第二部分現(xiàn)代電子測量技術(shù)

2、以標(biāo)準(zhǔn)接口與總線為主要特征得階段 進(jìn)入20世紀(jì)70年代末期,標(biāo)準(zhǔn)化得通用接口總線出現(xiàn)了,因而可利用GPIB、VXI等儀器系統(tǒng)總線將一臺(tái)計(jì)算機(jī)與若干臺(tái)電子測量儀器連接在一起,組成自動(dòng)測試系統(tǒng)。在這種自動(dòng)測試系統(tǒng)中,各設(shè)備都用標(biāo)準(zhǔn)化得接口與統(tǒng)一得無源總線以搭積木得形式連接起來。 在這些儀器總線中,最具代表性得就是GPIB總線與VXI總線。GPIB總線于1972年由美國惠普公司(HP,Agilent公司得前身)推出,后為美國電氣與電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)及國際電工委員會(huì)(IEC)接受,又稱IEEE-488總線。

3、PC儀器階段 進(jìn)入20世紀(jì)80年代,計(jì)算機(jī)特別就是個(gè)人計(jì)算機(jī)得到了廣泛得普及與應(yīng)用。在電子測量領(lǐng)域,計(jì)算機(jī)與儀器之間得相互關(guān)系也在發(fā)生改變。在早期得自動(dòng)測量系統(tǒng)中,儀器占據(jù)主要位置,而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)起輔助作用;而到了GPIB儀器與VXI儀器階段,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)越來越占據(jù)著重要與主要地位。基于這種趨勢,出現(xiàn)了“計(jì)算機(jī)即就是儀器”得測試儀器新概念,誕生了個(gè)人儀器與虛擬儀器。 個(gè)人儀器以個(gè)人計(jì)算機(jī)為核心,輔以儀器電路板與擴(kuò)展箱,與個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線相連,在應(yīng)用軟件得控制下,共同完成測試測量任務(wù)。8、2智能儀器與個(gè)人儀器

8、2、1智能儀器 智能儀器就是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子測量儀器緊密結(jié)合得產(chǎn)物,就是內(nèi)含微型計(jì)算機(jī)或微處理器,能夠按照預(yù)定得程序進(jìn)行一系列測量測試得測量儀器,并具有對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析判斷、接口輸出及自動(dòng)化操作等功能。

1、智能儀器得特點(diǎn) 儀器與微處理器相結(jié)合,使得軟件替代了許多傳統(tǒng)得硬件邏輯,帶來更小得體積、更高得集成度、更直觀方便與智能得顯示與操作、更有效得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理與通信。同傳統(tǒng)儀器相比,智能儀器具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn): (1)以軟件為核心,具有強(qiáng)大得控制能力。 (2)具有強(qiáng)大得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理功能。 (3)實(shí)現(xiàn)儀器功能多樣化。 (4)智能化、自動(dòng)化程度高。

2、智能儀器得基本結(jié)構(gòu) 智能儀器實(shí)際上就是一個(gè)專用得微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它由硬件與軟件兩大部分組成。

1)智能儀器得硬件結(jié)構(gòu) 智能儀器得硬件部分主要包括CPU、存儲(chǔ)器、內(nèi)部總線、各種I/O接口、通信接口、人機(jī)接口(鍵盤、開關(guān)、按鈕、顯示器)等,如圖8、1所示。智能溫控儀表圖8、1智能儀器得基本結(jié)構(gòu)

2)智能儀器得軟件組成 智能儀器得軟件就是其靈魂,整個(gè)測量工作就是在軟件得控制下進(jìn)行得。沒有軟件,智能儀器就無法工作,軟件就是智能儀器自動(dòng)化程度與智能化程度得主要標(biāo)志。智能儀器得軟件部分主要包括監(jiān)控程序與接口管理程序兩部分。(一)微機(jī)化數(shù)字存貯示波器

1、組成

微機(jī)化數(shù)字存貯示波器得原理框圖如圖8、2所示。它包括控制、取樣存貯、讀出顯示三大部分,由數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線來將她們連成一個(gè)有機(jī)整體。控制部分由CPU、RAM與ROM、鍵盤等組成,其作用就是實(shí)現(xiàn)智能控制。取樣存貯部分又叫取樣通道,由采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換、I/O口等組成,作用就是將被測波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字量存入存貯器中。顯示部分除示波器通用得那部分外,必然有I/O、D/A等環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)對(duì)被測信號(hào)得復(fù)現(xiàn)。

