《電子測量技術》課件-第11章

第11章智能儀器與自動測量技術11.1智能儀器與自動測量技術的發(fā)展歷史11.2智能儀器與個人儀器11.3自動測試系統(tǒng)11.4虛擬儀器11.5網絡化儀器與遠程測控技術

11.1智能儀器與自動測量技術的發(fā)展歷史

1.單機及專用系統(tǒng)階段

20世紀70年代,隨著微電子技術的發(fā)展和微處理器的普及,以及計算機技術與電子測量技術的結合,出現了以微處理器為基礎的智能儀器。它具有鍵盤操作、數字顯示、數據存儲與簡單運算等功能,可實現自動測量,如智能化DVM、智能化RLC測量儀、智能化電子計數器、智能化半導體測試儀等。

在此基礎上,為滿足重復工作量大、可靠性要求高、測試速度要求快以及測試人員難于停留的場合的測試,誕生了早期的自動測量系統(tǒng),也稱為第一代自動測試系統(tǒng)。這類系統(tǒng)往往是針對某項具體測試任務而設計的。由于缺乏儀器間的接口標準,因此儀器與儀器、儀器與計算機之間的接口問題是系統(tǒng)組建者為滿足測試目標而自行努力解決的,如數據自動采集系統(tǒng)、產品自動檢驗系統(tǒng)、自動分析及自動檢測系統(tǒng)等。同人工測量相比,這種自動測試系統(tǒng)有很大的優(yōu)越性,至今仍然在使用,但其最大的不足是適應性差,即缺乏通用性,當系統(tǒng)比較復雜、需要程控的器件較多時,研制工作量大,費用高。

2.以標準接口和總線為主要特征的階段

在這些儀器總線中,最具代表性的是GPIB總線和VXI總線。GPIB總線于1972年由美國惠普公司(HP,Agilent公司的前身)推出,后為美國電氣與電子工程師學會(IEEE)及國際電工委員會(IEC)接受,又稱IEEE488總線。GPIB因它的靈活和適用性好得到了廣泛使用,成為測量儀器的基本配置,這些儀器既可以單獨使用,也可以通過GPIB總線靈活方便地組合成自動測量系統(tǒng)。

1987年,惠普(HP)、泰克(Tektronix)和Wavetek等5家

儀器制造商聯合推出了新的通用接口總線VXI,它是VME總線標準在儀器領域的擴展。VXI總線系統(tǒng)像GPIB系統(tǒng)一樣,可以把不同類型、不同廠商生產的插件式儀器和其他插件式器件組成測試系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)廣泛采用圖形用戶接口與開發(fā)環(huán)境,支持“即插即用”,具有小型便攜、高速工作、靈活適用和性能先進等突出優(yōu)點。經過十余年的發(fā)展,VXI產品的生產廠商已達百余家,其產品超過千余種,應用系統(tǒng)上萬套,廣泛應用于通信、航空、電子、汽車、醫(yī)療等設備的測試。

3.基于PC的儀器階段

在電子測量領域,計算機與儀器之間的相互關系也在發(fā)生改變。在早期的自動測量系統(tǒng)中,儀器占據主要位置,而計算機系統(tǒng)起輔助作用;到了GPIB儀器和VXI儀器階段,計算機系統(tǒng)的地位越來越重要。基于這種趨勢,出現了“計算機即儀器”的測試儀器新概念,誕生了個人儀器和虛擬儀器。

個人儀器以個人計算機為核心,輔以儀器電路板和擴展箱,與個人計算機內部總線相連,在應用軟件的控制下共同完成測試測量任務。強有力的計算機軟件代替了傳統(tǒng)儀器的

某些硬件,計算機直接參與測試信號的產生和測量特性的分析,這樣儀器中的一些硬件從系統(tǒng)中消失了,從而大幅降低了儀器的成本,縮短了研制周期,方便了升級更新,在組成測試系統(tǒng)和網絡方面展現出了很大潛力。

虛擬儀器技術的實質是充分利用最新的計算機技術來實現和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器的基本構成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。

