《智能化仪器原理及应用》课件第8章.pptx
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1、第8章 新型智能仪器第8章 新型智能仪器8.1个人仪器个人仪器8.2虚拟仪器虚拟仪器8.3现场总线仪器现场总线仪器8.4网络化网络化仪器仪器第8章 新型智能仪器8.1 个人个人仪器仪器8.1.1 个人个人仪器原理及特点仪器原理及特点 1.个人个人仪器及其发展过程仪器及其发展过程个人仪器(也称PC仪器)是在智能化仪器发展基础上出现的又一种新型微机化仪器,它是个人计算机与电子仪器相结合的产品。这类仪器的基本构想是将原智能仪器仪表中测量部分的硬件电路以附加插件或模板的形式插入到PC机的总线插槽或扩展机箱中,而将原智能化仪器中的控制、存储、显示和操作运算等软件任务都移交给PC机来完成,这就是个人仪器。
2、由于它充分利用了PC机的软件和硬件资源,因而相对于传统的智能仪器来说,极大地降低了成本,方便了使用,提高了可靠性,显示出广阔的发展前景。在此基础上,若将多种测控仪器插件或模板组合在一个PC系统中,还可以构成称之为个人仪器的系统,用它来代替价格昂贵的GP-IB接口测试系统的工作。第8章 新型智能仪器1)个人仪器的主要形式个人仪器及系统的结构大体上可以分为以下几种形式:(1)内插式。它把仪器插件卡直接插入到PC机内部总线扩展槽内,如图8-1(a)所示。这种结构比较简单、实现方便,成本最低,但难以满足重载仪器对电流功率和散热的要求,机内干扰也比较严重;在组成个人仪器时,由于没有专门为仪器仪表定义的总
3、线,各仪器之间不能直接通信,模拟信号也无法经总线传递。因此,这种形式的个人仪器及系统的性能不可能很高。第8章 新型智能仪器(2)外插式。克服内插式缺点的办法之一是定义新的仪器总线,并将仪器插件移到个人计算机外的独立机箱中,如图8-1(b)所示。HP公司6000系列模块式PC仪器系统就是这种形式的代表产品。这种形式个人仪器的特点是:具有独立的机箱和独立的电源,使仪器避免了微机的噪声干扰;设计了专门的仪器总线PCIB,组成仪器系统很方便;更换系统中与微机配合的接口卡,可适应于多种个人计算机机种,并且仪器模块和接口电路中也使用了微处理机。因而HP6000系统是一种功能很强大的多CPU分布系统。第8章
4、 新型智能仪器图8-1个人仪器的结构形式第8章 新型智能仪器(3)VXI总线仪器系统。上述形式的个人仪器及系统以它突出的优点显示出强大的生命力。然而,由于各厂家生产的仪器没有采用统一的标准,用户在组成个人仪器系统时不能将不同厂家的仪器模块和插件插在同一主机箱内,这就妨碍了个人仪器的发展。于是,就发出了标准化的呼声。VXI仪器系统就是在这种形式下应运而生的。1987年7月,HP、Tektronix等五家电子仪器公司提出了用于仪器模块式插卡的新型互联标准VXI总线。VXI总线是在计算机使用的一种VME总线基础上发展起来的。第8章 新型智能仪器2)个人仪器的主要特点个人仪器一般具有以下特点:(1)成
5、本低。在个人仪器系统中,每个测试功能不是由整机,而是由插件完成的。每个插件不必具有智能仪器所需的微处理器、显示装置、键盘、机箱等部件,因而制造成本大大降低。(2)使用方便。在个人仪器中,标准的仪器功能写入操作软件中,并备有简单的清单(Menu)。用户根据清单进行选择,无需编制程序就能完成各种测试任务,操作方便。第8章 新型智能仪器(3)制造方便。仪器插件卡与个人计算机之间的关系远不如智能仪器中微处理器与测量部件之间的关系密切,而价廉物美的个人计算机可以购买,仪器制造厂可集中精力研制、生产测试插件卡,生产周期短,制造方便。(4)实时交互作用。个人仪器是通过微机的系统总线连接的,因而相互间可进行实
6、时的交互作用。例如,可让一台仪器去触发另一台仪器,使得在时间上相互关联;而在GP-IB系统中,仪器间不能实时交互,它们只接受系统控制器的控制,或向控制器提出服务请求。第8章 新型智能仪器2.个人仪器的组成原理个人仪器的组成原理1)硬件结构个人仪器的硬件是由仪器插件通过总线与个人计算机融合在一起构成的,因而仪器插件硬件部分总有接口和测量与控制两大部分电路,其基本结构如图8-2所示。第8章 新型智能仪器图8-2个人仪器插件的一般结构第8章 新型智能仪器2)软面板个人仪器不同于普通智能仪器的一个显著特点是:用户不再使用仪器的硬面板,而是采用软面板实现对仪器的操作。所谓软面板,是显示在CRT上由高分辨
7、率作图生成的仪器面板图形,用户通过操纵键盘、移动鼠标、光标或触摸屏方式来选择软面板上的“软按键”。显示在CRT上的软面板可以采用C语言、BASIC语言及图形化编程语言来绘制。软面板根据测控仪器的性质不同可以有很多种形式,但一般包括仪器面板显示、软按键操作、状态反馈栏和系统控制窗口等。第8章 新型智能仪器3)个人仪器系统软件个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式,图8-3所示为个人仪器软件系统的一般结构。在人工控制方式下,系统软件在微机屏幕上产生一个软面板,用户可以像操作传统仪器那样,通过软面板选择功能、量程以及输入有关参数的方式,建立起相应的状态标志,提供给仪器驱动程序。软面板的键盘操作一般
