個(gè)人儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 9.1 概述概述 9.2 個(gè)人儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)個(gè)人儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9.3 VXI 總線儀器系統(tǒng)總線儀器系統(tǒng) 9.4 虛擬儀器及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)虛擬儀器及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)第第9章章 個(gè)人儀器及系統(tǒng)個(gè)人儀器及系統(tǒng) 個(gè)人儀器也稱個(gè)人儀器也稱PC儀器，是在智能儀器發(fā)展基礎(chǔ)上出現(xiàn)的又儀器，是在智能儀器發(fā)展基礎(chǔ)上出現(xiàn)的又一種新型的微型計(jì)算機(jī)化儀器。一種新型的微型計(jì)算機(jī)化儀器。由于個(gè)人儀器充分利用了由于個(gè)人儀器充分利用了PC機(jī)的軟件和硬件資源，因而相機(jī)的軟件和硬件資源，因而相對(duì)傳統(tǒng)智能儀器來(lái)說(shuō)，極大地降低了成本，大幅度地縮短研制周對(duì)傳統(tǒng)智能儀器來(lái)說(shuō)，極大地降低了成本，大幅度地縮短研制周期，顯示出廣闊的發(fā)展前景。期，顯示

2、出廣闊的發(fā)展前景。 9.1 概述概述9.1.1 個(gè)人儀器及發(fā)展個(gè)人儀器及發(fā)展 、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)（基于、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)（基于PC機(jī)內(nèi)部總線）機(jī)內(nèi)部總線）、模塊式個(gè)人儀器及系統(tǒng)（基于獨(dú)立儀器總線）、模塊式個(gè)人儀器及系統(tǒng)（基于獨(dú)立儀器總線）、VXI總線儀器系統(tǒng)（基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的儀器總線）總線儀器系統(tǒng)（基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的儀器總線）個(gè)人儀器及系統(tǒng)發(fā)展的幾個(gè)階段個(gè)人儀器及系統(tǒng)發(fā)展的幾個(gè)階段 9.1.1 個(gè)人儀器及發(fā)展個(gè)人儀器及發(fā)展最簡(jiǎn)單的形式是內(nèi)插件式，它把儀器插卡直接插入到PC 機(jī)內(nèi)部的總線擴(kuò)展槽內(nèi)。儀器插卡主要完成數(shù)據(jù)采集工作，所以儀器插卡也稱數(shù)據(jù)采集卡DAQ（DATA AcQuisitio

3、n），這類儀器也稱PCDAQ形式個(gè)人儀器。、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)克服上述缺點(diǎn)的辦法是：克服上述缺點(diǎn)的辦法是： 定義新的儀器總線并將儀器插件移定義新的儀器總線并將儀器插件移到到PCPC機(jī)外的獨(dú)立機(jī)箱中機(jī)外的獨(dú)立機(jī)箱中 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便，成本低。缺點(diǎn)：難以滿足重載儀器對(duì)電流和散熱的要求，機(jī)內(nèi)干擾也較嚴(yán)重，在組成個(gè)人儀器系統(tǒng)時(shí)，由于沒有專門為儀器定義的總線，各儀器之間不能直接通信，模擬信號(hào)也無(wú)法經(jīng)總線傳遞，因此這種PCDAQ形式的個(gè)人儀器及系統(tǒng)的性能不可能很高。 9.1.1 個(gè)人儀器及發(fā)展個(gè)人儀器及發(fā)展、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)軟面板軟面板插入插入

4、儀器卡儀器卡計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)9.1.1 個(gè)人儀器及發(fā)展個(gè)人儀器及發(fā)展、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、獨(dú)立總線的模塊式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、獨(dú)立總線的模塊式個(gè)人儀器及系統(tǒng)特點(diǎn)：特點(diǎn)： 獨(dú)立的機(jī)箱和獨(dú)立的電源系統(tǒng)，使儀器避開了微型計(jì)算機(jī)的噪聲環(huán)境；設(shè)計(jì)了專門的儀器總線PCIB，組成儀器系統(tǒng)很方便；更換系統(tǒng)中與微型計(jì)算機(jī)配合的接口卡，可適應(yīng)多種個(gè)人計(jì)算機(jī)； 系統(tǒng)中的儀器模塊和接口電路中也使用了微處理器，因而HP6000系統(tǒng)是一種功能很強(qiáng)大的多CPU的分布系統(tǒng) HP公司在1986年前后推出的6000系列模塊式PC 儀器系統(tǒng)被認(rèn)為是這類形式個(gè)人儀器及系統(tǒng)的典型產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)圖如右圖所示。9.1.1

5、 個(gè)人儀器及發(fā)展個(gè)人儀器及發(fā)展、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、獨(dú)立總線的模塊式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、獨(dú)立總線的模塊式個(gè)人儀器及系統(tǒng)MXIINST#1INST#2RAM各公司為儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)了：各公司為儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)了：獨(dú)立的機(jī)箱、獨(dú)立的電源、專門的儀器總線獨(dú)立的機(jī)箱、獨(dú)立的電源、專門的儀器總線9.1.1 個(gè)人儀器及發(fā)展個(gè)人儀器及發(fā)展、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、內(nèi)插件式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、獨(dú)立總線的模塊式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、獨(dú)立總線的模塊式個(gè)人儀器及系統(tǒng)、VXI總線儀器系統(tǒng)（基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)總線）總線儀器系統(tǒng)（基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)總線）1987年7月，HP、Tektronix 等五家重要電子儀器公司制造廠家組

6、成的聯(lián)合體，提出了用于儀器模塊式插卡的新型的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)： VXI總線。VXI總線是在原有的VME總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的儀器總線，由于VME總線是為計(jì)算機(jī)一般應(yīng)用而開發(fā)的，未涉及電磁干擾、功率損耗和冷卻等問題，VXI總線對(duì)此做了妥善的處理。VXI 總線的基本概念是為模塊電子儀器提供一個(gè)開放的結(jié)構(gòu)，從而使所有儀器廠家提供的各種儀器模塊可以在同一主機(jī)箱內(nèi)運(yùn)行。VXI總線標(biāo)準(zhǔn)是公開的，截至1994年，生產(chǎn)VXI 產(chǎn)品的廠商已有九十多家，產(chǎn)品品種超過1 000種，安裝的系統(tǒng)數(shù)超過10 000套。因此，可以說(shuō)VXI 儀器系統(tǒng)已被確認(rèn)為是個(gè)人儀器的一種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品了 、VXI總線儀器系統(tǒng)總線儀器系統(tǒng)獨(dú)立的機(jī)箱內(nèi)設(shè)計(jì)

7、了世界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)總線獨(dú)立的機(jī)箱內(nèi)設(shè)計(jì)了世界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)總線9.1.2 個(gè)人儀器的總線個(gè)人儀器的總線 本章側(cè)重討論本章側(cè)重討論P(yáng)CPCDAQDAQ形式個(gè)人儀器所采用的總線形式個(gè)人儀器所采用的總線 一、一、 總線總線 總線是指一些線路的集合。微型計(jì)算機(jī)總線按功能可分為內(nèi)總線和外總線兩類。 內(nèi)總線又稱系統(tǒng)總線，它的基本功能是對(duì)接于總線上的各模塊和插卡提供信息通路，使各模塊和插卡能通過總線與微型計(jì)算機(jī)交換信息。內(nèi)總線隨微型計(jì)算機(jī)機(jī)型而異，有各自的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)總線上模塊板的尺寸、引腳信號(hào)的定義都有明確的規(guī)定。常見的內(nèi)總線有S100總線、STD總線、Apple系列總線、IBMPC系列總線。 外總線又稱通

