第二部分現(xiàn)代電子測(cè)量

第二部分現(xiàn)代電子測(cè)量第1頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、智能儀器同傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器比較1.電子測(cè)量?jī)x器是指采用電子技術(shù)測(cè)量電量或非電量的測(cè)量?jī)x器。2.而智能儀器是指計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電子測(cè)量?jī)x器之中，也就是儀器內(nèi)部含有微處理器系統(tǒng)。3.智能儀器具有以下一些突出的特點(diǎn)：(1)功能較多，應(yīng)用極其廣泛。(2)面板控制采用數(shù)量有限的單觸點(diǎn)功能鍵和數(shù)字鍵輸入各種數(shù)據(jù)及控制信息，按鍵亦可以多次復(fù)用（一鍵多用），甚至通過(guò)一定的鍵序（鍵語(yǔ)）進(jìn)行編程，從而使得儀器的使用非常方便，極其靈活而多樣化。第11章智能儀器第2頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(3)面板顯示可以采用各種數(shù)碼顯示器件。(4)常帶有GPIB通用接口，有完善的遠(yuǎn)程輸入和輸出能力。(5)除了能通過(guò)接口電路接入自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中之外，儀器本身具備一定的自動(dòng)化能力，如自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)檢查及自動(dòng)診斷、自動(dòng)調(diào)整測(cè)試點(diǎn)等。(6)利用微處理器執(zhí)行適當(dāng)或精密的測(cè)量算法，?？煽朔驈浹a(bǔ)儀器硬件電路的缺陷和弱點(diǎn)，從而獲得較高的性價(jià)比。第3頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、智能儀器的基本組成從智能儀器發(fā)展的狀況來(lái)看，其基本結(jié)構(gòu)可有兩種類型，即:微機(jī)內(nèi)藏式,

微機(jī)擴(kuò)展式。第4頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)微機(jī)內(nèi)藏式結(jié)構(gòu)框圖第5頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)微機(jī)擴(kuò)展式原理框圖第6頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、內(nèi)總線，外總線區(qū)別

外總線又稱通信總線，它用于微計(jì)算機(jī)儀器與外部系統(tǒng)之間的通信聯(lián)系。目前所通用的標(biāo)準(zhǔn)RS_232C

GP_IB、CAMAC等。

RS_232C串行接口是微機(jī)系統(tǒng)中常用的外部總線標(biāo)準(zhǔn)接口，它以串行方式傳送信息，是用于數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DEC）和數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTC）之間的串行接口總線。

RS_232C串行接口總線適用于：設(shè)備之間的通信距離不大于15m；傳送速率最大為20kb／s；負(fù)邏輯電平:“1”:-5V~-15V,“0”:+5V~+15V。

采用RS_232C總線進(jìn)行串行通信時(shí)需外接電平轉(zhuǎn)換電路。第7頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第8頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

內(nèi)總線又稱板級(jí)總線或系統(tǒng)總線，它是微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各印刷板插件之間的通信通道。從功能上可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線三種，如圖11.2.4所示。第9頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三智能儀器設(shè)計(jì)包括兩大部分，即硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。1、方案設(shè)計(jì)①選擇總體方案。②根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)出各單元電路。③硬件和軟件功能劃分要明確。④性能指標(biāo)要能滿足整機(jī)功能的要求，避免過(guò)多的功能閑置不用，使性價(jià)比較高。⑤整機(jī)結(jié)構(gòu)要布局合理，層次分明。⑥貨源要充足，多元化，供應(yīng)要穩(wěn)定可靠，有利于批量和大量生產(chǎn)。四、智能儀器設(shè)計(jì)分哪兩部分？設(shè)計(jì)方案步驟？具體內(nèi)容？第10頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、硬件設(shè)計(jì)主要硬件設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面:①微處理器、單片機(jī)電路設(shè)計(jì)，主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、供電電路等。②擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，主要包括程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路和其他功能器件擴(kuò)展電路等。③輸入／輸出通道設(shè)計(jì)，主要包括傳感器電路、各種放大電路、多路開關(guān)、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、開關(guān)參量接口電路、驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。第11頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

④

控制面板設(shè)計(jì)，主要包括人機(jī)對(duì)話功能，如開關(guān)、按鍵、鍵盤、顯示器、語(yǔ)音電路及報(bào)警電路等。

⑤了解和掌握智能儀器的應(yīng)用環(huán)境條件，如溫度、濕度、震動(dòng)、供電電壓現(xiàn)場(chǎng)干擾與工作現(xiàn)場(chǎng)等，以及采用何種措施防止干擾和進(jìn)行保護(hù)等。第12頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.軟件設(shè)計(jì)智能儀器應(yīng)用系統(tǒng)的軟件包括數(shù)據(jù)采集和處理程序、控制算法實(shí)現(xiàn)程序、人機(jī)聯(lián)系程序和數(shù)據(jù)管理程序等。軟件設(shè)計(jì)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、子程序化。在做具體程序設(shè)計(jì)時(shí)，常采用模塊化結(jié)構(gòu)，即將功能完整、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的程序分解成若干相對(duì)獨(dú)立、長(zhǎng)度較小的模塊，或稱為子程序，然后分別進(jìn)行編寫、調(diào)試。主程序和中斷服務(wù)程序一旦需要，則進(jìn)行調(diào)用。第13頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第14頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、虛擬儀器簡(jiǎn)介

