第9章智能测试仪器与系统.docx

课题：第9章智能测试仪器与系统课时分配：六课时教学目的要求：智能仪器是电子测量仪器与计算机技术的结合，发展十分迅速通过学习要求明确智能仪器、自动测试系统、虚拟仪器、个人仪器的区别与联系，了解智能仪器的组成及各部分的原理与特点，了解智能仪器的典型处理功能教学重点：智能仪器的组成、智能仪器实例、个人仪器与自动化测试仪器的概念教学难点：个人仪器与自动化测试仪器的概念9.1 教学方法：演讲法、问题教学法、设计教学法、小组研讨法、座谈研讨等教学过程智能仪器概述凡是具有人工智能化的测量仪器均可统称为智能仪器，如无特别说明，书中的智能仪器特指为独立智能仪器（即传统智能仪器）独立智能仪器又称为灵巧仪器（SmartInstruments），它是自身带有微处理器能够独立进行测试的电子仪器除此之外，自动测试系统、个人仪器、虚拟仪器等也是具有人工智能化的测量仪器本章主要介绍独立智能仪器9.1.1 智能仪器的组成能仪器由硬件和软件两部分组成1. 硬件9.1 硬件主要包括主机电路、模拟量输入输出通道、人机接口和标准通信接口电路等，如图所示1）主机电路用来存储程序与数据，并进行一系列的运算和处理，参与各种功能控制通常由微处理器、程序存储器、输入输出（I/O）接口电路等组成，或者本身就是一个单片微型计算机。

2）模拟量输入输出通道用来输入输出模拟量信号，实现模拟量与数字量之间的变换主要由A/D变换器、D/A变换器和有关的模拟信号处理电路等组成3）人机接口用来沟通操作者与仪器之间的联系，主要由仪器面板上的键盘和显示器等组成4）标准通信接口用来实现仪器与计算机的联系，使仪器可以接受计算机的程控命令，一般情况下，智能仪器都配有GPIB（或RS232C等标准通信接口软件软件即程序，主要包括监控程序和接口管理程序两部分监控程序面向仪器面板和显示器，负责完成如下工作：通过键盘操作，输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数；通过控制I/O接口电路进行数据采集，对仪器进行预定的设置；对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理；以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果接口管理程序主要面向通信接口，负责接收并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数的程控操作码，并根据通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果以响应计算机的远程控制命令9.1.2 GPIB接口GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)即通用接口总线，是国际通用的仪器接口标准一般情况下，智能仪器都配有GPIB标准接口。

1. GPIB标准接口系统的概述GPIB标准接口包括接口与总线两部分接口部分由各种逻辑电路组成，与各仪器装置安装在一起，用于对传送的信息进行发送、接收、编码和译码总线部分是一条无源多芯电缆，用于传输各种消息，消息指的是总线上传递的各种信息图9.2(a)为具有GPIB接口的仪器通过GPIB总线连接起来的标准接口总线系统，DUT(DeviceUnderTest)为被测器件图9.2(b)为GPIB24线总线插座外形结构在一个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”三类仪器装置讲者是通过总线发送仪器消息的仪器装置，如测量仪器、数据采集器、计算机等听者是通过总线接收由讲者发出消息的装置，如打印机等控者是数据传输过程中的组织者和控制者，通常由计算机担任一个GPIB系统中，可以设置多个讲者、听者和控者，不允许有两个或两个以上的讲者或控者同时起作用，但允许多个听者同时工作控者、听者、讲者被称为系统功能的三要素，系统中的某一个装置可以具有三要素中的一个、两个或全部功功能例如，系统中的计算机可以兼顾实现“讲者”、“听者”与“控者”的功能2. GPIB标准接口的总线结构总线是一条24芯电缆，其中16条被用作信号线，其余则被用作逻辑地线及屏蔽线。

