1、第9章 智能測試儀器與系統 1第第9 9章章 智能測試儀器與系統智能測試儀器與系統 9.1 智能儀器概述智能儀器概述 9.2 智能儀器的典型處理功能智能儀器的典型處理功能 9.3 智能儀器實例智能儀器實例智能化智能化DVM簡介簡介9.4 自動測試系統、個人儀器與虛擬儀器自動測試系統、個人儀器與虛擬儀器本章小結本章小結第9章 智能測試儀器與系統 2第第9章章 波形測試與儀器波形測試與儀器學習參考：學習參考：智能儀器是電子測量儀器與計算機技術的結合，發展十分迅速。通過學習要求明確智能儀器、自動測試系統、虛擬儀器、個人儀器的區別與聯系，了解智能儀器的組成及各部分的原理與特點，了解智能儀器的典型處理功

2、能。 本章要點：本章要點：智能儀器的組成、智能儀器實例、個人儀器與自動化測試儀器的概念。第9章 智能測試儀器與系統 39.1 智能儀器概述智能儀器概述凡是具有人工智能化的測量儀器均可統稱為智能儀器，如無特別說明，書中的智能儀器特指為獨立智能儀器（即傳統智能儀器）。獨立智能儀器又稱為靈巧儀器（Smart Instruments），它是自身帶有微處理器能夠獨立進行測試的電子儀器。除此之外，自動測試系統、個人儀器、虛擬儀器等也是具有人工智能化的測量儀器。本章主要介紹獨立智能儀器。9.1.1 智能儀器的組成智能儀器的組成能儀器由硬件和軟件兩部分組成。1. 硬件硬件硬件主要包括主機電路、模擬量輸入輸出通

3、道、人機接口和標準通信接口電路等，如圖9.1所示。 第9章 智能測試儀器與系統 4微處理器MPU內部總線圖9.1 智能儀器硬件結構程序存儲器ROM數據存儲器ROMI/O接口A/D變換器D/A變換器鍵盤顯示接口鍵盤顯示輸入電路模擬執行器標準儀用通信接口外部儀用標準總線主機電路被測量模擬量輸入輸出人機接口通信接口第9章 智能測試儀器與系統 5（1）主機電路用來存儲程序與數據，并進行一系列的運算和處理，參與各種功能控制。通常由微處理器、程序存儲器、輸入輸出（I/O）接口電路等組成，或者本身就是一個單片微型計算機。（2）模擬量輸入輸出通道用來輸入輸出模擬量信號，實現模擬量與數字量之間的變換。主要由A/

4、D變換器、D/A變換器和有關的模擬信號處理電路等組成。（3）人機接口用來溝通操作者與儀器之間的聯系，主要由儀器面板上的鍵盤和顯示器等組成。（4）標準通信接口用來實現儀器與計算機的聯系，使儀器可以接受計算機的程控命令，一般情況下，智能儀器都配有GPIB（或RS232C）等標準通信接口。第9章 智能測試儀器與系統 62. 軟件軟件軟件即程序，主要包括監控程序和接口管理程序兩部分。監控程序面向儀器面板和顯示器，負責完成如下工作：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接口電路進行數據采集，對儀器進行預定的設置；對數據存儲器所記錄的數據和狀態進行各種處理；以數字、字符、

5、圖形等形式顯示各種狀態信息以及測量數據的處理結果。接口管理程序主要面向通信接口，負責接收并分析來自通信接口總線的各種有關功能、操作方式與工作參數的程控操作碼，并根據通信接口輸出儀器的現行工作狀態及測量數據的處理結果以響應計算機的遠程控制命令。第9章 智能測試儀器與系統 79.1.2 GPIB接口接口GPIB（General Purpose Interface Bus）即通用接口總線，是國際通用的儀器接口標準。一般情況下，智能儀器都配有GPIB標準接口。1. GPIB標準接口系統的概述標準接口系統的概述GPIB標準接口包括接口與總線兩部分。接口部分由各種邏輯電路組成，與各儀器裝置安裝在一起，用于

6、對傳送的信息進行發送、接收、編碼和譯碼。總線部分是一條無源多芯電纜，用于傳輸各種消息，消息指的是總線上傳遞的各種信息。圖9.2(a)為具有GPIB接口的儀器通過GPIB總線連接起來的標準接口總線系統，DUT（Device Under Test）為被測器件。圖9.2(b)為GPIB24線總線插座外形結構。第9章 智能測試儀器與系統 8在一個GPIB標準接口總線系統中，要進行有效的通信聯絡，至少有“講者”、“聽者”、“控者”三類儀器裝置。講者是通過總線發送儀器消息的儀器裝置，如測量儀器、數據采集器、計算機等。聽者是通過總線接收由講者發出消息的裝置，如打印機等。控者是數據傳輸過程中的組織者和控制者，