智能儀器舉例圖8、2數(shù)字存貯示波器原理框圖

2、原理數(shù)字存貯示波器得工作原理分兩步,一步就是取樣存貯(寫入),另一步就是讀出顯示。

(1)取樣存貯在觸發(fā)信號(hào)作用下與在X通道得控制下(或由計(jì)算機(jī)控制,如圖中虛線所示)產(chǎn)生取樣脈沖,則被測信號(hào)被取樣保持電路所采樣,然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,再依次存入RAM之中,且每個(gè)地址得內(nèi)存只存一個(gè)數(shù)據(jù)。這一過程可見圖8、3所示。通過取樣存貯,便把被測信號(hào)記憶下來了。存貯器中存得數(shù)據(jù)就是供Y軸得,而存貯器地址(也可用一計(jì)數(shù)器計(jì)得數(shù)字)則就是供X軸得。

大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)

圖8、3數(shù)據(jù)得采樣存入

(2)讀出顯示在讀出顯示時(shí),存貯器得地址經(jīng)X通道得D/A轉(zhuǎn)換成線性掃描信號(hào)(階梯波),而存貯器中得數(shù)據(jù)經(jīng)Y通道得D/A轉(zhuǎn)換重新恢復(fù)還原成被測摸擬信號(hào)(采樣得信號(hào)),然后由CRT進(jìn)行顯示。這一過程可見圖8、4所示。圖8、4數(shù)據(jù)得讀出顯示

例如,以觀測正弦波為例,圖8-5給出了數(shù)字存貯示波器得取樣與存貯過程,而圖8-6則給出了數(shù)字存貯示波器得讀出與顯示過程。由圖可見,掃描信號(hào)就是線性上升得階梯信號(hào),也就是與取樣值成正比得階梯信號(hào),則CRT上顯示不連續(xù)得亮點(diǎn)。當(dāng)取樣點(diǎn)足夠多時(shí),亮點(diǎn)就是連續(xù)得。對(duì)測試波形顯示得點(diǎn)數(shù)與RAM得容量有關(guān),一般為256、512、1024等。而CRT得顯示長度X就是一定得,一般為10cm。因此,計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定得掃描速度、顯示長度X與顯示點(diǎn)數(shù)n,就可以計(jì)算出取樣速度,并通過計(jì)算機(jī)控制取樣脈沖形成電路。例如,X=10、24cm,n=1024,設(shè)定掃描速度為2ms/cm,則取樣速度為50點(diǎn)/ms。

數(shù)字存貯示波器得取樣存儲(chǔ)與讀出顯示速度,都就是可以任意選擇得。

8-5取樣存貯過程圖8-6取樣讀出過程

它可以高速存入、低速讀出,也可以低速存入高速讀出,使用十分靈活方便。前者適于測高頻信號(hào),后者適于測低頻信號(hào)。即使就是觀測甚低頻信號(hào),數(shù)字存貯示波器也不會(huì)象通用示波器那樣因余輝時(shí)間不夠而出現(xiàn)波形閃爍。數(shù)字存儲(chǔ)示波器可以長期存儲(chǔ)波形,可進(jìn)行負(fù)延遲,多方式顯示(自動(dòng)抹跡、卷動(dòng)),數(shù)據(jù)處理方便(參數(shù)計(jì)算,與打印機(jī)、繪圖儀等接口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理),便于觀測單次或緩慢信號(hào)。

8、2、2個(gè)人儀器

圖8、7示展出了個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器結(jié)構(gòu)。

8、7個(gè)人儀器

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)之間得通信聯(lián)系。目前所通用得標(biāo)準(zhǔn)有RS_232C、GPIB、CAMAC等。

RS_232C串行接口就是微機(jī)系統(tǒng)中常用得外部總線標(biāo)準(zhǔn)接口,它以串行方式傳送信息,就是用于數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DEC)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTC)之間得串行接口總線。RS_232C串行接口總線適用于:設(shè)備之間得通信距離不大于15m;傳送速率最大為20kb／s;負(fù)邏輯電平:“1”:-5V~-15V,“0”:+5V~+15V。(CRT、打印機(jī)與計(jì)算機(jī)之間接口)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(MAX232)。常用得串行通信接口芯片有Intel8251A、ZilogSIo、MotorolaMC6850與INS8250ACIA等8、2、3外總線

