虛擬儀器技術.

1、本課程的教學安排 講課：24學時 上機：24學時 學分：3主要教學目的： 1、了解虛擬儀器的原理與技術 2、掌握虛擬儀器設計及軟件編程No Measurement, No Science.No Measurement, No Science.No Science, No Industry.No Science, No Industry.No Industry, No Pollution.No Industry, No Pollution.機械式測量儀器機械式測量儀器模擬式電子測量儀器模擬式電子測量儀器模擬電子技術的發(fā)展模擬電子技術的發(fā)展數字式電子測量儀器數字式電子測量儀器數字電子技術的發(fā)展數字

2、電子技術的發(fā)展可程控儀器可程控儀器 計算機技術的發(fā)展計算機技術的發(fā)展模塊式儀器模塊式儀器虛擬儀器虛擬儀器軟件技術的發(fā)展軟件技術的發(fā)展個人儀器個人儀器個人計算機的發(fā)展個人計算機的發(fā)展嵌入式技術的發(fā)展嵌入式技術的發(fā)展智能儀器智能儀器 智能傳感器智能傳感器 計算機網絡技術的發(fā)展計算機網絡技術的發(fā)展現場總線儀器現場總線儀器網絡化儀器網絡化儀器網絡化傳感器網絡化傳感器虛擬儀器測試系統虛擬儀器測試系統測試技術的發(fā)展測試技術的發(fā)展一、機械式測量儀器一、機械式測量儀器時間的測量（計時器）時間的測量（計時器） 利用地球自轉時日照的陰影來確定時間。利用地球自轉時日照的陰影來確定時間。日日 晷晷 利用流體從小孔中勻

3、速等量的流動特性來利用流體從小孔中勻速等量的流動特性來確定時間。確定時間。沙漏計時器沙漏計時器 利用利用單擺單擺運動的等時性來確定時間。運動的等時性來確定時間。單擺運動單擺運動擺鐘擺鐘 利用利用游絲游絲擺動的等時性來確定時間。擺動的等時性來確定時間。游絲游絲機械鐘機械鐘機械手表機械手表機械秒表機械秒表溫度的測量（溫度計）溫度的測量（溫度計） 利用液體利用液體熱脹冷縮熱脹冷縮的原理來確定溫度。的原理來確定溫度。酒精溫度計酒精溫度計水銀溫度計水銀溫度計 利用金屬簧片利用金屬簧片熱脹冷縮熱脹冷縮的原理來確定溫度。的原理來確定溫度。金屬溫度計金屬溫度計力和質量的測量力和質量的測量 利用利用杠桿杠桿的平

4、衡原理來確定力和質量。的平衡原理來確定力和質量。桿秤桿秤地磅地磅天平天平物理天平物理天平分析天平分析天平 利用金屬的利用金屬的彈性形變彈性形變原理來確定力和質量。原理來確定力和質量。彈簧秤彈簧秤臺秤臺秤體重計體重計壓力表壓力表數的計量（計數器）數的計量（計數器）手動計數器手動計數器水表水表燃氣表燃氣表電度表電度表二、模擬式電子測量儀器二、模擬式電子測量儀器 出現于出現于20世紀初，伴隨著電子技術的發(fā)世紀初，伴隨著電子技術的發(fā)展而發(fā)展。測量、讀數由人工完成，人為誤展而發(fā)展。測量、讀數由人工完成，人為誤差和系統誤差較大，且效率低，功能單一。差和系統誤差較大，且效率低，功能單一。時間的測量時間的測量

5、 時間的確定由電子方式實現，時間的顯時間的確定由電子方式實現，時間的顯示由機械方式實現。示由機械方式實現。 即利用即利用石英晶體石英晶體的固有振蕩頻率來產生的固有振蕩頻率來產生等時間隔的脈動電流，電生磁，磁生力，力等時間隔的脈動電流，電生磁，磁生力，力驅動指針來顯示時間。驅動指針來顯示時間。石英晶振石英晶振石英手表石英手表石英鐘石英鐘電參數的測量電參數的測量 采用采用電磁感應電磁感應的原理，將各類電參數的的原理，將各類電參數的測量感應為電流，電生磁，磁生力，力驅動測量感應為電流，電生磁，磁生力，力驅動表盤指針來顯示讀數，或驅動表盤指針來顯示讀數，或驅動CRT的電子束的電子束來顯示曲線。來顯示曲

6、線。電磁感應式的電壓測量電磁感應式的電壓測量大電阻大電阻待測電壓待測電壓表頭表頭電磁感應式的電流測量電磁感應式的電流測量小電阻小電阻待測電流待測電流表頭表頭小電阻小電阻電磁感應式的電阻測量電磁感應式的電阻測量待測電阻待測電阻電阻電阻表頭表頭直流電源直流電源英國老式指針萬用表英國老式指針萬用表指針萬用表指針萬用表鉗型指針萬用表鉗型指針萬用表指針式交流毫伏表指針式交流毫伏表指針式超高頻毫伏表指針式超高頻毫伏表指針式接地電阻測試儀指針式接地電阻測試儀指針式絕緣電阻測試儀指針式絕緣電阻測試儀CRT方式的信號波形顯示方式的信號波形顯示電子槍偏轉系統X偏轉板Y偏轉板燈絲輝度調節(jié)聚焦調節(jié)輔助聚焦熒光屏模擬示

