智能儀器原理及設計清華大學出版社第1章 緒論

1、第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論 本章首先介紹智能儀器誕生的背景，然后重點闡述智能儀器的基本結(jié)構(gòu)及特點，最后扼要介紹智能儀器發(fā)展過程中的GP-IB自動測試系統(tǒng)、個人儀器及系統(tǒng)、VXI總線儀器系統(tǒng)、虛擬儀器、網(wǎng)絡化儀器的概念及特點。第第1章章 緒論緒論1.1智能儀器的誕生 在微處理器出現(xiàn)之前，電子儀器的發(fā)展經(jīng)歷了兩代，第一代為模擬式（又稱指針式）儀器，如指針式電壓表、電流表及功率表等，它們以電磁測量為基本原理。模擬式儀器的主要缺點是功能簡單、精度低、響應速度慢。第二代為數(shù)字式儀器，如數(shù)字電壓表、數(shù)字功率計、數(shù)字頻率計等。第第1章章 緒論緒論 它的基本特點是將被測模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行

2、測量，測量結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示。數(shù)字式儀器測量精度高、響應速度快、讀數(shù)清晰、直觀，測量結(jié)果可打印輸出，也容易與計算機技術(shù)相結(jié)合。同時由于數(shù)字信號便于遠距離傳輸，所以數(shù)字式儀器也適于遙測遙控。第第1章章 緒論緒論 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，1971年世界上出現(xiàn)了第一個微處理器芯片（美國Intel公司4004型微處理器芯片）。由微處理器芯片所構(gòu)成的微型計算機（簡稱微機），不僅具有計算機通常具有的運算、判斷、記憶、控制功能，而且還具有功耗低、體積小、可靠性高、價格低廉等優(yōu)點。因此微型計算機得到了迅速的發(fā)展，其應用領(lǐng)域也越來越廣泛。第第1章章 緒論緒論 在儀器科學與技術(shù)領(lǐng)域，人們將微型計算機技術(shù)與測量技

3、術(shù)相結(jié)合出現(xiàn)了完全突破傳統(tǒng)概念的新一代儀器智能儀器，它是電子儀器發(fā)展史上的第三代產(chǎn)品。智能儀器是含有微型計算機或微處理器的測量儀器，由于它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能的作用（表現(xiàn)為智能的延伸或加強等），因而被稱為智能儀器。智能儀器的出現(xiàn)對儀器儀表的發(fā)展以及科學實驗研究產(chǎn)生了深遠影響，是儀器設計的里程碑。第第1章章 緒論緒論 我國電磁測量信息處理儀器學會于1984年正式成立“自動測試與智能儀器專業(yè)學組”，1986年國際測量聯(lián)合會以“智能儀器”為主題召開了專門的討論會，1988年國際自動控制聯(lián)合會在其當年的理事會上正式確定“智能元件及儀器”為其系列學術(shù)委員會之一

4、。第第1章章 緒論緒論 此外，1989年5月在我國武漢召開了第一屆測試技術(shù)與智能儀器國際學術(shù)討論會。以后，在國內(nèi)外的學術(shù)會議上，以智能儀器為內(nèi)容的研討已層出不窮。近年來，智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展，它體現(xiàn)為模糊判斷、故障診斷、容錯技術(shù)、傳感器融合、機件壽命預測等，使智能儀器的功能向更高層次發(fā)展。第第1章章 緒論緒論1.2智能儀器的結(jié)構(gòu)及特點1.2.1智能儀器的結(jié)構(gòu) 智能儀器是計算機技術(shù)與測量儀器相結(jié)合的產(chǎn)物，實際上是一個專用計算機系統(tǒng)，它由硬件和軟件兩大部分組成。第第1章章 緒論緒論 硬件部分的通用結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示，主要包括主機電路、信號輸入輸出通道、人機接口電路和

