电气测量-5 第五章 智能化仪表与虚拟仪器

第五章 智能化仪表与虚拟仪器,参考资料：申忠如等，电气测量技术，科学出版社徐爱钧，智能化测量控制仪表原理与设计，北京航空航天大学出版社杨乐平等，虚拟仪器技术概论，电子工业出版社凌志浩等，智能仪表原理与设计技术，华东理工大学出版社,第一节 仪表的智能化与虚拟技术第二节 智能化仪表第三节 虚拟仪器技术与虚拟仪器开发语言LabView,主要内容：,第一节 仪表的智能化与虚拟技术,主要内容：一、测量仪器仪表的发展二、仪表的智能化三、虚拟技术,测量仪器仪表的发展大体经历了以下几代：1、第一代以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表。2、第二代以电子管或晶体管为基础的分立元件式仪器。3、第三代以集成电路芯片为基础的数字式仪器。4、第四代以微处理器为核心的智能式仪表。5、第五代虚拟仪器(以下简称VI)。,一、测量仪器仪表的发展,二、仪表的智能化,1、传统测量仪表的特点(1)以分立元件或集成电路构成，结构复杂，成本高；(2)仪表可靠性取决于其结构特点，相对较低；(3)对于输入信号的测量准确性完全取决于仪表内部各功能部件的精密性和稳定性，各部件误差都将反映到测量结果中。(4)传统仪表内部某些部件发生故障时，虽然继续进行测量并给出结果，但不再保证结果的正确性。(5)必须进行周期性的校准，以保证其额定精度的合法性。通常采用更高一级的同类仪表进行对比测量来实现。(6)传统测量仪表的数据处理能力很弱。,2、智能仪表以微型计算机(尤其是单片机)技术与测量控制技术结合在一起，以微机为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，组成的具有智能化功能的新一代测量仪表。3、智能仪表的基本类型(1)内含微型处理器，仪表本身具有各种智能功能，如自校正、数据处理等。(2)仪器本身与微机在结构上分开，但仪器由微机控制，进行数据采集与处理。,4、智能仪表的特点及其智能功能(1)以微机及其接口为核心，结构简单。(2)能够适应被测参数的变化，自动补偿、自动选择量程。(3)能够自动校准。(4)能够自寻故障（自诊断）。(5)自动进行指标判断与选择。(6)能够进行逻辑操作、定量控制、程序控制。(7)具有很强的数据处理能力和显示能力。(8)硬件基础是数据采集技术和输入输出技术。(9)软件基础是数据处理技术和信号处理技术。,5、智能仪表的基本组成,三、虚拟技术,1、传统仪表与智能仪表的缺点(1)测量功能的实现完全取决于其硬件结构。(2)固定的硬件结构对应固定的功能。(3)实现多功能测量成本高，结构复杂。(4)开发周期长，开发成本高。2、虚拟技术将计算机、应用软件和仪表硬件结合起来，通过软件设计实现仪器的全部功能，且可以通过不同软件处理模块的不同组合来实现多功能测量的技术。,3、虚拟技术的主要优点(1)在通用硬件平台确定的基础上，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；(2)仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是由厂家事先定义好的。(3)仪器性能的改进和更新只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器；(4)应用更加灵活、广泛。,第二节 智能化仪表,主要内容：一、自动校准二、零漂电压校正和偏置电流自动补偿三、高频自动补偿四、多次采样平均值测量法五、环境补偿六、应用软件方法克服随机误差,一、自动校准,1、必要性任何仪表必须进行周期性的校准，以保证其额定精度的合法性。传统仪表通常采用更高一级的同类仪表进行对比测量来实现，难以实现自动校准功能。在智能仪表中，利用计算机技术，易于实现自动校准。2、基本原理用给定基准对智能仪器作自动校准(自校准)，将测得的误差存贮起来，实际测量时再从测量值中扣除此系统误差，有助于提高测试准确度。例如，数字电压表模拟电路的漂移、增益变化，放大器的失调电压、失调电流的影响均可以采用自校准方法予以克服。,3、电压测量中影响因素的自校准(1)将开关K接1端，输入零，测得输出V1；(2)将开关K接2端，将给定的基准电压接到放大器输入端，测出输出电压V2；(3)将开关K接3端，测量待测的未知电压Vx，得到V3；(4)将测量结果存贮在仪器的存贮器中，编程实现自校准。,(5)测量结果处理方法放大器增益和漂移变化对测量过程的影响(可认为是系统误差)被消除。,二、零漂电压校正和偏置电流自动补偿,1、零漂电压的校正(1)零漂电压由于测量仪表内部器件的变化，使得在输入为零时，测量得到的非零结果。(2)校正的基本原理智能仪器中常采用直流零位校正。即首先测量输入端短路时输出端的直流电压，测试结果即为零漂电压，存入存贮器中。实际测量时，微处理器对每次测量结果进行数据处理，调出已存储的直流零漂电压与测定值进行减法运算。此时，被测量Vx=V-V0。,2、偏置电流的自动补偿(1)数字仪表输入放大器都存在输入偏置电路，给测量带来误差。(2)可通过自动校准和补偿技术来消除该误差。(3)自动校准时，在输入端接入一个10 M电阻，输入偏置电流Ib在该电阻上产生电压降，经ADC后存于存贮器内，作为输入电流的校正量。(4)在正常测量时，根据校正量送出数字到DAC，经输入电流补偿电路产生补偿电流Ib来抵消Ib，使仪器输入电流大为降低。