智能仪器到虚拟仪器的转变.ppt

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1、第第1 1章章 导论导论1.1 智能仪器的组成及特点智能仪器的组成及特点1.2 智能仪器及测试系统的发展智能仪器及测试系统的发展1.3 智能仪器的设计要点智能仪器的设计要点第1章 导论 微处理器在微处理器在2020世纪世纪7070年代初期问世不久，就被引进电子测量年代初期问世不久，就被引进电子测量和仪器领域，所占比重在各项计算机应用领域中名列前茅。和仪器领域，所占比重在各项计算机应用领域中名列前茅。人们习惯将这种内含微型计算机、具有人们习惯将这种内含微型计算机、具有自动化操作和数据处自动化操作和数据处理能力理能力并带有并带有GP-IBGP-IB等通信接口的电子仪器称为智能仪器，以区别等通信接口

2、的电子仪器称为智能仪器，以区别于传统的电子仪器。于传统的电子仪器。智能仪器智能仪器:以计算机为核心的电子仪器。以计算机为核心的电子仪器。能进行自动化操作，并能对测量数据分析能进行自动化操作，并能对测量数据分析/运算运算/逻辑判断逻辑判断/等等处理功能以及更高层次的知识处理功能。处理功能以及更高层次的知识处理功能。一般都带有一般都带有 GP-IB 等标准仪器总线接口。等标准仪器总线接口。双金属温度计 双金属温度计 电磁流量计 1151型压力变送器 UL型阻移式物位计位移变送器：输出420mA、05V或010V、05V的标准电信号 轮辐式称重传感器：适用于平台秤、汽车衡、轨道衡及料仓物位测量与控制

3、。扩散硅无腔压力传感器/变送器 高频信号源（300MHz标准信号源）双踪示波器 1.1 智能仪器的组成及特点智能仪器的组成及特点一、一、智能仪器的典型结构智能仪器的典型结构 智能仪器由硬件和软件两大部分组成。智能仪器由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人输出通道、人机接口电路、通信接口电路。机接口电路、通信接口电路。智能仪器的软件分为监控程序和接口管理程序两部分。智能仪器的软件分为监控程序和接口管理程序两部分。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序；接口管监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序；接口管理程序是

4、面向通信接口的管理程序，接收并分析来自通信接理程序是面向通信接口的管理程序，接收并分析来自通信接口总线的远控命令。口总线的远控命令。一、一、智能仪器的典型结构智能仪器的典型结构 一、一、智能仪器的典型结构智能仪器的典型结构 一、一、智能仪器的典型结构智能仪器的典型结构 主机电路用来存储程序、主机电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，数据并进行一系列的运算和处理，它通常由微处理器、程序存储器、数据存储器及输入它通常由微处理器、程序存储器、数据存储器及输入/输出接口输出接口电路等组成，或者它本身就是一个单片微型计算机；电路等组成，或者它本身就是一个单片微型计算机；模拟量输入模拟量输入/输

5、出通道用来输入输出通道用来输入/输出模拟信号，主要由输出模拟信号，主要由A/D转换器、转换器、D/A转换器和有关的模拟信号处理电路等组成；转换器和有关的模拟信号处理电路等组成；人机接口电路的作用是沟通操作者和仪器之间的联系，主人机接口电路的作用是沟通操作者和仪器之间的联系，主要由仪器面板中的键盘和显示器组成；要由仪器面板中的键盘和显示器组成；通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，以便使仪器通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，以便使仪器可以接受计算机的程控命令，目前生产的智能仪器一般都配有可以接受计算机的程控命令，目前生产的智能仪器一般都配有GPIB等通信接口。等通信接口。硬件部分主要包括

6、：主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路、通信接口电路。一、一、智能仪器的典型结构智能仪器的典型结构 监监控控程程序序是是面面向向仪仪器器面面板板键键盘盘和和显显示示器器的的管管理理程程序序，其其内内容容包包括括：通通过过键键盘盘输输入入命命令令和和数数据据，以以对对仪仪器器的的功功能能、操操作作方方式式与与工工作作参参数数进进行行设设置置；根根据据仪仪器器设设置置的的功功能能和和工工作作方方式式，控控制制I/O接接口口电电路路进进行行数数据据采采集集、存存储储；按按照照仪仪器器设设置置的的参参数数，对对采采集集的的数数据据进进行行相相关关的的处处理理；以以数数字字、字字符符、图图形形等

