现代电子测量技术.ppt

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1、第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术9.1 智能仪器智能仪器9.2 虚拟仪器虚拟仪器9.3 自动测试系统自动测试系统本章小结本章小结第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.1 智能仪器智能仪器l9.1.1 智能仪器的特点l9.1.2 智能仪器的基本组成与工作原理l9.1.3 S-100和STD总线l9.1.4 智能仪器的设计第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.1.1 智能仪器的特点智能仪器的特点 功能较多，应用极其广泛。面板

2、控制采用数量有限的单触点功能键和数字键输入各种数据及控制信息，按键还可以一键多用，甚至能通过一定的键序进行编程，从而使得仪器的使用非常方便，极其灵活而多样化。面板显示可以采用各种数码显示器件。常带有GPIB通用接口，有完善的远程输入/输出能力。除了能通过接口电路接入自动测试系统中之外，仪器本身具备一定的自动化能力。利用微处理器执行精密的测量算法，从获得较高的性价比。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.1.2 智能仪器的基本组成与工作原理智能仪器的基本组成与工作原理 1智能仪器的基本工作原理 （1）微机内藏式。它是将单片或多片的微机芯片与仪器有机地结合

3、在一起而构成的测量仪器。微机芯片在其中起控制及数据处理等作用。图9-1所示为微机内藏式的结构框图。可见，MPU（微处理器）为仪器的核心，它通过总线及接口电路与输入/输出通道、仪器面板及仪器内存相连。EPROM及RAM组成的仪器内存保存仪器所用的监控程序、应用程序及数据。中断申请可使仪器能够灵活反应外部事件。仪器的输入信号要经过输入通道进行预处理后才能进入微机。输入通道包括放大器、抗干扰滤波器、多路转换器、采样/保持器、低通滤波器等部分。仪器的数字输出可与CRT屏幕显示器相接，也可与外存储器、X-Y绘图仪或微型打印机相接以获得硬拷贝。外部通信接口用于沟通本仪器与外部系统。第第9 9章章 现代电子

4、测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社图图9-1 微机内藏式智能仪器工作原理框图微机内藏式智能仪器工作原理框图第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 （2）微机扩展式。它是以个人计算机（PC）为核心的应用扩展型测量仪器。由于PC的应用已十分普遍，其价格不断下降，因此从20世纪80年代起就开始给PC配上不同的模拟通道，让它能够符合测量仪器的要求，并把它取名为个人计算机仪器（PCI）。PCI的优点为使用灵活，应用范围广泛，可以使仪器方便地利用PC已有的各种功能，如可以用CRT显示测量结果，利用PC已有的硬盘、打印机及绘图仪等获取硬拷贝。更重要的是

5、PC的数据处理功能强，内存容量远大于微机内藏式，因而PCI可以用于复杂的、高性能的信息处理。此外，还可以充分利用PC本身已有的各种软件。图9-2所示为个人计算机仪器的原理框图。与PCI相匹配的模拟通道有两种类型，一种是插板式，即将所配用的模拟量输入通道以印刷板（PCB）的插板形式直接插入PC机箱内的空槽中，此法最方便。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社图图9-2 个人计算机仪器的原理框图个人计算机仪器的原理框图第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 插件箱式是将各种功能插件集中在一个专用的机箱中，机箱备有专用的电源

6、，必要时也可有自己的微机控制器，这种结构适用于多通道、高速数据采集或一些特殊要求的仪器。随着硬件的完善，标准化插件不断增多，如果能够实现模块化组合，则组成PCI的硬件的工作量有可能减少，从计算机的角度看，不同的测量仪器，其区别仅在于应用软件的不同。在研究个人计算机仪器的结构时，总要遇到总线问题。总线是微型计算机各种信息进行交换或传输时的公共通道。在总线中通道都是分类安排的，如果分类一致，而且在总线的机械结构的安排上也能相互协调，这使得个人计算机仪器之间的信息交换，以及部件的互换性及兼容性等具有较大的灵活性，使智能仪器的应用更加广泛。因此，在总线方面各种企业标准或国际标准正在不断发展，以适应多方

