

1.单机及专用系统阶段 20世纪70年代，随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以及计算机技术与电子测量技术的结合，出现了以微处理器为基础的智能仪器。它具有键盘操作、数字显示、数据存储与简单运算等功能，可实现自动测量，如智能化DVM、智能化RLC测量仪、智能化电子计数器、智能化半导体测试仪等。12/16/20222

2.以标准接口和总线为主要特征的阶段 进入20世纪70年代末期，标准化的通用接口总线出现了，因而可利用GPIB、VXI等仪器系统总线将一台计算机和若干台电子测量仪器连接在一起，组成自动测试系统。在这种自动测试系统中，各设备都用标准化的接口和统一的无源总线以搭积木的形式连接起来。 在这些仪器总线中，最具代表性的是GPIB总线和VXI总线。GPIB总线于1972年由美国惠普公司（HP，Agilent公司的前身）推出，后为美国电气与电子工程师学会（IEEE）及国际电工委员会（IEC）接受，又称IEEE-488总线。12/16/202238.2智能仪器与个人仪器

8.2.1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，是内含微型计算机或微处理器,能够按照预定的程序进行一系列测量测试的测量仪器，并具有对测量数据进行存储、运算、分析判断、接口输出及自动化操作等功能。12/16/20225

1.智能仪器的特点

仪器与微处理器相结合，使得软件替代了许多传统的硬件逻辑，带来更小的体积、更高的集成度、更直观方便和智能的显示与操作、更有效的数据存储处理与通信。同传统仪器相比，智能仪器具有以下几个突出特点： （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处理功能。 （3）实现仪器功能多样化。 （4）智能化、自动化程度高。12/16/20226

2．智能仪器的基本结构 智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。

1）智能仪器的硬件结构 智能仪器的硬件部分主要包括CPU、存储器、内部总线、各种I/O接口、通信接口、人机接口（键盘、开关、按钮、显示器）等，如图8.1所示。智能温控仪表12/16/20227图8.1智能仪器的基本结构12/16/20228(一)微机化数字存贮示波器1.组成

微机化数字存贮示波器的原理框图如图8.2所示。它包括控制、取样存贮、读出显示三大部分,由数据总线、地址总线、控制总线来将他们连成一个有机整体。控制部分由CPU、RAM和ROM、键盘等组成，其作用是实现智能控制。取样存贮部分又叫取样通道，由采样保持、A/D转换、I/O口等组成，作用是将被测波形转换成数字量存入存贮器中。显示部分除示波器通用的那部分外，必然有I/O、D/A等环节，实现对被测信号的复现。

智能仪器举例12/16/202210

2.原理数字存贮示波器的工作原理分两步，一步是取样存贮（写入），另一步是读出显示。(1)取样存贮

在触发信号作用下和在X通道的控制下（或由计算机控制，如图中虚线所示）产生取样脉冲，则被测信号被取样保持电路所采样，然后经A/D转换成数字量，再依次存入RAM之中，且每个地址的内存只存一个数据。这一过程可见图8.3所示。通过取样存贮，便把被测信号记忆下来了。存贮器中存的数据是供Y轴的，而存贮器地址（也可用一计数器计的数字）则是供X轴的。

12/16/202212例如，以观测正弦波为例，图8-5给出了数字存贮示波器的取样和存贮过程，而图8-6则给出了数字存贮示波器的读出和显示过程。由图可见，扫描信号是线性上升的阶梯信号，也是与取样值成正比的阶梯信号，则CRT上显示不连续的亮点。当取样点足够多时，亮点是连续的。对测试波形显示的点数与RAM的容量有关，一般为256、512、1024等。而CRT的显示长度X是一定的，一般为10cm。因此，计算机根据设定的扫描速度、显示长度X和显示点数n，就可以计算出取样速度，并通过计算机控制取样脉冲形成电路。例如，X=10.24cm，n=1024，设定扫描速度为2ms/cm，则取样速度为50点/ms。12/16/202214

数字存贮示波器的取样存储和读出显示速度，都是可以任意选择的。

8-5取样存贮过程图8-6取样读出过程12/16/202215

它可以高速存入、低速读出，也可以低速存入高速读出，使用十分灵活方便。前者适于测高频信号，后者适于测低频信号。即使是观测甚低频信号，数字存贮示波器也不会象通用示波器那样因余辉时间不够而出现波形闪烁。数字存储示波器可以长期存储波形，可进行负延迟，多方式显示（自动抹迹、卷动），数据处理方便（参数计算，与打印机、绘图仪等接口进行数据处理），便于观测单次或缓慢信号。12/16/202216

