電子測量與儀器課件 第九章 智能測試儀器與系統(tǒng)1

1、第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 1第第9 9章章 智能測試儀器與系統(tǒng)智能測試儀器與系統(tǒng) 9.1 智能儀器概述智能儀器概述 9.2 智能儀器的典型處理功能智能儀器的典型處理功能 9.3 智能儀器實(shí)例智能儀器實(shí)例智能化智能化DVM簡介簡介9.4 自動測試系統(tǒng)、個人儀器與虛擬儀器自動測試系統(tǒng)、個人儀器與虛擬儀器本章小結(jié)本章小結(jié)第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 2第第9章章 波形測試與儀器波形測試與儀器學(xué)習(xí)參考：學(xué)習(xí)參考：智能儀器是電子測量儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，發(fā)展十分迅速。通過學(xué)習(xí)要求明確智能儀器、自動測試系統(tǒng)、虛擬儀器、個人儀器的區(qū)別與聯(lián)系，了解智能儀器的組成及各部分的原理與特點(diǎn)，了解智能儀器的典型處理功

2、能。 本章要點(diǎn)：本章要點(diǎn)：智能儀器的組成、智能儀器實(shí)例、個人儀器與自動化測試儀器的概念。第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 39.1 智能儀器概述智能儀器概述凡是具有人工智能化的測量儀器均可統(tǒng)稱為智能儀器，如無特別說明，書中的智能儀器特指為獨(dú)立智能儀器（即傳統(tǒng)智能儀器）。獨(dú)立智能儀器又稱為靈巧儀器（Smart Instruments），它是自身帶有微處理器能夠獨(dú)立進(jìn)行測試的電子儀器。除此之外，自動測試系統(tǒng)、個人儀器、虛擬儀器等也是具有人工智能化的測量儀器。本章主要介紹獨(dú)立智能儀器。9.1.1 智能儀器的組成智能儀器的組成能儀器由硬件和軟件兩部分組成。1. 硬件硬件硬件主要包括主機(jī)電路、模擬量輸入輸出通

3、道、人機(jī)接口和標(biāo)準(zhǔn)通信接口電路等，如圖9.1所示。 第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 4微處理器MPU內(nèi)部總線圖9.1 智能儀器硬件結(jié)構(gòu)程序存儲器ROM數(shù)據(jù)存儲器ROMI/O接口A/D變換器D/A變換器鍵盤顯示接口鍵盤顯示輸入電路模擬執(zhí)行器標(biāo)準(zhǔn)儀用通信接口外部儀用標(biāo)準(zhǔn)總線主機(jī)電路被測量模擬量輸入輸出人機(jī)接口通信接口第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 5（1）主機(jī)電路用來存儲程序與數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一系列的運(yùn)算和處理，參與各種功能控制。通常由微處理器、程序存儲器、輸入輸出（I/O）接口電路等組成，或者本身就是一個單片微型計(jì)算機(jī)。（2）模擬量輸入輸出通道用來輸入輸出模擬量信號，實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的變換。主要由A/

4、D變換器、D/A變換器和有關(guān)的模擬信號處理電路等組成。（3）人機(jī)接口用來溝通操作者與儀器之間的聯(lián)系，主要由儀器面板上的鍵盤和顯示器等組成。（4）標(biāo)準(zhǔn)通信接口用來實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)的聯(lián)系，使儀器可以接受計(jì)算機(jī)的程控命令，一般情況下，智能儀器都配有GPIB（或RS232C）等標(biāo)準(zhǔn)通信接口。第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 62. 軟件軟件軟件即程序，主要包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。監(jiān)控程序面向儀器面板和顯示器，負(fù)責(zé)完成如下工作：通過鍵盤操作，輸入并存儲所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù)；通過控制I/O接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對儀器進(jìn)行預(yù)定的設(shè)置；對數(shù)據(jù)存儲器所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行各種處理；以數(shù)字、字符、

5、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。接口管理程序主要面向通信接口，負(fù)責(zé)接收并分析來自通信接口總線的各種有關(guān)功能、操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼，并根據(jù)通信接口輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果以響應(yīng)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制命令。第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 79.1.2 GPIB接口接口GPIB（General Purpose Interface Bus）即通用接口總線，是國際通用的儀器接口標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，智能儀器都配有GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口。1. GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)的概述標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)的概述GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口包括接口與總線兩部分。接口部分由各種邏輯電路組成，與各儀器裝置安裝在一起，用于