8、信總線，它用于微型計(jì)算機(jī)之間、微型計(jì)算機(jī)與儀器和其他設(shè)備之間的通信。如用于微型計(jì)算機(jī)之間通信的RS232C，用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的GPIB，以及適用于模塊式個(gè)人儀器系統(tǒng)的PCIB、VXI等。 9.1.2 個(gè)人儀器的總線個(gè)人儀器的總線 本章側(cè)重討論本章側(cè)重討論P(yáng)CPCDAQDAQ形式個(gè)人儀器所采用的總線形式個(gè)人儀器所采用的總線 一、一、 總線總線 主要闡述IBM PC系列微型計(jì)算機(jī)及其兼容機(jī)所采用的總線，包括PC總線，ISA總線，EISA總線以及PCI 總線等。本節(jié)側(cè)重討論P(yáng)C總線。二、二、 PC總線總線 PC總線是指IBM PC/XT機(jī)及兼容機(jī)使用的總線。IBM PC/XT機(jī)及兼容機(jī)的主機(jī)板后部設(shè)

9、有5個(gè)或8個(gè)總線插座。每個(gè)插座有62個(gè)引腳。插座引腳和信號(hào)的定義如圖92所示，各引腳信號(hào)的說(shuō)明如表9-1所示。 總線共含總線共含62 個(gè)引腳，個(gè)引腳，按功能可分為四類：按功能可分為四類： 數(shù)據(jù)傳送總線數(shù)據(jù)傳送總線8根；根； 地址總線地址總線20根；根； 控制總線控制總線26根。根。 其它總線其它總線8根根( +5 V的的2根、根、 5 V的的1根、根、+12 V的的1根、根、 12 V的的1根及地線根及地線3根根 ) IBM PC總線總線 1. 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 D7D0共共8條，是雙向數(shù)據(jù)傳送線，為條，是雙向數(shù)據(jù)傳送線，為CPU、存儲(chǔ)器及、存儲(chǔ)器及I/O設(shè)備間提供信息傳送通道。設(shè)備間提供信息

10、傳送通道。 2. 地址總線地址總線 A19A0共共20條，用來(lái)選定存儲(chǔ)器地址或條，用來(lái)選定存儲(chǔ)器地址或I/O設(shè)備地址。當(dāng)設(shè)備地址。當(dāng)選定選定I/O設(shè)備地址時(shí)，設(shè)備地址時(shí)，A19A16無(wú)效。無(wú)效。20位地址線允許訪問位地址線允許訪問1MB存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)空間，16位地址線允許訪問位地址線允許訪問64 KB的的I/O設(shè)備空間。這些信設(shè)備空間。這些信號(hào)一般由號(hào)一般由CPU產(chǎn)生，也可以由產(chǎn)生，也可以由DMA控制器產(chǎn)生?？刂破鳟a(chǎn)生。 3. 控制總線控制總線 控制總線共控制總線共26條條 （重點(diǎn)掌握（重點(diǎn)掌握 6 根）根） IBM PC總線總線 3. 3. 控制總線控制總線 控制總線共控制總線共2626條條

11、 （重點(diǎn)掌握（重點(diǎn)掌握 6 6 根）根） IORIOR：( (輸出、低電平有效輸出、低電平有效)I/O)I/O讀命令讀命令，由CPU或DMA控制器產(chǎn)生。信號(hào)有效時(shí)，把選中的I/O設(shè)備接口中數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)總線。 IOWIOW：( (輸出、低電平有效輸出、低電平有效)I/O)I/O寫命令寫命令，由CPU或DMA控制器產(chǎn)生，用來(lái)控制將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫到所選中的I/O設(shè)備接口中。 MEMR：(輸出、低電平有效輸出、低電平有效)存儲(chǔ)器讀命令存儲(chǔ)器讀命令，由CPU或DMA控制器產(chǎn)生，用來(lái)控制把選中的存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)總線。 MEMW：(輸出、低電平有效輸出、低電平有效)存儲(chǔ)器寫命令存儲(chǔ)器寫命令，由CPU

12、或DMA控制器產(chǎn)生，把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入所選中的存儲(chǔ)單元。 AEN：(輸出輸出)地址允許信號(hào)地址允許信號(hào)，由8237A發(fā)出，此信號(hào)用來(lái)切斷CPU控制，以允許DMA傳送。AEN為高電平有效，此時(shí)由DMA控制器8237A來(lái)控制地址總線、數(shù)據(jù)總線以及對(duì)存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備的讀/寫命令線。在制作接口電路中的I/O地址譯碼器時(shí)，必須包括這個(gè)控制信號(hào)。 ALE：(輸出輸出)地址鎖存允許地址鎖存允許，由總線控制器8288提供。ALE有效時(shí)，在ALE下降沿鎖存來(lái)自CPU的地址。目前地址總線有效，可開始執(zhí)行總線工作周期。 9.1.3 PCDAQ形式個(gè)人儀器的組成原理形式個(gè)人儀器的組成原理 一、一、 硬件結(jié)構(gòu)硬件

13、結(jié)構(gòu) PCDAQ形式個(gè)人儀器的硬件是由儀器插件通過內(nèi)總線與微型計(jì)算機(jī)融合在一起構(gòu)成的，因而儀器插件總有接口和測(cè)量?jī)纱蟛糠蛛娐罚究驁D如圖所示。 接口部分由接口芯片、地址譯碼電路、控制電路等部分組成，這與PC 機(jī)的一般功能接口卡的接口電路基本一致。測(cè)量部分電路與智能儀器的測(cè)量部分電路基本一致，雖然依測(cè)量任務(wù)不同測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)與組成有很大差異，但一般說(shuō)來(lái)包括輸入電路、采樣與保持、A/D轉(zhuǎn)換、時(shí)基與時(shí)鐘等部分。 9.1.3 PCDAQ形式個(gè)人儀器的組成原理形式個(gè)人儀器的組成原理 一、一、 硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu) 二、二、 軟面板及操作軟面板及操作 個(gè)人儀器區(qū)別于智能儀器的一個(gè)顯著特點(diǎn)是： 用戶不再使用儀

14、器的面板，而是采用軟面板實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作。軟面板是顯示在CRT上由高分辨率作圖生成的儀器面板圖形( 類似于儀器的硬面板)，用戶通過操作鍵盤、鼠標(biāo)器移動(dòng)光標(biāo)方式或通過觸屏方式來(lái)選擇軟面板上的按鍵(稱軟鍵)。顯示在CRT上軟面板的繪制可采用VC, VB, Delphi等語(yǔ)言及圖形化的編程語(yǔ)言。軟面板依測(cè)試儀器性質(zhì)不同其形式也各不相同，但一般包括儀器面板顯示、軟鍵、狀態(tài)反饋和系統(tǒng)控制等窗口。 一、一、 硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu) 二、二、 軟面板及操作軟面板及操作 個(gè)人儀器系統(tǒng)一般有人工和個(gè)人儀器系統(tǒng)一般有人工和程序兩種控制方式，一般結(jié)構(gòu)程序兩種控制方式，一般結(jié)構(gòu)如圖所示。如圖所示。 三、三、 個(gè)人儀器控制程

15、序個(gè)人儀器控制程序 在人工控制方式下，系統(tǒng)軟件在微型計(jì)算機(jī)屏幕上產(chǎn)生一個(gè)軟面板，用戶可以像操作傳統(tǒng)儀器一樣，通過軟面板選擇功能、量程以及輸入有關(guān)參數(shù)，建立起相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志提供給儀器控制程序。軟面板的鍵盤操作一般是以中斷方式實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)用戶按下一個(gè)鍵時(shí)，軟面板就中止當(dāng)前執(zhí)行的功能，判斷所按的鍵。如果按下錯(cuò)誤的鍵，就發(fā)出聲響，以提醒用戶；如果按下正確的鍵，或顯示所選參數(shù)，或與儀器驅(qū)動(dòng)程序模塊進(jìn)行通信來(lái)執(zhí)行某項(xiàng)操作并實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。 一、一、 硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu) 二、二、 軟面板及操作軟面板及操作 個(gè)人儀器系統(tǒng)一般有人工和個(gè)人儀器系統(tǒng)一般有人工和程序兩種控制方式，一般結(jié)構(gòu)程序兩種控制方式，一般結(jié)構(gòu)如圖