7、通常由計算機擔任。一個GPIB系統中，可以設置多個講者、聽者和控者，不允許有兩個或兩個以上的講者或控者同時起作用，但允許多個聽者同時工作。控者、聽者、講者被稱為系統功能的三要素，系統中的某一個裝置可以具有三要素中的一個、兩個或全部功功能。例如，系統中的計算機可以兼顧實現“講者”、“聽者”與“控者”的功能 。第9章 智能測試儀器與系統 9接口部分控/講/聽者（計算機）接口部分聽/講者（測量儀器）接口部分聽者（信號源）接口部分聽者（記錄儀）用戶編程DUT硬拷貝IFCATNEQIRENSRQDAVNRFDNDACDIO1DIO8接口管理控制線數據掛鉤聯絡線數據總線通用接口總線(a）1121324(b

8、）圖9.2 GPIB標準接口總線系統及GPIB24線總線插座儀器裝置接口儀器裝置本身第9章 智能測試儀器與系統 102. GPIB標準接口的總線結構標準接口的總線結構總線是一條24芯電纜，其中16條被用作信號線，其余則被用作邏輯地線及屏蔽線。電纜兩端是與圖9.2(b)相似的雙列24芯疊式結構插頭。GPIB標準接口總線中的16條信號線按功能可分為以下三組：8條雙向數據總線（DIO1DIO8），用于傳遞包括數據、命令和地址等的儀器或接口消息，所傳遞消息的類型由其余兩組信號線加以區分。3條數據掛鉤聯絡線（DAV、NRFD和NDAC），用于控制數據總線的時序，以保證數據總線能正確、有節奏地傳輸信息，這

9、種傳輸技術稱為三線掛鉤技術。三線掛鉤指的是第9章 智能測試儀器與系統 11講者、控者、聽者之間的邏輯聯接與接續關系。定義如下： DAV(Dada Valid)數據有效線：當數據線上出現有效數據時，講者置該線為低（負邏輯），示意聽者從數據線上接收數據。 NRFD(Not Ready For Data)數據未就緒線：只要聽者中有一個尚未準備好接收數據，該線就為低，示意講者暫不要發出信息。 NDAC(Not Data Accepted)數據未收到線：只要聽者中有一個尚未從數據總線上接收完數據，該線就為低，示意講者暫不要撤掉數據總線上的信息。5條接口管理控制線（ATN、IFC、REN、EOI和SRQ）

10、，用于控制GPIB總線接口的狀態。定義如下：第9章 智能測試儀器與系統 12 ATN(Attention)注意線：該線由控者使用，用來指明數據線上數據的類型。當它為1時，數據總線上的信息是由控者發出的、用于管理接口部分工作的消息（命令、設備地址等），這時，一切設備均要接收這些信息。當它為0時，數據總線上的信息是由講者發出的、用于完成儀器自身工作的儀器消息（數據、設備的控制命令等），所有聽者都必須聽。 IFC(Interface Clear)接口清除線：該線由控者使用，當它為1時，整個接口系統恢復到初始狀態。 REN(Remote Enable)遠程控制線：該線由控者使用，當它為1時，儀器可能處

11、于遠程控制狀態，從而封鎖設備面板上的手工操作。當它為0時，儀器處于本地工作方式。 SRQ(Service Request)服務請求線：所有設備都與這條第9章 智能測試儀器與系統 13線“線或”在一起，任意設備將此線變為低態（SRQ為1）時，就表示向控者提出服務請求，然后控者通過依次查詢確定提出請求的設備。 EQI(End Or Identify)結束或識別線：此線與ATN配合使用，當EOI為1、ATN為0時，表示講者已傳遞完一組數據；當EOI為1、ATN為1時，表示控者要進行識別操作，要求設備把它們的狀態放在數據線上。3. GPIB標準接口的功能標準接口的功能智能化測量儀器中每一個儀器裝置都具

12、有儀器功能和接口功能。儀器功能的任務是把收到的控制信息變成儀器設備的實際動作，如調節頻率、調節信號電平、改變儀器工作方式等，這與常規儀器設備的功能基本相同，為完成儀器功能第9章 智能測試儀器與系統 14而傳遞的消息稱為儀器消息。接口功能是指完成各儀器設備之間正確通訊，確保系統正常工作的能力，即通過GPIB標準接口實現自動測量與控制所必須的邏輯功能。為完成接口功能而傳遞的消息稱為接口消息。 接口功能包括：遇到故障等情況時，向系統控者提出服務請求的服務請求功能；系統控者為快速查詢請求服務裝置而設置的并行點名功能；用來選擇遠地工作狀態或本地工作狀態的遠控本控能力；使裝置從總線接收到觸發信息，以便進行