7、等形形式式显显示示测量结果、数据处理的结果及仪器的状态信息。测量结果、数据处理的结果及仪器的状态信息。接接口口管管理理程程序序是是面面向向通通信信接接口口的的管管理理程程序序，其其内内容容是是接接收收并并分分析析来来自自通通信信接接口口总总线线的的远远控控命命令令，包包括括描描述述有有关关功功能能、操操作作方方式式与与工工作作参参数数的的代代码码；进进行行有有关关的的数数据据采采集集与与数数据据处处理理；通通过过通通信信接接口口送送出出仪仪器器的的测测量量结结果果、数数据据处处理理的的结结果果及及仪仪器器的的现行工作状态信息。现行工作状态信息。软件又分为：监控程序和接口管理程序两部分。1.1

8、智能仪器的组成及特点智能仪器的组成及特点二、二、智能仪器的主要特点智能仪器的主要特点 (1)、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪切换开关来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。有利于提高仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。有利于提高仪器技术指标，并方便了仪器的操作。器技术指标，并方便了仪器的操作。例如，传统仪器中与衰减器相连的旋转式开关必须安装在例如，传统仪器中与衰减器相连的旋转式开关必须安装在衰减器正前方的面板上，这样，可能由于面板

9、的布置受仪器衰减器正前方的面板上，这样，可能由于面板的布置受仪器内部结构的限制，不能充分考虑用户使用的方便性；也可能内部结构的限制，不能充分考虑用户使用的方便性；也可能由于衰减器的安装位置必须服从面板布局的需要，而给内部由于衰减器的安装位置必须服从面板布局的需要，而给内部电气连接带来许多的不便。电气连接带来许多的不便。二、二、智能仪器的主要特点智能仪器的主要特点 (2)微处理器的运用极大地提高了仪器的性能。微处理器的运用极大地提高了仪器的性能。例如：利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的例如：利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法可以方便地消除由于漂移、增益的变化和干扰等因素所

10、算法可以方便地消除由于漂移、增益的变化和干扰等因素所引起的误差，从而提高了仪器的测量精度。引起的误差，从而提高了仪器的测量精度。例如：传统的数字多用表例如：传统的数字多用表(DMM)只能测量电阻、交直流电压、只能测量电阻、交直流电压、电流等，电流等，而智能型的数字多用表不仅能进行上述测量，而且而智能型的数字多用表不仅能进行上述测量，而且还能对测量结果进行诸如零点平移、平均值、极值、统计分还能对测量结果进行诸如零点平移、平均值、极值、统计分析以及更加复杂的数据处理功能，使用户从繁重的数据处理析以及更加复杂的数据处理功能，使用户从繁重的数据处理中解放出来。中解放出来。目前有些智能仪器还运用了目前有

11、些智能仪器还运用了专家系统专家系统技术，使仪器具有更技术，使仪器具有更深层次的分析能力，解决专家才能解决的问题。深层次的分析能力，解决专家才能解决的问题。二、二、智能仪器的主要特点智能仪器的主要特点 (3)智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平。诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平。例如：智能型的数字示波器有一个自动分度键例如：智能型的数字示波器有一个自动分度键(Autoset)，测

12、量时只要一按这个键，测量时只要一按这个键，仪器就能根据被测信号的频率及幅仪器就能根据被测信号的频率及幅度，自动设置好最合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触发度，自动设置好最合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触发电平，使信号的波形稳定地显示在屏幕上。电平，使信号的波形稳定地显示在屏幕上。例如：智能仪器一般都具有自诊断功能，当仪器发生故障例如：智能仪器一般都具有自诊断功能，当仪器发生故障时，可以自动检测出故障的部位并能协助诊断故障的原因，时，可以自动检测出故障的部位并能协助诊断故障的原因，甚至有些智能仪器还具有自动切换备件进行自维修功能，极甚至有些智能仪器还具有自动切换备件进行自维修功能，极大地方便了

13、仪器的维护。大地方便了仪器的维护。二、二、智能仪器的主要特点智能仪器的主要特点 (4)智能仪器具有友好的人智能仪器具有友好的人机对话的能力，使用人员只机对话的能力，使用人员只需通过键盘打入命令，需通过键盘打入命令，仪器就能实现某种测量和处理功能，仪器就能实现某种测量和处理功能，与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器运行情况、工作状与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉使用人员，使人态以及对测量数据的处理结果及时告诉使用人员，使人机机之间的联系非常密切。之间的联系非常密切。(5)智能仪器一般都配有智能仪器一般都配有GPIB或或RS232等通信接口，等

14、通信接口，使智能仪器具有可程控操作的能力。使智能仪器具有可程控操作的能力。从而可以很方便地与计从而可以很方便地与计算机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量算机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。系统，来完成更复杂的测试任务。1.2 智能仪器及测试系统的发展智能仪器及测试系统的发展模拟模拟仪器仪器数字数字仪器仪器智能仪器与智能仪器与自动测试系统自动测试系统卡式仪器卡式仪器及系统及系统虚拟仪器虚拟仪器及系统及系统一、一、独立式智能仪器及自动测试系统独立式智能仪器及自动测试系统1、独立式智能仪器、独立式智能仪器 独立式智能仪器简称智能仪器，即前述