7、面的需要。总线按其应用可分为外总线及内总线两大类。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 2外总线 外总线又称通信总线，它用于微型计算机仪器与外部系统之间的通信联系。RS-232C串行接口是微机系统中常用的外部总线标准接口，它以串行方式传送信息，是用于数据通信设备（DCE）和数据终端设备（DTE）之间的串行接口总线。接口标准包括机械特性、功能特性和电气特性等内容。RS-232C串行接口总线的通信距离不大于15m；传送速率最大为20Kb/s；负逻辑关系（电平“1”：15V5V；电平“0”：+5V+15V）。由于TTL电平的“1”和“0”分别为3.4V和0.4

8、V，因此采用RS-232C总线进行串行通信时需外接电平转换电路。在发送端用驱动器将TTL电平转换成RS-232C电平，在接收端用接收器将RS-232C电平再转换成TTL电平。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 3内总线 内总线又称为板间总线或系统总线，它是微机系统内部各印刷板插件之间的通信通道。从功能上可分为数据总线、地址总线及控制总线三种，如图9-3所示。图图9-3 智能仪器内总线系统示意图智能仪器内总线系统示意图第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.1.3 S-100和和STD总线总线 1S-100总线 S

9、-100总线源于美国MITS公司所生产的Altair微型机中所用的总线。可适用于各种8位及16位微机，可以支持高达16Mb的存储器及64Kb的输入/输出端口，S-100总线共100条线，可分为9组。16条数据线。即DI0DI7和DO0DO7。24条地址线。即A0A23。8条状态线。这8条状态线都是用小写字母s开头的，用于说明总线周期的类型。5条控制输出线。这5条控制输出线都是用小写字母p开头的，用于总线周期的定时和数据选通。这5条控制输出线是：pSYNC、pSTVAL、pDBIN、pWR和pHLDA。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 6条控制输入线。

10、从设备向主设备发出请求信号的控制线，这6条控制输入线分别是RDY、XRDY、INT、NMI、HOLD、SIXTN。8条DMA。直接存储器访问（Direct Memory Access），与保持请求信号的HOLD、保持响应信号的PHL-DA配合使用，可用于管理多个暂时性主设备提出的控制总线的要求，以及实现总线控制权的转移。这8条DMA控制线是：DMA0、DMA1、DMA2、DMA3、ADSB、DODSB、SDSB和CDSB。其中DMA0DMA3这4条线用于表示16个暂时性主设备的优先权编码。8条矢量中断线。与INT配合，用来管理8级中断请求优先权。电源线和地线共9条。其他用途的信号线16条。第第

11、9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 2STD总线 （1）STD总线的特点 STD总线模板上的元器件都要经过严格的检验和测试，因此，PRO-LOG公司的STD总线产品平均无故障间隔可达数十年。STD总线采取了兼容开放式结构，该总线支持Intel公司的80/85系列、Motorola公司的68系列、Zilog公司的Z80系列和美国国家半导体公司的NSC800系列。STD总线可灵活地扩充、升级，而原有的结构、器件仍可被利用，这有效地避免了因系统升级换代或更换CPU的类型而需要更换总线结构所造成的重复投资，大大提高了系统生存周期的延续性。STD总线采用了小板结构，

12、它的所有模板的标准尺寸为165.5mm114.3mm。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 STD总线采取了开放式的系统结构。STD模板的设计非常标准，信号流向基本上都是由总线驱动的：从总线到功能模块，从总线到I/O驱动输出。另外，由于总线端与I/O端放在模板的两端，防止了总线信号与I/O信号之间的相互干扰。STD总线产品在国际上有近千种，各种工业控制所需的功能模板几乎应有尽有，这为用户应用STD总线产品设计工业控制系统提供了极大的方便。STD的开发软件STD-DOS是由STD总线的硬件和MS-DOS固化操作系统组成的开发系统。该系统可以与IBM-PC/