5、通信接口電路四部分。其中主機電路用來存儲程序、數(shù)據(jù)并進行一系列的運算和處理，它通常由微處理器（MPU）、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器及輸入輸出（I/O）接口電路組成。主機電路可以選擇單片機，也可以選擇通用計算機。信號輸入輸出電路包括模擬量輸入輸出電路及開關(guān)量輸入輸出電路兩部分。第第1章章 緒論緒論 模擬量輸入輸出電路由模擬量輸入電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器及模擬執(zhí)行器等組成，用于實現(xiàn)對輸入模擬量的調(diào)理、數(shù)字化轉(zhuǎn)換以及將輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量進而驅(qū)動模擬執(zhí)行器等功能； 開關(guān)量輸入輸出電路用于實現(xiàn)開關(guān)量的輸入及輸出功能。需要指出的是信號輸入輸出電路可以根據(jù)處理的信號性質(zhì)（如為模擬信號）選擇其中一種電

6、路（如模擬量輸入輸出電路）。第第1章章 緒論緒論 人-機接口電路主要實現(xiàn)操作者和儀器之間的信息交流功能，包括參數(shù)的設置、測量信號顯示和打印等功能。它由鍵盤、顯示器、打印機等及其接口電路組成。通信接口電路用于實現(xiàn)儀器與計算機的聯(lián)系，使儀器接受計算機的程控命令，將儀器測量的數(shù)據(jù)上傳給計算機，以便進行數(shù)據(jù)分析和處理。目前常用的儀器通信接口有GP-IB通信接口、RS-232C接口以及應用于集散控制系統(tǒng)中的CAN總線接口和以太網(wǎng)接口等。第第1章章 緒論緒論圖1-1 智能儀器通用結(jié)構(gòu)框圖第第1章章 緒論緒論 智能儀器的軟件主要分為監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。監(jiān)控程序是面向儀器面板鍵盤和顯示器的管理程序，

7、其內(nèi)容包括： 通過鍵盤輸入命令和數(shù)據(jù)，以對儀器的功能、操作方式與工作參數(shù)進行設置； 根據(jù)儀器設置的功能和工作方式，控制I/O接口電路進行數(shù)據(jù)采集、存儲； 按照儀器設置的參數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理； 以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示測量結(jié)果、數(shù)據(jù)處理結(jié)果及儀器狀態(tài)信息。第第1章章 緒論緒論 接口管理程序是面向通信接口的管理程序，其任務是接受并分析來自通信接口的遠程命令，包括描述有關(guān)功能、操作方式與工作參數(shù)的代碼； 進行有關(guān)的數(shù)據(jù)采集與處理； 通過通信接口送出儀器測量結(jié)果、數(shù)據(jù)處理結(jié)果及儀器現(xiàn)行工作狀態(tài)的信息。第第1章章 緒論緒論1.2.2智能儀器的特點 1. 儀器的功能強 智能儀器內(nèi)含微機，它具

8、有數(shù)據(jù)存儲和處理能力，在軟件的配合下，儀器的功能大大增強。例如傳統(tǒng)的數(shù)字多用表（DMM）只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字多用表不僅能進行上述測量，而且還能對測量結(jié)果進行平均值和極值運算、統(tǒng)計分析以及更加復雜的數(shù)據(jù)處理功能。第第1章章 緒論緒論 又如傳統(tǒng)的頻率計數(shù)器僅能測量頻率、周期及時間間隔等參數(shù)，而帶有微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器的智能計數(shù)器還能測量電壓、相位、上升時間、占空比、壓擺率、漂移等多種信號參數(shù)。目前有些智能儀器還運用了專家系統(tǒng)技術(shù)，使儀器具有更深層次的數(shù)據(jù)分析和處理能力，解決專家才能解決的問題。第第1章章 緒論緒論 2. 儀器的性能優(yōu)越 智能儀器中通過微處理器進行數(shù)據(jù)存

9、儲和處理，很容易實現(xiàn)多種自動補償、自動校正、多次測量平均等技術(shù)，使測量精度大大提高。通過執(zhí)行適當和巧妙的算法，常常可以克服或彌補儀器硬件本身的缺陷和弱點，改善儀器的性能。智能儀器中，對于隨機誤差通常用求平均值的方法來克服； 對于系統(tǒng)誤差，則根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因采用適當?shù)姆椒ㄌ幚怼５诘?章章 緒論緒論 例如HP3455型數(shù)字電壓表的實時自動校正是先進行三次不同方式的測量，然后由微處理器自動把測量數(shù)據(jù)代入校準方程進行計算，以消除由漂移、增益不穩(wěn)定所帶來的誤差。借助于微處理器，不僅能校正由漂移、增益不穩(wěn)定等引起的誤差，還能校正由各種傳感器、變換器及電路引起的非線性或頻率響應等誤差。第第1章章 緒論緒論

