智能仪器赵茂泰幻灯片第9章个人仪器及系统

1、9.1 概述 9.2 个人仪器系统的设计 9.3 VXI 总线仪器系统 9.4 虚拟仪器及其实现技术,第9章 个人仪器及系统,个人仪器也称PC仪器，是在智能仪器发展基础上出现的又一种新型的微型计算机化仪器。 由于个人仪器充分利用了PC机的软件和硬件资源，因而相对传统智能仪器来说，极大地降低了成本，大幅度地缩短研制周期，显示出广阔的发展前景。,9.1 概述,9.1.1 个人仪器及发展,、内插件式个人仪器及系统（基于PC机内部总线） 、模块式个人仪器及系统（基于独立仪器总线） 、VXI总线仪器系统（基于统一标准的仪器总线）,个人仪器及系统发展的几个阶段,9.1.1 个人仪器及发展,最简单的形式是内插件式，它把仪器插卡直接插入到PC 机内部的总线扩展槽内。 仪器插卡主要完成数据采集工作，所以仪器插卡也称数据采集卡DAQ（DATA AcQuisition），这类仪器也称PCDAQ形式个人仪器。,、内插件式个人仪器及系统,克服上述缺点的办法是： 定义新的仪器总线并将仪器插件移到PC机外的独立机箱中,优点：结构简单、方便，成本低。 缺点：难以满足重载仪器对电流和散热的要求，机内干扰也较严重，在组成

2、个人仪器系统时，由于没有专门为仪器定义的总线，各仪器之间不能直接通信，模拟信号也无法经总线传递，因此这种PCDAQ形式的个人仪器及系统的性能不可能很高。 ,9.1.1 个人仪器及发展,、内插件式个人仪器及系统,软面板,插入,仪器卡,计算机,9.1.1 个人仪器及发展,、内插件式个人仪器及系统,、独立总线的模块式个人仪器及系统,特点： 独立的机箱和独立的电源系统，使仪器避开了微型计算机的噪声环境；设计了专门的仪器总线PCIB，组成仪器系统很方便；更换系统中与微型计算机配合的接口卡，可适应多种个人计算机； 系统中的仪器模块和接口电路中也使用了微处理器，因而HP6000系统是一种功能很强大的多CPU的分布系统,HP公司在1986年前后推出的6000系列模块式PC 仪器系统被认为是这类形式个人仪器及系统的典型产品，其结构图如右图所示。,9.1.1 个人仪器及发展,、内插件式个人仪器及系统,、独立总线的模块式个人仪器及系统,各公司为仪器系统设计了： 独立的机箱、独立的电源、专门的仪器总线,9.1.1 个人仪器及发展,、内插件式个人仪器及系统,、独立总线的模块式个人仪器及系统,、VXI总线仪器系统

3、（基于统一标准总线）,1987年7月，HP、Tektronix 等五家重要电子仪器公司制造厂家组成的联合体，提出了用于仪器模块式插卡的新型的互联标准： VXI总线。 VXI总线是在原有的VME总线基础上发展起来的仪器总线，由于VME总线是为计算机一般应用而开发的，未涉及电磁干扰、功率损耗和冷却等问题，VXI总线对此做了妥善的处理。VXI 总线的基本概念是为模块电子仪器提供一个开放的结构，从而使所有仪器厂家提供的各种仪器模块可以在同一主机箱内运行。 VXI总线标准是公开的，截至1994年，生产VXI 产品的厂商已有九十多家，产品品种超过1 000种，安装的系统数超过10 000套。因此，可以说VXI 仪器系统已被确认为是个人仪器的一种标准产品了,、VXI总线仪器系统,独立的机箱内设计了世界统一的标准总线,9.1.2 个人仪器的总线,本章侧重讨论PCDAQ形式个人仪器所采用的总线,一、 总线,总线是指一些线路的集合。微型计算机总线按功能可分为内总线和外总线两类。 内总线又称系统总线，它的基本功能是对接于总线上的各模块和插卡提供信息通路，使各模块和插卡能通过总线与微型计算机交换信息。内总线随