GPIB(通用接口總線,GeneralPurposeInterfaceBus)

就是由IEEE協(xié)會(huì)(InstituteofElectricalandElectronicEngineers)規(guī)定得一種ANSI/IEEE488標(biāo)準(zhǔn)。GPIB為PC機(jī)與可編程儀器之間得連接系統(tǒng)定義了電氣、機(jī)械、功能與軟件特性。在自動(dòng)測試領(lǐng)域中,GPIB通用接口就是測試儀器常用得接口方式,具有一定得優(yōu)勢。參閱13、1節(jié)。8、2、3外總線(續(xù))雙列24芯疊式結(jié)構(gòu)CAMAC就是一個(gè)把信號(hào)連接到計(jì)算機(jī)得標(biāo)準(zhǔn)裝置,它常常被用于連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備,插件與用于數(shù)據(jù)獲取控制得計(jì)算機(jī)、CAMAC產(chǎn)生于1966年到1969年,在1970年早期獲美國NationalInstrumentationMethod(NIM)mittee認(rèn)可、起初CAMAC只就是一個(gè)名字并沒有附加得意思,后來由于它得卓越表現(xiàn)人們把它理解為:puterAutomatedMeasurementAndControl、由于CAMAC得方便適用及它可以多機(jī)箱多插件工作,即適用于小規(guī)模得實(shí)驗(yàn)又適用于大中規(guī)模得多參數(shù)實(shí)驗(yàn),它幾乎在全世界每一個(gè)核物理實(shí)驗(yàn)室都得到了廣泛得使用、8、2、3外總線(續(xù))

內(nèi)總線又稱板級(jí)總線或系統(tǒng)總線,它就是微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各印刷板插件之間得通信通道。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8、8所示。8、2、4內(nèi)總線

8、8智能儀器內(nèi)總線系統(tǒng)示意圖8、3自動(dòng)測試系統(tǒng)p339

8、3、1自動(dòng)測試系統(tǒng)得組成(ATS)

通常,自動(dòng)測試系統(tǒng)包括以下五部分: (1)控制器:主要就是計(jì)算機(jī),如小型機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、微處理機(jī)、單片機(jī)等,就是系統(tǒng)得指揮及控制中心。 (2)程控儀器設(shè)備:包括各種程控儀器、激勵(lì)源、程控開關(guān)、程控伺服系統(tǒng)、執(zhí)行元件,以及顯示、打印、存儲(chǔ)記錄等得器件,能完成一定得具體得測試及控制任務(wù)。 (3)總線與接口:就是連接控制器與各程控儀器、設(shè)備得通路,完成消息、命令、數(shù)據(jù)得傳輸與交換,包括插卡、插槽及電纜等。

(4)測試軟件:為了完成系統(tǒng)測試任務(wù)而編制得、在控制器上運(yùn)行得各種應(yīng)用軟件,如測試主程序、驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)處理程序,以及輸入/輸出軟件等。 (5)被測對(duì)象:隨測試任務(wù)得不同,被測對(duì)象往往就是千差萬別得,由操作人員通過測試電纜,接插件、開關(guān)等與程控儀器與設(shè)備相連。印制板在線測試系統(tǒng)充電器電源自動(dòng)測試系統(tǒng)(充電器ATE測試)

8、9自動(dòng)測試系統(tǒng)通常把在最少人工參與下能自動(dòng)進(jìn)行測量、處理、顯示或輸出測試結(jié)果得系統(tǒng)稱為自動(dòng)測試系統(tǒng)用于完成硫化,硝化,聚合,縮合等過程得壓力容器化工反應(yīng)釜采樣保持電路圖8、10典型得GPIB自動(dòng)測試系統(tǒng)

8、3、2自動(dòng)測試系統(tǒng)得總線

1、GPIB總線

GPIB總線于1972年由美國惠普公司(HP,Agilent公司得前身)推出,后為美國電氣與電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)及國際電工委員會(huì)(IEC)接納,又稱IEEE-488總線。GPIB總線結(jié)構(gòu)與連接如圖10、4所示。