10、3. 操作自動化 智能儀器運用微處理器的控制功能，可以方便地實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、觸發(fā)電平自動調(diào)整、自動校準、故障自診斷等功能，有力地改善了儀器的自動化測量水平。例如智能型數(shù)字示波器有一個自動分度鍵（Auto scale），測量時只要按下這個鍵，儀器就能根據(jù)被測信號的頻率及幅度，自動設置好最合理的垂直靈敏度、時基以及最佳的觸發(fā)電平，使信號波形穩(wěn)定地顯示在屏幕上。第第1章章 緒論緒論 又如智能儀器一般都具有自診斷功能，當儀器發(fā)生故障時，可以自動檢測出故障的部位并能協(xié)助診斷出故障的原因。甚至有些智能儀器還具有自動切換備件進行自動維修的功能，極大地方便了儀器的維護。第第1章章 緒論緒論4. 具

11、有友好的人機對話能力 智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量和處理功能。與此同時，智能儀器還可以將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時顯示在屏幕上，使儀器的操作更加方便直觀。第第1章章 緒論緒論 5. 具有可程控操作能力 智能儀器通常都配有GP-IB通信接口或RS-232/RS-422/RS-485（推薦標準）通信接口，使智能儀器具有可程控操作的能力。從而可以方便地與計算機和其他儀器一起組成多功能的自動測試系統(tǒng)，來完成更加復雜的測試任務。第第1章章 緒論緒論1.3智能儀器的發(fā)展 20世紀70年代以來，在微電子技術(shù)、微型計算機技術(shù)

12、發(fā)展的推動下，智能儀器得到了迅速的發(fā)展，相繼誕生了獨立式智能儀器、GP-IB自動測試系統(tǒng)、個人儀器及系統(tǒng)、VXI總線儀器系統(tǒng)、虛擬儀器、網(wǎng)絡化儀器等，這些新型儀器及技術(shù)的出現(xiàn)被稱為20世紀后期以來，電子測量與儀器系統(tǒng)中發(fā)生的最重要的事情，它們改變了并且將繼續(xù)改變測量與儀器領(lǐng)域的發(fā)展進程，使之朝著智能化、自動化、小型化、模塊化和開放式系統(tǒng)的方向發(fā)展。第第1章章 緒論緒論1.3.1獨立式智能儀器及GP-IB自動測試系統(tǒng) 獨立式智能儀器（簡稱智能儀器）是自身帶有微處理器和GP-IB接口的能獨立進行測試工作的電子儀器。獨立式智能儀器在結(jié)構(gòu)上自成一體，因而使用靈活方便，并且儀器的性能可以做得很高。這類儀

13、器在技術(shù)上比較成熟，同時借助于新技術(shù)、新器件和新工藝的不斷進步，這類儀器還在不斷發(fā)展，不斷推陳出新。第第1章章 緒論緒論 智能儀器幾乎都配有GP-IB通信接口。GP-IB總線是國際電工協(xié)會（IEC）1978年正式推薦的一種標準化儀用接口總線，已被世界各國普遍采納。凡是配有GP-IB通信接口的儀器和計算機，不分生產(chǎn)國家、廠家，都可以借助于一條無源電纜總線按積木式互連，靈活地組成各種不同用途的自動測試系統(tǒng)，以完成較復雜的測試任務。典型的GP-IB自動測試系統(tǒng)如圖1-2所示。第第1章章 緒論緒論圖1-2 典型的GP-IB自動測試系統(tǒng)第第1章章 緒論緒論 GP-IB自動測試系統(tǒng)由微型計算機、多臺可程控

14、儀器（配有GP-IB接口）以及GP-IB總線三部分組成。微型計算機作為系統(tǒng)的控制者，通過執(zhí)行測試軟件，實現(xiàn)對測量全過程的控制和測量數(shù)據(jù)的處理； 每臺可程控儀器均是自動測試系統(tǒng)中的任務執(zhí)行單元； GP-IB標準總線共有16條信號線（8條雙向數(shù)據(jù)總線、3條數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡線、5條接口管理線），將各種儀器設備有機地連接起來，完成系統(tǒng)內(nèi)各種信息的變換和傳輸任務。第第1章章 緒論緒論 GP-IB自動測試系統(tǒng)通用性強，功能完善，只需增減或更換“掛”在它上面的程控儀器設備、編制相應的測試軟件，即可完成不同的測試任務。在要求測量時間極短、數(shù)據(jù)處理量大、測試現(xiàn)場對操作人員有害或操作人員參與容易產(chǎn)生人為誤差等測試任務