13、XT/AT及其兼容机的各种机型组成STD总线产品应用软件的开发环境。用户可以在PC上利用其丰富的软、硬件资源，开发目标系统的应用软件。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 （2）STD总线规范 STD总线定义了八位微处理器的总线标准，可以容纳各种通用八位微处理器。STD总线规范对模板的尺寸、总线连接器和引脚分配、信号定义和电气标准等都做了规定，还规定了读/写时序和持续时间等参数。STD总线共56根引线，按功能可分为5组：逻辑电源线，6根，引脚16；数据总线，8根，引脚714；地址总线，16根，引脚1530；控制总线，22根，引脚3152；辅助电源线，4根

14、，引脚5356。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.1.4 智能仪器设计智能仪器设计 主要包含方案设计、硬件设计、软件设计和系统调试四个步骤。1方案设计 选择总体方案。总体方案是指针对提出的任务、要求和条件，从全局出发采用具有一定功能的，由若干单元电路构成一个完善的整机，去实现各项功能。根据总体方案设计出各单元电路。各单元电路必须满足性能和技术指标要求，再根据单元电路选择微处理器、单片机和各种元器件，尤其要重点考虑大规模、超大规模集成电路的选择。硬件和软件功能划分要明确。智能仪器的硬件和软件要进行统一的规划。这是因为同一种功能既可以由硬件实现，又可由

15、软件实现，最后应根据性价比进行综合确定。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 2硬件设计 硬件设计主要包括以下几个方面。微处理器、单片机电路设计。扩展电路设计。主要包括程序存储器、数据存储器、I/O接口电路和其他功能器件扩展电路等。输入/输出通道设计。主要包括传感器电路、各种放大电路、多路开关、A/D转换器、D/A转换器、开关参量接口电路、驱动及执行机构等。控制面板设计。主要是实现人机对话的功能，如开关、按键、键盘、显示器、语音电路及报警电路等。根据智能仪器的应用环境条件，确定采用何种措施防止干扰和进行保护等。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量

16、技术清华大学出版社清华大学出版社 3软件设计 在智能仪器设计中，软件设计占有重要的地位。重点要确定软件所要完成的任务，根据任务确定软件结构。智能仪器应用程序通常采用顺序编写法，即按照程序执行的流程进行顺序编写。一个系统程序一般由主程序和若干中断服务程序组成，要根据系统中各个操作的性质规定主程序完成哪些操作，中断服务程序完成哪些操作。智能仪器应用系统的软件应尽量采用标准化、模块化、子程序化。在做具体程序设计时，常采用模块化结构，即将功能完整、长度较长的程序分解成若干个相对独立、长度较小的模块，然后分别进行编写、调试。主程序和中断服务程序一旦需要，则进行调用。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电

17、子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 4系统调试 调试工作通常按以下三个步骤进行。硬件调试。对硬件电路进行脱机检查，看连线是否与逻辑图一致，有无短路、虚焊等现象。器件的型号、规格、极性是否有误，插接方向是否正确。检查完毕可用万用表测量一下电路正负电源端之间的电阻，排除电源短路的可能性。软件调试。软件调试必须在开发系统的支持下进行。先分别将各个模块程序调试通过后，再调试中断服务程序，最后调试主程序，将各部分联调。软硬件联调。在软件、硬件分别调试成功的基础上，进行软硬件联机仿真，当仿真成功后，将应用程序写入EPROM中，即可脱机运行。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社

18、清华大学出版社9.2 虚拟仪器虚拟仪器l9.2.1 虚拟仪器的概念l9.2.2 虚拟仪器的基本组成与分类l9.2.3 虚拟仪器的特点与应用l9.2.4 虚拟仪器总线第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.2.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念 1虚拟仪器 所谓虚拟仪器（VI），就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对信号的分析处理、表达及图形化用户接口等，其内部功能划分如图9-4所