,三、高频自动补偿,1、高频补偿对高频信号，由于仪表内部电路的电容特性，会对高频信号产生较大的影响。必须通过改变相应测量电路的电容特性，来改善其高频响应特性。例：分压器,2、电路原理,3、高频补偿的实现(1) 高频自动校准：在各量程，用户将已知有效值的30kHz高频信号加到仪表输入端。测量该信号，并将读数与准确值之差存贮在校准存贮器内，作为补偿数据。(2) 高频信号补偿：测量交流信号时，微处理器把所选量程的补偿数据由校准存贮器调出，并送到DAC，其输出电压送到变容二极管，改变变容管的电容，就可微调补偿电路的参数，达到最佳补偿效果，在各量程都得到平坦的频率响应。,四、多次采样平均值测量法,1、作用：为提高数字电压表的分辨力，可以采用多次采样平均值测量技术，从而提高读数的有效数字位数。2、工作原理框图,3、工作过程(1) 利用一个4位的DAC产生具有16个梯级的重复扫描电压。(2)经电阻分压后使输出电压VD/A的16个级距之和等于数字电压表的一个分度值g，即每一级距VD/A =g/16。(3) VD/A对于零电位是对称的，其平均值为零。(4)在多次采样时，令K1、K3同时接通，被测电压Vx与VD/A同时被积分。(5)在16次采样后，经过运算，得到测量结果的平均值。(6)由于VD/A的平均值为零，因而对测量结果的平均值无影响，但随机误差将被降低约4倍，从而读数的有效数字位数可相应增加。,五、环境补偿,仪器工作条件变化(环境温度、相对湿度等)也会引起仪器的测量误差，可以建立修正表或采用一定的修正算法来修正测量结果。,六、应用软件方法克服随机误差,(一)概述(1)在实际的被测信号中，往往含有种种噪声和干扰，它们来自被测信号本身、传感器、电磁干扰或AD转换器的量化效应等。(2)其振幅和相位随时间的变化是不规则的，对测量结果的影响属于随机误差的范畴。(3)利用微处理器的数据处理功能，对测量结果采用软件处理方法，可以减小测量中的随机误差。(二)基本方法总体平均法利用随机误差的抵偿性，对所有测量结果进行平均，消除包含的随机误差成分。移动平均法利用随机误差的抵偿性，对移动窗口内测量结果进行平均，消除包含的随机误差成分。,(三)总体平均法1、基本原理利用测量仪器在相同条件下进行重复测量，如果误差是随机的，则在多次测定值的叠加过程中误差会相互抵消；而测量值本身经多次叠加平均后，其算术平均值趋近于被测量的真值。2、前提条件(1)在相同条件下重复测量，多次测量必须同步。(2)误差(或测量过程中引入的其它噪声影响)均是随机的。,3、数学分析(1)设测量结果函数f(t)包含被测信号S(t)和随机误差函数n(t)：f(t)=S(t)+n(t)。(2)以时间间隔T进行测量，获得m个测量结果fi=Si+ni，i=1,2,m。(3)对数据进行处理，可得信号和及随机误差强度：(4)总体平均后的信噪比：,4、总体平均法的特点(1) 适于对具有随机干扰的信号的滤波，尤其适于信号本身在某一数值范围附近作上、下波动的情况，如流量、液平面等信号的测量。(2) 对信号的平滑滤波程度完全取决于m。当m较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对计算结果的影响小；当m较小时，平滑度较低，但灵敏度高。,(四)移动平均法1、基本原理移动平均法只需进行一次测量，对测量数据边平均边移动窗口，平均次数总是N。,2、数学分析,3、移动平均法的特点(1)移动平均法在计算波形f(t)的两端部分，即在y(1)、y(2)y(m)与y(n-rn+1)，y(n-m+2) ，y(n)总共2m个点上不能进行。(2)当加权函数w(j)的点数N(N=2m+1)与输入离散信号的点数n相比很小时，不会影响实用效果。(3)选择加权函数，构成不同的移动平均法：三角波加权函数、矩形加权函数、二次多项式加权函数、三次多项式加权函数等。,4、单纯移动平均法矩形加权函数(1)平均公式(2)特点对于均值为零的白噪声，加权函数w(j)的宽度越大(N大)，平滑效果越好。对于完全不相关白噪声，将使方差减小N倍。对于相关的噪声，方差保持不变，无抑制作用。为了提高噪声抑制效果，必须增大平均范围N，但增大N将会引起有用信号的失真，特别是引起有用信号中高频分量十分丰富的峰值部分的失真。,5、多项式加权移动平均法(最小二乘曲线拟合平滑法)将观测波形按选定的曲线(二次或三次曲线)拟合来求取平滑数据在点j为中心的2m+1个点内，信号波形y(i)可以用二次多项式来拟合：y(i)=a(j-i)2+b(j-i)+c由最小二乘误差关系式可以求出拟合的二次多项式的系数a、b、c。这时，在中心点i的二次多项式拟合值y(i)c。,第三节 虚拟仪器技术与虚拟仪器开发语言LabView,主要内容：一、虚拟仪器概述二、DAQ仪器三、GPIB仪器四、VXI仪器五、PXI仪器六、虚拟仪器开发语言简介,一、虚拟仪器概述,(一)虚拟仪器的基本概念1、虚拟仪器(VI)：由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成，在必要的数据采集硬件和计算机支持下，通过软件设计实现仪器的全部功能，且可以通过不同软件处理模块的组合实现多功能测量的仪器。2、计算机和仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。