4、微型计算机机型而异，有各自的标准，这些标准对总线上模块板的尺寸、引脚信号的定义都有明确的规定。常见的内总线有S100总线、STD总线、Apple系列总线、IBMPC系列总线。 外总线又称通信总线，它用于微型计算机之间、微型计算机与仪器和其他设备之间的通信。如用于微型计算机之间通信的RS232C，用于自动测试系统的GPIB，以及适用于模块式个人仪器系统的PCIB、VXI等。,9.1.2 个人仪器的总线,本章侧重讨论PCDAQ形式个人仪器所采用的总线,一、 总线,主要阐述IBM PC系列微型计算机及其兼容机所采用的总线，包括PC总线，ISA总线，EISA总线以及PCI 总线等。本节侧重讨论PC总线。,二、 PC总线,PC总线是指IBM PC/XT机及兼容机使用的总线。IBM PC/XT机及兼容机的主机板后部设有5个或8个总线插座。每个插座有62个引脚。插座引脚和信号的定义如图92所示，各引脚信号的说明如表9-1所示。,总线共含62 个引脚， 按功能可分为四类： 数据传送总线8根； 地址总线20根； 控制总线26根。 其它总线8根( +5 V的2根、 5 V的1根、+12 V的1根、 12

5、V的1根及地线3根 ),IBM PC总线,1. 数据总线 D7D0共8条，是双向数据传送线，为CPU、存储器及I/O设备间提供信息传送通道。 2. 地址总线 A19A0共20条，用来选定存储器地址或I/O设备地址。当选定I/O设备地址时，A19A16无效。20位地址线允许访问1MB存储空间，16位地址线允许访问64 KB的I/O设备空间。这些信号一般由CPU产生，也可以由DMA控制器产生。 3. 控制总线 控制总线共26条 （重点掌握 6 根）,IBM PC总线,3. 控制总线 控制总线共26条 （重点掌握 6 根） IOR：(输出、低电平有效)I/O读命令，由CPU或DMA控制器产生。信号有效时，把选中的I/O设备接口中数据读到数据总线。 IOW：(输出、低电平有效)I/O写命令，由CPU或DMA控制器产生，用来控制将数据总线上的数据写到所选中的I/O设备接口中。,MEMR：(输出、低电平有效)存储器读命令，由CPU或DMA控制器产生，用来控制把选中的存储单元数据读到数据总线。 MEMW：(输出、低电平有效)存储器写命令，由CPU或DMA控制器产生，把数据总线上的数据写入所选中的存储

6、单元。,AEN：(输出)地址允许信号，由8237A发出，此信号用来切断CPU控制，以允许DMA传送。AEN为高电平有效，此时由DMA控制器8237A来控制地址总线、数据总线以及对存储器和I/O设备的读/写命令线。在制作接口电路中的I/O地址译码器时，必须包括这个控制信号。 ALE：(输出)地址锁存允许，由总线控制器8288提供。ALE有效时，在ALE下降沿锁存来自CPU的地址。目前地址总线有效，可开始执行总线工作周期。,9.1.3 PCDAQ形式个人仪器的组成原理,一、 硬件结构,PCDAQ形式个人仪器的硬件是由仪器插件通过内总线与微型计算机融合在一起构成的，因而仪器插件总有接口和测量两大部分电路，基本框图如图所示。,接口部分由接口芯片、地址译码电路、控制电路等部分组成，这与PC 机的一般功能接口卡的接口电路基本一致。 测量部分电路与智能仪器的测量部分电路基本一致，虽然依测量任务不同测量电路的结构与组成有很大差异，但一般说来包括输入电路、采样与保持、A/D转换、时基与时钟等部分。,9.1.3 PCDAQ形式个人仪器的组成原理,一、 硬件结构,二、 软面板及操作,个人仪器区别于智能仪器的

