智能仪器原理及设计清华大学出版社第1章 绪论

1、第第1章章 绪论绪论第第1章章 绪论绪论 本章首先介绍智能仪器诞生的背景，然后重点阐述智能仪器的基本结构及特点，最后扼要介绍智能仪器发展过程中的GP-IB自动测试系统、个人仪器及系统、VXI总线仪器系统、虚拟仪器、网络化仪器的概念及特点。第第1章章 绪论绪论1.1智能仪器的诞生 在微处理器出现之前，电子仪器的发展经历了两代，第一代为模拟式（又称指针式）仪器，如指针式电压表、电流表及功率表等，它们以电磁测量为基本原理。模拟式仪器的主要缺点是功能简单、精度低、响应速度慢。第二代为数字式仪器，如数字电压表、数字功率计、数字频率计等。第第1章章 绪论绪论 它的基本特点是将被测模拟信号转换成数字信号进行

2、测量，测量结果以数字形式输出显示。数字式仪器测量精度高、响应速度快、读数清晰、直观，测量结果可打印输出，也容易与计算机技术相结合。同时由于数字信号便于远距离传输，所以数字式仪器也适于遥测遥控。第第1章章 绪论绪论 随着微电子技术的发展，1971年世界上出现了第一个微处理器芯片（美国Intel公司4004型微处理器芯片）。由微处理器芯片所构成的微型计算机（简称微机），不仅具有计算机通常具有的运算、判断、记忆、控制功能，而且还具有功耗低、体积小、可靠性高、价格低廉等优点。因此微型计算机得到了迅速的发展，其应用领域也越来越广泛。第第1章章 绪论绪论 在仪器科学与技术领域，人们将微型计算机技术与测量技

3、术相结合出现了完全突破传统概念的新一代仪器智能仪器，它是电子仪器发展史上的第三代产品。智能仪器是含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用（表现为智能的延伸或加强等），因而被称为智能仪器。智能仪器的出现对仪器仪表的发展以及科学实验研究产生了深远影响，是仪器设计的里程碑。第第1章章 绪论绪论 我国电磁测量信息处理仪器学会于1984年正式成立“自动测试与智能仪器专业学组”，1986年国际测量联合会以“智能仪器”为主题召开了专门的讨论会，1988年国际自动控制联合会在其当年的理事会上正式确定“智能元件及仪器”为其系列学术委员会之一

4、。第第1章章 绪论绪论 此外，1989年5月在我国武汉召开了第一届测试技术与智能仪器国际学术讨论会。以后，在国内外的学术会议上，以智能仪器为内容的研讨已层出不穷。近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展，它体现为模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高层次发展。第第1章章 绪论绪论1.2智能仪器的结构及特点1.2.1智能仪器的结构 智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，实际上是一个专用计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。第第1章章 绪论绪论 硬件部分的通用结构框图如图1-1所示，主要包括主机电路、信号输入输出通道、人机接口电路和

5、通信接口电路四部分。其中主机电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，它通常由微处理器（MPU）、程序存储器、数据存储器及输入输出（I/O）接口电路组成。主机电路可以选择单片机，也可以选择通用计算机。信号输入输出电路包括模拟量输入输出电路及开关量输入输出电路两部分。第第1章章 绪论绪论 模拟量输入输出电路由模拟量输入电路、A/D转换器、D/A转换器及模拟执行器等组成，用于实现对输入模拟量的调理、数字化转换以及将输出数字量转化为模拟量进而驱动模拟执行器等功能； 开关量输入输出电路用于实现开关量的输入及输出功能。需要指出的是信号输入输出电路可以根据处理的信号性质（如为模拟信号）选择其中一种电

6、路（如模拟量输入输出电路）。第第1章章 绪论绪论 人-机接口电路主要实现操作者和仪器之间的信息交流功能，包括参数的设置、测量信号显示和打印等功能。它由键盘、显示器、打印机等及其接口电路组成。通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，使仪器接受计算机的程控命令，将仪器测量的数据上传给计算机，以便进行数据分析和处理。目前常用的仪器通信接口有GP-IB通信接口、RS-232C接口以及应用于集散控制系统中的CAN总线接口和以太网接口等。第第1章章 绪论绪论图1-1 智能仪器通用结构框图第第1章章 绪论绪论 智能仪器的软件主要分为监控程序和接口管理程序两部分。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序，