3、虚拟仪器的工作方式：用户通过图形界面(VI面板、软面板)操作计算机，以透明的方式把计算机资源(如微处理器、内存、显示器等)和仪器硬件(如AD、DA、数字IO、定时器、信号调理等)的测量、控制能力结合在一起，通过软件取代传统仪器中的硬件来实现对数据的分析处理、表达以及图形化显示。,(二)虚拟仪器的特点1、通用硬件平台确定的基础上，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；2、仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是由厂家事先定义好的。3、仪器性能的改进和更新只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器；4、虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出优势。目前的高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等加工工艺复杂、对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术克服了上述缺点；5、研制周期较传统仪器大为缩短；6、虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联。7、决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：“虚拟仪器的关键是软件。”,(三)虚拟仪器的发展1、虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司(NI)为代表的厂商已经推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品，而且出现了以NI公司开发的LabWindowsCVI、LabView为代表的优秀虚拟仪器软件开发平台，方便了工程技术人员的开发工作，进一步促进了虚拟仪器的迅速普及和发展。2、计算机技术的迅猛发展极大推动了虚拟仪器技术的发展。计算机具有仪器所需要的、最先进及性能价格比最好的显示与数据存储能力。3、从虚拟仪器的通用硬件的发展来看，具有上百MHz、甚至lGHz采样率,高达24bit精度的DAQ板已经面市。AD转换技术，仪器放大器、抗混叠滤波器与信号调理技术的发展使DAQ板的性能不断得到完善。众多专门生产虚拟仪器通用硬件产品的厂家的技术的日益更新。4、计算机总线标淮的发展导致虚拟仪器在PXI和VXI(VMEbus extentions for lnstrumentation)两个领域中得到了快速的发展，成为未来仪器行业的两大主流产品。,(四)虚拟仪器的基本构成1、基本结构要素(1)从外部结构的角度出发，虚拟仪器由计算机、仪器硬件和应用软件三部分组成。(2)计算机和仪器硬件又合称为VI的通用仪器硬件平台。(3)虚拟仪器的组成也可以划分成硬件和软件两个基本要素。(4)硬件的主要功能是获取真实的被测信号，而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。,虚拟仪器的结构框图:,虚拟仪器的层次结构：,2、通用仪器硬件平台(1)PC-DAQ系统：以数据采集板(DAQ)、信号调理电路、计算机为仪器硬件平台组成。广泛应用于一般的测试系统与工业过程控制。从过去16位的标准1SA总线发展到32位的PCI总线卡，为设计各种测试仪器提供了更好的数据采集和控制能力。安装连接比较麻烦，并容易将干扰引入计算机。(2)串口系统：以串口标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成。 RS232/422/485串口在各种现场过程控制仪表中广泛应川。支持长线传输，抗干扰能力强。数据传输速率低，不适合动态测试应用。,(3)并口系统：以并行口标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成。数据传输速率比串行口高。被应用于数字示波器、逻辑分析仪等虚拟仪器。(4)USB通用串行总线系统：以USB标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成。USB已经成为计算机标准接口配置。具有高速数据传输能力。(5) IEEE1394高速串行总线系统：以IEEE1394总线仪器与计算机仪器硬件平台组成。具有高速数据传输能力(100Mbps)。满足高性能动态测试的要求。,(6)GPIB系统：GPIB标准总线仪器与计算机硬件平台组成。(7)VXI系统：以VXI标准总线仪器与计算机硬件平台组成。(8)PXI系统：以PXI标准总线仪器与计算机硬件平台组成。 GPIB、VXI和PXI总线都是专门为程控仪器设计的计算机接口总线。 GPIB仪器具有独立的操作界面，可脱离计算机独立使用，也可以通过标准GPIB电缆连接计算机实施程序控制。 VXI和PXI仪器没有独立的仪器操作界面，必须依赖仪器驱动器提供的虚拟操作界面。(9)现场总线系统：以Fieldbus标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成。适合于各种工业测量及控制领域。