19、示。虚拟仪器的独特优点是在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能。应用程序将可选硬件和可重复使用的原码库函数等软件结合在一起，实现了仪器各模块之间的通信、定时与触发。原码库函数为用户构造自己的VI系统提供了基本的软件模块。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社图图9-4 虚拟仪器内部功能划分示意图虚拟仪器内部功能划分示意图 原码库函数为用户构造自己的VI系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是其核心等特点，当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软件或硬件模块，或重新配置现有系统以满

20、足新的测试要求。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，在测试系统和仪器设计中尽量使用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。“软件就是仪器软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 测试仪器的种类很多，功能也各不相同。但不论是何种仪器，其组成都可以概括为信号采集与控制单元、信号分析与处理单元、结果表达与输出单元三个部分。由于传统仪器的这些功能单元基本上以硬件的形式存在，因此只能由生产厂家来定义、设计

21、和制造。从理论上讲，在通用计算机平台上增加必要的数据采集与控制硬件，就已经具备了构成测试仪器的基本条件，关键是根据仪器的具体要求设计开发出包括数据采集、控制、分析。需要特别指出的是，虚拟仪器实质上是一种创新的仪器设计思想，而非一般具体的仪器。也就是说虚拟仪器可以有各种各样的形式，完全取决于实际的物理系统和构成仪器数据采集单元的硬件类型。但是有一点是相同的，就是虚拟仪器离不开计算机的控制，软件是虚拟仪器设计中最重要，也是最复杂的部分。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 2软件的功能 市场上的图形化VI框架有NI公司的Lab VIEW和Agilent公司的

22、VEE。应当指出，图形化开发环境与图形化VI框架是不同的，其主要区别在于使用VI组件进行开发时，具有重复使用原码模块的能力，而后者的这些原码模块必须具有被其他原码模块继承性调用的能力。仪器硬件接口又叫仪器驱动程序，是控制特定仪器的软件模块，它现在已经成为应用软件包的标准组成部分。这些驱动程序可以实现对特定仪器的控制与通信，成为用户建立VI系统的基础软件模块。除仪器硬件接口是VI应用软件的标准模块之外，用户接口开发工具不仅是通用语言的标准组成部分，而且也成为VI应用软件的标准组成部分。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 3LabVIEW简介 LabVIE

23、W（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言大多采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言来编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW集成了符合GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能

24、力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.2.2 虚拟仪器的基本组成与分类虚拟仪器的基本组成与分类 虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实测试中的被测信号，而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。按照构成虚拟仪器的接口、总线不同，可分为数据采集插卡式（DAQ）虚拟仪器、RS-232/RS-422虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、USB虚拟仪器、GPIB虚拟仪器、VX

25、I虚拟仪器、PXI虚拟仪器和最新的IEEE-1393接口虚拟仪器。DAQ虚拟仪器广泛应用于一般的测试系统与工业过程控制，并且正在从过去的16位标准ISA总线发展到32位的PCI总线插卡，为设计各种测试仪器提供了更好的数据采集和控制能力。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 RS-232/RS-422串行接口在各种现场过程控制仪表中应用较多，支持长线传输，抗干扰能力强，但数据传输率低，不适合动态测试应用。并行接口也是一种比较传统的高速接口，一般打印机都配置并行接口，现在已经有配置并行接口的数字存储示波器、逻辑分析仪等虚拟仪器。USB总线目前已成为PC的标准

26、配置，并且支持热插拔功能。IEEE-1394总线最大的优点是数据传输率高。GPIB、VXI和PXI总线都是专门为程控仪器设计的计算机接口总线；其中GPIB仪器具有独立的仪器操作界面，可以脱离计算机而独立使用，也可以通过标准GPIB电缆连接计算机实施程序控制；而VXI和PXI仪器没有独立操作界面，必须依赖仪器驱动器提供的虚拟操作界面。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.2.3 虚拟仪器的特点与应用虚拟仪器的特点与应用 1虚拟仪器的特点 （1）性能高。虚拟仪器是在PC技术的基础上发展起来的，它完全“继承”了PC技术的优点，包括功能强大的处理器和文件I/O