7、波器模擬示波器模擬式頻譜分析儀模擬式頻譜分析儀頻率特性測試儀頻率特性測試儀晶體管圖示儀晶體管圖示儀電信號的產生電信號的產生高頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器電視信號發(fā)生器電視信號發(fā)生器三、數字式電子測量儀器三、數字式電子測量儀器 出現于出現于20世紀世紀50年代，伴隨著年代，伴隨著數字電路數字電路技術、技術、傳感器傳感器技術以及技術以及模模/數轉換數轉換技術的發(fā)技術的發(fā)展而發(fā)展。數字測量儀器取代模擬測量儀器展而發(fā)展。數字測量儀器取代模擬測量儀器成為發(fā)展趨勢，不僅測量精度、分辨率和測成為發(fā)展趨勢，不僅測量精度、分辨率和測量速度有了很大的提高，而且為實現自動化量速度有了很大的

8、提高，而且為實現自動化測試奠定基礎。測試奠定基礎。 時間的測量時間的測量 時間的確定采用電子計時方式（晶振）時間的確定采用電子計時方式（晶振）來實現，并采用數碼管、液晶來進行時間的來實現，并采用數碼管、液晶來進行時間的數字顯示。數字顯示。電子手表電子手表電子秒表電子秒表電子鐘電子鐘數字式毫秒計數字式毫秒計模模/數轉換技術是模擬儀器數字化的基礎數轉換技術是模擬儀器數字化的基礎采樣采樣關鍵指標為采樣速率采樣速率 10000000 10110001 11011011 11110110 11111111 11110110 11011011 10110001 10000000 01001111 0010

9、0101 00001010 00000000 00001010 00100101 01001111 10000000量化量化關鍵指標為量化等級量化等級即分辨率分辨率分辨率設為8位模擬信號模擬信號模模/數轉換的方式數轉換的方式 雙積分式雙積分式A/D變換變換 逐次比較式逐次比較式A/D變換變換 高速并行式高速并行式A/D變換變換數字式測量儀器的基本模型數字式測量儀器的基本模型被測對象被測對象傳感器傳感器物理信號物理信號模模/數轉換數轉換模擬電信號模擬電信號數據處理數據處理數字電信號數字電信號數據顯示數據顯示/存儲存儲溫度的測量溫度的測量 利用利用溫度傳感器溫度傳感器將溫度感應為模擬電信號，將溫度

10、感應為模擬電信號，再由再由模模/數變換數變換為數字電信號，并采用數碼管、為數字電信號，并采用數碼管、液晶來進行溫度的數字顯示。液晶來進行溫度的數字顯示。溫度傳感器溫度傳感器數字溫度計數字溫度計數字式溫度表數字式溫度表筆式數字溫度計筆式數字溫度計帶溫度測試的電子臺歷帶溫度測試的電子臺歷 利用物理的溫度與其發(fā)出的紅外線強度成利用物理的溫度與其發(fā)出的紅外線強度成正比的原理，通過正比的原理，通過紅外傳感器紅外傳感器將紅外線感應將紅外線感應為模擬電信號，再由為模擬電信號，再由模模/數變換數變換為數字電信號。為數字電信號。紅外傳感器紅外傳感器便攜式紅外測溫儀便攜式紅外測溫儀手握式紅外測溫儀手握式紅外測溫儀

11、筆式紅外測溫儀筆式紅外測溫儀力的測量力的測量 利用利用壓力傳感器壓力傳感器將力感應為模擬電信號，將力感應為模擬電信號，再由再由模模/數變換數變換為數字電信號。為數字電信號。壓力傳感器壓力傳感器電子臺秤電子臺秤電子地磅電子地磅電子天平電子天平電子吊秤電子吊秤數字式體重計數字式體重計數字式壓力表數字式壓力表數的計量數的計量電子計數器電子計數器通用電子計數器通用電子計數器菌落計數器菌落計數器臺式空氣塵埃粒子計數器臺式空氣塵埃粒子計數器手持式空氣塵埃粒子計數器手持式空氣塵埃粒子計數器液體粒子計數器液體粒子計數器血液分析儀血液分析儀電參數的測量電參數的測量 通過通過模模/數變換數變換將模擬電信號轉換為數

12、字將模擬電信號轉換為數字電信號，并采用數碼管、液晶或電信號，并采用數碼管、液晶或CRT來顯示來顯示讀數或曲線。讀數或曲線。數字萬用表數字萬用表臺式數字萬用表臺式數字萬用表筆式數字萬用表筆式數字萬用表數字式鉗型萬用表數字式鉗型萬用表數字式毫伏表數字式毫伏表數字式接地電阻測試儀數字式接地電阻測試儀數字式鉗型接地電阻測試儀數字式鉗型接地電阻測試儀數字式絕緣電阻測試儀數字式絕緣電阻測試儀數字存儲示波器數字存儲示波器四通道數字存儲示波器四通道數字存儲示波器手持式數字示波表手持式數字示波表數字式頻譜分析儀數字式頻譜分析儀手持式頻譜分析儀手持式頻譜分析儀邏輯分析儀邏輯分析儀網絡分析儀網絡分析儀電信號的產生電