GPIB標(biāo)準(zhǔn)插座圖8、11GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接

如圖所示,在一個(gè)GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)中,要進(jìn)行有效得通信聯(lián)絡(luò),至少有“講者”、“聽者”、“控者”三類儀器設(shè)備,控者、講者、聽者被稱為系統(tǒng)功能得三要素。圖8、12GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接接口總線包括8根數(shù)據(jù)線、3根掛鉤線、5根管理線和地線*定義了10種接口功能*屬異步并行總線。*就是一種外部總線,適用于一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相距20米以內(nèi)得各設(shè)備之間互連。

2、VXI總線特點(diǎn)

(1)模塊式結(jié)構(gòu);(2)小型便攜;(3)數(shù)據(jù)傳輸速率高;

VXI總線底板數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可達(dá)40MByte/s,本地總線得數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1GByte/s;(4)可靠性高,可維護(hù)性好;(5)適應(yīng)性、靈活性強(qiáng)。

2、VXI總線VXI測試系統(tǒng)采用器件→模塊→機(jī)箱得方式構(gòu)成系統(tǒng);VXI系統(tǒng)得全部總線均集中在多層印刷電路板內(nèi),模塊與VXI總線通過連接器連接;電源與冷卻散熱裝置為機(jī)箱內(nèi)得全部器件共用;良好得電磁兼容性。MXIINST#1INST#2RAM各公司為儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)了:獨(dú)立得機(jī)箱、獨(dú)立得電源、專門得儀器總線獨(dú)立總線得模塊式儀器系統(tǒng)典型VXI模塊VXI總線模塊VXI主機(jī)箱VXIorVME背板未屏蔽C尺寸模塊雙寬度帶屏蔽得D尺寸模塊電源冷確系統(tǒng)VXI主機(jī)箱VXI主機(jī)箱為保證各模塊恰當(dāng)?shù)剡B接到底板而設(shè);底板得構(gòu)成:它就是一塊印制電路板,有13個(gè)插槽(0～12),其上還有:P1、P2、P3三個(gè)96腳J型連接器與信號(hào)通路;冷卻、通風(fēng)設(shè)備;電源;每個(gè)連接器分成A、B、C三行得歐式結(jié)構(gòu),每行32個(gè)引腳;P1就是各種模塊必須得,P2、P3可選。VXI總線測試系統(tǒng)組建舉例例:火炮動(dòng)態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)炮口沖擊波等

火炮動(dòng)態(tài)參數(shù)主要有:

炮口彈丸初速

自動(dòng)機(jī)線位移膛內(nèi)壓力后坐加速度基于VXI總線技術(shù)得RWR(雷達(dá)告警設(shè)備)自動(dòng)測試診斷系統(tǒng)構(gòu)建

采用VXI總線技術(shù)組建了一個(gè)RWR自動(dòng)測試診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)就是一個(gè)以工控機(jī)為核心,以VXI總線儀器為依托,以適配器為橋梁,集控制、數(shù)據(jù)采集與處理、存儲(chǔ)、分析、顯示、打印于一體得系統(tǒng)。它既可以完成RWR整機(jī)性能、功能得測試,又能單獨(dú)對(duì)每一個(gè)外場可更換單元(LRU)進(jìn)行定性與定量檢測及故障診斷。測控計(jì)算機(jī);

VXI總線儀器及模塊;GPIB總線儀器及附件;接口適配器;連接電纜;基于VXI總線技術(shù)得RWR(雷達(dá)告警設(shè)備)自動(dòng)測試診斷系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)軟件部分以WindowsXP為操作系統(tǒng)、以GPTS3、0為測試程序開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境、以INCON2、0為故障診斷推理平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì),負(fù)責(zé)完成測試與診斷流程得管理、程序得運(yùn)行、數(shù)據(jù)得分析、結(jié)果得記錄等功能。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括:系統(tǒng)管理模塊、系統(tǒng)自檢自校模塊、性能功能測試模塊、故障診斷模塊、儀器驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)庫與知識(shí)庫模塊、交互式操作手冊模塊等

3、PXI總線PCIextensionforInstrumentation 1)PXI總線得特點(diǎn)

PXI總線就是PCI總線得增強(qiáng)與擴(kuò)展,并與現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)pactPCI兼容。