互聯網技術在電子測量領域的應用,進一步改變了測量技術的以往面貌,打破了在同一地點進行采集、分析和顯示的傳統(tǒng)模式,實現了分布式測量及資源共享,標志著自動測試與電子測量儀器領域技術發(fā)展的一個嶄新方向。

11.2智能儀器與個人儀器

11.2.1智能儀器智能儀器是計算機技術與電子測量儀器緊密結合的產物,是內含微型計算機或微處理器,能夠按照預定的程序進行一系列測量測試的測量儀器,具有對測量數據進行存儲、運算、分析判斷、接口輸出及自動化操作等功能。

1.智能儀器的特點

儀器與微處理器相結合,使得軟件替代了許多傳統(tǒng)的硬件邏輯,帶來更小的體積、更高的集成度、更直觀方便和智能的顯示與操作、更有效的數據存儲處理與通信。同傳統(tǒng)儀

器相比,智能儀器具有以下幾個突出特點:

(1)以軟件為核心,具有強大的控制能力。

(2)具有強大的數據存儲處理功能。

(3)實現儀器功能多樣化。

(4)智能化、自動化程度高。

2.智能儀器的基本結構

智能儀器實際上是一個專用的微型計算機系統(tǒng),它由硬件和軟件兩大部分組成。

1)智能儀器的硬件結構

智能儀器的硬件部分主要包括CPU、存儲器、儀器總線、各種I/O接口、通信接口、人機接口(鍵盤、開關、按鈕、顯示器)等,如圖11.1所示。

圖11.1智能儀器的基本結構

2)智能儀器的軟件組成

智能儀器的軟件是其靈魂,整個測量工作是在軟件的控制下進行的。沒有軟件,智能儀器就無法工作,軟件是智能儀器自動化程度和智能化程度的主要標志。智能儀器的軟件

部分主要包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。其中,監(jiān)控程序是核心,主要完成的功能有:通過鍵盤操作輸入并存儲所設置的功能、操作方式與工作參數;通過控制I/O接口電路對儀器進行預定參數的設置、數據的采集;對數據存儲器所記錄的數據和狀態(tài)進行各種處理;以數字、文字、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測量數據的處理結果等。

11.2.2個人儀器

個人儀器是在智能儀器和廣泛普及應用的個人計算機的基礎上而開發(fā)出的一種嶄新的儀器,它與獨立儀器完全不同,其基本構想是將原智能儀器中測量部分的電路以附加插件或模塊的形式插入個人計算機的總線插槽或擴展箱內,而將原智能儀器中所需的控制、存儲、數據處理、顯示和操作等任務都移交給個人計算機來承擔,與計算機一起構成自動測試系統(tǒng)。這樣通過共用個人計算機的鍵盤、顯示器、存儲器、中央處理器、機箱、電源等部件,只需選擇不同的儀器插卡,就可實現不同功能的智能儀器。圖11.2示出了一種在微機內部的擴展槽及微機外部的插件箱中都插入儀器卡的混合式個人儀器結構。

圖11.2個人儀器系統(tǒng)的構成

11.3自動測試系統(tǒng)

11.3.1自動測試系統(tǒng)的組成自動測試系統(tǒng)包括以下五部分:(1)控制器:主要是計算機(如小型機、個人計算機、微處理機、單片機等),是系統(tǒng)的指揮及控制中心。(2)程控儀器設備:包括各種程控儀器、激勵源、程控開關、程控伺服系統(tǒng)、執(zhí)行元件,以及顯示、打印、存儲記錄等的器件,能完成一定的具體的測試及控制任務。

(3)總線與接口:是連接控制器與各程控儀器、設備的通路,完成消息、命令、數據的傳輸與交換,包括插卡、插槽及電纜等。

(4)測試軟件:為了完成系統(tǒng)測試任務而編制的、在控制器上運行的各種應用軟件,如測試主程序、驅動程序、數據處理程序,以及輸入/輸出軟件等。

(5)被測對象:隨測試任務的不同,被測對象往往是千差萬別的,由操作人員通過測試電纜,接插件、開關等與程控儀器和設備相連。

圖11.3為典型的電壓和頻率參數的自動測試系統(tǒng)圖11.3典型的GPIB自動測試系統(tǒng)