13、信號的產生數字合成信號發(fā)生器數字合成信號發(fā)生器數字式掃頻儀數字式掃頻儀任意信號發(fā)生器任意信號發(fā)生器四、可程控儀器四、可程控儀器 出現于出現于20世紀世紀60年代，伴隨著計算機技術的發(fā)年代，伴隨著計算機技術的發(fā)展而發(fā)展。將傳統儀器中的機械開關、機械旋鈕等展而發(fā)展。將傳統儀器中的機械開關、機械旋鈕等手動調節(jié)方式改為數字量的電調方式，從而可實現手動調節(jié)方式改為數字量的電調方式，從而可實現程序控制程序控制。從單一的測量儀器發(fā)展為集控制、測量、。從單一的測量儀器發(fā)展為集控制、測量、分析、計算、顯示與存儲為一體的分析、計算、顯示與存儲為一體的自動測試系統自動測試系統，可以完成更多任務、更高精度、更高速度的

14、測試?？梢酝瓿筛嗳蝿?、更高精度、更高速度的測試。測試軟件測試軟件開始出現并逐漸顯露出其重要性。開始出現并逐漸顯露出其重要性。 同時，自動測試系統從早期的面向具體測試任同時，自動測試系統從早期的面向具體測試任務的務的專用接口專用接口發(fā)展為面向標準總線的發(fā)展為面向標準總線的RS232C接口接口和和GPIB接口接口，具有更好的通用性和擴展性。，具有更好的通用性和擴展性。RS232C簡介簡介 RS232C標準制定于標準制定于1969年，最初是為了把年，最初是為了把計算機通過電話網相連而設計的。它是一種點對計算機通過電話網相連而設計的。它是一種點對點的點的串行接口串行接口，采用，采用異步傳輸方式異步傳

15、輸方式。 RS232C標準采用標準采用25針連接器，在微型計算機針連接器，在微型計算機通信中常使用其中的通信中常使用其中的9個引腳。個引腳。區(qū)別：串行傳輸和并行傳輸串行傳輸和并行傳輸 異步傳輸和同步傳輸異步傳輸和同步傳輸RS232C 25針接口針接口RS232C 9針接口針接口RS232C 引腳功能引腳功能RS232C 連接器（連接器（9針）針）RS232C 9-25針轉換器針轉換器RS232C的特點的特點 電纜最大長度為電纜最大長度為15米。米。 采用點對點連接，即器件容量為采用點對點連接，即器件容量為2臺。臺。 傳輸速率較低，一般為傳輸速率較低，一般為9600b/s，最高為，最高為19.2

16、Kb/s。 總線邏輯電平為總線邏輯電平為負邏輯負邏輯，即，即邏輯邏輯0為為+3+15V，邏輯邏輯1為為-3-15V，當與當與TTL電平電平連接時需要進行連接時需要進行電平轉換。電平轉換。 通用性強，大多數器件都有這種接口，且大多數通用性強，大多數器件都有這種接口，且大多數計算機語言都支持這種接口。計算機語言都支持這種接口。 價格低廉。價格低廉。 可以采用調制解調器實現更遠距離的通訊?？梢圆捎谜{制解調器實現更遠距離的通訊。GPIB簡介簡介 出現于出現于20世紀世紀70年代。儀器設備采用了標準年代。儀器設備采用了標準化的接口和總線，可以按化的接口和總線，可以按堆積木堆積木的方式進行連接的方式進行連

17、接和擴展。和擴展。 GPIB的另一個常用的稱呼是的另一個常用的稱呼是IEEE-488。GPIB 接口卡接口卡GPIB 電纜電纜GPIB 接口針腳定義接口針腳定義可堆疊可堆疊的的 GPIB 測試系統測試系統計算機計算機可程控儀器可程控儀器可程控儀器可程控儀器可程控儀器可程控儀器可程控儀器可程控儀器GPIB卡卡GPIB的基本性能的基本性能 可堆疊連接，器件容量為可堆疊連接，器件容量為15臺，即除計算機外可容臺，即除計算機外可容納納14臺儀器。臺儀器。 電纜總長度不超過電纜總長度不超過20米。米。 數據傳輸速率一般為數據傳輸速率一般為250500KB/S。若采用。若采用三態(tài)三態(tài)門門發(fā)送，且電纜總長小

18、于發(fā)送，且電纜總長小于10米，則數據傳輸速率最米，則數據傳輸速率最高可達高可達1MB/S。 采用采用5比特地址編碼，其中全比特地址編碼，其中全1地址表示取消聽或講地址表示取消聽或講功能，因此地址容量為功能，因此地址容量為31個。個。 總線的邏輯電平為總線的邏輯電平為TTL負邏輯負邏輯。 數據傳輸方式為數據傳輸方式為雙向異步傳輸雙向異步傳輸。 器件按執(zhí)行功能分為三類：器件按執(zhí)行功能分為三類： 控者控者：即系統的指揮者和管理者，一般為計算機。：即系統的指揮者和管理者，一般為計算機。 講者講者：即控者退出控制后發(fā)出命令或數據的器件。：即控者退出控制后發(fā)出命令或數據的器件。 聽者聽者：即接收命令或數據