16、所示。如圖所示。 三、三、 個(gè)人儀器控制程序個(gè)人儀器控制程序 在程序控制方式下，編程工具提供了容易記住和學(xué)會(huì)的高級(jí)命令，以便讓用戶能編制測(cè)試程序去進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，只需按照語(yǔ)句的格式進(jìn)行編程，而不必知道儀器驅(qū)動(dòng)軟件與儀器模塊之間的通信過程。儀器驅(qū)動(dòng)程序是最底層的軟件，是與PC儀器硬件直接聯(lián)系的軟件模塊，無(wú)論人工操作方式或程序操作方式都要調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)程序去執(zhí)行輸入/輸出操作。儀器驅(qū)動(dòng)程序是直接面向硬件的，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，要求程序的執(zhí)行速度快，因此一般直接采用匯編語(yǔ)言編寫。 9.1.3 PCDAQ形式個(gè)人儀器的組成原理形式個(gè)人儀器的組成原理 一、一、 硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu) 二、二、 軟面板及操作軟面

17、板及操作 三、三、 個(gè)人儀器控制程序個(gè)人儀器控制程序 綜上所述，個(gè)人儀器軟件系統(tǒng)主要綜上所述，個(gè)人儀器軟件系統(tǒng)主要解決兩個(gè)問題：解決兩個(gè)問題：一是軟面板的制作，一是軟面板的制作，二是對(duì)底層的實(shí)時(shí)控制及有關(guān)數(shù)據(jù)二是對(duì)底層的實(shí)時(shí)控制及有關(guān)數(shù)據(jù)的處理。的處理。 目前，個(gè)人儀器應(yīng)用軟件的編寫一般采用如下兩種方式：一種是采用通用Windows操作環(huán)境下的可視化編程軟件進(jìn)行編寫的，例如，C+，Delphi，PowerBuilder等。另一種是采用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開發(fā)，如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW和Lab Windows/CVI等。這些軟件一般還包括一些通用的數(shù)字處理軟件，如頻域分

18、析的功率譜估計(jì)、FFT、FHT、逆FFT和細(xì)化分析等，時(shí)域分析的相關(guān)分析、卷積運(yùn)算、反卷運(yùn)算、均方根估計(jì)、差分積分運(yùn)算和排序等，數(shù)字濾波等。這些功能函數(shù)為用戶加速個(gè)人儀器的開發(fā)速度以及進(jìn)一步擴(kuò)展儀器的功能提供了基礎(chǔ)。 9.2 個(gè)人儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)個(gè)人儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9.2.1 DVM個(gè)人儀器的設(shè)計(jì)個(gè)人儀器的設(shè)計(jì) 本節(jié)介紹的本節(jié)介紹的DVMDVM個(gè)人儀器實(shí)例屬于個(gè)人儀器實(shí)例屬于 PC-DAQ PC-DAQ 形式。形式。 通過學(xué)習(xí)，擬使讀者能掌握個(gè)人儀器最基本的特點(diǎn)；直觀地通過學(xué)習(xí)，擬使讀者能掌握個(gè)人儀器最基本的特點(diǎn)；直觀地建立起個(gè)人儀器的概念；掌握個(gè)人儀器硬件設(shè)計(jì)的一般方法；學(xué)建立起個(gè)人儀器的概念；

19、掌握個(gè)人儀器硬件設(shè)計(jì)的一般方法；學(xué)會(huì)采用會(huì)采用DelphiDelphi語(yǔ)言編寫較簡(jiǎn)單個(gè)人儀器軟件系統(tǒng)的方法。語(yǔ)言編寫較簡(jiǎn)單個(gè)人儀器軟件系統(tǒng)的方法。一、一、DVM個(gè)人儀器插卡硬件結(jié)構(gòu)、個(gè)人儀器插卡硬件結(jié)構(gòu)、二、軟面板的生成二、軟面板的生成三、測(cè)量控制程序的設(shè)計(jì)三、測(cè)量控制程序的設(shè)計(jì) 9.2.1 DVM個(gè)人儀器的設(shè)計(jì)個(gè)人儀器的設(shè)計(jì)一、一、DVM個(gè)人儀器插卡硬件結(jié)構(gòu)個(gè)人儀器插卡硬件結(jié)構(gòu) DVM個(gè)人儀器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：個(gè)人儀器的主要技術(shù)指標(biāo)如下： (1) 精確度： 優(yōu)于0.1%讀數(shù)0.1%滿度；(2) 靈敏度： 100V；(3) 量程范圍： 0.2V、2V、20V、200V；(4) 輸入阻抗： 0

20、.2V、2V量程大于500M，其他量程10M；(5) 最大顯示數(shù)： 1999；(6) 自動(dòng)測(cè)量功能： 自動(dòng)穩(wěn)零、自動(dòng)量程切換；(7) 儀器處理功能： AX+B、上下限判斷、相對(duì)誤差、最大值/最小值/平均值、方差等。一、一、DVM個(gè)人儀器插卡硬件結(jié)構(gòu)個(gè)人儀器插卡硬件結(jié)構(gòu) 該儀器的該儀器的A/DA/D轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換器采用MC 14433MC 14433，輸入電路由輸入衰減器、，輸入電路由輸入衰減器、前置放大器、量程轉(zhuǎn)換和自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整的切換電路組成。前置放大器、量程轉(zhuǎn)換和自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整的切換電路組成。 PCPC機(jī)通過接口電路對(duì)其進(jìn)行控制。機(jī)通過接口電路對(duì)其進(jìn)行控制。一、一、DVM個(gè)人儀器插卡硬件結(jié)構(gòu)個(gè)

21、人儀器插卡硬件結(jié)構(gòu) 該儀器的該儀器的A/DA/D轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換器采用MC 14433MC 14433，輸入電路由輸入衰減器、，輸入電路由輸入衰減器、前置放大器、量程轉(zhuǎn)換和自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整的切換電路組成。前置放大器、量程轉(zhuǎn)換和自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整的切換電路組成。 PCPC機(jī)通過接口電路對(duì)其進(jìn)行控制。機(jī)通過接口電路對(duì)其進(jìn)行控制。輸入電路作用是將不同量程的被測(cè)電壓UX規(guī)化到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的電壓值(02V) 。前置放大器采用MC 7050組成的同相放大器，倍數(shù)為1或10倍，由繼電器K2控制切換；輸入衰減器系數(shù)為1 100，由繼電器K1控制；自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整由繼電器K3控制。PC機(jī)通過接口電路對(duì)其進(jìn)行控制。 825

22、5初始化為：端口A為輸入，輸入A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)和位選信號(hào)；上C口為輸入，其中PC0用于對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的EOC狀態(tài)信號(hào)的查詢；下C口為輸出，其中PC4、PC5、PC6經(jīng)7406驅(qū)動(dòng)控制繼電器K1、K2和K3，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作模式和量程的控制。DVM個(gè)人儀器在測(cè)量模式和自動(dòng)零點(diǎn)模式時(shí)各擋量程的控制命令字如表9-3，只要將這些控制命令字寫到8255下C口，各繼電器便能按照寫入的命令字，控制輸入回路組合成相應(yīng)的模式和量程。 二、軟面板的生成二、軟面板的生成運(yùn)用運(yùn)用DelphiDelphi可視化編程軟件設(shè)計(jì)的可視化編程軟件設(shè)計(jì)的DVMDVM個(gè)人儀器的軟面板如圖所示。個(gè)人儀器的軟面板如圖所示。 左上部為顯示窗，

23、用來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果；下部為狀態(tài)反饋窗，提供當(dāng)前正在執(zhí)行的有關(guān)信息及出錯(cuò)信息；余下的部分為軟鍵操作窗。軟鍵操作窗又分為兩個(gè)區(qū)域，左邊為量程鍵區(qū)域，右邊為功能鍵區(qū)域，用戶通過鼠標(biāo)單擊的方法可以很方便地進(jìn)行按鍵選擇。圖示的軟面板表示儀器當(dāng)前處于連續(xù)測(cè)量狀態(tài)，測(cè)量速率為10次/秒，正在執(zhí)行的功能是DVM，其量程為2V擋，當(dāng)前的測(cè)量結(jié)果為1.499V。 DVM個(gè)人儀器共設(shè)置0.2V, 2V, 20V, 200V, Auto五個(gè)量程鍵，其中Auto為自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換控制鍵，此鍵被選中時(shí)，DVM個(gè)人儀器能根據(jù)被測(cè)電壓的大小自動(dòng)選擇一個(gè)最佳的量程。儀器共定義了9個(gè)功能。其中DVM鍵為一般功能，此鍵如被選中，個(gè)人儀器