电缆两端是与图9.2(b)相似的双列24芯叠式结构插头GPIB标准接口总线中的16条信号线按功能可分为以下三组：① 8条双向数据总线(DI01〜DIOs)，用于传递包括数据、命令和地址等的仪器或接口消息，所传递消息的类型由其余两组信号线加以区分② 3条数据挂钩联络线(DAVNRF和NDAC，用于控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有节奏地传输信息，这种传输技术称为三线挂钩技术三线挂钩指的是讲者、控者、听者之间的逻辑联接与接续关系定义如下：?DAV(DadaValid)数据有效线：当数据线上出现有效数据时，讲者置该线为低(负逻辑)，示意听者从数据线上接收数据NRFD(NotReadyForData)数据未就绪线：只要听者中有一个尚未准备好接收数据，该线就为低，示意讲者暂不要发出信息NDAC(NotDataAccepted)数据未收到线：只要听者中有一个尚未从数据总线上接收完数据，该线就为低，示意讲者暂不要撤掉数据总线上的信息③ 5条接口管理控制线(ATNIFC、RENEOI和SRQ，用于控制GPIB总线接口的状态定义如下：?ATN(Attention)注意线：该线由控者使用，用来指明数据线上数据的类型。

当它为1时，数据总线上的信息是由控者发出的、用于管理接口部分工作的消息(命令、设备地址等)，这时，一切设备均要接收这些信息当它为0时，数据总线上的信息是由讲者发出的、用于完成仪器自身工作的仪器消息(数据、设备的控制命令等)，所有听者都必须听IFC(InterfaceClear)接口清除线：该线由控者使用，当它为1时，整个接口系统恢复到初始状态REN(RemoteEnable)远程控制线：该线由控者使用，当它为1时，仪器可能处于远程控制状态，从而封锁设备面板上的手工操作当它为0时，仪器处于本地工作方式SRQ(ServiceRequest)服务请求线：所有设备都与这条线“线或”在一起，任意设备将此线变为低态(SRQ^1)时，就表示向控者提出服务请求，然后控者通过依次查询确定提出请求的设备EQI(EndOrIdentify)结束或识别线：此线与ATN配合使用，当EOI为1、ATN为0时,表示讲者已传递完一组数据；当EOI为1、ATF为1时，表示控者要进行识别操作，要求设备把它们的状态放在数据线上3. GPIB标准接口的功能智能化测量仪器中每一个仪器装置都具有仪器功能和接口功能仪器功能的任务是把收到的控制信息变成仪器设备的实际动作，如调节频率、调节信号电平、改变仪器工作方式等，这与常规仪器设备的功能基本相同，为完成仪器功能而传递的消息称为仪器消息。

接口功能是指完成各仪器设备之间正确通讯，确保系统正常工作的能力，即通过GPIB标准接口实现自动测量与控制所必须的逻辑功能为完成接口功能而传递的消息称为接口消息接口功能包括：遇到故障等情况时，向系统控者提出服务请求的服务请求功能；系统控者为快速查询请求服务装置而设置的并行点名功能；用来选择远地工作状态或本地工作状态的远控本控能力；使装置从总线接收到触发信息，以便进行触发操作的装置触发功能；能使仪器装置接收清除信息并返回到初始状态的装置清除功能等9.1.3 智能仪器的特点与传统测量仪器相比较，智能仪器具有以下几个特点：(1)具有较完善的可程控能力智能仪器内部有微处理器，一般配有GPIB或RS-232等接口，并且采用ASCH码进行信息传递，使智能仪器具有可程控操作的能力2）面板控制（本地控制）简单灵活智能仪器使用键盘代替传统仪器中旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，这样既有利于提高仪器技术指标，又方便了仪器的操作3）输入输出方式灵活多样智能仪器可通过键盘输入任何数据或文字信息，或者用磁带、软盘等输入程序能以数字、字符、图形显示等方式输出输入输出方式灵活多样4）电路结构简单，测量精确度高，测量功能多样化微处理器具有强大的数据运算、数据处理和逻辑判断功能，这使得智能仪器能够有效地消除由于漂移、增益变化和干扰等因素所引起的误差，从而提高仪器的测量精度，电路结构进一步简化，测量功能更加多样化。