15、的自身带有微处独立式智能仪器简称智能仪器，即前述的自身带有微处理器和理器和GPIB接口的能独立进行测试工作的电子仪器。接口的能独立进行测试工作的电子仪器。独立式智能仪器在结构上自成一体，因而使用灵活方便，独立式智能仪器在结构上自成一体，因而使用灵活方便，并且仪器的技术性能可以做得很高。这类仪器在技术上已经并且仪器的技术性能可以做得很高。这类仪器在技术上已经比较成熟，正在或已经成为当前电子实验室的主流仪器模式。比较成熟，正在或已经成为当前电子实验室的主流仪器模式。目前，大多数传统的电子仪器已有相应换代的智能仪器目前，大多数传统的电子仪器已有相应换代的智能仪器产品，我国科研院所使用的电子仪器正在进

16、行着用智能仪器产品，我国科研院所使用的电子仪器正在进行着用智能仪器逐步取代相应传统仪器的工作。逐步取代相应传统仪器的工作。典型典型智能仪器智能仪器 数字多用表数字多用表典型典型智能仪器智能仪器 函数信号发生器函数信号发生器典型典型智能仪器智能仪器 数字存贮示波器数字存贮示波器典型典型智能仪器智能仪器 频谱分析仪频谱分析仪典型典型智能仪器智能仪器 频谱分析仪频谱分析仪1、独立式智能仪器、独立式智能仪器 将一台将一台PC 机与多台带有机与多台带有 GP-IB 标准仪器总线接口的智能仪标准仪器总线接口的智能仪器组合而成的仪器系统。器组合而成的仪器系统。PC机作为仪器系统的控制者，通过执行测试软件，实

17、现对机作为仪器系统的控制者，通过执行测试软件，实现对测量全过程的控制与测量结果的处理。测量全过程的控制与测量结果的处理。此时，智能仪器面板的控制按键已不起作用。此时，智能仪器面板的控制按键已不起作用。2、自动测试系统自动测试系统以计算机为核心的电子仪器。以计算机为核心的电子仪器。能进行自动化操作，并能对测量数据分析能进行自动化操作，并能对测量数据分析/运算运算/逻辑判断逻辑判断/等等处理功能以及更高层次的知识处理功能。处理功能以及更高层次的知识处理功能。一般都带有一般都带有 GP-IB 等标准仪器总线接口。等标准仪器总线接口。2、自动测试系统自动测试系统自动测量系统自动测量系统 被测器件或过程

18、被测器件或过程GP-IB仪器总线仪器总线典型自动测试系统典型自动测试系统一、一、独立式智能仪器及自动测试系统独立式智能仪器及自动测试系统2、自动测试系统自动测试系统 智能仪器几乎都配有智能仪器几乎都配有GPIB(或或RS232C)通信接口。通信接口。GPIB是国际电工协会是国际电工协会(IEC)1978年正式推荐的一种标准仪年正式推荐的一种标准仪用接口总线，已被世界各国普遍采纳。用接口总线，已被世界各国普遍采纳。凡是配有凡是配有GPIB 这种标准接口的仪器和计算机，不分生产这种标准接口的仪器和计算机，不分生产国家、厂家，都可以借助于一条无源电缆总线按积木式互连，国家、厂家，都可以借助于一条无源

19、电缆总线按积木式互连，灵活地组成各种不同用途的自动测试系统，以完成较复杂的灵活地组成各种不同用途的自动测试系统，以完成较复杂的测试任务。测试任务。2、自动测试系统自动测试系统 自动测试系统由计算机、多台可程控仪器以及自动测试系统由计算机、多台可程控仪器以及GPIB三者三者组成。组成。计算机作为系统的控制者，通过执行测试软件，实现对测计算机作为系统的控制者，通过执行测试软件，实现对测量全过程的控制及处理；量全过程的控制及处理；可程控仪器设备是测试系统的执行单元，具体完成采集、可程控仪器设备是测试系统的执行单元，具体完成采集、测量、处理等任务；测量、处理等任务；GPIB 由计算机及各程控仪器中的标

20、准接口和标准总线两由计算机及各程控仪器中的标准接口和标准总线两部分组成，它如同一个多功能的神经网络，把各种仪器设备部分组成，它如同一个多功能的神经网络，把各种仪器设备有机地连接起来，完成系统内的各种信息的变换和传输任务。有机地连接起来，完成系统内的各种信息的变换和传输任务。2、自动测试系统自动测试系统 自动测试系统具有极强的通用性和多功能性，对于不同的自动测试系统具有极强的通用性和多功能性，对于不同的测试任务，只需增减或更换测试任务，只需增减或更换“挂挂”在它上面的仪器设备，编在它上面的仪器设备，编制相应的测试软件，而系统本身不变。制相应的测试软件，而系统本身不变。这种自动测试系统特别适用于要