6、對傳送的信息進(jìn)行發(fā)送、接收、編碼和譯碼?？偩€部分是一條無源多芯電纜，用于傳輸各種消息，消息指的是總線上傳遞的各種信息。圖9.2(a)為具有GPIB接口的儀器通過GPIB總線連接起來的標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)，DUT（Device Under Test）為被測器件。圖9.2(b)為GPIB24線總線插座外形結(jié)構(gòu)。第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 8在一個GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)中，要進(jìn)行有效的通信聯(lián)絡(luò)，至少有“講者”、“聽者”、“控者”三類儀器裝置。講者是通過總線發(fā)送儀器消息的儀器裝置，如測量儀器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等。聽者是通過總線接收由講者發(fā)出消息的裝置，如打印機(jī)等?？卣呤菙?shù)據(jù)傳輸過程中的組織者和控制者，

7、通常由計(jì)算機(jī)擔(dān)任。一個GPIB系統(tǒng)中，可以設(shè)置多個講者、聽者和控者，不允許有兩個或兩個以上的講者或控者同時起作用，但允許多個聽者同時工作?？卣?、聽者、講者被稱為系統(tǒng)功能的三要素，系統(tǒng)中的某一個裝置可以具有三要素中的一個、兩個或全部功功能。例如，系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)可以兼顧實(shí)現(xiàn)“講者”、“聽者”與“控者”的功能 。第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 9接口部分控/講/聽者（計(jì)算機(jī)）接口部分聽/講者（測量儀器）接口部分聽者（信號源）接口部分聽者（記錄儀）用戶編程DUT硬拷貝IFCATNEQIRENSRQDAVNRFDNDACDIO1DIO8接口管理控制線數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)總線通用接口總線(a）1121324(b

8、）圖9.2 GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)及GPIB24線總線插座儀器裝置接口儀器裝置本身第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 102. GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口的總線結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)接口的總線結(jié)構(gòu)總線是一條24芯電纜，其中16條被用作信號線，其余則被用作邏輯地線及屏蔽線。電纜兩端是與圖9.2(b)相似的雙列24芯疊式結(jié)構(gòu)插頭。GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線中的16條信號線按功能可分為以下三組：8條雙向數(shù)據(jù)總線（DIO1DIO8），用于傳遞包括數(shù)據(jù)、命令和地址等的儀器或接口消息，所傳遞消息的類型由其余兩組信號線加以區(qū)分。3條數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡(luò)線（DAV、NRFD和NDAC），用于控制數(shù)據(jù)總線的時序，以保證數(shù)據(jù)總線能正確、有節(jié)奏地傳輸信息，這

9、種傳輸技術(shù)稱為三線掛鉤技術(shù)。三線掛鉤指的是第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 11講者、控者、聽者之間的邏輯聯(lián)接與接續(xù)關(guān)系。定義如下： DAV(Dada Valid)數(shù)據(jù)有效線：當(dāng)數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)時，講者置該線為低（負(fù)邏輯），示意聽者從數(shù)據(jù)線上接收數(shù)據(jù)。 NRFD(Not Ready For Data)數(shù)據(jù)未就緒線：只要聽者中有一個尚未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，該線就為低，示意講者暫不要發(fā)出信息。 NDAC(Not Data Accepted)數(shù)據(jù)未收到線：只要聽者中有一個尚未從數(shù)據(jù)總線上接收完數(shù)據(jù)，該線就為低，示意講者暫不要撤掉數(shù)據(jù)總線上的信息。5條接口管理控制線（ATN、IFC、REN、EOI和SRQ）

10、，用于控制GPIB總線接口的狀態(tài)。定義如下：第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 12 ATN(Attention)注意線：該線由控者使用，用來指明數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)的類型。當(dāng)它為1時，數(shù)據(jù)總線上的信息是由控者發(fā)出的、用于管理接口部分工作的消息（命令、設(shè)備地址等），這時，一切設(shè)備均要接收這些信息。當(dāng)它為0時，數(shù)據(jù)總線上的信息是由講者發(fā)出的、用于完成儀器自身工作的儀器消息（數(shù)據(jù)、設(shè)備的控制命令等），所有聽者都必須聽。 IFC(Interface Clear)接口清除線：該線由控者使用，當(dāng)它為1時，整個接口系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。 REN(Remote Enable)遠(yuǎn)程控制線：該線由控者使用，當(dāng)它為1時，儀器可能處