19、的器件。：即接收命令或數據的器件。GPIB 總線結構圖總線結構圖GPIB總線一般為總線一般為24條或條或25條，其中有用條，其中有用信號線為信號線為16條，其余為地線和屏蔽線。條，其余為地線和屏蔽線。有用信號線包括有用信號線包括8條數據線條數據線：用于傳遞命令、地址和數據。：用于傳遞命令、地址和數據。3條掛鉤線條掛鉤線：用于實現可靠的異步傳輸。：用于實現可靠的異步傳輸。5條管理線條管理線：用于系統的管理。：用于系統的管理。注：注：GPIB總線沒有專門的地址總線。總線沒有專門的地址總線。地址是通過地址是通過8位數據線傳遞的：位數據線傳遞的： 講地址為講地址為 X X 1 0 T5 T4 T3 T

20、2 T1 聽地址為聽地址為 X X 0 1 T5 T4 T3 T2 T1 X 表示任意。表示任意。設備設備A聽、講、控聽、講、控 （如計算機）（如計算機）設備設備B聽、講聽、講 （如數字電壓表）（如數字電壓表） 設備設備C聽聽（如信號源）（如信號源）設備設備D講講 （如紙帶讀出器）（如紙帶讀出器）8條數據線條數據線3條掛鉤線條掛鉤線5條管理線條管理線16條有用信號線條有用信號線可程控儀器的標準化可程控儀器的標準化 IEEE 488.1 IEEE 488.1 規(guī)定了各類程控儀器在電氣上、機械上和功能上的相容規(guī)定了各類程控儀器在電氣上、機械上和功能上的相容性，可以保證系統中各部件間的正確通訊。性，

21、可以保證系統中各部件間的正確通訊。 IEEE 488.2 IEEE 488.2 在在 IEEE 488.1 的基礎上規(guī)定了程控代碼、格式、通訊協的基礎上規(guī)定了程控代碼、格式、通訊協議和公用命令方面的標準，加強了不同廠家儀器之間的兼容性。議和公用命令方面的標準，加強了不同廠家儀器之間的兼容性。 可程控儀器標準命令可程控儀器標準命令 SCPI 可程控儀器標準命令可程控儀器標準命令 SCPI 在在 IEEE 488.2 的基礎上進一步規(guī)定了儀的基礎上進一步規(guī)定了儀器程控和儀器響應中器件消息的標準，實現了不同類型儀器的器程控和儀器響應中器件消息的標準，實現了不同類型儀器的縱向兼容縱向兼容和和橫向兼容橫

22、向兼容，大大提高了測試程序的通用性，減輕了程序員的工作量。，大大提高了測試程序的通用性，減輕了程序員的工作量。GPIB的功能協議層的功能協議層器件消息器件消息公用命令和查詢公用命令和查詢語法和數據結構語法和數據結構遠地消息遠地消息IEEE 488.1IEEE 488.2IEEE 488.2SCPISCPI器件器件A器件器件B五、智能儀器五、智能儀器 出現于出現于20世紀世紀70年代末期，伴隨著計算機技術年代末期，伴隨著計算機技術的發(fā)展而發(fā)展。將的發(fā)展而發(fā)展。將微處理器微處理器嵌入到儀器中，儀器可嵌入到儀器中，儀器可以獨立運行測控程序，具有數據存儲、數據運算、以獨立運行測控程序，具有數據存儲、數

23、據運算、邏輯判斷和自動化操作等功能，具有一定的智能。邏輯判斷和自動化操作等功能，具有一定的智能。 近些年，智能儀器逐漸從近些年，智能儀器逐漸從數據處理數據處理向向知識處理知識處理發(fā)展，如模糊判斷、故障診斷、容錯技術、傳感器發(fā)展，如模糊判斷、故障診斷、容錯技術、傳感器信息融合、器件壽命預測等，體現出了更高層次的信息融合、器件壽命預測等，體現出了更高層次的智能水平。智能水平。智能儀器的構成智能儀器的構成 智能儀器的核心是智能儀器的核心是微處理器微處理器。 智能儀器具有計算機的基本結構，如微處智能儀器具有計算機的基本結構，如微處理器、存儲器、鍵盤、顯示器以及外設（如打理器、存儲器、鍵盤、顯示器以及外

24、設（如打印機）接口等，其與普通計算機的主要差別在印機）接口等，其與普通計算機的主要差別在于多了一個測試部分。于多了一個測試部分。智能儀器的基本組成智能儀器的基本組成微處理器微處理器ROM（程序存儲）（程序存儲）人機接口人機接口鍵盤鍵盤顯示器顯示器接口接口其他其他外設外設I/O接口接口A/D被測信號被測信號GPIB接口接口自動測試自動測試系統系統計算機部分計算機部分測試部分測試部分RAM（數據存儲）（數據存儲）D/A信號調信號調理電路理電路模擬輸模擬輸出電路出電路輸出信號輸出信號智能儀器的特點智能儀器的特點 智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y的機械控件，大大簡化智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y的機械控件，大大簡化