11.3.2自動測試系統(tǒng)的總線

1.GPIB總線

GPIB總線又稱IEEE488總線。

GPIB總線有點像一般的計算機總線,不過在計算機中其各個插卡電路板通過主板互相連接,而GPIB系統(tǒng)則是各獨立儀器通過標準接口電纜互相連接。GPIB標準包括接口與總線兩部分,接口部分是由各種邏輯電路組成的,與各儀器裝置安裝在一起,用于對傳送的信息進行發(fā)送、接收、編碼和譯碼;總線部分是一條無源的24芯電纜,用作傳輸各種消息。GPIB標準接口總線系統(tǒng)結構與連接如圖11.4所示。

圖11.4GPIB標準接口總線系統(tǒng)結構與連接

總線上傳遞的各種信息統(tǒng)稱為消息。由于帶標準接口的智能儀器按功能可分為儀器功能和接口功能兩部分,因此消息也有儀器消息和接口消息之分。所謂接口消息,是指用于

管理接口部分,完成各種接口功能的信息,又稱為命令,它由控者發(fā)出而只被接口部分所接收和使用,如總線初始化、對儀器尋址、將儀器設置為遠程方式或本地方式等。儀器消息是與儀器自身工作密切相關的信息,又稱為數據,它只被儀器部分所接收和使用,雖然儀器消息通過接口功能進行傳遞,但它不改變接口功能的狀態(tài),如編程指令、測量結果、機器狀態(tài)和數據文件等。GPIB接口消息和儀器消息的傳遞見圖11.5。

圖11.5GPIB接口消息和儀器消息

2.VXI總線

為適應測量儀器從分立的臺式和機架式結構向小型化、便攜化、模塊化方向發(fā)展,滿足對更高的測試速度、更靈活高效的低成本測試的需求,一些著名的測試和測量公司于

1987年聯合推出了一種新的、完全開放的、適用于多供貨廠商環(huán)境的模塊式儀器總線標準——VXI總線結構標準。它將測量儀器、主機架、固定裝置、計算機及軟件集為一體,集中了智能儀器、個人儀器和自動測試系統(tǒng)的很多特長,其性能全面優(yōu)于IEEE－488總線系統(tǒng),而且使自動測試系統(tǒng)的尺寸大大縮小,測試速度大大提高,滿足目前自動測試系統(tǒng)向標準化、自動化、智能化、模塊化及便攜式方向發(fā)展的要求,被稱為新一代儀器接口總線,標志著測量和儀器系統(tǒng)正進入一個嶄新的階段。

VXI總線在系統(tǒng)結構及軟、硬件開發(fā)技術等各方面都采納了新思想及新技術,有以下一些主要特點:

(1)測試儀器模塊化。VXI系統(tǒng)的全部器件都采用插件式結構,插入以VME總線作為機箱主板總線的機箱內,插件和供插入插件的主機架尺寸滿足嚴格的要求。VXI總線儀器主機架結構如圖11.6所示。

(2)具有32位數據總線,數據傳輸速率高。

(3)系統(tǒng)可靠性高,可維修性好。

(4)電磁兼容性好。

(5)通用性強,標準化程度高。

(6)適應性、靈活性強,兼容性好。

圖11.6VXI總線儀器主機架結構圖

圖11.7是選用C型主機架的HP75000VXI儀器系統(tǒng)示意圖。圖11.7HP75000VXI儀器系統(tǒng)示意圖

3.PXI總線

PXI總線標準是美國國家儀器公司(NI)于1997年推出的測控儀器總線標準,它是以目前廣泛使用的PCI計算機局部總線(IEEE1014－1987標準)為基礎的模塊儀器結構,目標是在PCI總線基礎上提供一種技術優(yōu)良的模塊儀器標準,以求在采用GPIB的PC基系統(tǒng)與VXI系統(tǒng)之間尋求復雜性與經濟性的折中。