7、其内容包括： 通过键盘输入命令和数据，以对仪器的功能、操作方式与工作参数进行设置； 根据仪器设置的功能和工作方式，控制I/O接口电路进行数据采集、存储； 按照仪器设置的参数，对采集的数据进行相关处理； 以数字、字符、图形等形式显示测量结果、数据处理结果及仪器状态信息。第第1章章 绪论绪论 接口管理程序是面向通信接口的管理程序，其任务是接受并分析来自通信接口的远程命令，包括描述有关功能、操作方式与工作参数的代码； 进行有关的数据采集与处理； 通过通信接口送出仪器测量结果、数据处理结果及仪器现行工作状态的信息。第第1章章 绪论绪论1.2.2智能仪器的特点 1. 仪器的功能强 智能仪器内含微机，它具

8、有数据存储和处理能力，在软件的配合下，仪器的功能大大增强。例如传统的数字多用表（DMM）只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字多用表不仅能进行上述测量，而且还能对测量结果进行平均值和极值运算、统计分析以及更加复杂的数据处理功能。第第1章章 绪论绪论 又如传统的频率计数器仅能测量频率、周期及时间间隔等参数，而带有微处理器和A/D转换器的智能计数器还能测量电压、相位、上升时间、占空比、压摆率、漂移等多种信号参数。目前有些智能仪器还运用了专家系统技术，使仪器具有更深层次的数据分析和处理能力，解决专家才能解决的问题。第第1章章 绪论绪论 2. 仪器的性能优越 智能仪器中通过微处理器进行数据存

9、储和处理，很容易实现多种自动补偿、自动校正、多次测量平均等技术，使测量精度大大提高。通过执行适当和巧妙的算法，常常可以克服或弥补仪器硬件本身的缺陷和弱点，改善仪器的性能。智能仪器中，对于随机误差通常用求平均值的方法来克服； 对于系统误差，则根据误差产生的原因采用适当的方法处理。第第1章章 绪论绪论 例如HP3455型数字电压表的实时自动校正是先进行三次不同方式的测量，然后由微处理器自动把测量数据代入校准方程进行计算，以消除由漂移、增益不稳定所带来的误差。借助于微处理器，不仅能校正由漂移、增益不稳定等引起的误差，还能校正由各种传感器、变换器及电路引起的非线性或频率响应等误差。第第1章章 绪论绪论

10、3. 操作自动化 智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、故障自诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平。例如智能型数字示波器有一个自动分度键（Auto scale），测量时只要按下这个键，仪器就能根据被测信号的频率及幅度，自动设置好最合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触发电平，使信号波形稳定地显示在屏幕上。第第1章章 绪论绪论 又如智能仪器一般都具有自诊断功能，当仪器发生故障时，可以自动检测出故障的部位并能协助诊断出故障的原因。甚至有些智能仪器还具有自动切换备件进行自动维修的功能，极大地方便了仪器的维护。第第1章章 绪论绪论4. 具

11、有友好的人机对话能力 智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量和处理功能。与此同时，智能仪器还可以将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时显示在屏幕上，使仪器的操作更加方便直观。第第1章章 绪论绪论 5. 具有可程控操作能力 智能仪器通常都配有GP-IB通信接口或RS-232/RS-422/RS-485（推荐标准）通信接口，使智能仪器具有可程控操作的能力。从而可以方便地与计算机和其他仪器一起组成多功能的自动测试系统，来完成更加复杂的测试任务。第第1章章 绪论绪论1.3智能仪器的发展 20世纪70年代以来，在微电子技术、微型计算机技术

12、发展的推动下，智能仪器得到了迅速的发展，相继诞生了独立式智能仪器、GP-IB自动测试系统、个人仪器及系统、VXI总线仪器系统、虚拟仪器、网络化仪器等，这些新型仪器及技术的出现被称为20世纪后期以来，电子测量与仪器系统中发生的最重要的事情，它们改变了并且将继续改变测量与仪器领域的发展进程，使之朝着智能化、自动化、小型化、模块化和开放式系统的方向发展。第第1章章 绪论绪论1.3.1独立式智能仪器及GP-IB自动测试系统 独立式智能仪器（简称智能仪器）是自身带有微处理器和GP-IB接口的能独立进行测试工作的电子仪器。独立式智能仪器在结构上自成一体，因而使用灵活方便，并且仪器的性能可以做得很高。这类仪

