第9章 现代电子测量技术

发布时间:2021-10-27 20:29:03

第9章 现代电子测量技术
9.1 智能仪器
9.2 虚拟仪器

9.3 自动测试系统
本章小结

9.1 智能仪器
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9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4

智能仪器的特点 智能仪器的基本组成与工作原理 S-100和STD总线 智能仪器的设计

9.1.1 智能仪器的特点
① 功能较多,应用极其广泛。 ② 面板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。 ③ 面板显示可以采用各种数码显示器件。 ④ 常带有GPIB通用接口,有完善的远程输入/输出能力。 ⑤ 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。 ⑥ 利用微处理器执行精密的测量算法,从获得较高的性 价比。

9.1.2 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。

微处理器 (MPU)

程序存储器 (EPROM) BUS

数据存储器 (RAM)

I/O

I/O

I/O

I/O

标准通信用 通信接口 外部 仪器总线

A/D 转换器

D/A 转换器 模 拟 执行器

键 盘

显 示

被 测 量

输 入 电 路

模拟量输入/输出

人机接口

通信接口

图9-1 微机内藏式智能仪器工作原理框图

(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。

个人计算机
输入 电量 非电量
开关量或 逻辑电*

输出 屏幕显示 硬拷贝

应 用 软 件
输入插件箱

数据处理
数字/模拟输出
IEEE-488/RS-232C

局域网络
图9-2 个人计算机仪器的原理框图

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,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 方面的需要。总线按其应用可分为外总线及内总线两大类。

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*“1”:-15V~-5V; 电*“0”:+5V~+15V)。 由于TTL电*的“1”和“0”分别为3.4V和0.4V,因此采 用RS-232C总线进行串行通信时需外接电*转换电路。在发 送端用驱动器将TTL电*转换成RS-232C电*,在接收端用 接收器将RS-232C电*再转换成TTL电*。

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。
CPU ROM RAM DMA 存储器 直接存取 数据 总线 地址 总线 控制 总线 PIO 并行接口 SIO 串行接口 CTC 计数/定时器

图9-3 智能仪器内总线系统示意图

9.1.3 S-100和STD总线
1.S-100总线 S-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。 ① 16条数据线。即DI0~DI7和DO0~DO7。 ② 24条地址线。即A0~A23。 ③ 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。 ④ 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。

⑤ 6条控制输入线。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。 ⑥ 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DMA0~DMA3这4条线用 于表示16个暂时性主设备的优先权编码。 ⑦ 8条矢量中断线。与INT配合,用来管理8级中断请 求优先权。 ⑧ 电源线和地线共9条。 ⑨ 其他用途的信号线16条。

2.STD总线

(1)STD总线的特点
① 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*均无故障 间隔可达数十年。 ② 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。 ③ STD总线采用了小板结构,它的所有模板的标准 尺寸为165.5mm×114.3mm。

④ 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。 ⑤ STD总线产品在国际上有*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。 ⑥ 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/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。

(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: ① 逻辑电源线,6根,引脚1~6; ② 数据总线,8根,引脚7~14; ③ 地址总线,16根,引脚15~30;

④ 控制总线,22根,引脚31~52;
⑤ 辅助电源线,4根,引脚53~56。

9.1.4 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 ① 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。 ② 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。 ③ 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,又可由软件实现,最后应根据性价比进行综合确 定。

2.硬件设计 硬件设计主要包括以下几个方面。 ① 微处理器、单片机电路设计。 ② 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。

③ 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。
④ 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。 ⑤ 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。

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。

4.系统调试

调试工作通常按以下三个步骤进行。
① 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。

② 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。 ③ 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。

9.2 虚拟仪器
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9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4

虚拟仪器的概念 虚拟仪器的基本组成与分类 虚拟仪器的特点与应用 虚拟仪器总线

9.2.1 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*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。

数据采集与控制
插入式数据采集板

GPIB仪器 VXI仪器 RS-232仪器

数据分析 数字信号处理 数字滤波 统 计 数据分析

数据分析 网 络 硬盘复制输出 文件I/O 图形用户接口

图9-4 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 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” 是虚拟仪器概念最简单,也是最本质的表述。

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、设计和制造。从理论上讲, 在通用计算机*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。

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。

3.LabVIEW简介 LabVIEW(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。

9.2.2 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、VXI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。

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。

9.2.3 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,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*台为所有的I/O设备提供了标 准的接口。

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)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*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。