1)PXI總線的特點

PXI總線是PCI總線的增強與擴展,并與現有工業(yè)標準CompactPCI兼容。作為一種開放的儀器結構,它在相同插件底板中提供不同廠商的互連與操作,以比較低的價格獲得了高性能模塊儀器,是VXI以外的另一種選擇。

由于利用了商品化的PC和數字技術,PXI儀器能夠提供自動測試設備獨具的高性能,同時具有尺寸小、成本低以及靈活易用等特點,使之適用于眾多領域,如現場測量和高檔制造測試等。

2)PXI軟件特性

為了充分發(fā)掘PXI在提供高度集成化的測控平臺方面的潛力,PXI選用開放式軟件體系結構,用以定義出一個與不同類型硬件相連的公共接口。它以Windows98/2000為系統(tǒng)軟件框架,通過主控制器上安裝的工業(yè)標準應用編程接口,如LabVIEW、LabWindows/CVI、VisualBasic、VisualC/C++或者BorlandC++等進行編程,以實現工業(yè)應用。

選擇哪種總線技術是用戶在組建測控系統(tǒng)時首先遇到的問題,這取決于具體的應用,取決于應用項目的復雜程序、要求的速度及用戶的預算等。從價格上考慮,優(yōu)先選擇GPIB、PXI系統(tǒng);而對于更大型、更復雜、要求測試速度更高的應用,可選擇VXI系統(tǒng)。

4.現場總線

在工業(yè)測試與自動化控制等領域,需要一種分布式的網絡,它必須具有組網簡單靈活、性能穩(wěn)定可靠、通信實時快捷、成本低廉的特點,并能夠很好地適應現場復雜甚至苛

刻的環(huán)境,包括溫濕度、電源波動、工業(yè)及電磁干擾等。通常用現場總線來滿足這種通信組網需求。

現場總線具有以下優(yōu)勢。

(1)降低費用。

(2)互操作性好。

(3)控制更加可靠靈活。

(4)提高系統(tǒng)安全性。

CAN總線結構如圖11.8所示。CAN總線主要具有以下特點。圖11.8CAN總線結構

(1)多主競爭式總線結構。

CAN總線上的任意節(jié)點可在任意時刻主動向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次,可靈活地實現節(jié)點間點對點、點對多點及全局廣播通信,從而方便地構成分布式現場通信網絡。

(2)簡單的雙線傳輸。

總線由CAN_high和CAN_low兩條物理信號線共同構成一組差分信號線,數據的傳遞和接收以差分電平信號的方式在總線上進行異步傳輸。傳輸介質采用平常的雙絞線或同

軸電纜,無特殊要求。

(3)網絡容量大。

CAN總線上的單口節(jié)點數理論上可達2000個,實際系統(tǒng)可達110個。

(4)實時性好,并可分優(yōu)先級。

CAN總線采用短幀結構,每一幀數據字段最多為8個字節(jié),傳輸時間短、受干擾的概率低,實時性好。

CAN總線網絡上的節(jié)點還可分成不同優(yōu)先級。

(5)可靠性高。

CAN總線每幀都有CRC校驗及其他檢錯措施,以相應的錯誤處理機制(如自動重發(fā))保證數據極低的出錯率,適于在高噪聲干擾環(huán)境下使用。

CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下,可切斷與總線的聯系,使總線上的其他操作不受影響。

總線收發(fā)器與主機可采用光電隔離電路,以此提高抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性。

(6)數據速率、通信距離靈活。

CAN總線既支持近距離高速通信(40m,1Mb/s),也支持遠距離低速通信(10km,≤5kb/s),以此適應不同現場環(huán)境的需求。

(7)成熟、成本低。

(8)接口簡單,編程方便,很容易構成用戶系統(tǒng)。

11.4虛擬儀器

11.4.1虛擬儀器的概念與特點1.虛擬儀器的概念虛擬儀器(VI)是電子測量技術與計算機技術結合更加緊密產生的一種新儀器模式,是指以通用計算機作為核心硬件平臺,配以相應的硬件模塊作為信號輸入/輸出接口,利用儀器軟件開發(fā)平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應的功能,通過鼠標或鍵盤交互式操作完成相應測試測量任務的儀器。

