智能化仪器原理及应用第8章.ppt

1、第8章新型智能仪器、8.1个人仪器、8.2虚拟仪器、8.3现场总线仪器、思考问题和练习、8.1个人仪器、8.1.1个人仪器的原理和特性1。个人仪器及其发展过程个人仪器(也称为个人计算机仪器)是基于智能仪器发展的另一种新型计算机化仪器，它是个人计算机和电子仪器的结合。这种仪器的基本思想是将原有智能仪器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；而原有智能仪表中的控制、存储、显示、操作和计算等软件任务则交给PC机完成。由于充分利用了PC机的软硬件资源，与传统的智能仪器相比，大大降低了成本，方便了使用，提高了可靠性，显示了广阔的发展前景。在此基础上，如果将测控仪器的各

2、种插件或模板组合在一个PC机系统中，就可以形成一个称为个人仪器的系统来代替昂贵的GPIB接口测试系统。1)个人仪器的主要形式(1)插值。它直接将仪器卡插入电脑的内部总线扩展槽，如图81(a)所示。这种结构简单，易于实现，成本最低，但很难满足目前重型仪器的功率和散热要求，内部干扰也很严重。在组成个人仪器时，由于没有专门为仪器定义的总线，仪器不能直接通信，模拟信号不能通过总线传输，所以这种形式的个人仪器和系统的性能不会很高。(2)插件。克服插值缺点的方法之一是定义一个新的仪器总线，并将仪器插件移动到个人计算机外部的独立机箱中，如图8-1(b)所示。惠普公司的6000系列模块化电脑仪表系统就是这种形

3、式的代表产品。这种个人仪表的特点是：独立的底盘和独立的电源，使仪表避免了微机的噪声干扰；设计了专用的仪表总线PC-IB，方便了仪表系统的组成。系统中更换与微机配套的接口卡可以适应各种个人计算机，仪器模块和接口电路中也使用微处理器。因此，HP6000系统是一个功能强大的多CPU分布式系统。图8-1个人仪表结构，(3) VXI总线仪表系统。上述个人仪器和系统以其突出的优势显示出强大的生命力。但是，由于不同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，无法将不同厂家的仪器模块和插件插入到同一个主机箱中，阻碍了个人仪器的发展。因此，有人呼吁标准化。在这种形式下，VXI仪器系统应运而生。1

4、987年7月，五家电子仪器公司，如惠普和泰克公司，为仪器模块卡插入提出了一种新的互连标准VXI总线。VXI总线是在计算机使用的VME总线的基础上发展起来的。(2)个人仪器的主要特点(1)成本低。在个人仪器系统中，每个测试功能不是由整个机器完成的，而是由插件完成的。每个插件不需要智能仪器所需的微处理器、显示设备、键盘、机箱等部件，大大降低了制造成本。(2)易于使用。在个人仪器中，标准仪器功能写在操作软件中，并提供一个简单的菜单。用户可以根据列表进行选择，无需编程即可完成各种测试任务，操作方便。(3)易于制造。在智能仪表中，仪表插卡与个人电脑的关系远不如微处理器与测量部分的关系密切，但可以买到价廉

5、物美的个人电脑。仪器制造商可以集中精力开发和生产测试插件卡，生产周期短，制造方便。(4)实时交互。个人仪表通过微机系统总线连接，并能实时交互。例如，一个仪器可以用来触发另一个仪器，使它们在时间上相互关联；然而，在GP-IB系统中，仪器不能实时交互，它们只接受系统控制器的控制或向控制器提出服务请求。2.个人仪表的组成原理1)硬件结构个人仪表的硬件由通过总线与个人计算机集成的仪表插件组成，因此仪表插件的硬件部分总是有两个主要电路：接口和测量控制，其基本结构如图8-2所示。图8-2个人仪表插件的总体结构，2)软面板个人仪表的一个显著特点是用户不再使用仪表的硬面板，而是使用软面板来操作仪表。所谓软面板

6、，是指在高分辨率的阴极射线管上画出的仪表板图形。用户通过操作键盘、移动鼠标、光标或触摸屏来选择软面板上的“软键”。阴极射线管上显示的软屏可以用C语言、BASIC语言和图形编程语言绘制。根据测控仪表的不同属性，软面板可以有多种形式，但一般包括仪表面板显示、软按钮操作、状态反馈栏和系统控制窗口等。个人仪表系统软件个人仪表系统一般有两种控制模式：手动控制和程序控制。图8-3显示了个人仪表软件系统的总体结构。在手动控制模式下，系统软件在微机屏幕上生成一个软面板，用户可以像传统的仪表操作一样，通过软面板选择功能和范围，输入相关参数，从而建立相应的状态标志，并提供给仪表司机。软面板的键盘操作通常通过中断来