25、了儀器的面板布局和內部構造，方便了儀器操作，具了儀器的面板布局和內部構造，方便了儀器操作，具有良好的人機對話能力。有良好的人機對話能力。 微處理器可以運行數據處理和誤差校正等算法程序，微處理器可以運行數據處理和誤差校正等算法程序，大大提高了儀器的測量精度大大提高了儀器的測量精度。 微處理器可以實現很強的控制功能，大大提高了儀微處理器可以實現很強的控制功能，大大提高了儀器的自動化水平器的自動化水平。 智能儀器可以用軟件來代替很多硬件電路的工作，從智能儀器可以用軟件來代替很多硬件電路的工作，從而簡化了結構、減小了體積、降低了成本以及提高了可而簡化了結構、減小了體積、降低了成本以及提高了可靠性。靠性

26、。 智能儀器一般都帶有智能儀器一般都帶有 GPIB 接口，可以方便地組成自接口，可以方便地組成自動測試系統，完成更復雜的測試任務。動測試系統，完成更復雜的測試任務。 隨著嵌入式技術（如單片機、隨著嵌入式技術（如單片機、DSP、ARM）的發(fā)展，）的發(fā)展，智能儀器將朝著更高智能、更多功能、更小型化的方向智能儀器將朝著更高智能、更多功能、更小型化的方向發(fā)展。發(fā)展。智能儀器的不足智能儀器的不足 在組建自動測試系統時，各智能儀器的計在組建自動測試系統時，各智能儀器的計算機部分（如微處理器、存儲器、鍵盤、顯示算機部分（如微處理器、存儲器、鍵盤、顯示器、外設接口等）大多是相同的，造成了硬件器、外設接口等）大

27、多是相同的，造成了硬件資源的冗余和浪費。資源的冗余和浪費。六、個人儀器六、個人儀器 也稱為也稱為PC儀器儀器，伴隨著個人計算機（，伴隨著個人計算機（PC機）的機）的發(fā)展而發(fā)展。即在智能儀器的基礎上，將原智能儀發(fā)展而發(fā)展。即在智能儀器的基礎上，將原智能儀器的器的測試部分測試部分做成各種儀器卡插到計算機的做成各種儀器卡插到計算機的內總線內總線擴展槽中，而原智能儀器的擴展槽中，而原智能儀器的計算機部分計算機部分（微處理器、（微處理器、存儲器、鍵盤和顯示器等）則由存儲器、鍵盤和顯示器等）則由PC機本身的資源取機本身的資源取代。代。 個人儀器個人儀器充分利用了充分利用了PC機的軟、硬件資源，結機的軟、硬

28、件資源，結構簡單，使用維護方便，而且大大降低了成本，也構簡單，使用維護方便，而且大大降低了成本，也縮短了研發(fā)周期。縮短了研發(fā)周期。個人儀器的構成個人儀器的構成數字示波器卡數字示波器卡數字電壓表卡數字電壓表卡信號源卡信號源卡CPU內存內存PC 機主板機主板內總線擴展槽內總線擴展槽PC機內總線簡介機內總線簡介 PC總線總線 用于早期的用于早期的IBM PC/XT機及兼容機，機及兼容機，62個引腳，支個引腳，支持持8位數據寬度和位數據寬度和20位地址通道，傳輸速率較低。位地址通道，傳輸速率較低。 ISA總線總線 最早用于最早用于IBM PC/AT機及兼容機，在機及兼容機，在PC總線的基礎總線的基礎上

29、擴展了一個上擴展了一個36線的插槽，共線的插槽，共98個引腳，支持個引腳，支持16位數據位數據寬度和寬度和24位地址通道，傳輸速率可達到位地址通道，傳輸速率可達到 8MB/s。 EISA總線總線 隨著隨著80386、80486等微處理器的推出而出現，主要等微處理器的推出而出現，主要是為了解決是為了解決CPU強大的處理能力與低性能的系統總線之強大的處理能力與低性能的系統總線之間瓶頸問題。間瓶頸問題。 EISA總線在總線在ISA總線的基礎上增加了數據線、地址總線的基礎上增加了數據線、地址線和控制線，采用上下兩列的結構形式，將線和控制線，采用上下兩列的結構形式，將ISA的的98個個引腳擴展到了引腳擴

30、展到了196個引腳。個引腳。 PCI總線總線 PCI總線是一個高性能的總線是一個高性能的局部總線局部總線，120個引腳，支個引腳，支持持32位數據寬度，并可以擴展到位數據寬度，并可以擴展到64位。當采用位。當采用32位數據位數據寬度、寬度、33MHz時鐘頻率時，傳輸速率可以達到時鐘頻率時，傳輸速率可以達到132MB/s，當采用當采用64位數據寬度、位數據寬度、66MHz時鐘頻率時，傳輸速率時鐘頻率時，傳輸速率可以達到可以達到528MB/s。 另外，另外，PCI控制器采用了與控制器采用了與CPU無關的設計結構，無關的設計結構，總線機制完全獨立，從而可以支持未來的各種總線機制完全獨立，從而可以支持