8、是以中断方式实现的,当用户按下一个键时,软面板就终止当前执行的功能,判断所按的键。如果按下错误的键,就发出响声,以提醒用户;如果按下正确的键,则或者显示所选参数,或者与仪器驱动程序模块进行通信来执行某项操作,并实时显示测量结果。第8章 新型智能仪器图8-3个人仪器软件系统结构图第8章 新型智能仪器在程序控制方式下,系统软件提供了容易记住和容易学会的高级命令,以便让用户能编制测试程序去进行自动测试。对于用户来说,只需要按照语句的格式进行编程,而不必知道仪器驱动软件与仪器模块之间的通信过程。仪器驱动程序是最低层的软件,是与PC仪器硬件直接联系的软件模块,无论人工操作还是程序操作方式,都要调用仪器驱
9、动程序去执行输入输出操作。仪器驱动程序是直接面向硬件的,实时性强,要求程序的执行速度快,因此一般采用汇编语言编写。第8章 新型智能仪器8.1.2典型个人仪器实例典型个人仪器实例1.内插式个人仪器内插式个人仪器1)DVM个人仪器插卡硬件结构DVM仪器插卡硬件结构如图8-4所示。该仪器的输入电路由输入衰减器、前置放大器、量程转换和自动稳零切换电路组成,个人计算机通过接口电路对其进行控制。输入电路的作用是将不同量程的被测电压UX规范到A/D转换器所要求的电压值(02V)内。前置放大器采用MC7650组成的单级同相放大器,放大倍数为1倍或10倍,由继电器JK2控制切换;输入衰减系数为1100,由继电器
10、JK1控制切换;零点校准由JK3控制。第8章 新型智能仪器图8-4DVM个人仪器插件硬件结构图第8章 新型智能仪器2)软面板生成图8-5是DVM个人仪器软面板,不难看出,它与同类智能仪表的硬件面板极其相似。显示窗用来显示测量结果;状态反馈窗提供当前正在执行的有关信息及出错信息等;“软键”操作窗又分为量程键区和功能键区两部分,可以通过按下PC机的TAB键来进行切换选择。“软键”操作窗的“键”操作,是通过PC机键盘右边小键盘中的四个方向键来控制光标的移动的,当光标移到某一项时,就使该项以反相映像的形式进行显示,如图8-5所示。第8章 新型智能仪器图8-5DVM个人仪器软面板第8章 新型智能仪器3)
11、软件系统的设计个人仪器是通过交互图形实现人机接口,这就要求所用程序设计语言具有很强的控制流和数据结构,运行速度快,并且容易与汇编语言接口,本DVM个人仪器控制软件采用了C语言。DVM个人仪器软件系统采用模块化结构,其中主程序模块是整个软件系统的一条主线,它把所有其他的程序模块连接起来。主程序首先对整个仪器以及系统中的有关器件初始化,再调用软面板生成模块,然后把余下的模块构成一个循环圈,仪器的功能都在这一循环圈中有选择地周而复始地运行。因此软键盘管理程序模块的功能就是根据用户对软键的选择,来改变状态变量,然后根据这些变量进入不同的驱动程序模块。第8章 新型智能仪器图8-6DVM个人仪器主程序流程
12、图第8章 新型智能仪器DVM个人仪器的测量方式按不同功能可分为单次测量和定次数测量方式。其中,DVM、AX+B、LMT等功能被程序确定为单次测量方式,HLA、LOG等功能被程序确定为定次数测量方式。主程序中软面板管理程序模块的功能是:采用光标法移动软键来选择仪器的状态(量程、功能等),通过提示的方法引导用户输入各功能所必需的参数,当返回主程序时,仪器便在新设置的状态及新输入的参数下进行测量和处理。第8章 新型智能仪器2.HPPC个人仪器简介个人仪器简介HPPC个人仪器系统是HP公司1986年推出的。当时该系统共提供了8种个人仪器组件,即函数发生器、数字多用表、通用计数器、数字示波器、数字输入/
13、输出设备、继电式多路器、双数/模变换器和继电器驱动器。每一种个人仪器组件都封装在一个塑料机壳中,但它们拥有同一种母线标准,通过一块专用接口卡能与多种个人计算机相连。一块插入个人计算机总线扩展槽内的专用接口板,最多可以连接8台个人仪器组件,所有个人仪器组件共用一个外部电源,8台仪器组件分两排叠放在电源上部,形成了简单方便的仪器系统。欲再增加一块接口板,可以使接入的PC仪器组件最多增加至16台。第8章 新型智能仪器每种个人仪器组件中仅保留基本的测量功能,仪器的控制和数字、状态、波形的显示以及仪器的开关和按键等的管理,都集中于PC中,个人仪器组件本身不再具有传统的独立功能。个人计算机对HPPC仪器的