24、將作為一般數(shù)字電壓表使用；AX+B是標(biāo)度變換功能；HLA鍵用于判斷多次測(cè)量后測(cè)量值中的最大值、最小值和平均值；%鍵用于計(jì)算被測(cè)信號(hào)的相對(duì)誤差；DX鍵用于統(tǒng)計(jì)多次測(cè)量結(jié)果的方差、標(biāo)準(zhǔn)差和均方差。用戶還可按照自己的實(shí)際需要，使用Delphi語(yǔ)言編程來(lái)定義新的功能。 例如：例如：若選中%(相對(duì)誤差)功能，軟面板前方會(huì)彈出一個(gè)如圖911(a)所示的窗口，引導(dǎo)用戶通過操作PC機(jī)鍵盤輸入被測(cè)電壓的標(biāo)稱值；當(dāng)用戶輸入被測(cè)電壓的標(biāo)稱值并單擊OK鍵進(jìn)行確認(rèn)后，儀器便進(jìn)入該項(xiàng)功能的測(cè)量與處理，并給出處理后的結(jié)果。圖911(b)給出的結(jié)果表明，被測(cè)信號(hào)電壓的標(biāo)稱值為1.5V，實(shí)際測(cè)量值為1.499V，信號(hào)電壓的相對(duì)

25、誤差值為0.0667%。 DVMDVM的功能在執(zhí)行前，一般需在的功能在執(zhí)行前，一般需在軟面板引導(dǎo)下輸入選定的參數(shù)。軟面板引導(dǎo)下輸入選定的參數(shù)。 二、軟面板的生成二、軟面板的生成三、測(cè)量控制程序的設(shè)計(jì)三、測(cè)量控制程序的設(shè)計(jì) 由于Delphi編程語(yǔ)言是事件驅(qū)動(dòng)的，因此測(cè)量控制程序使用了定時(shí)器Timer組件來(lái)定時(shí)驅(qū)動(dòng)每次測(cè)量過程的開始。Timer組件的定時(shí)時(shí)間由屬性Interval來(lái)確定，本儀器A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于0.1s，所以初始化Interval為0.1s。當(dāng)預(yù)置的“定時(shí)時(shí)間到”這個(gè)事件發(fā)生時(shí)，便激活一次測(cè)量過程。DVMDVM個(gè)人儀器測(cè)量控制個(gè)人儀器測(cè)量控制主程序流程如圖所示。主程序流程如圖所示

26、。一次測(cè)量過程包括如下內(nèi)容：首先根據(jù)用戶在軟面板選擇的量程鍵所對(duì)應(yīng)的量程代碼rn，發(fā)送對(duì)應(yīng)的量程控制字；根據(jù)用戶在軟面板上選擇的功能鍵所對(duì)應(yīng)的功能代碼fn，讀取對(duì)應(yīng)功能的參數(shù)；然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行與選定功能和量程相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；最后將處理結(jié)果送到軟面板顯示屏中進(jìn)行顯示。當(dāng)完成上述工作后，一次測(cè)量過程便結(jié)束。當(dāng)定時(shí)器Timer的“定時(shí)時(shí)間到”這個(gè)事件又發(fā)生時(shí)，便再次重復(fù)以上過程。 9.2.2 HP-PC 儀器系統(tǒng)介紹儀器系統(tǒng)介紹 HP-PC儀器系統(tǒng)是HP公司1986年推出的，該系統(tǒng)當(dāng)時(shí)共提供了數(shù)字多用表、函數(shù)發(fā)生器、通用計(jì)數(shù)器、數(shù)字示波器、數(shù)字輸入輸出設(shè)備、繼電式多路器、

27、雙數(shù) 模變換器和繼電器驅(qū)動(dòng)器8種個(gè)人儀器組件。 所有的個(gè)人儀器組件都封裝在一個(gè)塑料機(jī)殼中，它們擁有同一種母線標(biāo)準(zhǔn)，通過一塊專用接口卡與 IBM PC 及兼容機(jī)相連。所有個(gè)人儀器組件公用一個(gè)外部電源，分兩排疊放在電源上部，形成了簡(jiǎn)單方便的儀器系統(tǒng)。 每種個(gè)人儀器組件中僅保留基本的測(cè)量功能，儀器的控制和數(shù)字、狀態(tài)、波形的顯示以及儀器的開關(guān)和按鍵等的管理都集中于PC機(jī)中，因而個(gè)人儀器組件本身不再具有傳統(tǒng)的獨(dú)立形態(tài)。 個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì)HPPC儀器的控制有人工控制和程序控制兩種。 在人工控制方式下，HPPC儀器系統(tǒng)軟件在PC機(jī)的顯示屏上向用戶提供一幅可以人-機(jī)對(duì)話的軟面板。 在程序控制方式下，用戶可以使用P

28、C儀器的軟件方便地編制各種應(yīng)用程序。PC 儀器系統(tǒng)軟件采用的語(yǔ)句與BASIC語(yǔ)言類同，比如 OUTPUT，MEASURE，F(xiàn)UNCTION等。例如個(gè)人計(jì)算機(jī)向DMM發(fā)送命令，使其處于測(cè)直流電壓功能，則只需一句程序CALL SET.FUNCTION(MY.DMM，DCVOLTS，非常類似普通語(yǔ)言，易于使用者掌握。除此之外，HPPC儀器系統(tǒng)還帶有GP IB口，以便于和其他帶GPIB總線的儀器連接，應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中。 一、一、 概述概述 二、二、HP-PC儀器組件儀器組件的面版與軟面板的面版與軟面板 由圖（a）可以看出，實(shí)際的儀器面板只剩下與被測(cè)件相連接的插頭。傳統(tǒng)智能儀器面板中的各鍵盤以及顯示

29、屏將由圖（b）所示的出現(xiàn)在個(gè)人計(jì)算機(jī)顯示屏上的“軟面板”來(lái)?yè)?dān)任。二、二、HP-PC儀器組件的儀器組件的面版與軟面板面版與軟面板 HPHPPCPC儀器系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)的軟面板，被劃為四個(gè)互軟面板，被劃為四個(gè)互不重疊的窗口。下面以不重疊的窗口。下面以數(shù)字示波器軟面板為例，數(shù)字示波器軟面板為例，說(shuō)明說(shuō)明HPHPPCPC儀器系統(tǒng)軟儀器系統(tǒng)軟面板的特點(diǎn)。面板的特點(diǎn)。 (1) 對(duì)話窗口 ：位于軟面板的右上方。用于指示當(dāng)前受控個(gè)人儀器與操作者互相交換信息。這個(gè)窗口一方面顯示被測(cè)信號(hào)的波形； 另一方面還呈現(xiàn)與當(dāng)前功能的有關(guān)的軟鍵，供操作者通過觸屏或移動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)進(jìn)行選擇。(2) 狀態(tài)窗口：位于對(duì)話窗口下方，用于向用

30、戶提供儀器的現(xiàn)行狀態(tài)，例圖(b)所示的軟面板的狀態(tài)窗口指出儀器正在運(yùn)行，當(dāng)前處于前面板控制模式。這個(gè)窗口還能在儀器出現(xiàn)故障時(shí)，給出出錯(cuò)信息以及處理建議。二、二、HP-PC儀器組件的儀器組件的面版與軟面板面版與軟面板 HPHPPCPC儀器系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)的軟面板，被劃為四個(gè)互軟面板，被劃為四個(gè)互不重疊的窗口。下面以不重疊的窗口。下面以數(shù)字示波器軟面板為例，數(shù)字示波器軟面板為例，說(shuō)明說(shuō)明HPHPPCPC儀器系統(tǒng)軟儀器系統(tǒng)軟面板的特點(diǎn)。面板的特點(diǎn)。 (3) 系統(tǒng)觀察窗口：位于軟面板的左側(cè)，用來(lái)觀察系統(tǒng)中除當(dāng)前受控儀器之外的其他個(gè)人儀器的工作狀態(tài)。圖中所示系統(tǒng)觀察窗口中給出了DMM、通用計(jì)數(shù)器、函數(shù)發(fā)生