27、，使数据导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。（2）扩展性强。NI软件具有更强的灵活性。（3）开发时间短。在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通信等方面的最新技术结合在一起。（4）集多种功能于一体。虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软/硬件系统。随着仪器在功能上不断地趋于复杂，通常需要集成多个测量设备才能满足完整的测试需求。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 2虚拟仪器的应用 （1）虚拟仪器在测量方面的应用。虚拟仪器系统开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展。（2）

28、虚拟仪器在监控方面的应用。（3）虚拟仪器在检测方面的应用。（4）虚拟仪器在远程教育方面的应用。随着虚拟仪器系统的广泛应用，越来越多的教学部门也开始用它来建立教学系统，使得教学方法也更加灵活。利用虚拟仪器教学系统既可以作为一个课件子系统挂在远程教育中心，也可作为独立系统运行。前者可以充分利用远程教育系统平台的通用功能（如视频、音频交互等）达到更好的教学效果，当然这有赖于基础设施的建设。后者能经济有效地实现远程仪器教学。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.2.4 虚拟仪器总线虚拟仪器总线 1VME总线 VME是第一代32位工业开放标准总线，是一种开放式架

29、构。它定义了一个在紧密耦合硬件构架中可进行互连数据处理、数据存储和连接外围控制器件的系统。VME的数据传输机制是异步的，有多个总线周期，地址宽度是16、24、32、40或64位，数据总线的宽度是8、16、24、32、64位，系统可以动态的选择它们。它的数据传输方式为异步方式，因此只受制于信号交换协议，而不依赖于系统时钟；其数据传输速率为0500Mb/s；此外，还有UnalignedData传输能力，误差纠正能力和自我诊断能力，用户可以定义I/O端口；其配有21个插卡插槽和多个背板。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 2VXI总线 VXI总线是“用于仪器

30、的VME总线扩展”的简称，是一种正在不断成长和壮大的仪器系统总线标准。1）VXI总线的主要特点 （1）测试仪器模块化。从物理结构来看，一个VXI总线系统由一个能为嵌入式模块提供安装环境与背板连接的主机箱组成。VXI总线仪器主机架的结构图如图9-5所示。VXI总线标准以IEEE1014 VME标准为基础，采用32位VME体系结构，并在VME标准的基础上增加了两种模块与一个连接器。P1和P2连接器的中排插针严格按照VME规格的定义保留下来，VXI对VME用户可定义的P2连接器外面两排插针和VXI所增加的P3连接器作了定义。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社

31、图图9-5 VXI总线仪器主机架结构图总线仪器主机架结构图 第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 （2）具有32位数据总线，数据传输速率高。主板总线在功能上相当于连接独立仪器的GPIB总线，但具有更高的吞吐率，控制器也做成插卡挂接在主板总线上进行总线上的各种活动的调度和控制。（3）系统可靠性高，可维修性好。（4）电磁兼容性好。（5）通用性强，标准化程度高。不仅硬件进行标准化，而且软件也进行标准化。（6）适应性、灵活性强，兼容性好。有B、C、D三种规格的机箱和A、B、C、D四种规格的模块供用户选择；支持8位、16位、24位和32位的数据传输。系统组建者可根

32、据需要选择不同厂家、不同种类的器件进行组合，灵活方便地组建适应性极强的自动测试系统。图9-6是选用C型主机架的HP75000 VXI仪器系统示意图。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社图图9-6 HP75000 VXI仪器系统示意图仪器系统示意图 第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 2）VXI 总线接口软件 应用开发环境应该能够与操作系统和程序设计语言兼容，软件应能够容易地移植。当构建一个VXI系统时，有许多程序设计语言、操作系统、应用开发环境和应用软件包可供选择。在选择时，要考虑到现在建成系统及将来使用和维护系