,3、虚拟仪器软件开发环境(1)通用可视化编程语言Visual C+、Visual Basic等(2)专用图形化编程语言环境以NI公司LabVIEW和HP公司的HPVEE为代表。主要特点：系统提供各种测试、控制和数据分析功能模块的图标，用户可以根据实际需要来自定义或设置这些图标；编程过程就是设计和定义程序流程图，通过连接代表各种功能模块的图标来建立具体的应用程序；继承了传统编程语言中结构化和模块化的编程优点；为模拟面板设计、数据可视化分析提供专门工具或对象。通过成熟的计算机网络技术，可将针对不同测控任务的仪器与设备连接成一个分布式虚拟仪器系统。,(五)虚拟仪器技术应用1、工业自动化(1)虚拟仪器设计所采用的图形化编程语言，适合工程师应用，利于提高企业自主开发和管理项目的能力，降低工业自动化技术改造的成本。(2) 采用虚拟仪器技术，根据实际工艺流程和控制要求，将分布在企业不同位置的各种测量仪表和控制装置连接为一个网络系统，通过计算机实施集中控制和管理，可以改变采用传统单元仪表分散工作时成本高、维护困难、资源配置重复等缺点，提高工业自动化改造的经济效益，降低管理成本。,2、仪器产业改造采用虚拟仪器技术，将过去仪器中许多靠硬件实现的功能用软件末代替，利用商品化的数据采集和PC技术，完全可以开发出各行各业急需的各种测量仪器，缩短我国与先进国家在仪器领域的差距。这是采用高新技术改造传统产业的一个大有可为的领域。 3、实验室应用利用虚拟仪器技术，可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作等方面完全一样的全软件虚拟仪器。从根本上改变传统实验教学方法，降低实验室建设与管理成本。,二、DAQ仪器,(一)概述1、DAQ(Data Acquisition)即数据采集仪器，是典型的虚拟仪器，以微型计算机为平台，将计算机硬件(某类总线、特定功能的数据采集卡)和计算机软件(虚拟仪器应用软件)结合起来，实现特定的仪器测量和分析功能。2、DAQ仪器设计的关键技术(1)总线扩展与接口技术(2) A/D和D/A转换技术(3)多路开关和滤波放大技术(4)高速缓存电路(5)实时采样和等效采样技术(6)可编程逻辑器件与逻辑控制电路,3、DAQ仪器与总线(1) 由仪器卡组成DAQ仪器的方式：内插式：仪器卡插入微机的内部总线；外挂式：将微机总线引到扩展箱里，插入仪器卡；直接外挂式：在微机外总线接口(例如并行口，USB口)上接入仪器卡。(2)总线：所谓总线，就是在模块与模块之间，以及设备与设备之间传送信息的一组公用信号线，是系统在主控制器(模块或设备)的控制下，将发送器(模块或设备)发出的信息准确地传送给某个接收器(模块或设备)的信号通路。(3)根据用途别应用场合，计算机总线分为以下4种类刑片内总线(In Chip BUS)集成电路内部信息交换通道；芯片总线各元件之间所使用的总线；内总线微机底板上模块间连接的并行总线(ISA、PCI)；外总线实现计算机系统与系统之间、计算机与外部设备之间通信的一类总线(串口、并口、USB接口等)。,(二)ISA总线与PCI总线1、 ISA总线(1)ISA(Industrial Standard Architecture)总线是IBM公司1984年为推出PCAT机而建立的系统总线标准，也叫AT总线。(2)特点：64KB I/O地址空间(0000HFFFFH)；16MB存储器地址空间(000000HFFFFFFH)8位或16位数据存取；15级硬中断；7级DMA通道；产生I/O等待状态；ISA是多主控(MultiMaster)总线，即除CPU外，DMA控制器、DRAM刷新控制器和带处理器的智能接口控制卡都可以成为ISA总线的主控设备。,2、PCI总线(1)PCI总线是1993年正式推出的局部总线标准。是一种即插即用(Plug&Play)的总线标准，支持全面的自动配置，最大允许64位并行数据传送，采用地址数据总线复用方式，最高总线时钟可达66MHz，支持多总线结构和线性突发(Burst)传输，最高峰值传输速度可达528MB/s。通过桥接技术保持与传统总线如ISA，EISA，VESA，MCA等标准的兼容性，使高件能PCI总线与已大量使用的传统总线技术特别是ISA总线并存。PCI总线极大地扩展了PC的数据传输能力。,(2)特点线性突发(Burst)传输(即数据帧的传输模式)；同步总线操作多数信号与总线时钟上升沿同步；多总线主控方式存在多个具有总线管理控制能力的主控设备不受处理器限制中央处理器子系统与外设备分开适合于各种机型台式、便携、服务器、工作站兼容性强ISA、EISA、VESA、MCA预留了发展空间自动配置功能硬件资源如中断、内存、IO地址等通过即插即用的BIOS在系统启动时进行自动配置；编码总线命令总线命令由4根信号线编码表示；地址数据总线分时复用,(三)USB(通用串行总线Universa1 Serial Bus) 总线1、USB的基本特点(1)支持多设备连接，减少PC I/O接口数量。采用USB端口最多可在一台计算机同时连接127种设备，避免了PC I插槽数量对外设扩充的限制。(2)能够采用总线供电，最大可达5V电压，500mA电流。可自动把电流分配给外设，让PC自动感知设备所需电流并分配给它。(3)第一次真正实现即插即用，允许热插拔。(4) 有足够的带宽和传输距离：USBl.1低速传送为1.5Mb/s，全速传送为12Mb/s，USB2.0提供400Mb/s高速传输。