31、未來的各種CPU，具，具有長久的生命期。有長久的生命期。PCI 數據采集卡數據采集卡數字電壓表數字電壓表數字示波器數字示波器電子計數器電子計數器個人儀器的不足個人儀器的不足主要體現在以下幾個方面：主要體現在以下幾個方面： 在在PC機內，各儀器卡不能同步觸發(fā)，儀器卡之間無法機內，各儀器卡不能同步觸發(fā)，儀器卡之間無法直接通訊，也無法傳遞模擬信號。直接通訊，也無法傳遞模擬信號。 在在PC機內，儀器卡受到較強的電磁干擾，并缺乏有效機內，儀器卡受到較強的電磁干擾，并缺乏有效的電磁兼容措施。的電磁兼容措施。 PC機無法滿足重載儀器對電流和散熱的要求。機無法滿足重載儀器對電流和散熱的要求。 在在PC機內，各

32、儀器卡的控制和處理工作都統一由機內，各儀器卡的控制和處理工作都統一由CPU來處理，使得個人儀器系統的工作效率不高。來處理，使得個人儀器系統的工作效率不高。七、模塊式儀器七、模塊式儀器 也稱為也稱為插件式儀器插件式儀器。即將個人儀器向。即將個人儀器向PC機外擴展，機外擴展，采用獨立的機箱和與地隔離的獨立電源系統，采取有采用獨立的機箱和與地隔離的獨立電源系統，采取有效的電磁兼容措施，并定義新的儀器總線，將儀器卡效的電磁兼容措施，并定義新的儀器總線，將儀器卡做成做成插件（模塊）插件（模塊）插到機箱中，不僅組建、使用靈活插到機箱中，不僅組建、使用靈活方便，而且避開了方便，而且避開了PC機和外界的電磁干

33、擾。另外，采機和外界的電磁干擾。另外，采用獨立的微處理器，提高了控制能力和處理速度，并用獨立的微處理器，提高了控制能力和處理速度，并可向多可向多CPU分布式系統發(fā)展，滿足更高測試速度的要分布式系統發(fā)展，滿足更高測試速度的要求。求。 目前廣泛應用的標準規(guī)范有目前廣泛應用的標準規(guī)范有VXI總線總線和和PXI總線總線。VXI 總線系統簡介總線系統簡介 出現于出現于20世紀世紀80年代末，由年代末，由HP、Tektronix等五等五家國際著名的儀器制造商聯合制定，統一了家國際著名的儀器制造商聯合制定，統一了模塊式模塊式儀器儀器的標準及行業(yè)規(guī)范。的標準及行業(yè)規(guī)范。 VXI總線總線是是VME總線總線（工業(yè)

34、控制標準總線）在（工業(yè)控制標準總線）在儀器領域的擴展，并以其完全開放的模塊式結構，儀器領域的擴展，并以其完全開放的模塊式結構，小型便攜、組建靈活、使用方便的特點以及高速率、小型便攜、組建靈活、使用方便的特點以及高速率、高精度、高可靠的性能，迅速被業(yè)界所接受。高精度、高可靠的性能，迅速被業(yè)界所接受。 VXI即不象可程控儀器那樣只把計算機當作簡單即不象可程控儀器那樣只把計算機當作簡單的控制器，也不象個人儀器那樣過分依賴計算機的的控制器，也不象個人儀器那樣過分依賴計算機的環(huán)境，環(huán)境，VXI的出現標志著測試儀器系統進入了一個的出現標志著測試儀器系統進入了一個嶄新的發(fā)展階段。嶄新的發(fā)展階段。A尺寸尺寸B

35、尺寸尺寸C尺寸尺寸D尺寸尺寸P1連接器連接器P1連接器連接器P2連接器連接器P1連接器連接器P2連接器連接器P1連接器連接器P2連接器連接器P3連接器連接器VXI 總線的四種尺寸的模塊（插件）總線的四種尺寸的模塊（插件）VXI總線連接器總線連接器A列（列（32腳）腳）B列（列（32腳）腳）C列（列（32腳）腳）共共96個引腳個引腳VXI總線的 C 尺寸機箱P2 連接器P1 連接器下導軌上導軌冷氣孔0 槽1-12 槽背板（12層印制板）冷風扇氣流方向VXI 總線的總線的C尺寸尺寸機箱機箱VXI 總線的總線的C尺寸尺寸模塊模塊VXI 總線的總線的D尺寸尺寸模塊模塊VXI 總線測試總線測試系統系統V

36、XI 總線系統的幾種典型結構總線系統的幾種典型結構單單CPU系統系統主控計算機主控計算機CPU儀器儀器1儀器儀器2RAM儀器儀器3VXI 機箱機箱0 槽模塊槽模塊接口接口軟面板軟面板多多CPU系統系統主控計算機主控計算機CPU儀器儀器1儀器儀器2RAMHardDiskVXI 機箱機箱0 槽模塊槽模塊接口接口CPUCPU儀器儀器3儀器軟面板儀器軟面板分層儀器系統分層儀器系統主控計算機主控計算機CPU儀器儀器1儀器儀器1VXI 機箱機箱0 槽模塊槽模塊接口接口CPUCPU儀器儀器2命令者命令者從者從者從者從者儀器儀器1儀器儀器2命令者命令者從者從者CPU軟面板軟面板多機箱系統多機箱系統主控計算機主