33、统的费用。3）VXI 总线的运用 在对VXI总线有了一个比较清晰的了解以后，再按步骤讨论怎样运用VXI。（1）确定目标。使用VXI，首先要明确目标和实现该目标的具体方案。（2）选择软件和VXI即插即用框架。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 （3）选择控制器。使用VXI总线有多种方式，可以只用一台VXI仪器构成一个系统，也可以把它插入到一个系统中与其他的GPIB仪器组成系统。配置方法如下：把计算机直接纳入主框架内，这样可以充分利用VXI的高性能，因为计算机直接与VXI背板通信。另一种配置是利用高速的VXI总线，把外部计算机与VXI背板连接，它实际上是嵌

34、入方式的高性能与GPIB外挂的灵活性综合起来。用成本较低的IEEE-1394或串口总线去控制一个VXI系统。用一块板插入计算机，一条6线式IEEE-1394电缆，以及一个0槽模块就组成一个完整的VXI控制系统方案，但性能较差。由一个或多个VXI主框架通过GPIB与外部计算机相连。用户可以使用这种配置方式把VXI组合到一个现成的GPIB系统中，并且可用GPIB软件设计VXI仪器程序。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 （4）选择VXI主框架。VXI主框架最多可有13个扩展槽。在实际选择框架时，对扩展槽数量的要求还要着眼于将来可能的需要。同时，要使选择的框

35、架所能提供的电源与冷却能力能够同时满足所选的VXI仪器的要求。一个VXI框架成本最高也是最重要的组成部分就是电源。VXI框架电源性能的两个重要参数就是有效电源和可用电源。有效电源是电源提供的额定值，可用电源是指实际能传送给VXI模块的电压值。当要比较不同框架之间的电源情况时，应比较可用电压而不是有效电压。如果VXI系统的实际使用电压小于有效电压是合理的，因为当VXI框架不是以全部有效电压供电时，它的使用寿命将会延长。例如，一个VXI系统消耗450W的功率，而额定功率为1100W，这样，电源只用了41%的能力；如果同样的系统安装在一个额定功率为500W的框架上，就用了90%的驱动能力，这无疑会缩

36、短其寿命。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 （5）选择VXI仪器。VXI仪器的选择范围是很广泛的。这当中包括所有的传统仪器、GPIB仪器、虚拟仪器。由于VXI系统的软件标准是由系统确定的，故选择与VXI即插即用兼容的仪器会使系统组合更加容易实现。（6）堆叠组合。当选定了所有的软、硬件以后，其衡量标准是最后的结果是否达到最初的设计要求。当然，可以做另外的选择使某些方面（如性能、成本等）最优化和最小化。今天，VXI总线仪器和系统已经成为仪器系统发展的主流，并已在检测、数据采集、测量等诸多方面得到广泛的应用。随着各种VXI技术的飞速发展，VXI总线系统的成

37、本将不断降低，其应用范围也将越来越广。VXI总线代表了一个新的模块化仪器系统时代的开始，已被公认为21世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 3PXI总线 PXI是PCI在仪器领域的扩展，它将Compact PCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构，如图9-7所示。制定PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器的测试平台。图图9-7 PXI规范体系结构图规

38、范体系结构图第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.3 自动测试系统自动测试系统l9.3.1 自动测试系统的组成l9.3.2 GPIB和LXI总线l9.3.3 USB仪器简介第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.3.1 自动测试系统的组成自动测试系统的组成 包括五部分：（1）控制器。主要是计算机，如小型机、个人计算机、微处理机、单片机等，是系统的指挥及控制中心。（2）程控仪器设备。能完成一定的具体测试及控制任务。（3）总线与接口。是连接控制器与各种程控仪器、设备的通道，完成消息、命令、数据的传输与交换。（4）测试

39、软件。为了完成系统测试任务而编制的、在控制器上运行的各种应用软件。（5）被测对象。随测试任务的不同，被测对象往往是千差万别的，由操作人员通过测试电缆，接插件、开关等与程控仪器和设备相连。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.3.2 GPIB和和LXI总线总线1GPIB总线图图9-9 GPIB标准接口总线系统结构与连接标准接口总线系统结构与连接第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 GPIB总线又称IEEE-488总线。GPIB采用24芯总线，分为数据总线、挂钩线和管理总线三种 （1）数据总线。GPIB中数据总线8条