31、器的測(cè)量結(jié)果。這個(gè)功能很像電視機(jī)中多畫面顯示功能 (4) 系統(tǒng)控制窗口：在屏幕的下方。這些控制面向整個(gè)系統(tǒng)的。例如，把設(shè)定好功能狀態(tài)的儀器從對(duì)話窗口存入系統(tǒng)觀察窗口，或把某種儀器從系統(tǒng)觀察窗口調(diào)到對(duì)話窗口。 三、三、 PC-IB母線系統(tǒng)母線系統(tǒng) 儀器系統(tǒng)采用了一種被稱為 PC-IB 的并行和串行混合的26芯母線系統(tǒng)，用于把PC儀器和個(gè)人計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái)。串行通道和并行通道是相互獨(dú)立的。其中串行通道帶有光電隔離，適用于需要隔離的儀器，例如DMM；并行通道采用直接并行傳輸，適用于不需隔離的高速儀器，例如數(shù)字示波器。 三、三、 PC-IB母線系統(tǒng)母線系統(tǒng) 8條數(shù)據(jù)線分時(shí)地傳遞命令、地址和數(shù)據(jù)，由執(zhí)行碼

32、TRO和TRL來(lái)區(qū)分，如表所示。GATE和FLAG線用來(lái)掛鉤聯(lián)絡(luò)。當(dāng)PC機(jī)向PC 儀器發(fā)消息時(shí)， PC機(jī)用GATE表示所傳消息有效，PC儀器用FLAG表示消息接收完畢；當(dāng)PC 儀器向PC機(jī)發(fā)消息時(shí)， PC機(jī)用GATE通知PC儀器把消息發(fā)往母線，PC儀器用 FLAG表示消息有效。中斷請(qǐng)求信號(hào)線IRQ為PC儀器所使用，低電平有效。并行通信接口由定制的專用集成電路芯片管理。 （并行通道部分）（并行通道部分） 三、三、 PC-IB母線系統(tǒng)母線系統(tǒng) 串行通道如圖所示。光電隔離器安裝在PC儀器一側(cè)，同時(shí)PC 儀器和個(gè)人計(jì)算機(jī)中PCIB接口卡中各用一片單片計(jì)算機(jī)來(lái)管理。串行通道只使用TxD和RxD兩條信號(hào)線

33、進(jìn)行消息傳遞。 （串行通道部分）（串行通道部分） 串行通道和并行通道雖然以不同的方式完成信息的傳輸，但是由于串行、并行的通信協(xié)議是一致的，因此從儀器系統(tǒng)軟件的角度看，兩種通信是等同的，用戶不必了解其中的詳細(xì)情況。四、四、 HP-PC儀器的組成儀器的組成 HP-PC儀器系統(tǒng)中的PC儀器組件由測(cè)試功能電路和PCIB接口電路兩部分組成。雖然 PC儀器中的大量工作已轉(zhuǎn)移到個(gè)人計(jì)算機(jī)中完成，但是由于微處理器芯片價(jià)格大幅度下降，為了設(shè)計(jì)及控制的方便，在PC儀器組件中也可以采用一片至數(shù)片微處理器，以便更好地 完成測(cè)試和接口功能。 HP-PC儀器中儀器中DMM組件部分組件部分電路框圖電路框圖 功能部分采用微處

34、理器對(duì)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制，設(shè)置量程與模式鎖存器來(lái)存放從個(gè)人計(jì)算機(jī)收到的控制信號(hào)，以便控制DMM的量程和功能模塊。 S3閉合測(cè)直流電壓；S2及S4閉合測(cè)交流電壓；S1及S3閉合時(shí)進(jìn)行電阻測(cè)量，這時(shí)電流源供給一個(gè)確定的電流流過被測(cè)電阻，通過測(cè)電阻上的電壓獲得電阻值。非易失性存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)測(cè)量中的標(biāo)準(zhǔn)或定標(biāo)常數(shù)。微處理器從A/D轉(zhuǎn)換器讀取了數(shù)據(jù)，并對(duì)偏移和增益進(jìn)行校正后，把數(shù)據(jù)送往個(gè)人計(jì)算機(jī)。 PC-IB接口部分也采用單片機(jī)管理。接口的光電隔離串行鏈路滿足了DMM需要浮置的要求。 由于光電隔離使組件部分與個(gè)人計(jì)算機(jī)分開，DMM組件也不必像一般智能DMM 那樣采用兩套電源供電，使電路大為簡(jiǎn)化。 總的看

35、來(lái)，整個(gè)DMM個(gè)人儀器組件的規(guī)模大體上與智能DMM 中的模擬部分相當(dāng)。9.3 VXI 總線儀器系統(tǒng)總線儀器系統(tǒng) 9.3.1 VXI 總線儀器系統(tǒng)概述總線儀器系統(tǒng)概述 VXI總線(VMEbus Extensions for Instrumentation)是VME總線標(biāo)準(zhǔn)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。VME總線(Versabus Module European)是美國(guó)Motorola公司1981年開發(fā)成功的微型計(jì)算機(jī)總線，它以Versa總線和Europcard（歐洲插板）的標(biāo)準(zhǔn)作參考，針對(duì)32位微處理器68000而開發(fā)的。目前，采用VME總線的微型計(jì)算機(jī)已在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，被公認(rèn)為是性能良好的微

36、型計(jì)算機(jī)總線，但VME總線不完全適用儀器系統(tǒng)在電氣、機(jī)械等性能方面更全面的要求，為此，在VME總線的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步擴(kuò)展而形成了VXI總線。 VXI總線儀器系統(tǒng)是一種模塊插板式結(jié)構(gòu)的電子儀器系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。VXI總線儀器的主機(jī)架可以插放多個(gè)儀器模塊插板。主機(jī)架的后板為高質(zhì)量的十多層的印刷電路板，其上印制著VXI總線。 總線與模塊插板是通過連接器連接的，主機(jī)后板上安裝著連接器的插座，模塊插板上安裝著連接器的插頭。連接器有P1，P2和P3三種，這些連接器采用了96引腳三列的歐式卡結(jié)構(gòu)，每個(gè)引腳都有嚴(yán)格的定義。 9.3.1 VXI 總線儀器系統(tǒng)概述總線儀器系統(tǒng)概述 VXI總線儀器系統(tǒng)總線儀

37、器系統(tǒng) 主機(jī)架主機(jī)架連接器有P1，P2和P3三種，這些連接器繼承了VME的機(jī)械特性，采用了96引腳三列的歐式卡結(jié)構(gòu)，每個(gè)引腳都有嚴(yán)格的定義。其中P1是各種模塊都必需的，P2，P3是可選擇的，P1，P2，P3的總線分布如圖919所示，從各主要總線的功能可知，VXI總線除具備VME總線功能外，針對(duì)電子儀器又增加了10MHz和100MHz的時(shí)鐘線、TTLECL的觸發(fā)線、星形線(O插槽為中心、其他插槽作支線、各線最大延遲5ns)、本地線(鄰近模塊的高速通信線)、模擬線、模塊識(shí)別線以及供ECL、TTL 和模擬電路使用的7組穩(wěn)壓電源等。VXI總線在設(shè)計(jì)上保證了電磁兼容性，對(duì)相鄰模板的電磁輻射、交流和射頻電