13、器在技术上比较成熟，同时借助于新技术、新器件和新工艺的不断进步，这类仪器还在不断发展，不断推陈出新。第第1章章 绪论绪论 智能仪器几乎都配有GP-IB通信接口。GP-IB总线是国际电工协会（IEC）1978年正式推荐的一种标准化仪用接口总线，已被世界各国普遍采纳。凡是配有GP-IB通信接口的仪器和计算机，不分生产国家、厂家，都可以借助于一条无源电缆总线按积木式互连，灵活地组成各种不同用途的自动测试系统，以完成较复杂的测试任务。典型的GP-IB自动测试系统如图1-2所示。第第1章章 绪论绪论图1-2 典型的GP-IB自动测试系统第第1章章 绪论绪论 GP-IB自动测试系统由微型计算机、多台可程控

14、仪器（配有GP-IB接口）以及GP-IB总线三部分组成。微型计算机作为系统的控制者，通过执行测试软件，实现对测量全过程的控制和测量数据的处理； 每台可程控仪器均是自动测试系统中的任务执行单元； GP-IB标准总线共有16条信号线（8条双向数据总线、3条数据挂钩联络线、5条接口管理线），将各种仪器设备有机地连接起来，完成系统内各种信息的变换和传输任务。第第1章章 绪论绪论 GP-IB自动测试系统通用性强，功能完善，只需增减或更换“挂”在它上面的程控仪器设备、编制相应的测试软件，即可完成不同的测试任务。在要求测量时间极短、数据处理量大、测试现场对操作人员有害或操作人员参与容易产生人为误差等测试任务

15、中极为适用。第第1章章 绪论绪论 GP-IB自动测试系统的主要缺点是硬件冗余度高，却不能起容错作用。在GP-IB系统中的各个独立仪器都具有键盘、显示器、存储器、微处理器、机箱及电源等部件，这些资源相互重复又不能共享。这样就造成资源浪费，且系统体积庞大。第第1章章 绪论绪论 1.3.2个人仪器系统 随着个人计算机的发展，1981年美国NIS公司首先提出了个人仪器的概念。个人仪器（Personal Computer Instrument，PCI）亦称PC仪器。所谓个人仪器就是以个人计算机为基础的仪器，其组成方法是，将原独立式智能仪器中的测量部分制作成仪器卡，插入PC的总线插槽，而原独立式智能仪器所

16、需的键盘、显示器及存储器等均借助于PC的资源。第第1章章 绪论绪论 所谓个人仪器系统则是由不同功能的仪器卡和PC有机结合而构成的自动测试系统。个人仪器及个人仪器系统充分利用了PC的软件、硬件资源，克服了GP-IB自动测试系统硬件冗余度高的缺点，具有性价比高、研制周期短、使用方便以及结构紧凑等优点，因而受到广泛的重视，具有广阔的发展前景。第第1章章 绪论绪论 早期的个人仪器是把仪器卡直接插入PC的总线插槽内，仪器卡直接挂在PC的内部总线上。这种个人仪器的优点是结构简单、成本低、容易实现，缺点是仪器卡数受到微机扩展槽口数的限制、机箱内部干扰大、散热不易、仪器卡尺寸受机内空间限制及加重微机电源负担等

17、，因而不宜用作微弱信号及高精度、大功率、微波等信号的测量。第第1章章 绪论绪论 为了克服这些缺点，许多仪器生产厂家各自研究外部插卡箱并定义仪器总线。外部插卡箱和微机连接时，首先要在微机扩展槽口内插入一块接口卡，然后通过仪器总线连接接口卡与外部插卡箱。例如，美国HP公司1985年推出的HP6000系列模块式仪器系统由8个机外模块组成，并且定义了PCIB仪器总线，连接微机箱内的接口卡与PC仪器模块。第第1章章 绪论绪论 一种混合式的个人仪器系统结构如图1-3所示，在微机内部的扩展槽口内插入了仪器卡，在微机外部的插卡箱内也有仪器卡。第第1章章 绪论绪论图1-3 个人仪器系统第第1章章 绪论绪论1.3