全速传送时，连接距离为5m，连接使用4芯电缆(电源2条，信号线2条)。(5)传输方式灵活，可以适应不同设备的需要控制传输、块传输、中断传输和等时传输四种基本方式。,2、USB总线硬件(1)连接电缆及导线颜色12Mbps双绞屏蔽电缆，长度5m；1.5Mbps普通电缆，长度 3m；,(2)连接器A类和B类A类连接器,B类连接器,3、USB系统结构(1)USB提供了主机与USB设备间的通信服务协议，按协议中不同模块的不同功能分为功能层、设备层和接口层。,(2)“结构范围”按照上述的层次结构，将主机和设备的所有功能模块划分成四个结构范围：USB物理设备包括了USB设备的三层结构。是位于USB电缆末端的硬件，完成用户要求的功能，如扫描、打印等。客户软件(Client Software)位于主机的功能层。在主机上执行的与USB设备相对应的软件，由操作系统提供或由USB设备单独提供。 USB系统软件位于主机的设备层。操作系统中支持USB的软件，由操作系统提供，独立于USB设备或客户软件。 USB主控制器(主机端的总线接口)位于主机的接口层。 是允许USB设备连接到主机的硬件和底层软件。,(3)主机与设备的连接 USB总线接口层在主机和设备间提供信号的物理连接。USB设备层包含了USB系统软件在完成设备的USB操作时所需要的功能。功能层通过客户软件来实现USB设备的特定的具体功能。在USB设备层和功能层内部均存在层内的逻辑通信流，而真正的数据传送是通过USB的总线接口层完成的。从通信的角度看，USB主机控制器和USB系统软件间的软件接口为主机控制器驱动程序(HCD)。而在USB系统软件和客户软件之间的接口为USB驱动程序(USBD) 。,(4) USB总线拓扑设备和主机之间的连接模型USB主机主机由USB的主机控制器、USB系统软件(USB驱动程序、主机控制器驱动程序及主机软件)和客户软件等构成。主机控制所有对USB的访问，USB设备只能进行经过主机允许的总线访问。USB设备USB物理设备由USB总线接口、USB逻辑设备和功能块构成，为主机提供补充功能，如打印、视频和音频等。为帮助主机识别和配置USB设备，每个设备都带有与配置相关的信息。公共的信息是所有逻辑设备通用的，而特有信息则是由设备提供的、与其功能相适应的信息。,USB主机与设备的物理连接USB设备经由分层的星型拓扑结构与主机进行物理连接。连接点由一个称为集线器的特殊种类的USB设备提供。这个由集线器提供的额外连接点称为端口(Port)。主机内包含的一个内嵌集线器称为根集线器(Root Hub)。主机通过根集线器给USB设备提供一个或多个连接点。为主机提供补充功能的USB设备称为功能块。,(四)IEEE1394总线1、概述作为一种数据传输的开放式技术标准，IEEE-1394被应用于众多领域。其中使用最广的是数字成像领域，支持的产品包括数字相机和摄像机等。同时，IEEE1394总线系统在计算机硬盘、网络互连、数据采集，特别是便携式DAQ仪器等方面也有广泛应用。2、特点总体上说，IEEE-1394具有以下特点：廉价、占用空间小、速度快、开放式标准、支持热插拔、可扩展的数据传输速率、拓扑结构灵活多样、完全数字兼容、可建立对等网络、同时支持同步和异步两种数据传输模式等。3、线缆和连接器 1394规范支持两种类型的线缆6针连接器/线缆类型和4针连接器/线缆类型。,4、六针连接器(1394-1995)(1)外形,(2)引脚与信号分配(3)先建后断电源针六针插槽有更长的电源和地线插针，确保插头插入插槽时，电源针在数据针前建立连接，拔出插头时数据针在电源针前断开连接。,5、可选四针连接器(1394a)(1)外形,(2)引脚与信号分配,6、线缆,7、6针连接器线缆的连接/集成插头线缆一端的TPA(针5和6)连接另一端的TPB(针3和4),8、4针连接器线缆连接/集成插头线缆一端的TPA(针3和4)连接另一端的TPB(针1和2),(五)IEEE-1284总线标准1、概述IEEE1284是目前所有打印机的接口标推，可广泛用于外接LAN适配器、外接CDROM、外接SCSI适配器、外接磁带机、外接软盘/硬盘驱动器、扫描仪、外接IC卡/磁卡读写器、外接PCMCIA适配器、双机并行通信、各种数据采集和控制、软件狗等许多领域。2、信号连接方式标准并行口均采用25根信号连接方式，PC端采用DB25/Female(母)式插座。这种DB25的连接方式是计算机使用IEEE1284各种并行口的共同特点。,3、标准打印并口信号线,(六)PCMCIA总线1、概述(1)PCMCIA是Personal Computer Memory Card International Association(个人计算机存储卡国际协会)的缩写，是制定PC卡标准的国际组织和行业协会。规定了内存卡的物理设计方案、计算机插槽设计方案、电气接口以及相关软件，并制定了PCMCIA标准 。(2)PC卡现已应用于多种场合，包括几种类型的RAM内存、预编程ROM卡、MODEM、声卡、软盘控制器、硬盘驱动器、CD-ROM和SCSI控制器、全球定位系统(GPS)卡、数据采集卡、LAN卡、传呼机等。存储器类：硬盘驱动器、内存卡；接口类：CDROM/DVD接口、并串口、扩展接口卡；网络通信类：以太/令牌网卡、无线红外局域网卡、MODEM卡、ISDN 卡、移动电话卡；多媒体类：声卡、视卡、游戏摇杆卡、电视广播接收卡、视讯会议卡等。