40、，分别为DIO1DIO8。（2）数据挂钩联络线。共有3条，用来实现讲者和听者之间的通信联络。这三条控制线分别如下：数据有效线DAV（Data Valid）。采用负逻辑关系，当为低电平（逻辑1）时，源方向受方表示DIO线上载有信息，并且有效，各听者可以接收；当DAV为高电平（逻辑0）时，表示DIO线上没有信息或者即使有信息也无效，听者不应该接收。未准备好接收数据线NRFD（Not Ready For Data）。此线为各听者所共用，用来向源方表明听者接收数据的准备情况。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 （3）接口管理控制线。注意线ATN（Attenti

41、on）。ATN线由控者使用，当ATN为低电平时，表示数据总线上由控者发布的信息是接口信息，除控者以外的所有仪器都要注意接收；ATN为高电平时，表示数据总线上所载的信息是由讲者输出的仪器信息，只有已经被寻址为听者的那些仪器设备才能接收。结束或识别线EOI（End Or Identify）。EOI线由控者使用，EOI线与ATN线配合使用有两个作用：当EOI线为低电平，ATN线为高电平时，表示讲者已经传完一个字节的数据；当EOI线为低电平，ATN线也为低电平时，用来识别是由哪个设备提出了服务请求。服务请求线SRQ（Service Request）。当具有服务请求功能接口的仪器在需要向控者请求服务时，

42、可将SRQ线由高电平变为低电平。以便向控者表明要求服务，即要求控者中断当前的工作程序，希望由它变成讲者，报告情况。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 接口清除线IFC（Interface Clear）。由控者使用，当IFC由高电平变成低电平时，命令系统的全部接口恢复到初始状态。远控允许REN（Remote Enable）。当有一台可程控仪器不接入系统而单独使用时，将REN线转换成高电平即可，这时该仪器工作时只受面板的控制；当要将仪器接入一个自动测试系统中并成为系统中的一个器件时，控者将REN线转换成低电平并配合ATN线，接入的仪器就能接受系统控制了。如

43、图9-9所示，在一个GPIB标准接口总线系统中，要进行有效的通信联络，至少有“讲者”、“听者”、“控者”三类仪器设备，控者、讲者、听者被称为系统功能的三要素。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 2LXI总线 有三个发展趋势在推动测试行业的发展：第一，要有系统就绪的硬件，即模块化的产品，可以很快构建一个系统。第二，要有基于标准的、与PC兼容的输入/输出接口，以及输入/输出驱动程序，局域网及互联网等。第三，要有灵活的软件解决方案，不论客户需要的是Excel界面、还是文字界面都可以给客户灵活的选择。国际LXI（LAN eXtension for Instru

44、ment）联盟就是迎合了这个变化而产生的。国际LXI联盟是一个非营利性联盟，“L”代表LAN（局域网），“X”是其扩展（eXtension），“I”代表仪器（Instrument），LXI的意思是局域网的标准扩展到仪器方面的联盟。它是由VXI Technology Inc.和安捷伦公司发起的，旨在致力于测量自动化领域的LXI标准建立和发展。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 LXI的仪器等级：国际LXI协会将基于LXI的仪器分为以下三个等级：等级C：具有通过LAN的编程控制能力，可以与其他厂家的仪器很好地协同工作。等级B：拥有等级C的一切能力，并且加上

45、了IEEE 1588网络实践同步标准。等级A：拥有等级B的一切能力，同时具备硬件触发能力。LXI具体的设想是将非常成熟的以太网技术用到自动测试系统中，以替代传统的测试总线技术。LXI为高效能的仪器提供了一个自动测试系统的LAN模块式平台，无论是相对GPIB、VXI还是PXI，LXI都将是未来总线技术的发展趋势。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 LXI模块化仪器具有许多优点：集成更为方便，不需要专用的机箱和0槽；可以利用网络界面进行操作，无须编程和其他虚拟面板；连接和使用更为方便，可以利用通用的软件进行系统编程；易于实现校准计量和故障诊断；灵活性强，可