8.2.2个人仪器

图8.7示展出了个人计算机仪器结构。8.7个人仪器12/16/202217

外总线又称通信总线，它用于微计算机仪器与外部系统之间的通信联系。目前所通用的标准有RS_232C、GPIB、CAMAC等。

RS_232C串行接口是微机系统中常用的外部总线标准接口，它以串行方式传送信息，是用于数据通信设备（DEC）和数据终端设备（DTC）之间的串行接口总线。RS_232C串行接口总线适用于：设备之间的通信距离不大于15m；传送速率最大为20kb／s；负逻辑电平:“1”:-5V~-15V,“0”:+5V~+15V。(CRT、打印机与计算机之间接口)采用RS_232C总线进行串行通信时需外接电平转换电路（MAX232）。常用的串行通信接口芯片有Intel8251A、ZilogSIo、MotorolaMC6850和INS8250ACIA等8.2.3外总线12/16/202218CAMAC是一个把信号连接到计算机的标准装置,它常常被用于连接实验设备,插件和用于数据获取控制的计算机.CAMAC产生于1966年到1969年,在1970年早期获美国NationalInstrumentationMethod(NIM)committee认可.起初CAMAC只是一个名字并没有附加的意思,后来由于它的卓越表现人们把它理解为:ComputerAutomatedMeasurementAndControl.由于CAMAC的方便适用及它可以多机箱多插件工作,即适用于小规模的实验又适用于大中规模的多参数实验,它几乎在全世界每一个核物理实验室都得到了广泛的使用.8.2.3外总线（续）12/16/202220内总线又称板级总线或系统总线，它是微机系统内部各印刷板插件之间的通信通道。从功能上可分为数据总线、地址总线及控制总线三种，如图8.8所示。8.2.4内总线8.8智能仪器内总线系统示意图12/16/202221

（4）测试软件：为了完成系统测试任务而编制的、在控制器上运行的各种应用软件，如测试主程序、驱动程序、数据处理程序，以及输入/输出软件等。 （5）被测对象：随测试任务的不同，被测对象往往是千差万别的，由操作人员通过测试电缆，接插件、开关等与程控仪器和设备相连。印制板在线测试系统充电器电源自动测试系统(充电器ATE测试)

12/16/2022238.9自动测试系统通常把在最少人工参与下能自动进行测量、处理、显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统用于完成硫化，硝化，聚合，缩合等过程的压力容器化工反应釜采样保持电路12/16/202224

8.3.2自动测试系统的总线 1.GPIB总线 GPIB总线于1972年由美国惠普公司（HP，Agilent公司的前身）推出，后为美国电气与电子工程师学会（IEEE）及国际电工委员会（IEC）接纳，又称IEEE-488总线。GPIB总线结构与连接如图10.4所示。GPIB标准插座12/16/202226图8.11GPIB标准接口总线系统结构与连接12/16/202227

如图所示，在一个GPIB标准接口总线系统中，要进行有效的通信联络，至少有“讲者”、“听者”、“控者”三类仪器设备，控者、讲者、听者被称为系统功能的三要素。12/16/202228

2.VXI总线特点

（1）模块式结构；（2）小型便携；（3）数据传输速率高；VXI总线底板数据传输速率理论上可达40MByte/s，本地总线的数据传输速率可达1GByte/s；（4）可靠性高，可维护性好；（5）适应性、灵活性强。

12/16/2022302.VXI总线VXI测试系统采用器件→模块→机箱的方式构成系统；VXI系统的全部总线均集中在多层印刷电路板内，模块与VXI总线通过连接器连接；电源和冷却散热装置为机箱内的全部器件共用；良好的电磁兼容性。12/16/202231MXIINST#1INST#2RAM各公司为仪器系统设计了：独立的机箱、独立的电源、专门的仪器总线独立总线的模块式仪器系统12/16/202232典型VXI模块12/16/202233VXI总线模块12/16/202234VXI主机箱VXIorVME背板未屏蔽C尺寸模块双宽度带屏蔽的D尺寸模块电源冷确系统12/16/202235VXI主机箱VXI主机箱为保证各模块恰当地连接到底板而设；底板的构成：它是一块印制电路板，有13个插槽（0～12），其上还有：P1、P2、P3三个96脚J型连接器和信号通路；冷却、通风设备；电源；每个连接器分成A、B、C三行的欧式结构，每行32个引脚；P1是各种模块必须的，P2、P3可选。12/16/202236VXI总线测试系统组建举例例：火炮动态参数测试系统炮口冲击波等

火炮动态参数主要有:炮口弹丸初速

自动机线位移膛内压力后坐加速度12/16/202237基于VXI总线技术的RWR(雷达告警设备)自动测试诊断系统构建

采用VXI总线技术组建了一个RWR自动测试诊断系统。该系统是一个以工控机为核心，以VXI总线仪器为依托，以适配器为桥梁，集控制、数据采集和处理、存储、分析、显示、打印于一体的系统。它既可以完成RWR整机性能、功能的测试，又能单独对每一个外场可更换单元(LRU)进行定性和定量检测及故障诊断。测控计算机；

VXI总线仪器及模块；GPIB总线仪器及附件；接口适配器；连接电缆；12/16/202238基于VXI总线技术的RWR(雷达告警设备)自动测试诊断系统构建

系统软件部分以WindowsXP为操作系统、以GPTS3.0为测试程序开发和运行环境、以INCON2.0为故障诊断推理平台进行设计，负责完成测试和诊断流程的管理、程序的运行、数据的分析、结果的记录等功能。系统软件采用模块化设计，主要包括：系统管理模块、系统自检自校模块、性能功能测试模块、故障诊断模块、仪器驱动模块、数据库与知识库模块、交互式操作手册模块等12/16/202239