7、实现。当用户按下一个键终止当前执行的功能时，判断按下的键。如果按错了键，会发出声音提醒用户；如果按下正确的键，将显示所选参数，或者通过与仪器驱动模块通信来执行操作，并且将实时显示测量结果。图8-3个人仪表软件系统结构图，8.1.2典型个人仪表示例1。插入式个人仪器1) DVM个人仪器卡硬件结构DVM仪器卡硬件结构如图8-4所示。仪器的输入电路由输入衰减器、前置放大器、量程转换和自动调零电路组成，由pc机通过接口电路控制。输入电路的功能是将不同范围的测量电压Ux标准化为模数转换器所需的电压值(02 V)。前置放大器采用MC7650组成的单级同相放大器，放大倍数为1或10倍，由继电器JK2控制和切

8、换；输入衰减系数为0.01，由继电器JK1控制和切换。零点校准由JK3控制。图8-4是DVM个人仪表插件的硬件结构图，2)软面板的生成图8-5是DVM个人仪表软面板，与类似智能仪表的硬件面板非常相似。显示窗口用于显示测量结果；状态反馈窗口提供关于当前执行的信息和错误信息；“软键”操作窗口分为两部分：范围键区和功能键区，可通过按下电脑的Tab键进行切换和选择。“软键”操作窗口中的“键”操作通过电脑键盘右小键盘中的四个方向键控制光标移动。当光标移动到一个项目时，该项目以倒置图像的形式显示，如图85所示。图8-5 DVM个人仪表软面板；3)软件系统设计个人仪表通过交互图形实现人机界面，要求所用的编程

9、语言具有强大的控制流和数据结构，运行速度快，易于与汇编语言接口。该DVM个人仪表控制软件采用C语言。DVM个人仪表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主线，连接着所有其他程序模块。主程序首先初始化整个仪器和系统中的相关设备，然后调用软面板生成模块，然后将其余模块组成一个循环，在该循环中仪器的功能被选择性地操作图8-6 dvm个人仪表主程序流程图。2.惠普个人仪表系统简介由惠普公司于1986年推出。当时，系统提供了8个个人仪表组件，即函数发生器、数字万用表、通用计数器、数字示波器、数字输入输出设备、继电器多路复用器、双数模转换器和继电器驱动器。每个个人仪器组件都封装在一个塑料外

10、壳中，但是它们具有相同的总线标准，并且可以通过一个特殊的接口卡与各种个人计算机连接。插入个人电脑总线扩展槽的专用接口板最多可连接8个个人仪器组件，所有组件共用一个外部电源，8个仪器组件在电源上方排成两排堆叠，形成一个简单方便的仪器系统。如果增加一个接口板，连接的电脑仪器部件的最大数量可以增加到16个。PC机控制惠普-PC机仪表有两种方式：程序控制和手动控制。在手动控制模式下，惠普-PC机仪表系统软件为用户提供了一个在PC机屏幕上进行人机对话的软面板。在程序控制模式下，用户可以方便地使用PC机的软件对各种应用程序进行编程。PC机仪表系统软件中使用的语句与BASIC语言中的语句相似。HP-PC仪表

11、系统还具有GP-IB接口，便于与其他仪表通过GP-IB总线连接，可用于自动测试系统。惠普-PC机仪表系统中的PC机仪表组件由测试功能电路和PC机-1b接口组成。虽然PC机仪器中的大量工作已经转移到PC机上，但是微处理器芯片的价格已经大大降低，所以为了设计和控制的方便，一个或几个微处理器也可以用在PC机仪器部件中，以更好地完成测试和接口功能。图8-7是惠普-PC机仪表中数字万用表组件的电路框图。在测试功能部分，采用微处理器控制模数转换，并设置量程和模式锁存器存储从个人计算机接收的控制信号，从而控制数字万用表的量程和功能模块。测试功能部分前端有三个可控开关：测量S3闭合时的DC电压；S2，关闭时测