46、作为系统仪器，也可以单独使用。另外，由于LXI模块本身配备有处理器、局域网（LAN）连接器、电源供应器和触发输入。LXI标准要求LXI单元支持IEEE802.3和TCP/IP标准，提供一个一致的应用方式以便于用户使用。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社9.3.3 USB仪器简介仪器简介 USB1.1版的低速数据率是1.5Mb/s，全速数据率是12Mb/s，主控制器将总线传输时间划分为帧，每帧1ms，在一帧时间内传输多个事务处理到多个器件上。USB总线的机械连接非常简单，电缆是4芯的屏蔽线，一对双绞线传送信号，另一对双绞线传送5V的直流电压。USB器件的

47、即插即用（即热插拔）是一个优势。一个USB主控制器端口最多可连接127个器件，各器件之间的距离不超过5m。USB2.0版将USB总线的数据率提高到480Mb/s，并兼容USB1.1版。在高速USB总线上，主控制器将每帧1ms再划分成8个微帧，每微帧125s。USB接口规范将多种具有相似特性的PC外设归纳为同一类。无Windows支持的USB器件需要提供自己的驱动程序，或者安装程序将有关的应用和驱动程序打包在一起，一次完成器件的安装。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 2USB测量仪器 最简单的做法是增加USB作为外设接口。USB接口普遍被接受为标准接口

48、之一。实践证明，USB接口在测量仪器中确实是简单方便和低成本的互连技术，它特别适用于较高速率的数据采集和传输场合。传统的PC平台的数据采集系统卡需要占用ISA和PCI插槽，以及从插卡引出至传感器的大量线缆，数据采集量增加时会受PC插槽数目、地址、中断等硬件和软件资源的限制。借助PC配置的扩充总线或外设总线成果，已经在测量仪器系统中得到了应用，PCI、PXI、VXI和LXI各种总线仪器的扩展应用，都充分发挥了PC的普及率高、产品成本低、使用方便等显著特点。PC应用领域比测量仪器应用领域大得多，投入的开发和制造资源极为丰富，这些都是优势，也是测量仪器领域所不具备的。第第9 9章章 现代电子测量技术

49、现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社 3无线USB仪器 为减少USB器件与PC的互连线缆，促进无线USB的发展，制定无线USB规范具有极其重要的现实意义。无线USB规范是构建在超宽带（UWB）的无线多媒体汇聚平台上的，即使用UWB作载体，发射和接收USB规范的信息。USB短距离无线通信方式是无载波的超短脉冲序列调制波，占有GHz级的带宽，UWB已成为标准。无线USB通过协议适配层与WiMedia汇聚平台连接，构建一个与USB2.0兼容的应用软件栈，分享UWB的射频协议，并获得的承认。无线USB仪器的应用，将使测量仪器的机动性得到提高。USB仪器开始成为测量仪器的主流，同时推动传统仪器向

50、小型化和微型化方向发展。第第9 9章章 现代电子测量技术现代电子测量技术清华大学出版社清华大学出版社本章小结本章小结 1智能仪器将计算机技术应用于电子测量仪器之中，即仪器内部含有微处理器系统。2总线是微型计算机各种信息进行交换或传输的公共通道。总线按其应用可分为外总线及内总线两大类。S-100微机标准总线标准可适用于各种8位及16位微机，可以支持高达16Mb的存储器及64Kb的输入/输出端口，S-100总线共100条线。STD总线采用了小板结构，信号流向基本上都是由总线驱动的，开发软件STD-DOS是由STD总线的硬件和MS-DOS固化操作系统组成的开发系统。3智能仪器设计包括两大部分，即硬件