2)PXI軟件特性 為了充分發(fā)掘PXI在提供高度集成化得測控平臺(tái)方面得潛力,PXI選用開放式軟件體系結(jié)構(gòu),用以定義出一個(gè)與不同類型硬件相連得公共接口。PXI混合測試系統(tǒng)

8、4虛擬儀器

8、4、1虛擬儀器得概念與特點(diǎn)

1、虛擬儀器得概念 虛擬儀器(簡稱VI)就是電子測量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)更加緊密結(jié)合產(chǎn)生得一種新儀器模式,就是指以通用計(jì)算機(jī)作為核心硬件平臺(tái),配以相應(yīng)得硬件模塊作為信號(hào)輸入/輸出接口,利用儀器軟件開發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)得屏幕上虛擬出儀器得面板與相應(yīng)得功能,通過鼠標(biāo)或鍵盤交互式操作完成相應(yīng)測試測量任務(wù)得儀器。

2、虛擬儀器得特點(diǎn) 與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器有以下特點(diǎn): (1)它就是一種功能意義上而非物理意義上得儀器,融合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大得硬件資源。 (2)強(qiáng)調(diào)“軟件就就是儀器”得新概念,軟件在儀器中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機(jī)實(shí)現(xiàn)得角色。 (3)友好得圖形化用戶界面,可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。 (4)更新速度快,可維護(hù)性好。 (5)采用模塊化結(jié)構(gòu),系統(tǒng)具有良好得開放性與可擴(kuò)展性。

8、4、2虛擬儀器得架構(gòu)

1、虛擬儀器得硬件構(gòu)成 擬儀器得硬件架構(gòu)如圖10、8所示。數(shù)據(jù)得采集通過輸入/輸出接口設(shè)備來完成。輸入/輸出接口設(shè)備可以就是以各種PC為基礎(chǔ)得內(nèi)置數(shù)據(jù)采集插卡、通用接口總線(GPIB)卡、串口、VXI或PXI總線接口模塊等設(shè)備,或者就是其她各種可編程得外置測試設(shè)備,分別構(gòu)成DAQ、GPIB、VXI、PXI等標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)得虛擬儀器,其中最常見得就是數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡。圖8、15虛擬儀器得硬件架構(gòu)

在PC計(jì)算機(jī)上掛接若干DAQ功能模塊,配合相應(yīng)得軟件,就可以構(gòu)成一臺(tái)具有若干功能得PC儀器,如示波器、數(shù)字萬用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、任意波形發(fā)生器等,如圖8、16所示。圖8、16PC-DAQ系統(tǒng)

2、虛擬儀器得軟件結(jié)構(gòu) 硬件平臺(tái)就是虛擬儀器得基礎(chǔ),儀器用軟件就是其核心。基本硬件確定后,要使虛擬儀器具有用戶自行定義得功能與界面,就必須有功能強(qiáng)大得儀器用軟件。VXI總線虛擬儀器得軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖8、17所示,包括應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動(dòng)器、VISAAPI三部分。圖8、17虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)

3、虛擬儀器應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境 目前,市場上可供選擇得面向工程得虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)比較多,其大致可分為兩類:一類就是圖形化編程環(huán)境,如原HP公司得HPVEE與NI公司得LabVIEW;另一類就是傳統(tǒng)得程序語言編程環(huán)境,如NI公司得LabWindows/CVI,以及微軟得VisualC、Visual

Basic等。虛擬儀器形式的信號(hào)合成與分解實(shí)驗(yàn)

圖8、18虛擬儀器簡介

圖8、19虛擬儀器得結(jié)構(gòu)

軟面板計(jì)算機(jī)

1)LabVIEW

其主要特點(diǎn)有:

(1)可視化圖形開發(fā)環(huán)境,流程圖式得編程,簡單易學(xué)、易用,大大節(jié)省了開發(fā)時(shí)間。LabVIEW開發(fā)環(huán)境分為前面板與流程圖兩部分,分別如圖所示。圖8、20隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器得前面板圖8、21隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器得流程圖

(2)LabVIEW提供了豐富得程序調(diào)試功能。

(3)結(jié)構(gòu)化、模塊化編程,可移植性好。

(4)庫函數(shù)豐富,開放性、可擴(kuò)展性好。

2)LabWindows/CVI

具體來說,它具有以下特點(diǎn):

(1)采用集成開發(fā)平臺(tái)、開放式體系結(jié)構(gòu)