14、控制有程序控制和人工控制两种方式。在人工控制方式下,HPPC仪器系统软件在PC机的屏幕上向用户提供一幅可以人机对话的软面板。在程序控制方式下,用户可以使用PC仪器的软件方便地编制各种应用程序。PC仪器系统软件采用的语句与BASIC语言类似。HPPC仪器系统还带有GPIB口,以便于和其他带GPIB总线的仪器连接,应用于自动测试系统中。HPPC个人仪器系统采用PCIB总线。第8章 新型智能仪器HPPC仪器系统中的PC仪器组件由测试功能电路和PCIB接口两部分组成。虽然PC仪器中大量工作已转移到个人计算机中完成,但是由于微处理器芯片价格大幅度下降,为了设计及控制的方便,在PC仪器组件中也可以采用一片
15、至数片微处理器,以便更好地完成测试和接口功能。图8-7是HPPC仪器中DMM组件部分电路框图。测试功能部分采用了一片微处理器对A/D转换进行控制,并设置了量程与模式锁存器来存放从个人计算机收到的控制信号,以便控制DMM的量程和功能模块。测试功能部分的前端有三个可控开关:S3闭合时测直流电压;S2闭合时测交流电压;S1及S3闭合时进行电阻测量,这时电流源供给一个确定的电流流经被测电阻,通过测量电阻上的电压获得电阻值。非易失性存储器用来存储测量中的标准或定标常数。A/D控制用微处理器从A/D转换器读取了数据,并对偏移和增益进行校正后,才把数据送往个人计算机。第8章 新型智能仪器图8-7HP6101
16、3DMM组件电路第8章 新型智能仪器3.VXI总线个人仪器简介总线个人仪器简介这里仅对VXI总线个人仪器系统的组件情况作一简单介绍。VXI总线个人仪器系统是一种计算机控制的功能系统,在很宽的范围内允许不同厂家生产的仪器接口卡和计算机以模块的形式共同存在于同一主机箱内。VXI系统的组件按照主控计算机放置在机架内部或外部,分为内控方式和外控方式。第8章 新型智能仪器图8-8VXI总线仪器系统的组建第8章 新型智能仪器图8-9HP75000外控式VXI仪器系统第8章 新型智能仪器本系统可以同时进行多种测量,只需将来自各种仪器的信号经各种电子转换开关送到接口连接组件板ITA,再接到被控设备中去即可。这
17、种组件板适应性很强,一般被称做接口适配器,只要改变一下内部的适配器和软件,便可测试各种电子产品。VXI个人仪器系统集中了智能仪器、GPIB系统和内插式个人仪器系统的很多特长,它的出现极大地影响了电子仪器的发展进程。由于它还能充分发挥计算机的功能,运用新的测量原理构成虚拟仪器,因而VXI系统还有“未来仪器”和“未来系统”之称。第8章 新型智能仪器8.2虚拟仪器虚拟仪器8.2.1虚拟仪器原理及特点虚拟仪器原理及特点1.虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与必要的功能化硬件模块结合起来的一种仪器,用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机,就像操作自己定义、自己专门设计的
18、一台单个传统仪器一样,从而完成对被测控参数的采集、运算与处理、显示、数据存储、输出等任务。虚拟仪器通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。第8章 新型智能仪器仪器模块的功能主要靠软件实现,通过编程在显示屏上构成波形发生器、示波器或数字万用表等传统仪器的软面板,而波形发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等,或者示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号(沿口、电平、类型)等都可用鼠标或按键进行设置,如同常规仪器一样使用,不过,虚拟仪器具有更强的分析处理能力。随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展,用户只能使用制造商提供的仪器功能的传统观念正在改变,而用户自己设计、定义的范围进一步扩大;同
19、一台虚拟仪器可在更多场合应用,比如既可在电量测量中应用,又可在振动、运动和图像等非电量测量中应用,甚至在网络测控中应用。第8章 新型智能仪器虚拟仪器强调软件的作用,提出“软件就是仪器”的理念。它克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的缺陷,摆脱了由传统硬件构成一件件仪器再连成系统的模式,而变为由用户根据自己的需要,通过编制不同的测控软件来组合构成各种虚拟仪器,其中许多功能直接就由用户软件来实现,打破了仪器功能只能由厂家定义,用户无法改变的模式。当用户的测控要求变化时,可以方便地由用户自己来增减软、硬件模块,或重新配置现有系统以满足要求。所以虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台