15、中極為適用。第第1章章 緒論緒論 GP-IB自動測試系統(tǒng)的主要缺點是硬件冗余度高，卻不能起容錯作用。在GP-IB系統(tǒng)中的各個獨立儀器都具有鍵盤、顯示器、存儲器、微處理器、機箱及電源等部件，這些資源相互重復又不能共享。這樣就造成資源浪費，且系統(tǒng)體積龐大。第第1章章 緒論緒論 1.3.2個人儀器系統(tǒng) 隨著個人計算機的發(fā)展，1981年美國NIS公司首先提出了個人儀器的概念。個人儀器（Personal Computer Instrument，PCI）亦稱PC儀器。所謂個人儀器就是以個人計算機為基礎(chǔ)的儀器，其組成方法是，將原獨立式智能儀器中的測量部分制作成儀器卡，插入PC的總線插槽，而原獨立式智能儀器所

16、需的鍵盤、顯示器及存儲器等均借助于PC的資源。第第1章章 緒論緒論 所謂個人儀器系統(tǒng)則是由不同功能的儀器卡和PC有機結(jié)合而構(gòu)成的自動測試系統(tǒng)。個人儀器及個人儀器系統(tǒng)充分利用了PC的軟件、硬件資源，克服了GP-IB自動測試系統(tǒng)硬件冗余度高的缺點，具有性價比高、研制周期短、使用方便以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，因而受到廣泛的重視，具有廣闊的發(fā)展前景。第第1章章 緒論緒論 早期的個人儀器是把儀器卡直接插入PC的總線插槽內(nèi)，儀器卡直接掛在PC的內(nèi)部總線上。這種個人儀器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易實現(xiàn)，缺點是儀器卡數(shù)受到微機擴展槽口數(shù)的限制、機箱內(nèi)部干擾大、散熱不易、儀器卡尺寸受機內(nèi)空間限制及加重微機電源負擔等

17、，因而不宜用作微弱信號及高精度、大功率、微波等信號的測量。第第1章章 緒論緒論 為了克服這些缺點，許多儀器生產(chǎn)廠家各自研究外部插卡箱并定義儀器總線。外部插卡箱和微機連接時，首先要在微機擴展槽口內(nèi)插入一塊接口卡，然后通過儀器總線連接接口卡與外部插卡箱。例如，美國HP公司1985年推出的HP6000系列模塊式儀器系統(tǒng)由8個機外模塊組成，并且定義了PCIB儀器總線，連接微機箱內(nèi)的接口卡與PC儀器模塊。第第1章章 緒論緒論 一種混合式的個人儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，在微機內(nèi)部的擴展槽口內(nèi)插入了儀器卡，在微機外部的插卡箱內(nèi)也有儀器卡。第第1章章 緒論緒論圖1-3 個人儀器系統(tǒng)第第1章章 緒論緒論1.3

18、.3VXI總線儀器系統(tǒng) 個人儀器系統(tǒng)消除了GP-IB系統(tǒng)中硬件的冗余問題，提高了儀器的性能價格比，但個人儀器系統(tǒng)的尺寸、電氣指標、接口及總線等由生產(chǎn)廠家自行定義，沒有統(tǒng)一的標準，這就影響了個人儀器的進一步發(fā)展。第第1章章 緒論緒論 為此，美國HP和泰克等五家有影響的儀器公司，聯(lián)合提出了適合于個人儀器系統(tǒng)標準化的VXI總線標準。VXI（VME bus Extensions for Instrumentation）總線是VME（Versabus Module European）總線在智能儀器領(lǐng)域的擴展，VME總線是Motorola公司1981年針對32位微處理器68000開發(fā)的微機總線。采用VXI