21、求测量时间极短而数据处这种自动测试系统特别适用于要求测量时间极短而数据处理量极大的测试任务中，以及测试现场对操作人员有害或操理量极大的测试任务中，以及测试现场对操作人员有害或操作人员参与操作会产生人为误差的测试场合。作人员参与操作会产生人为误差的测试场合。从计算机系统结构的角度看，自动测试系统是一个分布式从计算机系统结构的角度看，自动测试系统是一个分布式多微机系统，系统内的各智能仪器在任务一级并行工作，它们多微机系统，系统内的各智能仪器在任务一级并行工作，它们各自具备完备的硬件和软件，因而能相对独立地工作，它们之各自具备完备的硬件和软件，因而能相对独立地工作，它们之间通过外部总线松散耦合，相互

22、间也可通信。间通过外部总线松散耦合，相互间也可通信。二、二、个人仪器系统及个人仪器系统及VXIVXI总线仪器系统总线仪器系统 1、个人仪器系统个人仪器系统 个人仪器是在智能仪器的基础上，伴随着个人计算机个人仪器是在智能仪器的基础上，伴随着个人计算机(PC)登上电子测量的舞台而创造出的一种崭新的仪器品种，它是将登上电子测量的舞台而创造出的一种崭新的仪器品种，它是将原智能仪器中的测量部分配以相应的接口电路制成各种仪器卡，原智能仪器中的测量部分配以相应的接口电路制成各种仪器卡，插入到插入到PC的总线插槽或扩展箱内，而原智能仪器所需的键盘、的总线插槽或扩展箱内，而原智能仪器所需的键盘、显示器以及存储器

23、等均借助于显示器以及存储器等均借助于PC机的资源，就构成了早期的机的资源，就构成了早期的个人仪器（又称个人仪器（又称PC仪器或仪器卡）。仪器或仪器卡）。A/D转换器转换器D/A转换器转换器输入输入电路电路模拟模拟执行器执行器I/O接口接口被测量被测量微处理器微处理器MPU程序存储器程序存储器(ROM)数据存储器数据存储器(RAM)标准仪用标准仪用通讯接口通讯接口键盘显示接口键盘显示接口键盘键盘显示显示外部仪用外部仪用标准总线标准总线 智能仪器智能仪器 卡式卡式仪器的演变仪器的演变计算机部分计算机部分测测试试部部分分 卡式仪器将智能仪器卡式仪器将智能仪器中的测量部分配以相应的中的测量部分配以相应

24、的接口，制成各种功能的仪接口，制成各种功能的仪器卡，插入到器卡，插入到PC机的扩展机的扩展槽中，而原智能仪器中的槽中，而原智能仪器中的微机系统、键盘、显示器、微机系统、键盘、显示器、存贮器、电源等均借助于存贮器、电源等均借助于PC机的资源而构成的。机的资源而构成的。卡式仪器的硬件结构卡式仪器的硬件结构计算机计算机仪器卡仪器卡缺少仪器面板缺少仪器面板 建立软面板建立软面板软面板软面板卡式仪器的基本形态卡式仪器的基本形态插入插入仪器卡仪器卡计算机计算机卡式仪器区别智能仪器一个显著特点卡式仪器区别智能仪器一个显著特点是用是用“软面板软面板”实现对仪器的操作实现对仪器的操作软面板是显示在软面板是显示在

25、CRT上用作图软件生上用作图软件生成的仪器面板图形（类似仪器硬面板）成的仪器面板图形（类似仪器硬面板）用户通过操作鼠标器移动光标的方式用户通过操作鼠标器移动光标的方式控制软面板上的按键、旋钮等控制软面板上的按键、旋钮等二、二、个人仪器系统及个人仪器系统及VXIVXI总线仪器系统总线仪器系统 1、个人仪器系统个人仪器系统、基于、基于PC机内部总线的仪器系统机内部总线的仪器系统、基于基于独立仪器总线的仪器系统独立仪器总线的仪器系统、基于统一标准的、基于统一标准的VXI总线总线仪器系统仪器系统个人仪器及系统发展的几个阶段个人仪器及系统发展的几个阶段 1、个人仪器系统个人仪器系统 1、个人仪器及系统基