虛擬儀器（VirtualInstruments簡(jiǎn)稱VI）技術(shù)發(fā)展非常迅速，所有測(cè)量測(cè)試儀器的主要功能可由①數(shù)據(jù)采集②數(shù)據(jù)測(cè)試和分析③結(jié)果輸出顯示等三大部分組成，其中數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出完全可由基于計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)來(lái)完成，因此只要另外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可構(gòu)成基于計(jì)算機(jī)組成的測(cè)量測(cè)試儀器。

基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化測(cè)量測(cè)試儀器就稱之為虛擬儀器（VI）。注意：這里所指的虛擬儀器和EDA仿真軟件中的虛擬儀器概念完全不同，它可以完全替代傳統(tǒng)臺(tái)式測(cè)量測(cè)試儀器。而EDA仿真軟件中的虛擬儀器是純軟件的、仿真的。第12章虛擬儀器第15頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過(guò)不同的軟件就可以實(shí)現(xiàn)功能完全不同的各種測(cè)量測(cè)試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器，因此可以說(shuō)“軟件即儀器”。第16頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、虛擬儀器的發(fā)展

虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：1、第一類：PC總線——插卡型虛擬儀器

這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結(jié)合（注：美國(guó)NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過(guò)各種控件自已組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過(guò)三種編程語(yǔ)言VisualC++,VisualBasic,Labviews/cvi構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。第17頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二類：并行口式虛擬儀器

最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國(guó)LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。第18頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第三類：GBIB總線方式的虛擬儀器

GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)BPIB形式的儀器通過(guò)GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺(tái)儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)40米。GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺(tái)儀器組合起來(lái)，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用。第19頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第四類：VXI總線方式虛擬儀器

VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。第20頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第五類：PXI總線方式虛擬儀器PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴(kuò)展性。PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3~4個(gè)擴(kuò)展槽，通過(guò)使用PCI—PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將形成未來(lái)的虛擬儀器平臺(tái)。第21頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三總結(jié)虛擬儀器的發(fā)展過(guò)程有兩條線：（一）、GPIB→VXI→PXI總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）GPIB于1978年問(wèn)世，VXI于1987年問(wèn)世，PXI于1997年問(wèn)世。（（二）、PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景），PC插卡式于80年代初問(wèn)世，并行口方式于1995年問(wèn)世，串口USB方式于1999年問(wèn)世。綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個(gè)重要因素。①計(jì)算機(jī)是載體,②軟件是核心③高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵第22頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第23頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

三、虛擬儀器的應(yīng)用下面舉例說(shuō)明虛擬儀器在以下幾個(gè)方面的應(yīng)用:1.在測(cè)量方面的應(yīng)用:虛擬儀器系統(tǒng)開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展，用于測(cè)量方面可以提高精確度、降低成本和節(jié)省用戶的開發(fā)時(shí)間，因此已經(jīng)在測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2.在監(jiān)控方面的應(yīng)用:用虛擬儀器系統(tǒng)可以隨時(shí)采集和記錄從傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)之進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、數(shù)字濾波、頻域分析等處理，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。

第24頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.在檢測(cè)方面的應(yīng)用:在實(shí)驗(yàn)室中，利用虛擬儀器開發(fā)工具開發(fā)專用虛擬儀器系統(tǒng)，可以把一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)變成一組檢測(cè)儀器，用于數(shù)據(jù)／圖像采集、控制與模擬。4.在遠(yuǎn)程教育方面的應(yīng)用:隨著虛擬儀器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的教學(xué)部門也開始用它來(lái)建立教學(xué)系統(tǒng)，不僅節(jié)省開支，而且由于虛擬儀器系統(tǒng)具有靈活、可重復(fù)利用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得教學(xué)方法也更加靈活。第25頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、虛擬儀器編程環(huán)境LabVIEWLabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它應(yīng)用廣泛，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成與滿足了GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。第26頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

使用這種圖形化的程序語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖，它盡可能利用所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念。因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具。通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)，為用戶提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以極大地提高工作效率。第27頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)LabVIEW的基本概念

①前面板。

第28頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三②流程圖。第29頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三③圖標(biāo)／連接器。

VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè)VI可以作為子程序，這里稱為子VI（SubVI），被其他VI調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。(2)LabVIEW