11、于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，從而封鎖設(shè)備面板上的手工操作。當(dāng)它為0時，儀器處于本地工作方式。 SRQ(Service Request)服務(wù)請求線：所有設(shè)備都與這條第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 13線“線或”在一起，任意設(shè)備將此線變?yōu)榈蛻B(tài)（SRQ為1）時，就表示向控者提出服務(wù)請求，然后控者通過依次查詢確定提出請求的設(shè)備。 EQI(End Or Identify)結(jié)束或識別線：此線與ATN配合使用，當(dāng)EOI為1、ATN為0時，表示講者已傳遞完一組數(shù)據(jù)；當(dāng)EOI為1、ATN為1時，表示控者要進(jìn)行識別操作，要求設(shè)備把它們的狀態(tài)放在數(shù)據(jù)線上。3. GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口的功能標(biāo)準(zhǔn)接口的功能智能化測量儀器中每一個儀器裝置都具

12、有儀器功能和接口功能。儀器功能的任務(wù)是把收到的控制信息變成儀器設(shè)備的實(shí)際動作，如調(diào)節(jié)頻率、調(diào)節(jié)信號電平、改變儀器工作方式等，這與常規(guī)儀器設(shè)備的功能基本相同，為完成儀器功能第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 14而傳遞的消息稱為儀器消息。接口功能是指完成各儀器設(shè)備之間正確通訊，確保系統(tǒng)正常工作的能力，即通過GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)自動測量與控制所必須的邏輯功能。為完成接口功能而傳遞的消息稱為接口消息。 接口功能包括：遇到故障等情況時，向系統(tǒng)控者提出服務(wù)請求的服務(wù)請求功能；系統(tǒng)控者為快速查詢請求服務(wù)裝置而設(shè)置的并行點(diǎn)名功能；用來選擇遠(yuǎn)地工作狀態(tài)或本地工作狀態(tài)的遠(yuǎn)控本控能力；使裝置從總線接收到觸發(fā)信息，以便進(jìn)行

13、觸發(fā)操作的裝置觸發(fā)功能；能使儀器裝置接收清除信息并返回到初始狀態(tài)的裝置清除功能等。9.1.3 智能儀器的特點(diǎn)智能儀器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)測量儀器相比較，智能儀器具有以下幾個特點(diǎn)：第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 15（1）具有較完善的可程控能力智能儀器內(nèi)部有微處理器，一般配有GPIB或RS-232等接口，并且采用ASC碼進(jìn)行信息傳遞，使智能儀器具有可程控操作的能力。（2）面板控制（本地控制）簡單靈活智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中旋轉(zhuǎn)式或琴鍵式切換開關(guān)來實(shí)施對儀器的控制，這樣既有利于提高儀器技術(shù)指標(biāo)，又方便了儀器的操作。（3）輸入輸出方式靈活多樣智能儀器可通過鍵盤輸入任何數(shù)據(jù)或文字信息，或者用磁帶、軟盤等輸入

14、程序。能以數(shù)字、字符、圖形顯示等方式輸出。輸入輸出方式靈活多樣。第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 16（4）電路結(jié)構(gòu)簡單，測量精確度高，測量功能多樣化微處理器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷功能，這使得智能儀器能夠有效地消除由于漂移、增益變化和干擾等因素所引起的誤差，從而提高儀器的測量精度，電路結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，測量功能更加多樣化。（5）自動控制、自動調(diào)整能力增強(qiáng)智能儀器運(yùn)用微處理器進(jìn)行控制，可以方便地協(xié)調(diào)控制儀器的工作，實(shí)現(xiàn)測量儀器的自動控制，并具有一定的可編程能力及自動調(diào)零、自檢、自校等功能，操作簡單、維修方便。第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 179.2 智能儀器的典型處理功能智能儀器的典型處理