,(3)版本：版本1.0：其标准主要面向类似RAM卡的内存卡。版本2.0和2.1：增加了“卡和插槽服务”(Card and Socket Services)软件规范、ATA和AIMS规范(ATA是“AT附件”的简称，涉及PC卡上的IDE驱动器接口；AIMS则是“自动索引海量存储”的简称，是一种在PC卡上保存图像和多媒体数据的标准，通常用于照摄像技术)。最新版本：即“PC Card Specification”(PC卡规格)，有时也称为“3.0版”。提供了对DMA(直接内存存取)、更高速多媒体应用、即插即用、多功能卡以及CardBus的支持。2、PC卡(1)Type I：长85.6mm宽54mm厚3.3mm(2)Type II：长85.6mm宽54mm厚5.0mm(3)Type III：长85.6mm宽54mm厚10.5mm,(七)数据采集仪器(DAQ)的功能及其配置1、数据采集仪器的功能利用数据采集(DAQ)硬件设备可以实现模拟输入(A/D)、模拟输出(DA)、数字I/O(Digital I/O)和定时(Timer)计数(Counter)等基本功能。(1)A/DAD转换器(ADC)将模拟量转换为数字量，是DAQ硬件的核心。1)最主要的性能参数：分辨率、精度和转换时间(即速度)。分辨率对输入电压微小变化的响应能力的度量。可以用数字输出的最低位(LSB)所对应的模拟输入电平值或转换器位数来表示。精度转换器的实际变换函数与理想交换函数的接近程度，通常用误差来表示。绝对精度是指对于一个给定的数字量输出，其实际输入模拟电压与理论模拟电压之差；相对精度是指在整个转换范围内，任一个数所对应的实际模拟输入电压与理论输入电压的差，也称线性度。转换时间是指完成一次AD转换所需的时间，即从输入转换启动信号开始到转换结束所经历的时间，转换时间的倒数称为转换速率。,2)DAQ卡测量模拟信号时必须考虑的因素输入模式、分辨率、输入范围、采样速率、精度和噪声等。输入模式单端输入和差分输入所谓单端输入，是所有输入信号以一个公共接地点为参考点。当输入信号为高电平(大于1V)，信号源与采集端之间的距离较短(小于15英尺，1英尺3048mm)，并且所有输入信号共有一个接地端时，适于采用单端输入模式。所谓差分输入模式，输入信号具有不同的参考点。如果输入信号不能满足上述条件，则需要采用差分输入。由于消除了共模噪声的误差，差分输入模式的精度较高。,分辨率可用模数转换所使用的数字位数表示。分辨率越高，输入信号的细分程度越高，能够识别的信号变化越小，转换后的数字信号就越接近原始模拟信号；如果分辨率不够高，会导致许多信息在转换过程中丢失，数字信号不能很好地表示原始模拟信号。输入范围指模数转换能够量化处理的最大、最小输入电压值。增益表示输入信号被处理前放大或衰减的倍数。给信号设置增益值，可以实际减小信息的输入范围，使模数转换能更加细分输入信号。,采样率单位时间内的采样次数，决定了模/数转换的速率。采样率越高，在一定时间内采样的点数越多，对信号的数字表达也就越精确。采样率太低，精度将很差，并会引起波形畸变。根据奈奎斯特采样理论，采样频率必须是信号最高频率的两倍，才能不失真地恢复原始信号。滤波噪声会引起输入信号的畸变，需要做相应的处理以抑制噪声。噪声可以来自计算机内部或外部，对于计算机外部噪声，可以使用适当的信号调理电路加以抑制，也可以采用计算机算法进行数字滤波。,(2)D/ADAQ系统经常需要为被测对象提供激励信号，也就是通过其D/A转换器功能将数字量信号转换为模拟量输出。DAC的主要性能参数精度、速度和分辨率。精度参数表明D/A转换的精确程度，一般用误差大小表示。常以满量程电压的百分数或以最低有效位LSB的分数形式给出。建立时间(Settle Time，速度参数)输入数字量为满刻度(各位全为1)时，从输入加上到输出模拟量达到满刻度值或满刻度值的某一百分比(例如99)所需的时间。分辨率表示DAC对微小模拟信号的分辨能力。它是数字输入量的最低有效位(LSB)所对应的模拟值，对应于DAC能够产生的最小模拟量变化。,(3)数字I/O在大多数应用场合都存在离散的数字量信号，以高低电平表示某位的状态，分别代表布尔值的1和0。DAQ可以实现数字I/O功能，采集外部设备的工作状态或控制外部设备的动作执行，建立与外部设备的通信。(4)定时/计数器在DAQ应用中经常用到定时/计数功能，比如脉冲信号周期测量、精确时间控制和脉冲信号产生等。定时计数器的两个主要性能指标是分辨率和时钟频率，分辨率越大，计数器位数越大，计数值也越高。,2、DAQ设备的配置在LabVIEW中安装和配置DAQ卡的主要步骤：,(八)常用DAQ仪器1、8-21位数字化仪NI5911(1)概述NI5911/5912为高速(100MS/s)、高精度(821bit)、PCI总线接口的柔性数采设备，其采样率和精度都是可变的，用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠硬件设备的柔性(Flexibility)来增强适用性和灵活性。,(2)典型的工作原理框图,2、动态信号采集器NI4451概述NI4451为PCI总线接口DAQ仪器，主要用来进行动态信号采集。它具有：两个同步采样(独立转换器)差分模拟输入通道，采样率从5kS/s到204.8kS/s，精度为16位；两路带短路保护的模拟输出，刷新率从1. 