《电子测量技术》课件-第11章

第11章智能仪器与自动测量技术11.1智能仪器与自动测量技术的发展历史11.2智能仪器与个人仪器11.3自动测试系统11.4虚拟仪器11.5网络化仪器与远程测控技术

11.1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。

在此基础上,为满足重复工作量大、可靠性要求高、测试速度要求快以及测试人员难于停留的场合的测试,诞生了早期的自动测量系统,也称为第一代自动测试系统。这类系统往往是针对某项具体测试任务而设计的。由于缺乏仪器间的接口标准,因此仪器与仪器、仪器与计算机之间的接口问题是系统组建者为满足测试目标而自行努力解决的,如数据自动采集系统、产品自动检验系统、自动分析及自动检测系统等。同人工测量相比,这种自动测试系统有很大的优越性,至今仍然在使用,但其最大的不足是适应性差,即缺乏通用性,当系统比较复杂、需要程控的器件较多时,研制工作量大,费用高。

2.以标准接口和总线为主要特征的阶段

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IEEE488总线。GPIB因它的灵活和适用性好得到了广泛使用,成为测量仪器的基本配置,这些仪器既可以单独使用,也可以通过GPIB总线灵活方便地组合成自动测量系统。

1987年,惠普(HP)、泰克(Tektronix)和Wavetek等5家

仪器制造商联合推出了新的通用接口总线VXI,它是VME总线标准在仪器领域的扩展。VXI总线系统像GPIB系统一样,可以把不同类型、不同厂商生产的插件式仪器和其他插件式器件组成测试系统。VXI系统广泛采用图形用户接口与开发环境,支持“即插即用”,具有小型便携、高速工作、灵活适用和性能先进等突出优点。经过十余年的发展,VXI产品的生产厂商已达百余家,其产品超过千余种,应用系统上万套,广泛应用于通信、航空、电子、汽车、医疗等设备的测试。

3.基于PC的仪器阶段

在电子测量领域,计算机与仪器之间的相互关系也在发生改变。在早期的自动测量系统中,仪器占据主要位置,而计算机系统起辅助作用;到了GPIB仪器和VXI仪器阶段,计算机系统的地位越来越重要。基于这种趋势,出现了“计算机即仪器”的测试仪器新概念,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,与个人计算机内部总线相连,在应用软件的控制下共同完成测试测量任务。强有力的计算机软件代替了传统仪器的

某些硬件,计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析,这样仪器中的一些硬件从系统中消失了,从而大幅降低了仪器的成本,缩短了研制周期,方便了升级更新,在组成测试系统和网络方面展现出了很大潜力。

虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。

互联网技术在电子测量领域的应用,进一步改变了测量技术的以往面貌,打破了在同一地点进行采集、分析和显示的传统模式,实现了分布式测量及资源共享,标志着自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个崭新方向。

11.2智能仪器与个人仪器

11.2.1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,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。

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。

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、仪器总线、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11.1所示。

图11.1智能仪器的基本结构

2)智能仪器的软件组成

智能仪器的软件是其灵魂,整个测量工作是在软件的控制下进行的。没有软件,智能仪器就无法工作,软件是智能仪器自动化程度和智能化程度的主要标志。智能仪器的软件

部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。其中,监控程序是核心,主要完成的功能有:通过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数;通过控制I/O接口电路对仪器进行预定参数的设置、数据的采集;对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理;以数字、文字、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果等。

11.2.2个人仪器

个人仪器是在智能仪器和广泛普及应用的个人计算机的基础上而开发出的一种崭新的仪器,它与独立仪器完全不同,其基本构想是将原智能仪器中测量部分的电路以附加插件或模块的形式插入个人计算机的总线插槽或扩展箱内,而将原智能仪器中所需的控制、存储、数据处理、显示和操作等任务都移交给个人计算机来承担,与计算机一起构成自动测试系统。这样通过共用个人计算机的键盘、显示器、存储器、中央处理器、机箱、电源等部件,只需选择不同的仪器插卡,就可实现不同功能的智能仪器。图11.2示出了一种在微机内部的扩展槽及微机外部的插件箱中都插入仪器卡的混合式个人仪器结构。