5）自动控制、自动调整能力增强智能仪器运用微处理器进行控制，可以方便地协调控制仪器的工作，实现测量仪器的自动控制，并具有一定的可编程能力及自动调零、自检、自校等功能，操作简单、维修方便9.2 智能仪器的典型处理功能智能仪器是以微处理器为核心进行工作的，它具有强大的数据处理和控制功能，与传统测量仪器相比具有许多典型的处理功能，例如自检、自动测量等功能9.2.1硬件故障的自检功能自检功能是指利用事先编制好的检测程序对仪器主要部件进行自动检测，并对故障进行定位自检方式有三种类型：（1）开机自检开机自检是在仪器正式投入运行之前，即仪器接通电源或复位之后所进行的全面检查自检中如果没有发现问题，就进入测量程序；如果发现问题，则及时报警，以避免仪器带病工作2）周期性自检周期性自检是指在仪器运行过程中间断进行的自检操作，这种操作可以保证仪器在使用过程中一直处于正常状态周期性自检不影响仪器的正常工作，因而只有当出现故障给予报警时，用户才会觉察3）键盘自检具有键盘自检功能的仪器面板上设有“自检”按键，当用户对仪器的可信度产生怀疑时，便通过该按键来启动一次自检过程自检过程中，如果检测到仪器出现某些故障，智能仪器一般都以文字或数字的形式显示“出错代码”。

另外，往往还以指示灯的闪烁或声音等方式进行报警，以引起操作人员的注意9.2.2 自动测量功能智能仪器通常具有自动量程变换、自动零点调整、自动校准以及自动触发电平调节等自动测量功能1）自动量程变换自动量程变换是指仪器在很短时间内自动选定最合理的量程这样可以使仪器获得高精度的测量，并简化操作自动量程变换一般由初设量程开始，逐级比较，直至选出最合适的量程为止假设某电压表共有0.1V、IV、10V、100V四个量程，它的自动量程变换流程如图9.3所示2）自动触发电平调节能仪器自动触发电平调节原理如图9.4所示，其中，输入信号经过可程控衰减器传送到比较器，比较器的比较电平（即触发电平）则由D/A变换器设定的当经过衰减器的输入信号的幅度达到某一比较电平时，比较器输出将改变状态触发探测器将检测到的比较器的输出状态送到微处理器，由此测出触发电平来3）自动零点调整仪器零点漂移的大小及零点是否稳定是产生测量误差的主要来源之一，智能仪器能够在微处理器的控制下，自动产生一个与零点偏移量相等的校正量与零点偏移量进行抵消，从而有效地消除零点偏移等对测量结果的影响，这就是智能仪器的自动零点调整功能4）自动校准智能仪器自动校准时，操作者按下“自动校准”按键，仪器显示屏便提示操作者应输入的标准电压，操作者按提示要求将相应标准电压加到输入端后，再按一次“自动校准”键，仪器进行一次测量并将标准量存入到校准存储器，然后显示器提示下一个要求输入的标准电压值，再重复上述测量存储过程。

当对预定的校正测量完成之后，校准程序还能自动计算每两个校准点之间的修正公式系数，并把这些系数存入校准存储器，于是在仪器内部固存了一张校准表和一张修正公式系数表在正式测量时，它们将与测量结果一起形成经过修正的准确测量值，该方法称为校准存储器法为防止丢失数据，存储器采用EEPROM电擦除只读存储器）或采用锂电池供电的非易失性存储器RAM除上述功能外，智能仪器还利用微处理器对测量过程中产生的随机误差、系统误差、粗大误差自动进行处理，以减小测量误差对测量结果的影响另外，在不增加任何硬件设备的情况下，还利用微处理器采用数字滤波方法消除或削弱测量中的干扰和噪声的影响，提高测量的可靠性和精确度9.3 智能仪器实例一智能化DVM简介9.3.1概。