18、.3VXI总线仪器系统 个人仪器系统消除了GP-IB系统中硬件的冗余问题，提高了仪器的性能价格比，但个人仪器系统的尺寸、电气指标、接口及总线等由生产厂家自行定义，没有统一的标准，这就影响了个人仪器的进一步发展。第第1章章 绪论绪论 为此，美国HP和泰克等五家有影响的仪器公司，联合提出了适合于个人仪器系统标准化的VXI总线标准。VXI（VME bus Extensions for Instrumentation）总线是VME（Versabus Module European）总线在智能仪器领域的扩展，VME总线是Motorola公司1981年针对32位微处理器68000开发的微机总线。采用VXI

19、总线标准的个人仪器系统称为VXI总线仪器系统。VXI总线及VXI总线仪器系统的问世被认为是测量和仪器领域发生的一个重要事件。围绕着VXI总线仪器系统出现了一系列的国际性标准和支持技术，从而使测量和仪器系统的研究进入一个新阶段。第第1章章 绪论绪论 VXI总线仪器系统一般由微型计算机、VXI仪器卡、VXI总线三部分构成。图1-4给出了典型VXI总线仪器系统的构成形式，各个仪器卡均挂接在机箱背板VXI总线上，其中机箱最左端的0号卡为命令者卡，0号卡装有系统的公用资源，提供公用时钟及插卡识别等信号，对系统资源进行管理，还具有VXI总线与其他总线（GPIB、RS-232等）的转发器。微机与插卡箱之间通

20、过其他标准总线（GP-IB、RS-232等）进行通信。在测控软件的支持下，微型计算机与仪器功能模块实现自动测试系统的全部功能。第第1章章 绪论绪论图1-4 VXI总线仪器系统第第1章章 绪论绪论 VXI总线仪器系统是一种新的个人仪器系统，允许不同厂家生产的符合VXI总线接口标准的仪器卡在同一机箱中工作，提高了仪器卡的通用性，为VXI总线仪器系统的设计带来极大的方便。VXI总线是面向模块式结构的仪器总线，与GP-IB总线相比较其性能有了较大的提高，VXI总线中的地址线和数据线均可高至32位，数据传输速率上限可高至40MB/s。第第1章章 绪论绪论 此外还定义了多种控制线、中断线、时钟线、触发线、

21、识别线和模拟信号线等。采用这种总线标准的新型仪器系统具有信息吞吐率高、配置灵活、尺寸紧凑、可靠性高等特点，可以组成不同规模的自动测试系统。我国已投入了大量的人力开发VXI总线仪器系统，并在一些军工和科研部门得到了成功的应用。但是，VXI总线仪器系统价格较昂贵，某种程度上限制了它的推广应用。第第1章章 绪论绪论1.3.4虚拟仪器 20世纪80年代末，美国研制成功了虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）。虚拟仪器的出现，标志着自动测试与电子测量仪器技术发展的一个新方向。所谓虚拟仪器是指在通用微型计算机的基础上添加必要的仪器硬件模块和仪器专用软件，从而实现各种测试功能的一种计算机化仪

22、器系统。第第1章章 绪论绪论 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入和输出，软件才是仪器的关键，任何一个用户都可以通过改写软件的办法，方便地改变和增减仪器系统的功能，因此有“软件就是仪器”的说法。虚拟仪器技术的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变的固定模式，用户可以充分发挥想象力和才能，设计个性化的仪器系统，以满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器以通用计算机为基础平台，因此虚拟仪器很容易同网络、外设连接，也能够与计算机技术同步发展。第第1章章 绪论绪论 虚拟仪器由硬件平台和应用软件两大部分构成。其中，硬件平台由计算机和I/O接口设备组成，如图1-5所示，I/O接口设备主要完成被测信号的采集、调整、A/D转换等功能。根据总线的不同，I/O接口设备有下列几种： PC-DAQ采集卡（采用计算机本身的PCI总线或ISA总线）、GP-IB总线仪器、VXI总线仪器、串行口仪器、PXI总线仪器等。选择不同的I/O接口设备，就构成不同的虚拟仪器系统。第第1章章 绪论绪论图1-5 虚拟仪器硬件结构第第1章章 绪论绪论 在基本硬件系统确定之