图11.2个人仪器系统的构成

11.3自动测试系统

11.3.1自动测试系统的组成自动测试系统包括以下五部分:(1)控制器:主要是计算机(如小型机、个人计算机、微处理机、单片机等),是系统的指挥及控制中心。(2)程控仪器设备:包括各种程控仪器、激励源、程控开关、程控伺服系统、执行元件,以及显示、打印、存储记录等的器件,能完成一定的具体的测试及控制任务。

(3)总线与接口:是连接控制器与各程控仪器、设备的通路,完成消息、命令、数据的传输与交换,包括插卡、插槽及电缆等。

(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。

图11.3为典型的电压和频率参数的自动测试系统图11.3典型的GPIB自动测试系统

11.3.2自动测试系统的总线

1.GPIB总线

GPIB总线又称IEEE488总线。

GPIB总线有点像一般的计算机总线,不过在计算机中其各个插卡电路板通过主板互相连接,而GPIB系统则是各独立仪器通过标准接口电缆互相连接。GPIB标准包括接口与总线两部分,接口部分是由各种逻辑电路组成的,与各仪器装置安装在一起,用于对传送的信息进行发送、接收、编码和译码;总线部分是一条无源的24芯电缆,用作传输各种消息。GPIB标准接口总线系统结构与连接如图11.4所示。

图11.4GPIB标准接口总线系统结构与连接

总线上传递的各种信息统称为消息。由于带标准接口的智能仪器按功能可分为仪器功能和接口功能两部分,因此消息也有仪器消息和接口消息之分。所谓接口消息,是指用于

管理接口部分,完成各种接口功能的信息,又称为命令,它由控者发出而只被接口部分所接收和使用,如总线初始化、对仪器寻址、将仪器设置为远程方式或本地方式等。仪器消息是与仪器自身工作密切相关的信息,又称为数据,它只被仪器部分所接收和使用,虽然仪器消息通过接口功能进行传递,但它不改变接口功能的状态,如编程指令、测量结果、机器状态和数据文件等。GPIB接口消息和仪器消息的传递见图11.5。

图11.5GPIB接口消息和仪器消息

2.VXI总线

为适应测量仪器从分立的台式和机架式结构向小型化、便携化、模块化方向发展,满足对更高的测试速度、更灵活高效的低成本测试的需求,一些著名的测试和测量公司于

1987年联合推出了一种新的、完全开放的、适用于多供货厂商环境的模块式仪器总线标准——VXI总线结构标准。它将测量仪器、主机架、固定装置、计算机及软件集为一体,集中了智能仪器、个人仪器和自动测试系统的很多特长,其性能全面优于IEEE－488总线系统,而且使自动测试系统的尺寸大大缩小,测试速度大大提高,满足目前自动测试系统向标准化、自动化、智能化、模块化及便携式方向发展的要求,被称为新一代仪器接口总线,标志着测量和仪器系统正进入一个崭新的阶段。

VXI总线在系统结构及软、硬件开发技术等各方面都采纳了新思想及新技术,有以下一些主要特点:

(1)测试仪器模块化。VXI系统的全部器件都采用插件式结构,插入以VME总线作为机箱主板总线的机箱内,插件和供插入插件的主机架尺寸满足严格的要求。VXI总线仪器主机架结构如图11.6所示。

(2)具有32位数据总线,数据传输速率高。

(3)系统可靠性高,可维修性好。

(4)电磁兼容性好。

(5)通用性强,标准化程度高。

(6)适应性、灵活性强,兼容性好。

图11.6VXI总线仪器主机架结构图

图11.7是选用C型主机架的HP75000VXI仪器系统示意图。图11.7HP75000VXI仪器系统示意图

3.PXI总线

PXI总线标准是美国国家仪器公司(NI)于1997年推出的测控仪器总线标准,它是以目前广泛使用的PCI计算机局部总线(IEEE1014－1987标准)为基础的模块仪器结构,目标是在PCI总线基础上提供一种技术优良的模块仪器标准,以求在采用GPIB的PC基系统与VXI系统之间寻求复杂性与经济性的折中。