26、于PC机的内部总线，因而仪器卡在PC机内受到了严重的干扰；2、各仪器卡间也不能同步触发，无法传递模拟信号。3、早期的个人仪器强调硬件最少，通常不含微处理器，而将各仪器的控制和处理工作统一由PC机来处理，使得个人仪器系统的工作速度不高。基于基于PC机内部总线的仪器系统的缺陷：机内部总线的仪器系统的缺陷：、基于、基于PC机内部总线的仪器系统机内部总线的仪器系统、基于基于独立仪器总线的仪器系统独立仪器总线的仪器系统、基于统一标准的、基于统一标准的VXI总线总线仪器系统仪器系统为克服为克服基于基于PC机内部总线的仪器系统的缺点，许多仪器生机内部总线的仪器系统的缺点，许多仪器生产厂家各自生产专门的扩展仪

27、器卡箱并定义仪器总线，并普产厂家各自生产专门的扩展仪器卡箱并定义仪器总线，并普遍将微处理器装入仪器插卡而构成多微机分布式系统结构。遍将微处理器装入仪器插卡而构成多微机分布式系统结构。不仅提高仪器系统的速度，还简化系统的组建和测试软件的不仅提高仪器系统的速度，还简化系统的组建和测试软件的开发。开发。这种高级的个人仪器系统吸取这种高级的个人仪器系统吸取GP-IB仪器系统灵活的模块仪器系统灵活的模块化结构的优点，化结构的优点，同时由于共享同时由于共享PC机的外设和软件资源，仍机的外设和软件资源，仍能保持早期个人仪器系统性能价格比的优势，这就使个人仪能保持早期个人仪器系统性能价格比的优势，这就使个人仪

28、器系统发展进入一个新的阶段。器系统发展进入一个新的阶段。、基于、基于PC机内部总线的仪器系统机内部总线的仪器系统、基于基于独立仪器总线的仪器系统独立仪器总线的仪器系统、基于统一标准的、基于统一标准的VXI总线总线仪器系统仪器系统、基于基于独立仪器总线的仪器系统独立仪器总线的仪器系统独立的仪器总线是由各生产厂家自行定义而无统一标准，独立的仪器总线是由各生产厂家自行定义而无统一标准，使用户在组建个人仪器系统时难以在不同厂家生产的仪器插使用户在组建个人仪器系统时难以在不同厂家生产的仪器插卡中进行选配，妨碍了个人仪器的推广和发展。卡中进行选配，妨碍了个人仪器的推广和发展。、基于统一标准的、基于统一标准

29、的VXIVXI总线总线仪器系统仪器系统、基于基于独立仪器总线的仪器系统独立仪器总线的仪器系统1987年年HP和泰克等五家仪器公司在经过一段扎实工作之后，和泰克等五家仪器公司在经过一段扎实工作之后，联合提出适合于个人仪器系统标准化的接口总线标准联合提出适合于个人仪器系统标准化的接口总线标准VXI规范，规范，并为世界各厂家所接受。并为世界各厂家所接受。VXI总线及总线及VXI 总线仪器系统的问世被认为是测量和仪器领总线仪器系统的问世被认为是测量和仪器领域发生的一个重要事件，围绕着域发生的一个重要事件，围绕着VXI 总线仪器系统出现了一系总线仪器系统出现了一系列的国际性标准和支持技术，从而使测试和仪

30、器系统进入一个列的国际性标准和支持技术，从而使测试和仪器系统进入一个划时代的新阶段。划时代的新阶段。2 2、VXIVXI总线仪器系统总线仪器系统VXI总线是一个开放式结构，它对所有仪器生产厂家和用户都是公开的，即允许不同生产厂家生产的卡式仪器都可在同一机箱中工作，从而使VXI总线很快就成为测试系统的主导结构。VXI总线系统(即采用VXI总线标准的个人仪器系统)一般由计算机、VXI 仪器模块和VXI总线机箱构成。二、二、个人仪器系统及个人仪器系统及VXIVXI总线仪器系统总线仪器系统 2 2、VXIVXI总线仪器系统总线仪器系统VXI总线是面向模块式结构的仪器总线，与总线是面向模块式结构的仪器总

31、线，与GPIB总线相总线相比其性能有了较大幅度提高。其中比其性能有了较大幅度提高。其中VXI总线中的地址线和数据总线中的地址线和数据线均可高至线均可高至32位，数据传输速率的上限可高至位，数据传输速率的上限可高至40MB/s，此外，此外还定义多种控制线、中断线、时钟线、触发线、识别线和模还定义多种控制线、中断线、时钟线、触发线、识别线和模拟信号线等。拟信号线等。由此可见，由此可见，VXI 总线仪器集中了智能仪器、个人仪器和总线仪器集中了智能仪器、个人仪器和GPIB系统的很多特长，并具有使用灵活方便，系统的很多特长，并具有使用灵活方便，标准化标准化程度高，可扩展性好，能充分发挥计算机的效能以及便