38、流都有嚴(yán)格的指標(biāo)規(guī)定。 VXI總線儀器系統(tǒng)中的儀器模塊插板尺寸被嚴(yán)格規(guī)定為A，B，C，D 四種。為了增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)各種尺寸插件的適應(yīng)性，系統(tǒng)允許在為較大模塊插件設(shè)計(jì)的主機(jī)架中插入較小的模塊插件，例如按C型模塊設(shè)計(jì)的主機(jī)架，也可以插放A， B型的模塊。每種模塊插板尺寸規(guī)定如圖所示， 其中，應(yīng)用最多的是C尺寸模板，其高度寬度分別為23.335cm和34cm，厚度為3cm ，大體上相當(dāng)于一本大型書籍的尺寸，系統(tǒng)組建者可以像插放或更換書架上的書一樣，靈活方便地插放或更換主機(jī)架中的儀器模塊插板，構(gòu)成所需要的各種測(cè)試系統(tǒng)。一個(gè)VXI儀器系統(tǒng)最多可有256個(gè)器件，一個(gè)器件就是插入主機(jī)的一個(gè)儀器插件，但也允許在一

39、個(gè)儀器插件上有多個(gè)器件或一個(gè)器件包含多個(gè)儀器插件。 VXI總線儀器系統(tǒng)中的總線儀器系統(tǒng)中的 儀器插卡儀器插卡每個(gè)VXI器件都有一組組態(tài)寄存器，系統(tǒng)通過訪問這些組態(tài)寄存器可以識(shí)別器件的種類、型號(hào)、生產(chǎn)廠、地址空間以及存儲(chǔ)器需求等。每個(gè)器件都具有惟一的邏輯地址，同時(shí)每個(gè)器件占有64B的寄存器地址空間，共計(jì)16KB，占用64KB地址的高16KB的位置。設(shè)某器件的邏輯地址為A，則器件寄存器組的基地址=215214A64，這就保證了所有器件的64B寄存器地址空間不會(huì)重疊。VXI器件可以是復(fù)雜的智能儀器插件或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也可以是單純的存儲(chǔ)器或開關(guān)矩陣。寄存器基器件即基于寄存器的器件，它沒有通信寄存器，

40、器件的通信是通過對(duì)它的寄存器的讀/寫來(lái)實(shí)現(xiàn)，它在命令者/ 受命令者的分層結(jié)構(gòu)中擔(dān)任受令者。寄存器基器件電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。另外，由于節(jié)省了指令的譯碼時(shí)間，速度快，在數(shù)傳速率要求高的情況下特別有用。 存儲(chǔ)器器件與寄存器基器件很相似，沒有通信寄存器，只能靠寄存器的讀/寫來(lái)進(jìn)行通信。存儲(chǔ)器器件即ROM、RAM及磁盤存儲(chǔ)器等，它不僅要有組態(tài)寄存器等，還必須有特征寄存器來(lái)區(qū)分存儲(chǔ)器的類型及存取時(shí)間。除了上述區(qū)別，可以把存儲(chǔ)器器件與寄存器基器件同等對(duì)待。 以消息為基礎(chǔ)的消息基寄存器不但具有組態(tài)寄存器以及若干個(gè)由器件決定的寄存器，還具有通信寄存器件來(lái)支持復(fù)雜的通信規(guī)程而進(jìn)行高水平的通信。它一般都是具有在板智

41、能的較復(fù)雜的器件，如計(jì)算機(jī) 、資源管理者、各類高性能測(cè)試儀器插件等。它可以擔(dān)任分層結(jié)構(gòu)中的命令者，也可以擔(dān)任受命者，或者同時(shí)兼任上層的受命者及下層的命令者。 擴(kuò)展器件是指有特定目的的器件，用于為VXI未來(lái)發(fā)展定義新器件門類。根據(jù)自身性質(zhì)、特點(diǎn)和它支持的通信規(guī)程，根據(jù)自身性質(zhì)、特點(diǎn)和它支持的通信規(guī)程，VXIVXI器件可分為器件可分為寄存器基器件、存儲(chǔ)器器件、消息基器件和擴(kuò)展器件等寄存器基器件、存儲(chǔ)器器件、消息基器件和擴(kuò)展器件等4 4類：類： 9.3.2 VXI 總線儀器系統(tǒng)軟件總線儀器系統(tǒng)軟件VXI系統(tǒng)通信規(guī)程、系統(tǒng)通信規(guī)程、軟件標(biāo)準(zhǔn)軟件標(biāo)準(zhǔn)SCPI（Standard Commands for

42、Programable Instruments）輔助軟件開發(fā)的輔助工具。輔助軟件開發(fā)的輔助工具。 第一層：寄存器讀/寫層 第二層：信號(hào)/中斷層 第三層：字串行規(guī)程層， VXI儀器系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)是儀器系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)是: VXI VXI系統(tǒng)的通信有若干層，系統(tǒng)的通信有若干層，其通信規(guī)程示意圖如圖示其通信規(guī)程示意圖如圖示 第一層：寄存器讀/寫層通過寄存器的讀/寫實(shí)現(xiàn)，通信速度快，硬件費(fèi)用少，但對(duì)用戶支持最少，最不方便的通信，是寄存器基器件和存儲(chǔ)器器件支持的最低層的通信。 第三層：字串行規(guī)程層命令者與受命令者之間的字串行通信，屬于消息基器件的通信規(guī)程層有兩種聯(lián)系方式，一是直接以字串行方式向器件發(fā)送命令

43、或數(shù)據(jù)，另一種經(jīng)過488VXI規(guī)程和488.2 語(yǔ)言與特定規(guī)程聯(lián)系，這種方式可以像控制488儀器一樣控制VXI儀器。 第二層：信號(hào)/中斷層它允許VXI器件向它的命令者回報(bào)信息，也是一種寄存器基器件和存儲(chǔ)器器件支持的低層通信。 、IEEE488.2IEEE488.2主要涉及儀器的內(nèi)務(wù)管理功能，不涉及器件消息本身。、可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令、可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPISCPI是建立在IEEE488.2的基礎(chǔ)上，側(cè)重解決儀器程控和儀器響應(yīng)中器件消息標(biāo)準(zhǔn)化問題。SCPI 的主要內(nèi)容有語(yǔ)法和式樣，命令結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交換格式。SCPI與過去的儀器語(yǔ)言的不同點(diǎn)在于命令描述的是信號(hào)，而不是儀器，即SCPI命令可以應(yīng)用于

44、不同的儀器，從而使SCPI具有橫向兼容性。SCPI 還是可擴(kuò)展的，即它能隨儀器功能的增加而擴(kuò)大，從而使SCPI具有縱向兼容性。 VXIVXI系統(tǒng)的硬件規(guī)范及字串行協(xié)議，確保了眾多廠商生產(chǎn)的系統(tǒng)的硬件規(guī)范及字串行協(xié)議，確保了眾多廠商生產(chǎn)的VXI VXI 總線儀器插卡硬件上兼容?？偩€儀器插卡硬件上兼容。為了提高軟件的兼容性，還要求有一些標(biāo)準(zhǔn)化的軟件基礎(chǔ)。為了提高軟件的兼容性，還要求有一些標(biāo)準(zhǔn)化的軟件基礎(chǔ)。目前有兩個(gè)軟件標(biāo)準(zhǔn)，目前有兩個(gè)軟件標(biāo)準(zhǔn)， Vpp1： plug & play章程；章程； Vpp3.1： 關(guān)于構(gòu)架的章程；關(guān)于構(gòu)架的章程； Vpp3.2： 儀器驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)規(guī)范；儀器驅(qū)

45、動(dòng)器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)規(guī)范； Vpp3.3： 儀器驅(qū)動(dòng)器程控者接口規(guī)范；儀器驅(qū)動(dòng)器程控者接口規(guī)范； Vpp4.1： 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)規(guī)范；虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)規(guī)范； Vpp4.2： 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換庫(kù)規(guī)范；虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換庫(kù)規(guī)范； Vpp5： VXI部件知識(shí)基礎(chǔ)規(guī)范；部件知識(shí)基礎(chǔ)規(guī)范； Vpp7： 軟面板規(guī)范。軟面板規(guī)范。 為了進(jìn)一步提高儀器系統(tǒng)的易用性和高性能，保證眾多廠為了進(jìn)一步提高儀器系統(tǒng)的易用性和高性能，保證眾多廠商軟件產(chǎn)品在系統(tǒng)級(jí)上長(zhǎng)期兼容，商軟件產(chǎn)品在系統(tǒng)級(jí)上長(zhǎng)期兼容，19931993年年9 9月，月，Tektronix Tektronix 等五等五大廠商聯(lián)合成立了大廠商聯(lián)合成立了VX