測試儀器儀表的結構主要有以下四種類型。

1)獨立儀器

2)與計算機連接的儀器

3)分布式儀器

4)基于PC的測試儀器

2.虛擬儀器的特點

與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器具有以下特點:

(1)它是一種功能意義上而非物理意義上的儀器,融合了計算機強大的硬件資源。

(2)它強調“軟件就是儀器”的新概念,軟件在儀器中充當了以往由硬件甚至整機實現的角色。

(3)虛擬儀器具有友好的圖形化用戶界面,可實現人機交互。

(4)虛擬儀器更新速度快,可維護性好。

(5)它采用模塊化結構,系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴展性。

11.4.2虛擬儀器的架構

1.虛擬儀器的硬件構成

虛擬儀器的硬件架構如圖11.9所示。數據的采集通過輸入/輸出接口設備來完成。輸入/輸出接口設備可以是以各種PC為基礎的內置數據采集插卡、通用接口總線(GPIB)卡、串口、VXI或PXI總線接口模塊等設備,或者是其他各種可編程的外置測試設備,分別構成DAQ、GPIB、VXI、PXI等標準體系結構的虛擬儀器,其中最常見的是數據采集(DAQ)卡。

圖11.9虛擬儀器的硬件架構

在性能上,隨著A/D轉換技術、儀器放大技術、抗混疊濾波技術與信號調理技術的迅速發(fā)展,DAQ的采樣速率已

達1GHz,精度高達24位,通道數多達64個,并能任意結合數字I/O、模擬I/O、計數器/定時器等通道。目前,許多儀器廠家生產了大量用于構建虛擬儀器的DAQ功能模塊可供用戶選擇,如NI的PCI6013/6014等。在PC計算機上掛接若干DAQ功能模塊,配合相應的軟件,就可以構成一臺具有若干功能的PC儀器,如示波器、數字萬用表、串行數據分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等,如圖11.10所示。

圖11.10PCDAQ系統(tǒng)

2.虛擬儀器的軟件結構

硬件平臺是虛擬儀器的基礎,儀器用軟件是其核心。基本硬件確定后,要使虛擬儀器具有用戶自行定義的功能與界面,就必須有功能強大的儀器用軟件。

VXI總線虛擬儀器的軟件結構如圖11.11所示,包括應用軟件開發(fā)環(huán)境、儀器驅動器、VISAAPI三部分。

圖11.11虛擬儀器軟件結構

儀器驅動器(設備驅動軟件)是完成對特定儀器硬件進行控制與通信的驅動程序,是連接硬件與軟件間的紐帶和橋梁。虛

VISA是VXIPlug&Play(VPP)規(guī)范規(guī)定的生成虛擬儀器的軟件結構和模式,它包括統(tǒng)一的儀器控制結構,與操作系統(tǒng)、編程語言、硬件接口無關的應用程序編程接口等。

3.虛擬儀器應用軟件開發(fā)環(huán)境

目前,市場上可供選擇的面向工程的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺比較多,其大致可分為兩類:一類是圖形化編程環(huán)境,如原HP公司的HPVEE和NI公司的LabVIEW;另一類是傳統(tǒng)的

程序語言編程環(huán)境,如NI公司的LabWindows/CVI,以及微軟的VisualC、VisualBasic等。在這些傳統(tǒng)的語言編程環(huán)境中,面向儀器的交互式C語言開發(fā)平臺LabWindows/CVI以其簡單直觀的編程方式、程序代碼的自動生成,以及眾多源碼級的設計驅動程序等優(yōu)點,為用戶快速設計自己的儀器系統(tǒng)提供了最佳環(huán)境,是目前國內應用較多的軟件編程環(huán)境。

1)LabVIEW

LabVIEW是實驗室虛擬儀器工程平臺的縮寫,是由美國國家儀器(NI)公司于1986年推出的世界上第一個采用圖形化編程技術的面向儀器的32位編譯型虛擬儀器軟件開發(fā)工具,其目的是簡化程序的開發(fā)工作,以使用戶能快速、簡便地完成自己的工作。其主要特點有:

(1)可視化圖形開發(fā)環(huán)境,流程圖式的編程,簡單易學、易用,大大節(jié)省了開發(fā)時間。LabVIEW開發(fā)環(huán)境分為前面板和流程圖兩部分,分別如圖11.12和圖11.13所示。

圖11.12隨機信號發(fā)生器的前面板

圖11.13隨機信號發(fā)生器的流程圖

(2)LabVIEW提供了豐富的程序調試功能。

(3)結構化、模塊化編程,可移植性好。

(4)庫函數豐富,開放性、可擴展性好。

綜上所述,對于建立虛擬儀器來說,LabVIEW提供了一個理想的程序設計環(huán)境,大大降低了系統(tǒng)開發(fā)難度及開發(fā)成本,同時也增強了系統(tǒng)的靈活性。當測試需求發(fā)生變化時,測試人員可以根據具體情況,對面板和流程圖做必要的補充、修改和調整,從而很快地適應變化了的測試需要。

2)LabWindows/CVI

另一常用的虛擬儀器應用軟件開發(fā)環(huán)境是NI的LabWindows/CVI。LabWindows/CVI是基于ANSIC的交互式C語言集成開發(fā)平臺,它將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數據獲取、分析和顯示的測控專業(yè)工具有機地結合起來,它的集成開發(fā)平臺、交互式編程方法、功能面板和豐富的庫函數大大增加了C語言的功能,為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

具體來說,它具有以下特點:

(1)采用集成開發(fā)平臺、開放式體系結構。

(2)采用可視化編程,使設計用戶圖形界面輕松自如。

(3)采用交互式編輯方法,可自動生成程序源代碼。

(4)運用豐富的庫函數,使編程工作大大簡化。

(5)運用方便靈活的程序調試手段。

總之,與LabVIEW一樣,LabWindows/CVI不失為一種功能強大、使用方便、編程效率高的Windows下的虛擬儀器編程環(huán)境,但同時它又可使用戶能對程序的工作細節(jié)進行控制。在此環(huán)境下開發(fā)用戶程序的各個階段都有強大的工具可以使用,用戶幾乎不需直接寫代碼,而是由各種工具產生,但用戶又可以具體地控制程序的結構和細節(jié),因而在國內外的自動測試系統(tǒng)軟件開發(fā)中得到了廣泛的應用。

11.4.3虛擬儀器的設計開發(fā)

1.測試需求的制訂

明確用戶想解決什么問題,即儀器要完成哪些功能,以及用戶對面板操作上的要求,從而確定面板需要什么控制部件和指示部件,并進行面板布局構思。

2.虛擬儀器的硬件選擇

虛擬儀器的硬件一般分為基礎硬件平臺和儀器硬件設備。

采用不同硬件體系結構的虛擬儀器系統(tǒng)性能比較如表11.1所示,用戶必須根據測試功能與性能需求、資金情況等進行合理的選擇。

3.儀器驅動器的開發(fā)

通常,儀器驅動器包括以下幾個部分:

(1)函數體。它是儀器驅動程序的主體,為儀器驅動程序的實際源代碼。

(2)交互式操作接口。它提供了一個圖形化的功能面板,用戶可以在這個圖形接口上管理各種控制,改變每一功能調用的參數值。

(3)編程接口。它是應用程序調用驅動程序的軟件接口,通過此接口可方便地調用儀器驅動程序中所定義的所有功能函數。不同的應用程序開發(fā)環(huán)境有不同的軟件接口。

(4)I/O接口。它提供了儀器驅動器與儀器硬件的通信能力。

(5)功能庫。它描述了儀器驅動器所能完成的測試功能。

(6)子程序接口。它使得儀器驅動器在運行時能調用其他所需要的軟件模塊(如數據庫、FFT等)。

4.虛擬儀器軟面板的設計

虛擬儀器軟面板通常由主面板和副面板組成。主面板是主要的用戶界面,在執(zhí)行過程中始終打開。它可能處于非激活態(tài),但在應用過程中必須保持打開并且是可見的。副面板

是主面板調用的面板。主面板和副面板具有不同的特點和格式,但所有軟面