3.PXI总线PCIextensionforInstrumentation 1）PXI总线的特点 PXI总线是PCI总线的增强与扩展，并与现有工业标准CompactPCI兼容。 2）PXI软件特性 为了充分发掘PXI在提供高度集成化的测控平台方面的潜力，PXI选用开放式软件体系结构，用以定义出一个与不同类型硬件相连的公共接口。12/16/202240PXI混合测试系统

12/16/2022418.4虚拟仪器

8.4.1虚拟仪器的概念与特点 1.虚拟仪器的概念 虚拟仪器（简称VI）是电子测量技术与计算机技术更加紧密结合产生的一种新仪器模式，是指以通用计算机作为核心硬件平台，配以相应的硬件模块作为信号输入/输出接口，利用仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板和相应的功能，通过鼠标或键盘交互式操作完成相应测试测量任务的仪器。12/16/202242

2.虚拟仪器的特点 与传统仪器相比，虚拟仪器有以下特点： （1）它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器，融合了计算机强大的硬件资源。 （2）强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色。 （3）友好的图形化用户界面，可实现人机交互。 （4）更新速度快，可维护性好。 （5）采用模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。12/16/202243

8.4.2虚拟仪器的架构 1.虚拟仪器的硬件构成 拟仪器的硬件架构如图10.8所示。数据的采集通过输入/输出接口设备来完成。输入/输出接口设备可以是以各种PC为基础的内置数据采集插卡、通用接口总线（GPIB）卡、串口、VXI或PXI总线接口模块等设备，或者是其他各种可编程的外置测试设备，分别构成DAQ、GPIB、VXI、PXI等标准体系结构的虚拟仪器，其中最常见的是数据采集（DAQ）卡。12/16/202244图8.15虚拟仪器的硬件架构12/16/202245

在PC计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等，如图8.16所示。12/16/202246图8.16PC-DAQ系统12/16/202247

2.虚拟仪器的软件结构 硬件平台是虚拟仪器的基础，仪器用软件是其核心。基本硬件确定后，要使虚拟仪器具有用户自行定义的功能与界面，就必须有功能强大的仪器用软件。VXI总线虚拟仪器的软件结构示意图如图8.17所示，包括应用软件开发环境、仪器驱动器、VISAAPI三部分。12/16/202248图8.17虚拟仪器软件结构12/16/202249

3.虚拟仪器应用软件开发环境 目前，市场上可供选择的面向工程的虚拟仪器软件开发平台比较多，其大致可分为两类：一类是图形化编程环境，如原HP公司的HPVEE和NI公司的LabVIEW；另一类是传统的程序语言编程环境，如NI公司的LabWindows/CVI，以及微软的VisualC、Visual

Basic等。虚拟仪器形式的信号合成与分解实验

12/16/202250图8.18虚拟仪器简介

12/16/202251图8.19虚拟仪器的结构

软面板计算机12/16/202252

1）LabVIEW 其主要特点有： (1)可视化图形开发环境，流程图式的编程，简单易学、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，分别如图所示。12/16/202253图8.20随机信号发生器的前面板12/16/202254图8.21随机信号发生器的流程图12/16/202255

(2)LabVIEW提供了丰富的程序调试功能。 (3)结构化、模块化编程，可移植性好。 (4)库函数丰富，开放性、可扩展性好。 2）LabWindows/CVI 具体来说，它具有以下特点： (1)采用集成开发平台、开放式体系结构。 (2)采用可视化编程，设计用户图形界面轻松自如。 (3)采用交互式编辑方法，可自动生成程序源代码。 (4)运用丰富的库函数，使编程工作大大简化。12/16/202256

(5)运用方便灵活的程序调试手段。

8.4.3虚拟仪器的设计开发 1.测试需求的制定 明确用户想解决什么问题，即仪器要完成哪些功能，以及用户对面板操作上的要求，从而确定面板需要什么控制部件和指示部件，并进行面板布局构思 2.硬件选择 虚拟仪器的硬件一般分为基础硬件平台和仪器硬件设备。 采用不同硬件体系结构的虚拟仪器系统性能比较如表10.1所示，用户必须根据测试功能与性能需求、资金情况等进行合理的选择。12/16/202257表8.1不同体系结构虚拟仪器的系统性能12/16/202258

3.仪器驱动器的开发 通常，仪器驱动器包括以下几个部分： (1)函数体。 (2)交互式操作接口。 (3)编程接口。 (4)I/O接口。 (5)功能库。 (6)子程序接口。12/16/202259

4.虚拟仪器软面板的设计 软面板的具体设计应注意以下几点： (1)软面板应设计成能在不同平台和计算机显示器上完成各种操作，所以必须保证每个软面板在不同平台和不同分辨率的显示器之间是可移植的。 (2)字体选择应基于可移植性和易读性。 (3)