37、控計算機CPU儀器儀器1儀器儀器10 槽模塊槽模塊CPUCPU儀器儀器2命令者命令者從者從者從者從者儀器儀器1儀器儀器2命令者命令者從者從者CPU軟面板軟面板CPU儀器儀器3儀器儀器4CPU儀器儀器50 槽模塊槽模塊 儀器儀器6內嵌式獨立系統內嵌式獨立系統嵌入式嵌入式儀器儀器1儀器儀器2CPUCPU儀器儀器3RAMHardDiskCPU主控主控計算機計算機VXI 機箱與計算機的接口機箱與計算機的接口 RS232C 串行接口串行接口 參見第四講參見第四講可程控儀器可程控儀器。計算機計算機CPU儀器儀器1儀器儀器2RAM儀器儀器3CPU儀器儀器1儀器儀器2RAM儀器儀器3VXI機箱機箱RS232C

38、VXIRS232CVXI GPIB 接口接口 參見第四講參見第四講可程控儀器可程控儀器。計算機計算機CPU儀器儀器1儀器儀器2RAM儀器儀器3VXI機箱機箱GPIB卡卡CPU儀器儀器1儀器儀器2RAM儀器儀器3GPIBVXIGPIBVXI MXI 總線接口總線接口 MXI（Multi-system eXtension Interface）是美國是美國NI公公司于司于19891989年公布的一種開放的總線結構。年公布的一種開放的總線結構。 MXI總線的特點：總線的特點： 并行總線，寬度為并行總線，寬度為62線。線。 可堆疊連接，最多可連接可堆疊連接，最多可連接32個個VXI機箱。機箱。 電纜最大

39、長度為電纜最大長度為20米。米。 高速，可達到高速，可達到 20MB/s的傳輸速率。的傳輸速率。 實時性好。實時性好。計算機計算機CPU儀器儀器1儀器儀器2RAM儀器儀器3VXI機箱機箱MXI卡卡CPU儀器儀器1儀器儀器2RAM儀器儀器3MXIVXIMXIVXI IEEE1394 接口接口 IEEE1394接口是美國接口是美國Apple公司于公司于20世紀世紀80年代提出年代提出的一種高速的的一種高速的串行接口串行接口，最高速率可以達到，最高速率可以達到400Mb/s。 1394接口突出優(yōu)點是具有熱插拔特性，可自動識別，接口突出優(yōu)點是具有熱插拔特性，可自動識別，自動組態(tài)，實現即插即用。自動組態(tài)

40、，實現即插即用。 另外另外1394接口的成本較低，性價比較好。接口的成本較低，性價比較好。計算機計算機CPU儀器儀器1儀器儀器2RAM儀器儀器3CPU儀器儀器1儀器儀器2RAM儀器儀器3VXI機箱機箱1394VXI1394VXIVXI 總線的組成總線的組成 VXI總線總線是由是由VME總線總線擴展而來，因此擴展而來，因此VXI總線的組成包括總線的組成包括VME總線和擴展的總線兩大部總線和擴展的總線兩大部分。分。 VME總線總線 VME總線由四種總線組成：總線由四種總線組成： 數據傳輸總線數據傳輸總線DTB（75條）條） 32bit數據寬度和數據寬度和4G字節(jié)的尋址空間，傳輸速率可達字節(jié)的尋址空

41、間，傳輸速率可達到到40MB/s。 DTB仲裁總線（仲裁總線（14條）條） 用于多處理器系統，分為用于多處理器系統，分為4種優(yōu)先級，避免多個模塊種優(yōu)先級，避免多個模塊同時使用數據傳輸總線。同時使用數據傳輸總線。 優(yōu)先中斷總線（優(yōu)先中斷總線（10條）條） 用于處理中斷請求和中斷認可等操作，分為用于處理中斷請求和中斷認可等操作，分為7種優(yōu)先種優(yōu)先級的中斷。級的中斷。 公用總線（公用總線（6條）條） 提供提供16MHz系統時鐘以及定義系統初始化和故障監(jiān)系統時鐘以及定義系統初始化和故障監(jiān)測等功能。測等功能。 VXI擴展的總線擴展的總線 VXI總線在總線在VME總線基礎上新增了一些適合于測試總線基礎上新

42、增了一些適合于測試系統的總線：系統的總線： 10MHz系統時鐘線系統時鐘線 模塊識別線模塊識別線 用于檢測模塊的存在并指出其物理位置。用于檢測模塊的存在并指出其物理位置。 TTL觸發(fā)總線（觸發(fā)總線（8條）條） 用于儀器的觸發(fā)、定時和消息傳遞，最高工作頻率用于儀器的觸發(fā)、定時和消息傳遞，最高工作頻率為為12.5MHz。 ECL觸發(fā)總線（觸發(fā)總線（6條）條） 與與TTL觸發(fā)總線相比，速度快，最高工作頻率為觸發(fā)總線相比，速度快，最高工作頻率為5062.5MHz ，且在引腳排列上被交流地隔離，盡可能地避，且在引腳排列上被交流地隔離，盡可能地避免了干擾。免了干擾。 雙向星形觸發(fā)線（雙向星形觸發(fā)線（2條）

