1、1,第八章智能仪器与虚拟仪器,2,学习目的:了解智能仪器的概念和特点。 理解智能仪器的基本硬件、软件和基本工作原理。 掌握智能仪器在电子测量系统的自动化中的应用。 了解虚拟仪器的概念、组成和基本编程形式。,3,学习内容:1.1 智能仪器 1.2 虚拟仪器,4,1.1 智能仪器1、智能仪器出现的背景: 测试项目增多 测试范围增大 测量速度和精度及可靠性提高 复杂的测试项目靠人工难以完成 电子测量仪器的智能化要求提高 测量系统的自动化要求提高,5,2、实行自动测量的测量仪器的分类:智能仪器: 是PC技术、电子学、DSP技术、人工智能、VLSI等新 兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。 自动测试系统A
2、TS: 对一定的领域和被测对象采用PC控制实现自动化测 试的系统,即对能自动完成激励、测量、数据处理 并显示或输出测试结果的一类系统的总称。,6,3、电子仪器的发展电子仪器可分为三代:模拟仪器 数字化仪器 智能仪器,7,第一代模拟仪器:如指针式万用表、晶体管电压表等。它们的基本结构是电磁机械式的,借助指针来显示 最终结果。,8,第二代数字仪器:数字化仪器目前相当普及,如数字电庄表、数字频 率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测 量,并以数字方式输出最终结果,适用于快速响应 和较高准确度的测量。,9,第三代智能仪器:智能仪器内置微处理器,既能进行自动测试,又有 一定的数据处理,可取代
3、部分脑力劳动,习惯上称 为智能仪器。它的功能块全部以硬件(或固化的软件)的形式存 在,无论是开发还是应用,都缺乏灵活性。,10,4、智能仪器发展趋势:1)微型化 2)多功能化 3)人工智能化 4)融合ISP和EMIT技术,实现网络化 5)虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段,11,5、智能仪器的组成:1)微机系统 2)输入通道 3)输出通道 4)人机对话通道 5)通信接口,12,2007.10 V.0,硬件构成 硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入输出通道、人-机接口电路、通信接口电路。 主机电路用来存储程序、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/输出(I/O
4、)接口电路组成。或者它本身就是一个单片微型计算机。 模拟量输入/输出通道用来输入/输出模拟信号,主要由A/D转换器、D/A转换器和有关的模拟信号处理电路等组成。 人机接口电路是沟通操作者和仪器之间的联系,主要有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,以便使仪器可以接受计算机的程控命令。,13,3. 典型结构(专用的微型计算机系统,硬件和软件),软件组成 智能仪器的整个工作过程都是在软件程序的控制下自动完成的。软件分为监控程序和接口管理程序两部分。 监控程序:面向仪器面板健盘和显示器的管理程序,它通过键盘输入命令和数据,以对仪器的功能、操作方式与工作参数进行设置,
5、进而控制I/O接口电路进行数据采集、存储,再对数据进行相关的处理,以数字、自负、图形等形式显示测量结果、数据处理结果及仪器的状态信息。 接口管理程序:面向通信接口的管理程序,它接收并分析来自通信接口总线的远控命令,包括描述有关功能、操作方式与工作参数的代码,进行有关的数据采集与数据处理,通过通信接口送出仪器的测量结果、数据处理的结果以及仪器的现行工作状态信息。,14,6、智能仪器的特点:1)采集信息 2)与外界对话 3)记忆信息 4)处理信息 5)控制 6)自检自诊断 7)自补偿自适应 8)自校准学习,15,7、智能仪器的主要电路:1)通用运算放大器 2)通用测量放大器 3)可编程测量放大器
6、4)隔离放大器,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,自动测试系统:第一代自动测试系统: 针对具体任务第二代自动测试系统: 台式仪器积木型第三代自动测试系统: 基于总线,27,1.2 虚拟仪器 1、虚拟仪器的概念 发展 随着计算机技术的发展,传统仪器开始向计算机 化的方向发展。虚拟仪器(Virtual Instmment, 简称VI)是20世纪90年代提出的新概念, 虚拟仪器技术是现代计算机技术、仪器技术及其 它新技术完美结合的产物。虚拟仪器技术的提出 与发展,标志着21世纪自动测试与电子测量仪器 技术发展的一个重要方向。,28,微电子学和计算机等现代电子技术的成就
7、给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。微处理器在20世纪70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。 在这之后,随着微处理器在体积小、功能强、价格低等方面的进一步的发展,电子测量与仪器和计算机技术的结合就愈加紧密,形成了一种全新的微型计算机化仪器。 目前,人们习惯将这种内含微型计算机并带有GPIB等通信接口的电子仪器称为智能仪器,以区别于传统的电子仪器。,29,从功能方面分析分析,传统仪器可分为信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出等部分,其功能传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的,而且由仪器生产厂家给定,其
8、功能和规模一般都是固定的,用户无法随意改变其结构和功能。传统仪器大都是一个封闭的系统,与其它设备的连接受到限制。,30,传统仪器价格昂贵,技术更新慢,开发费用高。 随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展,出现了数字化仪器和智能仪器。尽管如此,传统仪器还是没有摆脱独立使用和手动操作的模式,在较为复杂的应用场合或测试参数较多的情况下,使用起来就不太方便。,31,仪器概念的转变,以上原因,使传统仪器很难适应适应信息化时代对仪器的需求。可以设想,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和全部功能,这就是设计虚拟仪器的核心思想。,32,仪器概念的转变,所谓虚拟仪器,