25kS/s到51.2kS/s，精度为16位；8条数字IO线；三种数据传输方式：DMA、中断和编程IO模式。,三、GPIB仪器,(一)概述1、典型的GPIB仪器系统由一台PC、一块GPIB接口板卡和若干台GPIB仪器通过GPIB标准总线连接而成。2、GPIB标准总线(1) 解决仪器之间、仪器与计算机之间各种信息的传输通道和方法，即接口系统问题，完成指定测试任务建立的一种国际通用的、统一的、运用于所有仪器的“标准化接口系统”。(2)发展过程：1972-1974年HP公司的HP-IB方案。1977年国际电工委员会IEC公布标准化文件IEC-625-1。修订为IEC-625-1-79和IEC-625-2-80，形成IEC-625标准。1975年美国电气与电子工程师协会颁布IEEEstd488-1975，即1EEEstd488标准，将HP-IB作为IEEE的标准。1987年，修订为IEEE4881-1987并颁布IEEE4882-1987,3、GPIB接口的基本特点(1)母线型连接方式测试系统所使用的全部仪器和计算机均通过一组标准母线相互连接(组成灵活、直接通话、组建和拆散简单)。,(2) 母线构成(16条信号线)在连接各台仪器的母线上，含16条信号线(8条数据输入输出线、3条挂钩线、5条管理线)以及若干条地线。(3)器件容量(15台)器件：凡经过母线单独与系统相连的设备(包括计算机、各种仪器及其他测量装置)统称为器件。器件容量即计算机和仪器的总容量。GPIB母线上最多可挂15个器件(主要受TTL接口收发器/驱动器最大驱动电流48mA限制)。要使用多于15个器件时，只需在控制器(计算机)上再添置一个GPIB接口，即再加一条母线，多挂14个器件。,(4)地址容量(31个听地址，31个讲地址)地址：即器件(计算机和仪器)的代号，常用数字、符号或字母表示。一台器件若收到了自己的听地址，则表示此器件己受命为听者，应该而且必须参与从母线上接收数据：同样，若收到了讲地址则表示该器件能够通过母线向其他器件传送数据。GPIB规定采用5bit来编地址，得到32(25)个地址。其中11111作为“不讲”命令，故实际的听、讲地址各31个。若采用两字节扩大地址编码，前一个字节为主地址，后一字节为副地址，可使听、讲地址容量扩大到961(312)个。,(5)数传方式(比特并行、字节串行、双向异步传递)比特(bit)就是一个二进码，可为“0”或“1”。比特并行指组成一个数字或符号代码的各bit并行放在各条数据线上同时传递。组成一个数字或符号代码的各位并行构成字节。字节串行是指字节各位按一定顺序逐个串行传递。双向是指输入和输出数据经由同一组数据线传递；异步是指系统中不采用统一的时钟来控制数传速度，而由仪器相互直接“挂钩”来控制传递速度。此数传方式不需要太多的数据线(只用8条)，又能兼顾速度，且能使同一系统的高速器件和低速器件协调工作。,(6)最大数据传输速度为1MB/s在实际应用中，若接口采用48mA的三态驱动器，在每隔2m有等效标准负载的情况下，在20m全长上最高可工作于500KB/s。(7)数传距离(不超过20m)数传距离指数据在器件之间的传递距离。若用母线电缆将器件逐个按顺序连接，数据在第一个器件与最后一个器件之间传递距离恰好等于母线电缆总长，此长度不能超过20m。如果一个器件经多条母线电缆与多个器件相连，此时数据在器件之间传递的最大距离与母线电缆总长不同，而用器件乘以2表示。无论采用哪种连接方式都要求母线电缆总长不超过20m。如果用平衡发送器和接收器，可将数传距离扩大到500m。,(8)接口功能(共10种)接口系统总的目的是为通过接口互连的器件提供一种通信联络手段，使之能实现正确的通信。接口系统的性能在很大程度上由接口功能决定。器件与接口系统之间的交互作用称为接口功能。GPIB接口系统设立了10种接口功能，如听者功能、讲者功能、控者功能、服务请求功能等。不同的器件可按自身需要选择若干种功能，最简单的器件也许只需要一种功能，较复杂的仪器可能需要35种乃至更多的接口功能。(9) 消息逻辑(TTL电平，负逻辑)GPIB母线上采用与TTL电平相容的正极性、负逻辑，即以低电平0.8V为“真态”或“0态”；以高电平2.0V为“假态”或“1态”。,(10)控制方式(2种)采用GPIB接口的测试系统的控制方式分成系统控制和负责控制两种方式。自动测试系统的控制器由计算机或其他具有控者功能的仪器担任。凡具有控制能力的器件统称为控者；测试过程中自始至终能对系统实行控制的器件称为系统控者：执行某些具体任务而对系统实行控制的器件称为负责控者。一个系统中，系统控者只能由一台器件担任，而负责控者则可由多台器件轮流担任，其中起作用的负责控者称为作用控者。控制权由作用控者转给另一台控者称为控者转移。系统控者和负责控者可由不同器件担任，也可以由同一台器件担任。,(二)GPIB接口控制1、GPIB接口功能(1)5种基本接口功能控者(Controller)功能为计算机或控制器设立，简称C功能使计算机能够向有关器件发布各种命令，比如复位系统，启动系统，寻址某台器件为讲者或听者，处理服务请求等。讲者(Talker)功能或扩大讲者(Extended Talker)功能，简称T功能、ET功能一个器件(仪器或计算机)如果需要向别的器件传送数据必须具有讲者功能。例如将一台电压表或一台频率计采集到的测量数据送往打印机或绘图仪记录，便可以通过讲者功能来实现。