46、I plugVXI plugplay play 聯(lián)盟聯(lián)盟( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 VPP) VPP) 。該聯(lián)盟起。該聯(lián)盟起草了一系列文件（重點(diǎn)放在軟件規(guī)范上），對(duì)草了一系列文件（重點(diǎn)放在軟件規(guī)范上），對(duì)VXIVXI總線作了明確總線作了明確的規(guī)范，較為重要的有如下一些：的規(guī)范，較為重要的有如下一些： 雖然雖然VppVpp文件目前還處于不斷修改和完善中，但從結(jié)構(gòu)上看文件目前還處于不斷修改和完善中，但從結(jié)構(gòu)上看VppVpp 文件已基本完整。文件已基本完整。 9.3.3 VXI 總線儀器系統(tǒng)的組建總線儀器系統(tǒng)的組建 VXI系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)控制的功能系統(tǒng)，在很寬的范圍內(nèi)允許不同廠家生產(chǎn)的儀器接口卡和計(jì)算機(jī)以模塊的

47、形式共存于同一主機(jī)箱內(nèi)。VXI系統(tǒng)的組建按照主控計(jì)算機(jī)放置在機(jī)架內(nèi)部或外部，分為內(nèi)控方式和外控方式 外控方式外控方式內(nèi)控方式內(nèi)控方式HP 75000 HP 75000 VXI VXI 儀器儀器系統(tǒng)裝配系統(tǒng)裝配示意圖示意圖 HP 75000 VXI儀器系統(tǒng)選用C型主機(jī)架，外部控制器（可采用一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)）通過GPIB總線與主機(jī)架相連接，主機(jī)架上號(hào)插槽指定放置指令模板，指令模板主要承擔(dān)VXI 系統(tǒng)資源管理以及GPIB總線對(duì)VXI總線的翻譯。其他插槽中每一個(gè)儀器和設(shè)備都是VXI總線儀器模板。本系統(tǒng)主機(jī)架最多可插放13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)寬度的模板，有的儀器只需一個(gè)模塊構(gòu)成，有的儀器需要用兩個(gè)模塊（例如本例中的數(shù)字

48、變換器）。與個(gè)人計(jì)算機(jī)相連的GPIB總線還可以接至其他VXI系統(tǒng)或其他儀器系統(tǒng)，很靈活。 9.3.3 VXI 總線儀器系統(tǒng)的組建總線儀器系統(tǒng)的組建 VXI儀器系統(tǒng)可以同時(shí)進(jìn)行多種測(cè)試，來(lái)自各種儀器的信號(hào)經(jīng)各種電子轉(zhuǎn)換開關(guān)送到接口連接組件板(ICA)，再接到被測(cè)設(shè)備中去。這種組件板適應(yīng)性很強(qiáng)被稱作接口適配器，只要改變適配器和軟件，便可測(cè)試各種電子產(chǎn)品。VXIVXI儀器系統(tǒng)集中了智能儀器、個(gè)人儀器和儀器系統(tǒng)集中了智能儀器、個(gè)人儀器和GPGPIBIB系系統(tǒng)的很多特長(zhǎng)，它的出現(xiàn)極大影響了電子儀器發(fā)展進(jìn)程。統(tǒng)的很多特長(zhǎng)，它的出現(xiàn)極大影響了電子儀器發(fā)展進(jìn)程。據(jù)國(guó)際發(fā)展動(dòng)態(tài)，本類儀器將在很大程度上取代現(xiàn)在廣

49、泛據(jù)國(guó)際發(fā)展動(dòng)態(tài)，本類儀器將在很大程度上取代現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的應(yīng)用的GPGPIBIB總線系統(tǒng)?？偩€系統(tǒng)。由于它還能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的效能，運(yùn)用新的測(cè)量原由于它還能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的效能，運(yùn)用新的測(cè)量原理構(gòu)成虛擬儀器，因而理構(gòu)成虛擬儀器，因而VXIVXI系統(tǒng)還有系統(tǒng)還有“未來(lái)儀器未來(lái)儀器”和和“未未來(lái)系統(tǒng)來(lái)系統(tǒng)”之稱。之稱。 9.4 虛擬儀器及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)虛擬儀器及其實(shí)現(xiàn)技術(shù) 9.4.1 虛擬儀器概述虛擬儀器概述 虛擬儀器通常是指以通用計(jì)算機(jī)作為控制器，添加必要的模塊化硬件來(lái)完成數(shù)據(jù)采集，由高效、功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)完成人機(jī)交互及數(shù)據(jù)處理的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬儀器的出現(xiàn)使測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)之間的界限模糊了，用

50、戶操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就像操作一臺(tái)他自己專門設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)電子儀器一樣。虛擬儀器概念是在個(gè)人儀器和計(jì)算機(jī)軟件不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。它更加強(qiáng)調(diào)軟件的作用，提出了“軟件就是儀器”的思想。用戶通過在已建立的通用儀器平臺(tái)上，調(diào)用不同的測(cè)試軟件就可以構(gòu)成各種功能的虛擬儀器。這個(gè)概念克服了傳統(tǒng)儀器的功能在制造時(shí)就被限定而不能變動(dòng)的限制，打破了儀器功能只能由廠家定義，用戶無(wú)法改變的模式。9.4.1 虛擬儀器概述虛擬儀器概述 虛擬儀器不強(qiáng)調(diào)每一個(gè)儀器模塊就是一臺(tái)儀器，而是強(qiáng)調(diào)選配一個(gè)或幾個(gè)帶共性的基本儀器硬件模塊來(lái)組成一個(gè)通用的硬件平臺(tái)，再通過調(diào)用不同的軟件來(lái)擴(kuò)展或組成各種功能的儀器或系統(tǒng)。 考察任何一臺(tái)傳統(tǒng)的智能

51、儀器，都可以將其分解成以下三個(gè)部分：(1) 數(shù)據(jù)的采集：將輸入的模擬信號(hào)調(diào)理，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。(2) 數(shù)據(jù)分析與處理：由微處理器按功能要求對(duì)采集的數(shù)據(jù)做出分析和處理。(3) 存儲(chǔ)、顯示或輸出：將處理后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示或經(jīng)D/A轉(zhuǎn)成模擬信號(hào)輸出。傳統(tǒng)智能儀器是由廠家將實(shí)現(xiàn)上述三種功能的部件按固定的方式組建在一起，一般一種儀器只有一種功能或數(shù)種功能。而虛擬儀器是將具有上述一種或多種功能的通用模塊組合起來(lái)，通過編制不同的測(cè)試軟件而能構(gòu)成幾乎任何一種儀器功能，而不是某種儀器功能。 、虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)、虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)虛擬儀器的硬件平臺(tái)包括通用計(jì)算機(jī)和模塊化硬件設(shè)備兩部分。通用計(jì)算機(jī)可以是便

52、攜式PC機(jī)、臺(tái)式PC機(jī)或工作站等。構(gòu)建虛擬儀器最常用的模塊化硬件設(shè)備是數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡，一塊DAQ卡可以完成A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入/輸出、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等多種功能，再配以相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路組件，即可構(gòu)成能生成各種虛擬儀器的硬件平臺(tái)。、虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)、虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)目前由于受器件和工藝水平等方面的限制，這種硬件平臺(tái)形式還只能生成一些速度或精度不太高的儀器?，F(xiàn)階段虛擬儀器硬件系統(tǒng)還廣泛使用原有的能與計(jì)算機(jī)通信的各類儀器，例如GPIB儀器、VXI總線儀器、PC總線儀器以及帶有RS232接口的儀器或儀器卡。 使用VC、VB、Delphi等高級(jí)語(yǔ)言會(huì)感到與高速測(cè)試及縮短開發(fā)周期的要