19、總線標準的個人儀器系統(tǒng)稱為VXI總線儀器系統(tǒng)。VXI總線及VXI總線儀器系統(tǒng)的問世被認為是測量和儀器領(lǐng)域發(fā)生的一個重要事件。圍繞著VXI總線儀器系統(tǒng)出現(xiàn)了一系列的國際性標準和支持技術(shù)，從而使測量和儀器系統(tǒng)的研究進入一個新階段。第第1章章 緒論緒論 VXI總線儀器系統(tǒng)一般由微型計算機、VXI儀器卡、VXI總線三部分構(gòu)成。圖1-4給出了典型VXI總線儀器系統(tǒng)的構(gòu)成形式，各個儀器卡均掛接在機箱背板VXI總線上，其中機箱最左端的0號卡為命令者卡，0號卡裝有系統(tǒng)的公用資源，提供公用時鐘及插卡識別等信號，對系統(tǒng)資源進行管理，還具有VXI總線與其他總線（GPIB、RS-232等）的轉(zhuǎn)發(fā)器。微機與插卡箱之間通

20、過其他標準總線（GP-IB、RS-232等）進行通信。在測控軟件的支持下，微型計算機與儀器功能模塊實現(xiàn)自動測試系統(tǒng)的全部功能。第第1章章 緒論緒論圖1-4 VXI總線儀器系統(tǒng)第第1章章 緒論緒論 VXI總線儀器系統(tǒng)是一種新的個人儀器系統(tǒng)，允許不同廠家生產(chǎn)的符合VXI總線接口標準的儀器卡在同一機箱中工作，提高了儀器卡的通用性，為VXI總線儀器系統(tǒng)的設計帶來極大的方便。VXI總線是面向模塊式結(jié)構(gòu)的儀器總線，與GP-IB總線相比較其性能有了較大的提高，VXI總線中的地址線和數(shù)據(jù)線均可高至32位，數(shù)據(jù)傳輸速率上限可高至40MB/s。第第1章章 緒論緒論 此外還定義了多種控制線、中斷線、時鐘線、觸發(fā)線、

21、識別線和模擬信號線等。采用這種總線標準的新型儀器系統(tǒng)具有信息吞吐率高、配置靈活、尺寸緊湊、可靠性高等特點，可以組成不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)。我國已投入了大量的人力開發(fā)VXI總線儀器系統(tǒng)，并在一些軍工和科研部門得到了成功的應用。但是，VXI總線儀器系統(tǒng)價格較昂貴，某種程度上限制了它的推廣應用。第第1章章 緒論緒論1.3.4虛擬儀器 20世紀80年代末，美國研制成功了虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）。虛擬儀器的出現(xiàn)，標志著自動測試與電子測量儀器技術(shù)發(fā)展的一個新方向。所謂虛擬儀器是指在通用微型計算機的基礎(chǔ)上添加必要的儀器硬件模塊和儀器專用軟件，從而實現(xiàn)各種測試功能的一種計算機化儀

22、器系統(tǒng)。第第1章章 緒論緒論 在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入和輸出，軟件才是儀器的關(guān)鍵，任何一個用戶都可以通過改寫軟件的辦法，方便地改變和增減儀器系統(tǒng)的功能，因此有“軟件就是儀器”的說法。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義功能，用戶無法改變的固定模式，用戶可以充分發(fā)揮想象力和才能，設計個性化的儀器系統(tǒng)，以滿足多種多樣的應用需求。由于虛擬儀器以通用計算機為基礎(chǔ)平臺，因此虛擬儀器很容易同網(wǎng)絡、外設連接，也能夠與計算機技術(shù)同步發(fā)展。第第1章章 緒論緒論 虛擬儀器由硬件平臺和應用軟件兩大部分構(gòu)成。其中，硬件平臺由計算機和I/O接口設備組成，如圖1-5所示，I/O接口設備主要完成被測信號的采集、調(diào)整、A/D轉(zhuǎn)換等功能。根據(jù)總線的不同，I/O接口設備有下列幾種： PC-DAQ采集卡（采用計算機本身的PCI總線或ISA總線）、GP-IB總線儀器、VXI總線儀器、串行口儀器、PXI總線儀器等。選擇不同的I/O接口設備，就構(gòu)成不同的虛擬儀器系統(tǒng)。第第1章章 緒論緒論圖1-5 虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu)第第1章章 緒論緒論 在基本硬件系統(tǒng)確定之