13、觸發操作的裝置觸發功能；能使儀器裝置接收清除信息并返回到初始狀態的裝置清除功能等。9.1.3 智能儀器的特點智能儀器的特點與傳統測量儀器相比較，智能儀器具有以下幾個特點：第9章 智能測試儀器與系統 15（1）具有較完善的可程控能力智能儀器內部有微處理器，一般配有GPIB或RS-232等接口，并且采用ASC碼進行信息傳遞，使智能儀器具有可程控操作的能力。（2）面板控制（本地控制）簡單靈活智能儀器使用鍵盤代替傳統儀器中旋轉式或琴鍵式切換開關來實施對儀器的控制，這樣既有利于提高儀器技術指標，又方便了儀器的操作。（3）輸入輸出方式靈活多樣智能儀器可通過鍵盤輸入任何數據或文字信息，或者用磁帶、軟盤等輸入

14、程序。能以數字、字符、圖形顯示等方式輸出。輸入輸出方式靈活多樣。第9章 智能測試儀器與系統 16（4）電路結構簡單，測量精確度高，測量功能多樣化微處理器具有強大的數據運算、數據處理和邏輯判斷功能，這使得智能儀器能夠有效地消除由于漂移、增益變化和干擾等因素所引起的誤差，從而提高儀器的測量精度，電路結構進一步簡化，測量功能更加多樣化。（5）自動控制、自動調整能力增強智能儀器運用微處理器進行控制，可以方便地協調控制儀器的工作，實現測量儀器的自動控制，并具有一定的可編程能力及自動調零、自檢、自校等功能，操作簡單、維修方便。第9章 智能測試儀器與系統 179.2 智能儀器的典型處理功能智能儀器的典型處理

15、功能智能儀器是以微處理器為核心進行工作的，它具有強大的數據處理和控制功能，與傳統測量儀器相比具有許多典型的處理功能，例如自檢、自動測量等功能。9.2.1 硬件故障的自檢功能硬件故障的自檢功能自檢功能是指利用事先編制好的檢測程序對儀器主要部件進行自動檢測，并對故障進行定位。自檢方式有三種類型：（1）開機自檢開機自檢是在儀器正式投入運行之前，即儀器接通電源或復位之后所進行的全面檢查。自檢中如果沒有發現問題，就進入測量程序；如果發現問題，則及時報警，以避免儀器第9章 智能測試儀器與系統 18帶病工作。（2）周期性自檢周期性自檢是指在儀器運行過程中間斷進行的自檢操作，這種操作可以保證儀器在使用過程中一

16、直處于正常狀態。周期性自檢不影響儀器的正常工作，因而只有當出現故障給予報警時，用戶才會覺察。（3）鍵盤自檢具有鍵盤自檢功能的儀器面板上設有“自檢”按鍵，當用戶對儀器的可信度產生懷疑時，便通過該按鍵來啟動一次自檢過程。自檢過程中，如果檢測到儀器出現某些故障，智能儀器一般都以文字或數字的形式顯示“出錯代碼”。另外，往往還以指示燈的閃爍或聲音等方式進行報警，以引起操作人員的注意。第9章 智能測試儀器與系統 199.2.2 自動測量功能自動測量功能智能儀器通常具有自動量程變換、自動零點調整、自動校準以及自動觸發電平調節等自動測量功能。（1）自動量程變換自動量程變換是指儀器在很短時間內自動選定最合理的量

17、程。這樣可以使儀器獲得高精度的測量，并簡化操作。自動量程變換一般由初設量程開始，逐級比較，直至選出最合適的量程為止。假設某電壓表共有0.1V、1V、10V、100V四個量程，它的自動量程變換流程如圖9.3所示。 （2）自動觸發電平調節能儀器自動觸發電平調節原理如圖9.4所示，其中，輸入信號經過可程控衰減器傳送到比較器，比較器的比較電平第9章 智能測試儀器與系統 20（即觸發電平）則由D/A變換器設定的。當經過衰減器的輸入信號的幅度達到某一比較電平時，比較器輸出將改變狀態。觸發探測器將檢測到的比較器的輸出狀態送到微處理器，由此測出觸發電平來。 自動量程變換延時程序測量程序結束過載顯示降量程處理升

18、量程處理0.1V量程？100V量程？欠量程？超量程？YYYNNNNY圖9.3 電壓表自動量程變換流程圖第9章 智能測試儀器與系統 21（3）自動零點調整儀器零點漂移的大小及零點是否穩定是產生測量誤差的主要來源之一，智能儀器能夠在微處理器的控制下，自動產生一個與零點偏移量相等的校正量與零點偏移量進行抵消，從而有效地消除零點偏移等對測量結果的影響，這就是智能儀器的自動零點調整功能。可程控衰減器微處理器控制系統D/A變換器 + 比較器觸發探測器輸出圖9.4 自動觸發電平調節原理圖第9章 智能測試儀器與系統 22（4）自動校準智能儀器自動校準時，操作者按下“自動校準”按鍵，儀器顯示屏便提示操作者應輸入的標準電壓，操作者按提示要求將相應標準電壓加到輸入端后，再按一次“自動校準”鍵，儀器進行一次測量并將標準量存入到校準存儲器，然后顯示器提示下一個要求輸入的標準電壓值，再重復上述測量存儲過程。當對預定的校正測量完成之后，校準程序還能自動計算每