,听者(Listener)功能或扩大听者(Extended Listener)功能，简称L功能、EL功能L功能和EL功能是为一切需要从母线上接收数据的器件设立的。例如，一台打印机要将其他仪器经母线输出的数据接收下来并进行打印就必须通过听者功能来实现。源方挂钩(Source Hand Shake)功能，简称SH功能。受方挂钩(Acceptor Hand Shake)功能，简称AH功能。SH功能赋予器件保证多线消息正确传递的能力，AH功能则赋予器件保证正确地接收远地多线消息的能力。SH功能设置在多线消息发送源方器件的接口功能区内，所以称为“源方挂钩”。而AH功能设置在多线消息接收方器件的接口功能区内，称为“受方挂钩”。,(2)5种辅助功能服务请求(Service Request)功能，简称SR功能SR功能可使器件在出现临时故障时向控者发出SRQ消息；也为正常运行的器件与控者联系提供一种渠道，向控者发送某些紧急事件，请求控者提供相应的服务。例如，控者命令某台器件将大批数据传送给控者进行处理，该器件可能需要较长时间才能将数据准备好。在器件准备数据期间，控者可以进行其他操作。一旦器件的数据准备好，便可以通过SR功能向控者提出请求传递数据，控者得知后便可以让器件传递数据。,并行查询(Parallal Poll)功能，简称PP功能PP功能赋予器件响应负责控者发动的并行查询的能力。在事先没有受命讲话的情况下能通过指定的一条数据输入输出线对负责控者提供一条PPR消息，以表明器件工作状态。远程和本地控制(Remote Local)功能，简称RL功能任何器件在处于本地控制时，应拒绝接受母线传来的远程控制指令；器件处于远程控制方式时，其面板或背板开关键应不起作用(除电源开关外)。RL功能即为器件选择接受本地控制或远程控制方式而设立。只要RL功能处于远程控制状态，器件就只接受远程控制，只有RL功能处于本地控制状态时，器件面板上的按键才是可以操作的。,器件触发(Device Trigger)功能，简称DT功能DT功能是为了让控制器(控者)能够发出一条“启动”命令,单独地启动一台或成群地启动几台器件开始进行测量。器件清除(Device Clear)功能，简称DC功能DC功能的作用是使器件功能回到某种指定的初始状态。例如，计数器的计数值回到零态。,2、GPIB接口功能的实现(1)接口功能逻辑接口功能实现电路。用来完成所选接口功能子集所规定的功能。(2)译码电路对接口消息译码，如指令和地址。(3) 母线收发器用规定的逻辑电平在接口电路和母线间收、发信号。对于其中的发送器要求有规定的驱动能力和负载特性，对于接收器具有抗干扰能力。,3、GPIB接口配置(1)通用接口集成芯片,MC68488，Motorola公司，具有除控者功能外的9种接口功能。可与6800、 Z80、8080系列微处理器配合，也常和MC3448双向发送接收器配合使用。Intel8291及改进型8291A，Intel公司，具有除控者功能外的9种接口功能。主要与Z80、8080系列微机配合。Intel8292，Intel公司，具有完整的GPIB控制接口功能。它需要与一个Intel 8291芯片及两片发送接收器(通常是两片Intel8293芯片)配合，用以实现10种通用接口功能，主要与Z80、8080系列微机配合。,TMS9914，Texas lnstruments公司，具有包括控者功能在内的10种接口功能，是作为控者或母线控制器的较好通用接口芯片。可与8080、6800、9900等各类微处理器兼容。这种芯片常配用SN75160、75161、75162发送/接收器。PD7210，NEC公司，具有包括控者功能的10种接口功能，是控者/母线控制器的较好通用接口芯片。主要与8080系列微处理器兼容，在IBMPC个人微机中普遍采用这种芯片构成GPIB接口。可与SN75160、75162及MC3448发送接收器配用。HEF4738，PHILIPS公司，可在没有微机支援的情况下完成接口功能。具有除控者以外的9种接口功能，但需要一定数量的支援芯片。,PD7210内部电路主要包括两大部分：10种接口功能及各种译码器电路和16个可寻址的寄存器(8个可读，8个可写)。,(2)母线发送/接收器大多数通用接口芯片都要配用母线发送/接收器才能和GPIB母线连接，这种发送接收器又称为驱动/接收器或信号输入/输出电路。器件发送消息时需要一定的驱动能力，并能承受大于48mA的电流。根据所发消息特点，有些信号需要用集电极开路驱动器发送，另一些信号则既可以用集电极开路驱动器又可以用三态驱动器发送。当作为接收器时，为了提高抗干扰能力，一般都采用具有滞后效应的施密特电路或其等效形式。芯片中还包括GPIB母线中每隔一定距离就需要的电阻性终端负载。,MC3448双向发送/接收器,(3)总线电缆与接插头IEC625规定采用24芯电缆和25芯针式接插头。IEEE488规定采用23芯电缆和24芯微带型接插头 。,两种GPIB母线电缆接插头的接线,(三)GPIB仪器1、数字万用表HP 34401A(1)HP 34401A数字万用表主要用于交流/直流电压、交流/直流电流、欧姆、连续性、二极管、频率及周期等测试功能。具有6数字分辨率，每秒1000个读数，15ppm的基本直流精度。(2)HP 34401A具有三个微处理器：一个用于数据总线处理，一个用于测量和定时控制，另一个用于显示和控制。(3)HP 34401A能响应3种不同的指令语言：SCPI指令(可编程仪器标