12、量交流电压；当S1和S3关闭时，测量阻力。此时，电流源提供一定的电流流过被测电阻，通过测量电阻上的电压获得电阻值。非易失性存储器用于存储测量中的标准或校准常数。模数控制使用微处理器从模数转换器读取数据，并在将数据发送到个人计算机之前校正偏移和增益。图8-7 HP-61013 DMM组件电路，PC-IB接口由单片机管理，接口的光电隔离串行链路满足DMM需要浮动的要求。由于光电隔离将组件与个人电脑分开，因此DMM组件不需要像通用智能DMM那样由两套电源供电，这大大简化了电路。总的来说，整个数字式万用表个人仪表组件的规模大致等于智能数字式万用表的模拟部分。VXI总线个人仪表系统是一个由计算机控制的功

13、能系统，它允许不同制造商生产的仪表接口卡和计算机以模块的形式在同一个主机箱中广泛共存。根据放置在机架内部或外部的主控计算机，VXI系统可分为内部控制模式和外部控制模式。图8-8(a)显示了典型的外部控制模式VXI个人仪表系统。图8-8 VXI公交仪表系统的建立(一)外部控制模式；内部控制模式。图8-9为HP75000外控VXI仪表系统C型主机组装示意图。外部控制器可以是个人电脑，通过GP-1B、RS-232C、MXI、VME等总线或以太网与主机相连。主框架上的插槽0指定用于放置指令模板。指令模板主要承担VXI系统的资源管理和GP-IB总线到VXI总线的翻译功能。插入其他插槽的每个仪器或设备都是

14、VXI总线仪器模板。该系统的主框架可以插入多达13个标准宽度的模板。一些仪器只需要一个模板，而另一些需要两个模板(例如图中的数字设备)。GP-IB总线与个人计算机相连，也可以与其他VXI系统或其他GP-IB仪表系统相连，这表明该系统的组成非常灵活。图8-9 HP75000外控VXI仪器系统，8.2虚拟仪器，8.2.1虚拟仪器1的原理和特点。虚拟仪器的概念是指通过应用程序将通用计算机与必要的功能硬件模块相结合的仪器。用户可以通过一个友好的图形界面来操作这台计算机，就像操作一台由自己定义并专门设计的传统仪器一样，从而完成被测参数和被控参数的测量和控制。仪器模块的功能主要由软件实现，通过编程在显示屏

15、上形成波形发生器、示波器或数字万用表等传统仪器的软面板。波形发生器产生的波形、频率、占空比、幅度和偏移，或示波器的测量通道、标度比、时基、极性、触发信号(边沿、电平和类型)可以用鼠标或按键来设置，与常规仪器一样使用，但虚拟仪器具有较强的分析和处理能力。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，用户自己设计和定义的范围进一步扩大。同样的虚拟仪器可以应用于更多的场合，如电量测量、振动、运动和图像测量，甚至网络测量和控制。虚拟仪器强调软件的功能，提出了“软件就是仪器”的思想。它克服了传统仪器在制造过程中不能改变功能的缺陷，摆脱了一台仪器由传统硬件组成，然

16、后连接成一个系统的模式。相反，用户可以根据自己的需要，通过编写不同的测控软件来组合各种虚拟仪器。许多功能直接由用户软件实现，打破了仪器功能只能由制造商定义，不能由用户更改的模式。当用户的测控要求发生变化时，方便用户增加或减少软硬件模块或重新配置现有系统以满足要求。因此，虚拟仪器是完成用户自己定义的系统功能所需的计算机平台、硬件、软件和附件。2.虚拟仪器的组成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。计算机管理虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在显

17、示存储容量、处理性能、网络和总线标准方面的发展导致了虚拟仪器系统的快速发展。虚拟仪器并不强调每个仪器功能模块都是一个仪器，而是强调选择一个或几个具有共性的基本仪器硬件组成一个通用的硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或形成具有各种功能的仪器或系统。与传统智能仪器一样，虚拟仪器可以分为三个部分：数据采集、数据分析与处理和结果表达。传统的智能仪器是由制造商根据仪器的功能以固定的方式建造的。一般来说，一个仪器只有一个功能或几个功能。虚拟仪器是具有上述一种或多种功能的通用模块的组合，它可以通过编译不同的测控软件来构造任何一种仪器，而不是某些种类的仪器。例如，激励信号可以由微型计算机生成为数字信号，然后由数模转换器转换成各种模拟信号，这相当于任意波形发生器。被测信号经过采样、模数转换成数字信号，然后进行处理，可以直接数字显示，形成数字电压表。它也可以图形显示，成为一个示波器仪器；或进一步其中，数据分析处理、显示等功能可以通过软件直接完成。这样，就摆脱了一台仪器由传统硬件组成，然后连接成一个系统的模式，成为了