7、一个显著特点是： 用户不再使用仪器的面板，而是采用软面板实现对仪器的操作。软面板是显示在CRT上由高分辨率作图生成的仪器面板图形( 类似于仪器的硬面板)，用户通过操作键盘、鼠标器移动光标方式或通过触屏方式来选择软面板上的按键(称软键)。显示在CRT上软面板的绘制可采用VC, VB, Delphi等语言及图形化的编程语言。,软面板依测试仪器性质不同其形式也各不相同，但一般包括仪器面板显示、软键、状态反馈和系统控制等窗口。,一、 硬件结构,二、 软面板及操作,个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，一般结构如图所示。,三、 个人仪器控制程序,在人工控制方式下，系统软件在微型计算机屏幕上产生一个软面板，用户可以像操作传统仪器一样，通过软面板选择功能、量程以及输入有关参数，建立起相应的状态标志提供给仪器控制程序。 软面板的键盘操作一般是以中断方式实现的，当用户按下一个键时，软面板就中止当前执行的功能，判断所按的键。如果按下错误的键，就发出声响，以提醒用户；如果按下正确的键，或显示所选参数，或与仪器驱动程序模块进行通信来执行某项操作并实时显示测量结果。,一、 硬件结构,二、 软面板及操作,个人

8、仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，一般结构如图所示。,三、 个人仪器控制程序,在程序控制方式下，编程工具提供了容易记住和学会的高级命令，以便让用户能编制测试程序去进行自动测试。对用户来说，只需按照语句的格式进行编程，而不必知道仪器驱动软件与仪器模块之间的通信过程。 仪器驱动程序是最底层的软件，是与PC仪器硬件直接联系的软件模块，无论人工操作方式或程序操作方式都要调用仪器驱动程序去执行输入/输出操作。仪器驱动程序是直接面向硬件的，实时性强，要求程序的执行速度快，因此一般直接采用汇编语言编写。,9.1.3 PCDAQ形式个人仪器的组成原理,一、 硬件结构,二、 软面板及操作,三、 个人仪器控制程序,综上所述，个人仪器软件系统主要解决两个问题： 一是软面板的制作， 二是对底层的实时控制及有关数据的处理。,目前，个人仪器应用软件的编写一般采用如下两种方式： 一种是采用通用Windows操作环境下的可视化编程软件进行编写的，例如，C+，Delphi，PowerBuilder等。 另一种是采用专业图形化编程软件进行开发，如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW和Lab Windows/

9、CVI等。这些软件一般还包括一些通用的数字处理软件，如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT和细化分析等，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，数字滤波等。这些功能函数为用户加速个人仪器的开发速度以及进一步扩展仪器的功能提供了基础。,9.2 个人仪器系统的设计,9.2.1 DVM个人仪器的设计,本节介绍的DVM个人仪器实例属于 PC-DAQ 形式。 通过学习，拟使读者能掌握个人仪器最基本的特点；直观地建立起个人仪器的概念；掌握个人仪器硬件设计的一般方法；学会采用Delphi语言编写较简单个人仪器软件系统的方法。,一、DVM个人仪器插卡硬件结构、 二、软面板的生成 三、测量控制程序的设计,9.2.1 DVM个人仪器的设计,一、DVM个人仪器插卡硬件结构,DVM个人仪器的主要技术指标如下： (1) 精确度： 优于0.1%读数0.1%满度； (2) 灵敏度： 100V； (3) 量程范围： 0.2V、2V、20V、200V； (4) 输入阻抗： 0.2V、2V量程大于500M，其他量程10M； (5) 最大显示数： 1999； (6) 自动测量功能： 自动稳零、自动量程切换； (7) 仪器处理功能： AX+B、上下限判断、相对误差、最大值/最小值/平均值、方差等。,一、DVM个人仪器插卡硬件结构,该仪器的A/D转换器采用MC 14433，输入电路由输入衰减器、前置放大器、量程转换和自动零点调整的切换电路组成。 PC机通过接口电路对其进行控制。,一、DVM个人仪器插卡硬件结构,该仪器的A/D转换器采用MC 14433，输入电路由输入衰减器、前置放大器、量程转换和自动零点调整的切换电路组成。 PC机通过接口电路对其进行控制。,输入电路作用是将不同量程的被测电压UX规化到A/D转换器所要求的电压值(02V) 。前置放大器采用MC 7050组成的同相放大器，倍数为1或10倍，由继电器K2控制切换；输入衰减器系数为1100，由继电器K1控制；自动零点调整由继电器K3控制。 PC机通过接口电路对其进行控制。,8255初始化为： 端口A为输入，输入A/D转换的数据和位选信号； 上C口为输入，其中P

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