32、于构程度高，可扩展性好，能充分发挥计算机的效能以及便于构成虚拟仪器等诸多优点，因而得到迅速发展和推广，被称为成虚拟仪器等诸多优点，因而得到迅速发展和推广，被称为未来仪器和未来系统。未来仪器和未来系统。三、三、软件技术的高速发展及虚拟仪器软件技术的高速发展及虚拟仪器 在新一代的仪器系统中，在新一代的仪器系统中，计算机处于核心地位。计算机处于核心地位。三、三、软件技术的高速发展及虚拟仪器软件技术的高速发展及虚拟仪器 在新一代的仪器系统中，计算机处于核心地位。在新一代的仪器系统中，计算机处于核心地位。为了使仪器系统的硬件设备尽量少，传统仪器的许多为了使仪器系统的硬件设备尽量少，传统仪器的许多硬件乃至

33、整个仪器都可以被计算机软件所代替，计算硬件乃至整个仪器都可以被计算机软件所代替，计算机软件和测试仪器将更加紧密地结合在一起。机软件和测试仪器将更加紧密地结合在一起。随着仪器系统的不断完善及仪器设计思想的发展，随着仪器系统的不断完善及仪器设计思想的发展，软件的重要性及进一步发展的迫切性越来越突出。软件的重要性及进一步发展的迫切性越来越突出。可以预测，测试界今后的巨大变化将主要发生在软可以预测，测试界今后的巨大变化将主要发生在软件方面。件方面。1、软件技术的高速发展、软件技术的高速发展第一代第一代 -采用编程语言：采用编程语言：例如：例如：C，BASIC，汇编语言，汇编语言第二代第二代 -采用面向

34、对象采用面向对象 可视化编程语言：可视化编程语言：例如：例如：C+，VB，Delphi语言语言第三代第三代 -采用专业测试软件：采用专业测试软件：例如：例如：labVIEW,HPVEE1、软件技术的高速发展、软件技术的高速发展 在新一代的仪器系统中，为了缩短仪器系统开发时间，在新一代的仪器系统中，为了缩短仪器系统开发时间，使用者希望对仪器本身的技术问题关注尽量少，而将更多的精使用者希望对仪器本身的技术问题关注尽量少，而将更多的精力转向测试对象。力转向测试对象。用传统的高级语言编制、调试测试程序已不能适应现代用传统的高级语言编制、调试测试程序已不能适应现代仪器系统对缩短仪器系统开发时间的要求，因

35、而需要寻求新的仪器系统对缩短仪器系统开发时间的要求，因而需要寻求新的编程方法。编程方法。三、三、软件技术的高速发展及虚拟仪器软件技术的高速发展及虚拟仪器 2 2、虚拟仪器虚拟仪器 所谓虚拟仪器是指通用计算机上添加几种带共性的基本仪所谓虚拟仪器是指通用计算机上添加几种带共性的基本仪器硬件模块，通过软件来组合成各种功能的仪器或系统的仪器器硬件模块，通过软件来组合成各种功能的仪器或系统的仪器设计思想。设计思想。其中激励信号可由微型计算机产生数字信号，再经其中激励信号可由微型计算机产生数字信号，再经D/A转转换器产生所需的模拟信号。换器产生所需的模拟信号。大量的测试功能可以通过对被测信大量的测试功能可

36、以通过对被测信号的采样，再经号的采样，再经A/D转换得到测量结果。许多功能还可以完全转换得到测量结果。许多功能还可以完全由软件来实现，由软件来实现，这样就摆脱由硬件构成一件件仪器再连成系统这样就摆脱由硬件构成一件件仪器再连成系统的传统概念。的传统概念。因而从某种意义说，计算机就是仪器，软件就是仪器。因而从某种意义说，计算机就是仪器，软件就是仪器。第第 9 9 章将对章将对虚拟仪器作进一步的讨论虚拟仪器作进一步的讨论 一、一、设计、研制智能仪器的一般过程设计、研制智能仪器的一般过程1.3 智能仪器的设计要点智能仪器的设计要点1 确定设计任务确定设计任务根据仪器设计目标，编写设计任务说明书，明确仪

37、器应具备的功能和应达到的技术指标。设计任务说明书是设计人员设计的基础，应力求准确简洁。2 拟制总体设计方案拟制总体设计方案先依据设计要求提出几种可能的方案，每个方案应包括仪器的工作原理，采用的技术，重要元器件的性能等；然后对各方案进行可行性论证，包括重要部分的理论分析与计算以及必要的模拟实验，以验证方案是否能达到设计的要求；最后再兼顾各方面因素选择其中之一作为仪器的设计方案。3 确定仪器工作总框图确定仪器工作总框图 采用自上而下的方法，把仪器划分成若干个便于实现的功能模块，并绘制出相应的硬件和软件工作框图。设计者应该根据仪器性能价格比、研制周期等因素对硬件、软件的选择做出合理安排。软件和硬件的