53、求極不適應(yīng)。因此，世界各大公司都在改進(jìn)編程及人機(jī)交互方面做了大量的工作，其中基于圖形的用戶接口和開發(fā)環(huán)境是軟件工作中最流行的發(fā)展趨勢(shì)。典型的軟件產(chǎn)品有NI公司的LabVIEW和Lab Windows，HP公司的HP VEE和HP TIG，Tektronix公司的EzTest和TekTNS等。 、虛擬儀器的軟件系統(tǒng)、虛擬儀器的軟件系統(tǒng) LabVIEW和Lab Windows的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)人圖。其中儀器驅(qū)動(dòng)程序主要是完成儀器硬件接口功能的控制程序，NI公司提供了各制造廠家數(shù)百種 GPIB、DAQ、和VXI等儀器的驅(qū)動(dòng)程序。用戶就不必精通這些儀器的硬件接口，只要把儀器的用戶接口代碼與數(shù)據(jù)處理和分

54、析軟件組合在一起，就可以迅速構(gòu)建一臺(tái)新的虛擬儀器 第一階段：儀器驅(qū)動(dòng)程序與儀器控制程序混合在一起，沒有明顯的界限，儀器生產(chǎn)廠家僅提供一些與儀器硬件相關(guān)的儀器驅(qū)動(dòng)代碼，其儀器的驅(qū)動(dòng)程序由用戶或開發(fā)人員自行編寫，因而開發(fā)周期長(zhǎng)，可重用性低。第二階段：驅(qū)動(dòng)程序以模塊化、與設(shè)備無(wú)關(guān)化的方式向用戶開放，儀器驅(qū)動(dòng)程序與儀器硬件一起由廠家提供，使用者只需安裝驅(qū)動(dòng)程序軟件即可將儀器驅(qū)動(dòng)程序模塊鏈接入自己的軟件系統(tǒng)，使用十分方便，由于不同廠家儀器硬件存在差異，所以每個(gè)型號(hào)的儀器必須有自己專用的驅(qū)動(dòng)程序。第三階段：為了能在更換儀器硬件時(shí)最大限度盡量少地更換驅(qū)動(dòng)程序，1997年NI公司又提出了可互換虛擬儀器(IVI

55、：Interchangeable Virtual Instruments)的概念，IVI將各種儀器按功能分為五大類，對(duì)同一類型設(shè)備的功能進(jìn)行抽象，然后按類來(lái)編寫儀器的驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用該技術(shù)可以進(jìn)一步降低軟件的維護(hù)、支持費(fèi)用，使儀器的程控更加簡(jiǎn)單。 、虛擬儀器的軟件系統(tǒng)、虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 儀器驅(qū)動(dòng)程序是真正對(duì)儀器硬件執(zhí)行通信與控制的軟件層，就儀器驅(qū)動(dòng)程序是真正對(duì)儀器硬件執(zhí)行通信與控制的軟件層，就其發(fā)展來(lái)看，大致可分為三個(gè)階段。其發(fā)展來(lái)看，大致可分為三個(gè)階段。 LabVIEW是一種圖形程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它采用了工程人員所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)等圖形化符號(hào)來(lái)代替常規(guī)基于文字的程序語(yǔ)言，把復(fù)雜煩瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編

56、程簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)的圖形編程，同傳統(tǒng)的程序語(yǔ)言相比，可以節(jié)省約80的程序開發(fā)時(shí)間。這一特點(diǎn)也為那些不熟悉C、C+ 等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的開發(fā)者帶來(lái)了很大的方便。 LabVIEW 還提供了調(diào)用庫(kù)函數(shù)及代碼接口結(jié)點(diǎn)等功能，方便了用戶直接調(diào)用由其他語(yǔ)言編制成的可執(zhí)行程序，使得LabVIEW 編程環(huán)境具有一定的開放性。9.4.2 LabVIEW 虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)介紹虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)介紹 LabVIEW 的基本程序單位是 VI(Virtual Instrument)。LabVIEW 通過圖形編程的方法完成測(cè)試任務(wù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的任務(wù)，可由一個(gè)VI完成。對(duì)于復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)，則可按照模塊設(shè)計(jì)的概念，把測(cè)試任務(wù)分解

57、為一系列的任務(wù)，每一項(xiàng)任務(wù)還可以分解為多項(xiàng)小任務(wù)，直至把一項(xiàng)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)變成一系列的子任務(wù)。設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)計(jì)各種VI以完成每項(xiàng)子任務(wù)，然后把這些 VI組合起來(lái)以完成更大的任務(wù)，最后建成的頂層虛擬儀器就成為一個(gè)包括所有功能子虛擬儀器的集合。LabVIEW可以讓用戶把自己創(chuàng)建的VI程序當(dāng)做一個(gè)VI子程序結(jié)點(diǎn)， 以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，且這種調(diào)用是無(wú)限制的。前面板前面板是用戶進(jìn)行測(cè)試工作時(shí)的輸入/輸出界面，諸如儀器面板等。用戶通過Control模板模板，可以選擇多種輸入控制部件(或組件)和指示器部件(或組件)來(lái)構(gòu)成前面板，其中控制部件是用來(lái)接收用戶的輸入數(shù)據(jù)到程序。指示器部件是用于顯示程序產(chǎn)生的各種類型

58、的輸出。 LabVIEW LabVIEW中的每一個(gè)中的每一個(gè)VIVI均有兩個(gè)工作界面：一個(gè)稱之為前面均有兩個(gè)工作界面：一個(gè)稱之為前面板板(Front Panel)(Front Panel)，另一個(gè)稱之為框圖程序，另一個(gè)稱之為框圖程序(Block Diagram)(Block Diagram)。Control控制模板包括9個(gè)子模板，右圖表示從圖形（Graph）子模板中選取了波形圖表（Waveform Chart）這個(gè)指示器部件。 當(dāng)構(gòu)建一個(gè)虛擬儀器前面板時(shí)，只需從 Control 模板中選取所需的控制部件和指示部件，就能使用前面板，通過單擊一個(gè)開關(guān)、移動(dòng)一個(gè)滑動(dòng)旋鈕或從鍵盤輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，來(lái)控制系

59、統(tǒng)。 前面板為用戶建立了直觀形象，使用戶感到如同在傳統(tǒng)儀器面前一樣。 Functions模板模板共有13個(gè)子模板，每個(gè)模板又含多個(gè)選項(xiàng)。Functions不僅包含一般語(yǔ)言的基本要素，還包括了大量與文件輸入/輸出、數(shù)據(jù) 采集、GP-IB等專用程序塊。 右圖表示從數(shù)據(jù)采集 ( Data Acquisition) 子模塊下的模擬輸入Analog Input子模塊中，選取了AI Sample Channel虛擬儀器功能方框，該功能方框的功能是測(cè)量指定通道上信號(hào)的一個(gè)采樣點(diǎn)，并返回測(cè)量值。 框圖程序框圖程序是用戶用圖形編程語(yǔ)言編寫程序的界面，用戶可以根據(jù)執(zhí)定的測(cè)試方案通過Functions 模板模板的選

60、項(xiàng)，選擇不同的圖形化結(jié)點(diǎn)(Node)，然后用連線的方法把這些結(jié)點(diǎn)連接 起來(lái)，即可構(gòu)成所需要的框圖程序。 框圖程序框圖程序共有功能函數(shù)、子程序、結(jié)構(gòu)和代碼接口結(jié)點(diǎn)4種結(jié)點(diǎn)類型：功能函數(shù)結(jié)點(diǎn)用于進(jìn)行一些基本操作；子程序結(jié)點(diǎn)是以前創(chuàng)建的程序(供調(diào)用)；結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)用于控制程序的執(zhí)行方式，如For循環(huán)，While 循環(huán)控制等；代碼接口結(jié)點(diǎn)是為框圖程序與用戶提供的C語(yǔ)言文本程序的接口。 9.4.3 虛擬儀器設(shè)計(jì)舉例虛擬儀器設(shè)計(jì)舉例 本節(jié)擬通過虛擬電子實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法本節(jié)擬通過虛擬電子實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法儀器功能：儀器功能： 示波器示波器 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀 任意波形