20、、硬件、软件以及完成系统功能所需的附件。第8章 新型智能仪器2.虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成虚拟仪器同智能仪器一样也是由硬件和软件两大部分组成的,下面就从这两个方面介绍虚拟仪器的构成。1)虚拟仪器的硬件系统虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机,如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬、软件资源,是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展,导致了虚拟仪器系统的快速发展。第8章 新型智能仪器虚拟仪器不强调每一个仪器功能模块就是一台仪器,而是强调选配一个或几个带
21、共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台,通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统。与传统的智能仪器一样,虚拟仪器也可以划分成数据采集、数据分析与处理、结果表达三个部分。传统的智能仪器是由厂家将上述三种功能的部件根据仪器功能按固定方式组建,一般一种仪器只有一种功能或数种功能。而虚拟仪器是将具有上述一种或多种功能的通用模块组合起来,通过编制不同的测控软件来构成任何一种仪器,而不是某几种仪器。第8章 新型智能仪器例如:激励信号可先由微机产生数字信号,再经D/A变换产生所需的各种模拟信号,这相当于一台任意波形发生器;被测信号经过采样、A/D变换成数字信号,再经过处理,可以直接以数字显示而形
22、成数字电压表一类仪器;也可以用图形显示而成为示波器类仪器;或者再对数据进一步分析即可形成频谱分析类仪器。其中,数据分析与处理以及显示等功能可以直接由软件完成。这样就摆脱了由传统硬件构成一件件仪器然后再连成系统的模式,而变成仅仅由计算机、A/D及D/A等带共性的硬件资源和应用软件共同组成虚拟仪器的新理念。许多厂家已研制出多种用于构建虚拟仪器的数据采集卡(DAQ)。一块DAQ卡即可以完成A/D、D/A、数字I/O、计数器/定时器等多种功能,再配以相应的信号调理组件,以及GPIB仪器、VXI总线仪器、PC总线仪器、带有RS232串行口仪器、现场总线仪器等,形成现阶段虚拟仪器的硬件平台,如图8-10所
23、示。第8章 新型智能仪器图8-10虚拟仪器硬件平台第8章 新型智能仪器VXI(VMEbuseXtensionforInstrumentation)即VME总线在仪器领域的扩展,是1987年在VME总线、Eurocard标准(机械结构标准)和IEEE488等的基础上,由主要仪器制造商共同制定的开放性仪器总线标准。VXI系统最多可包含256个装置,主要由主机箱、“0槽”控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换,即插即用组成新系统。目前,国际上有两个VXI总线组织:VXI联盟,负责制定VXI的硬件(仪器级)标准规范,包括机箱背板总线、电源分布、冷却系统
24、、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性以及系统资源管理和通信规程等内容;VXI总线即插即用(VXIPlug&Play,简称VPP)系统联盟,宗旨是通过制定一系列VXI的软件(系统级)标准来提供一个开放性的系统结构,真正实现VXI总线产品的“即插即用”。这两套标准组成了VXI标准体系,实现了VXI的模块化、系列化、通用化以及VXI仪器的互换性和互操作性。VXI的价格相对较高,适合于尖端的测试领域。第8章 新型智能仪器DAQ(DataAcQuisition,数据采集)指的是基于计算机标准总线(如ISA、PCI、PC/104等)的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源,大大增加了测
25、试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器(ComputerBasedInstruments),实现“一机多型”和“一机多用”。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的采样速率已达到1Gb/s,精度高达24位,通道数高达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。仪器厂家生产了大量的DAQ功能模块可供用户选择,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。在计算机上挂接若干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仪器。第8章 新型智能仪器2)虚拟仪器的
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