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。作为一种开放的仪器结构,它在相同插件底板中提供不同厂商的互连与操作,以比较低的价格获得了高性能模块仪器,是VXI以外的另一种选择。

由于利用了商品化的PC和数字技术,PXI仪器能够提供自动测试设备独具的高性能,同时具有尺寸小、成本低以及灵活易用等特点,使之适用于众多领域,如现场测量和高档制造测试等。

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。它以Windows98/2000为系统软件框架,通过主控制器上安装的工业标准应用编程接口,如LabVIEW、LabWindows/CVI、VisualBasic、VisualC/C++或者BorlandC++等进行编程,以实现工业应用。

选择哪种总线技术是用户在组建测控系统时首先遇到的问题,这取决于具体的应用,取决于应用项目的复杂程序、要求的速度及用户的预算等。从价格上考虑,优先选择GPIB、PXI系统;而对于更大型、更复杂、要求测试速度更高的应用,可选择VXI系统。

4.现场总线

在工业测试与自动化控制等领域,需要一种分布式的网络,它必须具有组网简单灵活、性能稳定可靠、通信实时快捷、成本低廉的特点,并能够很好地适应现场复杂甚至苛

刻的环境,包括温湿度、电源波动、工业及电磁干扰等。通常用现场总线来满足这种通信组网需求。

现场总线具有以下优势。

(1)降低费用。

(2)互操作性好。

(3)控制更加可靠灵活。

(4)提高系统安全性。

CAN总线结构如图11.8所示。CAN总线主要具有以下特点。图11.8CAN总线结构

(1)多主竞争式总线结构。

CAN总线上的任意节点可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息而不分主次,可灵活地实现节点间点对点、点对多点及全局广播通信,从而方便地构成分布式现场通信网络。

(2)简单的双线传输。

总线由CAN_high和CAN_low两条物理信号线共同构成一组差分信号线,数据的传递和接收以差分电平信号的方式在总线上进行异步传输。传输介质采用平常的双绞线或同

轴电缆,无特殊要求。

(3)网络容量大。

CAN总线上的单口节点数理论上可达2000个,实际系统可达110个。

(4)实时性好,并可分优先级。

CAN总线采用短帧结构,每一帧数据字段最多为8个字节,传输时间短、受干扰的概率低,实时性好。

CAN总线网络上的节点还可分成不同优先级。

(5)可靠性高。

CAN总线每帧都有CRC校验及其他检错措施,以相应的错误处理机制(如自动重发)保证数据极低的出错率,适于在高噪声干扰环境下使用。

CAN节点在错误严重的情况下,可切断与总线的联系,使总线上的其他操作不受影响。

总线收发器与主机可采用光电隔离电路,以此提高抗干扰能力及系统的可靠性。

(6)数据速率、通信距离灵活。

CAN总线既支持近距离高速通信(40m,1Mb/s),也支持远距离低速通信(10km,≤5kb/s),以此适应不同现场环境的需求。

(7)成熟、成本低。

(8)接口简单,编程方便,很容易构成用户系统。

11.4虚拟仪器

11.4.1虚拟仪器的概念与特点1.虚拟仪器的概念虚拟仪器(VI)是电子测量技术与计算机技术结合更加紧密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。

测试仪器仪表的结构主要有以下四种类型。

1)独立仪器

2)与计算机连接的仪器

3)分布式仪器

4)基于PC的测试仪器

2.虚拟仪器的特点

与传统仪器相比,虚拟仪器具有以下特点:

(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)它强调“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)虚拟仪器具有友好的图形化用户界面,可实现人机交互。