15、功能智能儀器是以微處理器為核心進(jìn)行工作的，它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和控制功能，與傳統(tǒng)測量儀器相比具有許多典型的處理功能，例如自檢、自動測量等功能。9.2.1 硬件故障的自檢功能硬件故障的自檢功能自檢功能是指利用事先編制好的檢測程序?qū)x器主要部件進(jìn)行自動檢測，并對故障進(jìn)行定位。自檢方式有三種類型：（1）開機(jī)自檢開機(jī)自檢是在儀器正式投入運(yùn)行之前，即儀器接通電源或復(fù)位之后所進(jìn)行的全面檢查。自檢中如果沒有發(fā)現(xiàn)問題，就進(jìn)入測量程序；如果發(fā)現(xiàn)問題，則及時報(bào)警，以避免儀器第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 18帶病工作。（2）周期性自檢周期性自檢是指在儀器運(yùn)行過程中間斷進(jìn)行的自檢操作，這種操作可以保證儀器在使用過程中一

16、直處于正常狀態(tài)。周期性自檢不影響儀器的正常工作，因而只有當(dāng)出現(xiàn)故障給予報(bào)警時，用戶才會覺察。（3）鍵盤自檢具有鍵盤自檢功能的儀器面板上設(shè)有“自檢”按鍵，當(dāng)用戶對儀器的可信度產(chǎn)生懷疑時，便通過該按鍵來啟動一次自檢過程。自檢過程中，如果檢測到儀器出現(xiàn)某些故障，智能儀器一般都以文字或數(shù)字的形式顯示“出錯代碼”。另外，往往還以指示燈的閃爍或聲音等方式進(jìn)行報(bào)警，以引起操作人員的注意。第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 199.2.2 自動測量功能自動測量功能智能儀器通常具有自動量程變換、自動零點(diǎn)調(diào)整、自動校準(zhǔn)以及自動觸發(fā)電平調(diào)節(jié)等自動測量功能。（1）自動量程變換自動量程變換是指儀器在很短時間內(nèi)自動選定最合理的量

17、程。這樣可以使儀器獲得高精度的測量，并簡化操作。自動量程變換一般由初設(shè)量程開始，逐級比較，直至選出最合適的量程為止。假設(shè)某電壓表共有0.1V、1V、10V、100V四個量程，它的自動量程變換流程如圖9.3所示。 （2）自動觸發(fā)電平調(diào)節(jié)能儀器自動觸發(fā)電平調(diào)節(jié)原理如圖9.4所示，其中，輸入信號經(jīng)過可程控衰減器傳送到比較器，比較器的比較電平第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 20（即觸發(fā)電平）則由D/A變換器設(shè)定的。當(dāng)經(jīng)過衰減器的輸入信號的幅度達(dá)到某一比較電平時，比較器輸出將改變狀態(tài)。觸發(fā)探測器將檢測到的比較器的輸出狀態(tài)送到微處理器，由此測出觸發(fā)電平來。 自動量程變換延時程序測量程序結(jié)束過載顯示降量程處理升

18、量程處理0.1V量程？100V量程？欠量程？超量程？YYYNNNNY圖9.3 電壓表自動量程變換流程圖第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 21（3）自動零點(diǎn)調(diào)整儀器零點(diǎn)漂移的大小及零點(diǎn)是否穩(wěn)定是產(chǎn)生測量誤差的主要來源之一，智能儀器能夠在微處理器的控制下，自動產(chǎn)生一個與零點(diǎn)偏移量相等的校正量與零點(diǎn)偏移量進(jìn)行抵消，從而有效地消除零點(diǎn)偏移等對測量結(jié)果的影響，這就是智能儀器的自動零點(diǎn)調(diào)整功能?？沙炭厮p器微處理器控制系統(tǒng)D/A變換器 + 比較器觸發(fā)探測器輸出圖9.4 自動觸發(fā)電平調(diào)節(jié)原理圖第9章 智能測試儀器與系統(tǒng) 22（4）自動校準(zhǔn)智能儀器自動校準(zhǔn)時，操作者按下“自動校準(zhǔn)”按鍵，儀器顯示屏便提示操作者應(yīng)輸入的標(biāo)準(zhǔn)電壓，操作者按提示要求將相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電壓加到輸入端后，再按一次“自動校準(zhǔn)”鍵，儀器進(jìn)行一次測量并將標(biāo)準(zhǔn)量存入到校準(zhǔn)存儲器，然后顯示器提示下一個要求輸入的標(biāo)準(zhǔn)電壓值，再重復(fù)上述測量存儲過程。當(dāng)對預(yù)定的校正測量完成之后，校準(zhǔn)程序還能自動計(jì)算每