9.2.4 虚拟仪器总线
1.VME总线 VME是第一代32位工业开放标准总线,是一种开放 式架构。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0~500Mb/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。

2.VXI总线 VXI总线是“用于仪器的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。

电 源

12层印制电路板 上导轨 P1连接器
P2连接器 下导轨 B 尺 寸 插 件

C尺寸插件

风 扇 冷空气

托架

冷气孔

B 尺寸 插件 运送 器

图9-5 VXI总线仪器主机架结构图

(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96是选用C型主机架的HP75000 VXI仪器系统示意图。

VXI总线 主机架 软 面 板

指功 数 函计 数 R 模 模 令率 字 数数 字 F 拟 拟 字 模表 多 发器 变 开 矩 数 块 用 生 换 开关 阵 设 备 表 器 器 关 开 关

用 户 定 做 模 块

GPIB

与DUT之 间的信号

接口连接组件 (ITA)
图9-6 HP75000 VXI仪器系统示意图

其他VXI 系统 GPIB 仪器 被测件 (DUT)

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。

(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: ① 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,它实际上是嵌入方式的高性能与GPIB外挂的灵活性 综合起来。 ② 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。

③ 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。

(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,这无疑会缩短其寿命。

(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*台。

3.PXI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 软件 与PCI总线面向仪器领域 PXI 的必要扩展完美地结合 电气 机械 起来,形成一种主流的 虚拟仪器的测试*台。
图9-7 PXI规范体系结构图

9.3 自动测试系统
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9.3.1 自动测试系统的组成 9.3.2 GPIB和LXI总线 9.3.3 USB仪器简介

9.3.1 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。

9.3.2 GPIB和LXI总线
1.GPIB总线
IFC ATN EOI REN SRQ 接口管理 控制线 通 用 接 口 总 线

DAV 数据挂钩 NRFD NDAC 联络线 DIO1 … 数据总线 DIO8 接口部分 控/讲/听者 (计算机) 用户编程 接口部分 听/讲者 (测量仪器) DUT 接口部分 听者 (信号源) 接口部分 听者 (记录仪) 硬拷贝 仪器装置接口 仪器装置本身

图9-9 GPIB标准接口总线系统结构与连接

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,分别为 DIO1~DIO8。 (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: ① 数据有效线DAV(Data Valid)。采用负逻辑关 系,当为低电*(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*(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。

② 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。

(3)接口管理控制线。 ① 注意线ATN(Attention)。ATN线由控者使用,当 ATN为低电*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*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。

② 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*,ATN线为高电*时,表示讲者已经传完一个字节 的数据;当EOI线为低电*,ATN线也为低电*时,用来识 别是由哪个设备提出了服务请求。
③ 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,可将SRQ线 由高电*变为低电*。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。

④ 接口清除线IFC(Interface Clear)。由控者使 用,当IFC由高电*变成低电*时,命令系统的全部 接口恢复到初始状态。 ⑤ 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*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*并 配合ATN线,接入的仪器就能接受系统控制了。 如图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。

2.LXI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 Instrument)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。

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*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。

LXI模块化仪器具有许多优点:

① 集成更为方便,不需要专用的机箱和0槽;
② 可以利用网络界面进行操作,无须编程和其他 虚拟面板;

③ 连接和使用更为方便,可以利用通用的软件进 行系统编程;
④ 易于实现校准计量和故障诊断; ⑤ 灵活性强,可作为系统仪器,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。

9.3.3 USB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125μs。 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。

2.USB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*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。

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*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 IEEE802.15.3a标准。无线USB通过协议适配层与 WiMedia汇聚*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IEEE802.15.3a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 统仪器向小型化和微型化方向发展。

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,S100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MSDOS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,即硬件设计和软件 设计。其设计步骤主要包含方案设计、硬件设计、软件 设计和系统调试四个步骤。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。

4. “软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单,也 是最本质的表述。常用开发软件有LabVIEW等。虚拟仪 器的组成包括硬件和软件两个基本要素。 5.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。 6.自动测试系统主要体现以软件控制、以功能组合 方式实现的合成仪器自动测试技术,以高速A/D、D/A和 DSP芯片为基础组成通用测试仪器硬件系统,而测试/测 量任务的实现以及系统升级完全依靠软件来实现。 7.LXI的意思是局域网的标准扩展到仪器方面的联 盟。其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。USB总线的 机械连接非常简单,电缆是4芯的屏蔽线。


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