38、划分往往需要经过多次折中才能取得满意的结果，设计者应在设计过程中进行认真权衡。4硬件电路和软件的设计与调试硬件电路和软件的设计与调试 一旦仪器工作总框图确定之后，硬件电路和软件的设计工作就可以齐头并进。一、一、设计、研制智能仪器的一般过程设计、研制智能仪器的一般过程1.3 智能仪器的设计要点智能仪器的设计要点4 硬件电路和软件的设计与调试硬件电路和软件的设计与调试 硬件电路和软件的设计工作就可以齐头并进。硬件设计：先根据仪器硬件框图按模块分别对各单元电路进行电路设计；然后将各单元电路按硬件框图将各部分电路组合在一起，构成完整的整机硬件电路图。在完成电路设计之后，即可绘制印刷电路板，然后进行装配

39、与调试。部分硬件电路调试可以先采用某种信号作为激励，通过检查电路能否得到预期的响应来验证电路；但智能仪器大部分电路功能调试需要编制一些小调试程序分别对各硬件单元电路的功能进行检查，而整机功能须在硬件和软件设计完成之后才能进行。软件设计：先进行软件总体结构设计并将程序划分为若干个相对独立的模块；接着画出每个程序模块的流程图并编写程序；最后按照软件总体结构框图，将其连接成完整的程序。软件调试：先按模块分别调试，然后再连接起来进行总调。智能仪器的软件和硬件是一个密切相关的整体，因此只有在相应的硬件系统中调试，才能最后证明其正确性。5 整机联调整机联调 硬件、软件分别装配调试合格后，就要对硬件、软件进

40、行联合调试。调试中可能会遇到各种问题，若属于硬件故障，应修改硬件电路的设计；若属于软件问题，应修改相应程序；若属系统问题，则应对软件、硬件同时给以修改，如此往返，直至合格。联调中必须对设计所要求的全部功能进行测试和评价，以确定仪器是否符合预定的性能指标，若发现某一功能或指标达不到要求，则应变动硬件或修改软件，重新调试直至满意为止。经验表明：经验表明：智能仪器的性能及研制周期同智能仪器的性能及研制周期同总体设计是否合理，硬件芯片选择总体设计是否合理，硬件芯片选择是否得当，程序结构的好坏以及开是否得当，程序结构的好坏以及开发工具是否完善等因素密切相关；发工具是否完善等因素密切相关；其中，软件编制及

41、调试往往占其中，软件编制及调试往往占系统开发周期的系统开发周期的50以上，因此，以上，因此，程序应该采用结构化和模块化，这程序应该采用结构化和模块化，这对查错、调试极为有利。对查错、调试极为有利。设计、研制一台智能仪器大致设计、研制一台智能仪器大致需要上述几个阶段，实际设计时，需要上述几个阶段，实际设计时，阶段不一定要划分得非常清楚，视阶段不一定要划分得非常清楚，视设计内容的特点，有些阶段的工作设计内容的特点，有些阶段的工作可以结合在一起。可以结合在一起。二、智能仪器主机的选择二、智能仪器主机的选择 计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式系统。计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式系统。通用计算机

42、系统是指日常使用的通用计算机系统是指日常使用的PC机系统、工作站、大型机系统、工作站、大型计算机和服务器等。计算机和服务器等。嵌入式系统是指把微处理器、单片机嵌入式系统是指把微处理器、单片机(微控制器微控制器)、DSP芯片芯片等作为等作为“控制与处理部件控制与处理部件”，嵌入到应用系统中，虽然嵌入式系，嵌入到应用系统中，虽然嵌入式系统的核心是计算机，但它是以某种设备的形式出现的，其外观不统的核心是计算机，但它是以某种设备的形式出现的，其外观不再具备计算机的形态。再具备计算机的形态。智能仪器属于嵌入式系统，虽然以微机为核心，但不以计算智能仪器属于嵌入式系统，虽然以微机为核心，但不以计算机形态出现

43、，而是作为宿主设备的控制器来体现仪器的功能。机形态出现，而是作为宿主设备的控制器来体现仪器的功能。个人仪器系统、个人仪器系统、VXI总线仪器系统等可视为以通用计算机系总线仪器系统等可视为以通用计算机系统为基础的应用系统。统为基础的应用系统。嵌入式系统的发展曾出现过两次高潮。嵌入式系统的发展曾出现过两次高潮。1976年年4位位8048微控制器的问世和微控制器的问世和1980年年MCS-51微控制器微控制器的问世，推动了第一次嵌入式系统发展的浪潮，由于这类微控制的问世，推动了第一次嵌入式系统发展的浪潮，由于这类微控制器浓缩了当时器浓缩了当时CPU、I/O端口、端口、RAM、ROM等，所以也称单片机