(4)虚拟仪器更新速度快,可维护性好。

(5)它采用模块化结构,系统具有良好的开放性和可扩展性。

11.4.2虚拟仪器的架构

1.虚拟仪器的硬件构成

虚拟仪器的硬件架构如图11.9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。

图11.9虚拟仪器的硬件架构

在性能上,随着A/D转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展,DAQ的采样速率已

达1GHz,精度高达24位,通道数多达64个,并能任意结合数字I/O、模拟I/O、计数器/定时器等通道。目前,许多仪器厂家生产了大量用于构建虚拟仪器的DAQ功能模块可供用户选择,如NI的PCI6013/6014等。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11.10所示。

图11.10PCDAQ系统

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如图11.11所示,包括应用软件开发环境、仪器驱动器、VISAAPI三部分。

图11.11虚拟仪器软件结构

仪器驱动器(设备驱动软件)是完成对特定仪器硬件进行控制与通信的驱动程序,是连接硬件与软件间的纽带和桥梁。虚

VISA是VXIPlug&Play(VPP)规范规定的生成虚拟仪器的软件结构和模式,它包括统一的仪器控制结构,与操作系统、编程语言、硬件接口无关的应用程序编程接口等。

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、VisualBasic等。在这些传统的语言编程环境中,面向仪器的交互式C语言开发平台LabWindows/CVI以其简单直观的编程方式、程序代码的自动生成,以及众多源码级的设计驱动程序等优点,为用户快速设计自己的仪器系统提供了最佳环境,是目前国内应用较多的软件编程环境。

1)LabVIEW

LabVIEW是实验室虚拟仪器工程平台的缩写,是由美国国家仪器(NI)公司于1986年推出的世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型虚拟仪器软件开发工具,其目的是简化程序的开发工作,以使用户能快速、简便地完成自己的工作。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11.12和图11.13所示。

图11.12随机信号发生器的前面板

图11.13随机信号发生器的流程图

(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。

综上所述,对于建立虚拟仪器来说,LabVIEW提供了一个理想的程序设计环境,大大降低了系统开发难度及开发成本,同时也增强了系统的灵活性。当测试需求发生变化时,测试人员可以根据具体情况,对面板和流程图做必要的补充、修改和调整,从而很快地适应变化了的测试需要。

2)LabWindows/CVI

另一常用的虚拟仪器应用软件开发环境是NI的LabWindows/CVI。LabWindows/CVI是基于ANSIC的交互式C语言集成开发平台,它将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据获取、分析和显示的测控专业工具有机地结合起来,它的集成开发平台、交互式编程方法、功能面板和丰富的库函数大大增加了C语言的功能,为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、数据采集系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。

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,使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。

(5)运用方便灵活的程序调试手段。

总之,与LabVIEW一样,LabWindows/CVI不失为一种功能强大、使用方便、编程效率高的Windows下的虚拟仪器编程环境,但同时它又可使用户能对程序的工作细节进行控制。在此环境下开发用户程序的各个阶段都有强大的工具可以使用,用户几乎不需直接写代码,而是由各种工具产生,但用户又可以具体地控制程序的结构和细节,因而在国内外的自动测试系统软件开发中得到了广泛的应用。

11.4.3虚拟仪器的设计开发

1.测试需求的制订

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.虚拟仪器的硬件选择

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11.1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。

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。它是仪器驱动程序的主体,为仪器驱动程序的实际源代码。

(2)交互式操作接口。它提供了一个图形化的功能面板,用户可以在这个图形接口上管理各种控制,改变每一功能调用的参数值。

(3)编程接口。它是应用程序调用驱动程序的软件接口,通过此接口可方便地调用仪器驱动程序中所定义的所有功能函数。不同的应用程序开发环境有不同的软件接口。

(4)I/O接口。它提供了仪器驱动器与仪器硬件的通信能力。

(5)功能库。它描述了仪器驱动器所能完成的测试功能。

(6)子程序接口。它使得仪器驱动器在运行时能调用其他所需要的软件模块(如数据库、FFT等)。

4.虚拟仪器软面板的设计

虚拟仪器软面板通常由主面板和副面板组成。主面板是主要的用户界面,在执行过程中始终打开。它可能处于非激活态,但在应用过程中必须保持打开并且是可见的。副面板

是主面板调用的面板。主面板和副面板具有不同的特点和格式,但所有软面