9、就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能,用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心,充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力,提供对测量数据的分析和显示功能。,33,34,虚拟仪器实质,随着计算机技术快速发展,CPU处理能力的增强,总线吞吐能力的提高以及显示器技术的进步,人们逐渐意识到,可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成,利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好地完成原来的功能。如果在计算机内插上一块数据采集卡,就可以把传统仪器的所有功能模块都集成在一台计算机中了。而软件就成为了虚拟仪器的关键,任何一个使用者都可以通过修改
10、虚拟仪器的软件来改变它的功能,这就是美国NI公司“软件就是仪器” 一说的来历。,35,1.2 虚拟仪器 2、虚拟仪器的组成虚拟仪器的硬件虚拟仪器的软件,36,虚拟仪器的硬件: 1)计算机 2)I/O接口设备 PC-DAQ系统 GPIB系统 串口系统 VXI系统 PXI系统,37,2.组成 硬件组成,典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口控制器卡和若干台GPIB仪器。每台GPIB仪器有单独的地址,由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换,,38,39,硬件组成,虚拟仪器的计算机硬件平台可以是各种类型的计算机,如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理
11、着虚拟仪器的软、硬件资源,是虚拟仪器的硬件基础。计算机在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展,导致了虚拟仪器系统的快速发展。接口硬件根据不同的标准接口总线转换输入或输出信号,供其它系统使用,在此基础上组成以虚拟仪器为核心的虚拟仪器系统。按照接口硬件的不同,分为GPIB、VXI、PXI和DAQ四种标准接口总线或接口标准。 GPIB(General PurposeInterface Bus)接口总线 GPIB是计算机和仪器问的标准通信协议,其硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准IEEE 488.1和IEEE488.2中。GPIB是最早的仪器总线,目前多数仪器都配置了遵循IEEE48
12、8标准的GPIB接口。,40,虚拟仪器的软件:1)应用程序 实现虚拟面板功能的前面板软件程序 定义测试功能的流程图软件程序2)I/O接口仪器驱动程序 文本式编程语言 图形化编程语言,41,2.组成 软件组成,8.2 虚拟仪器,VISA 实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称,一般称为VISA库,它驻留于计算机系统之中,执行仪器总线的特殊功能,使计算机与仪器之间的软件层连接,用来实现对仪器的控制。 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合,是应用程序实现仪器控制的桥梁,每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序,仪器厂商以源码的形式提供给用户,用户在应用程序中调用仪器驱动程序。
13、应用软件建立在仪器驱动程序之上,直接面对操作用户,通过提供直观、友好的操作界面、丰富的数据分析与处理功能,来完成自动测试任务。应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数,如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT 等;时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等;滤波设计中的数字滤波等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。,42,编程语言,影响最大的虚拟仪器编程语言是美国NI公司的LabVIEW(Laboratorv Virtual Instrument Engineeiing Workban
14、ch和LabWindowsCVI(C for Virtual Instrument)。 LabVIEW是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言,使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面,使用图标表示功能模块,使用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。同时,它继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点,支持模块化与层LabWindowsCVI是美国NI公司所提供的另一套优秀的开发平台。它以C语言为核心,将计算机软件设计平台与数据的采集、分析、处理及结果表达等仪器专业工具有机地结合起来,为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、测量系统、数据采集系统及过程监控系统。,43,4、虚拟仪器的特点:1)虚拟
15、仪器的面板是虚拟的 2)虚拟仪器的测量功能是由软件编程实现的 3)开发研制周期短,技术更新速度快 4)软硬件具有开放性、模块化、可重复使用的特点 5)通过标准接口总线和网卡,极易实现测量自动化、 智能化和网络化,44,5、LABVIEW简介:1)LABVIEW简介 2)LABVIEW编程环境 3)基本VI简介,45,6、LABVIEW模板:1)工具模板 2)控制模板 3)功能模板,46,7、LABVIEW数据类型:1)数字量数据类型 2)非数字量数据类型,47,8、LABVIEW程序结构:1)FOR循环 2)WHILE循环 3)选择结构,48,9、LABVIEW图形显示功能:1)事后记录波形图控件 2)实时趋势图控件 3)X-Y波形记录控件,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,