44、。等，所以也称单片机。这类单片机已迅速而广泛地嵌入到各种电子仪器、家用电器、通这类单片机已迅速而广泛地嵌入到各种电子仪器、家用电器、通信终端等设备中。信终端等设备中。经过经过90年代年代PC机技术大发展的孕育，迅速掀起了第二次发展机技术大发展的孕育，迅速掀起了第二次发展的浪潮。其明显特点是肢解了的浪潮。其明显特点是肢解了PC机最新两项成熟技术：互联网和机最新两项成熟技术：互联网和多媒体。为满足互联网和多媒体嵌入式设备的高速性和实时编解多媒体。为满足互联网和多媒体嵌入式设备的高速性和实时编解码的复杂技术需要，第二次嵌入式系统的主力器件已让位于码的复杂技术需要，第二次嵌入式系统的主力器件已让位于3

45、2位位的的DSP、RISC双核结构的微处理器等。这类微处理器为智能仪器双核结构的微处理器等。这类微处理器为智能仪器网络化和智能化的进一步扩展提供了坚实的基础，网络化和智能化的进一步扩展提供了坚实的基础，目前，第二类微处理器在测量和控制的应用还不具备太多优目前，第二类微处理器在测量和控制的应用还不具备太多优势，智能仪器主机的主要形式仍然是势，智能仪器主机的主要形式仍然是8位位/16位单片机。位单片机。二、智能仪器主机的选择二、智能仪器主机的选择 1.3 智能仪器的设计要点智能仪器的设计要点在实际微处理器选择中，往往会感到许多型号的微处理器都能满足设计要求，这时主要取决于设计人员对某种微处理器的熟

46、悉程度。由于51系列单片机是单片机的主流机型，技术性能及开发手段都较成熟，并在我国应用较普遍，因而，51系列单片机在智能仪器设计中得到了广泛应用。在选择智能仪器主机电路时，目前应尽量先选用性能价格比高的8位/16位单片机，同时也要关注最新技术的进展，不失时机地把最先进的含有微处理器的电路芯片或单板机平台引入到智能仪器的设计中来。本书重点讨论智能仪器原理及其应用技术。为了本书重点讨论智能仪器原理及其应用技术。为了讨论方便，侧重学习以单片机为核心的智能仪器和以讨论方便，侧重学习以单片机为核心的智能仪器和以PC机为基础的个人仪器系统的原理和设计方法，其中机为基础的个人仪器系统的原理和设计方法，其中单

47、片机主要采用在国内较为流行的单片机主要采用在国内较为流行的MCS51系列单片系列单片机。机。GPIB 简介 GPIB（General-Purpose Interface Bus）-通用接口总线，大多数打印机就是通过GPIB线以及GPIB接口于电脑相连。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的 GPIB 系统由一台 PC 机、一块 GPIB 接口卡和若干台 BPIB 形式的仪器通过 GPIB 电缆连接而成。在标准情况下，一块 GPIB 接口可带多达 14 台仪器，电缆长度可达 40 米。GPIB 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方

48、便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。最初由HP公司提出，目前成为一种国际标准，遵守的协议为IEEE488。一般被用来使用任何编程语言如VB、Vc、C+实现电脑对仪器的控制。当然也有某些仪器制造商自己开发的语言支持GPIB。如keithley公司使用的testpoint，NI公司的labview等。实现这种控制首先要被控仪器支持GPIB，其次，工控机安装IEEE488卡，并通过gpib线连接两个设备。GPIB比串口控制提高了传输速率和同时支持的设备总数。但是目前已经被传输速率更快支持设备总数更多的lan接口替代。专家系统 专家系统(expert system)是人工智能应用研究最活跃和最广

49、泛的课题之一。专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能 技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。运用特定领域的专门知识，通过推理来模拟通常由人类专家才能解决的各种复杂的、具体的问题，达到与专家具有同等解决问题能力的计算机智能程序系统。它能对决策的过程作出解释，并有学习功能，即能自动增长解决问题所需的知识。早期的专家系统采用通用的程序设计语言（如fortran、pascal、basic等）和人工智能语言（如lisp、prolog、smalltalk等），通过人工智能专家与领域专家的合作，直接编程来实现的。其研制周期长，难度大，但灵活实用，至今尚为人工智能专家所使用。大部分专家系统研制工作已采用专家系统开发环境或专家系统开发工具来实现，领域专家可以选用合适的工具开发自己的专家系统，大大缩短了专家系统的研制周期，从而为专家系统在各领域的广泛应用提供条件。