43、條） 為模塊間的異步通信提供更加準確的定時資源。為模塊間的異步通信提供更加準確的定時資源。 本地總線（本地總線（36條）條） 由生產廠家定義，為相鄰模塊之間提供直接的高速數由生產廠家定義，為相鄰模塊之間提供直接的高速數據傳輸，可傳輸數字和模擬信號。據傳輸，可傳輸數字和模擬信號。P2連接器中有連接器中有12條本地條本地總線，可達到總線，可達到250MB/s的傳輸速率，的傳輸速率， P3連接器中又增加了連接器中又增加了24條本地總線，可達到條本地總線，可達到1GB/s的傳輸速率。的傳輸速率。 100MHz系統時鐘線系統時鐘線 100MHz同步信號線同步信號線 用來使多個器件相對于用來使多個器件相對

44、于100MHz時鐘的上升沿同步，以時鐘的上升沿同步，以便在多個器件之間提供非常準確的時間配合。便在多個器件之間提供非常準確的時間配合。 保留線（保留線（7條）條） 留給用戶定義。留給用戶定義。 電源線電源線 VXI機箱內部可提供機箱內部可提供7種不同的直流電壓：種不同的直流電壓：+5V、 12V、 24V、 5.2V、 2V。若儀器模塊上需要其他的電壓，可。若儀器模塊上需要其他的電壓，可對現有電壓進行變換或外接電壓源。另外，對現有電壓進行變換或外接電壓源。另外，VXI機箱的電源機箱的電源系統可為每個模塊提供系統可為每個模塊提供268W的功率。的功率。 模擬相加線模擬相加線 用來把模擬信號送入背

45、板，并在通路上疊加，即對模擬用來把模擬信號送入背板，并在通路上疊加，即對模擬信號求和。信號求和。 VXI總線系統性能卓越，但價格昂貴，推廣應總線系統性能卓越，但價格昂貴，推廣應用受到了很大限制，主要應用于航空、航天、軍事、用受到了很大限制，主要應用于航空、航天、軍事、科研等高端領域。另外，科研等高端領域。另外，VXI總線基于過時的總線基于過時的VME總線，而現代計算機不支持這種總線結構，所以總線，而現代計算機不支持這種總線結構，所以計計算機軟硬件技術發(fā)展的成就無法在算機軟硬件技術發(fā)展的成就無法在VXI系統系統中得到中得到應用，無法應用，無法能將主流軟硬件的支持以及低成本、高能將主流軟硬件的支持

46、以及低成本、高性能等好處帶給最終用戶。性能等好處帶給最終用戶。 VXI 總線系統的不足總線系統的不足PXI 總線系統簡介總線系統簡介 出現于出現于20世紀世紀90年代末，由年代末，由NI公司首先提出。公司首先提出。PXI是是CompactPCI在儀器領域的擴展，并采用了在儀器領域的擴展，并采用了VXI的模塊化設計思想。的模塊化設計思想。 PCI總線在總線在VME總線之后出現，目前已成為個總線之后出現，目前已成為個人計算機的標準總線，具有很高的傳輸速率，并有人計算機的標準總線，具有很高的傳輸速率，并有著廣泛的軟件和硬件的支持。著廣泛的軟件和硬件的支持。CompactPCI是封裝堅是封裝堅固的固的

47、PCI規(guī)范，提供了出眾的機械完整性，易于裝卸規(guī)范，提供了出眾的機械完整性，易于裝卸和維護。和維護。 因此，因此，PXI同時具備了同時具備了VXI和和PCI的優(yōu)點。的優(yōu)點。3U尺寸的尺寸的PXI機箱背板機箱背板P2連接器連接器（有有64根根 PCI信號信號線線以及以及PXI擴展的擴展的信號信號線）線） P1連接器連接器（有有32根根 PCI信號信號線線以及以及PXI擴展的擴展的信號信號線）線）系統控制器擴充槽（系統控制器擴充槽（1號號）外設槽（外設槽（2號號8號）號）（注：背板上沒有電路器件，是為了便于更好地維護和升級）（注：背板上沒有電路器件，是為了便于更好地維護和升級）PXI總線結構總線結構

48、10MHz高精度時鐘高精度時鐘 各時鐘線和各星形觸發(fā)線長度相等，各時鐘線和各星形觸發(fā)線長度相等，以使延時相等，保證準確的同步觸發(fā)。以使延時相等，保證準確的同步觸發(fā)。即即 L1L2 = = L6 = L7 K1 = K2 = = K6 = K7系統控制器系統控制器觸發(fā)控制器模塊觸發(fā)控制器模塊外設模塊外設模塊外設模塊外設模塊外設外設模塊模塊PCI總線總線公用觸發(fā)總線（公用觸發(fā)總線（8條）條）L1L2L6L7K6K7K110MHz時鐘線時鐘線星形觸發(fā)線星形觸發(fā)線本地總線本地總線1槽槽2槽槽3槽槽6槽槽7槽槽PXI的本地總線的本地總線星形觸發(fā)總線（星形觸發(fā)總線（13條）條）本地總線（本地總線（13條）

49、條）本地總線（本地總線（13條）條）本地總線（本地總線（13條）條）本地總線（本地總線（13條）條）本地總線（本地總線（13條）條）2槽槽3槽槽4槽槽 PXI 本地總線為本地總線為13條，采用菊花鏈式連接，可以在相鄰條，采用菊花鏈式連接，可以在相鄰的兩個模塊之間高速傳輸的兩個模塊之間高速傳輸TTL數字信號或高達數字信號或高達42V的模擬信號。的模擬信號。PXI機箱機箱PXI機箱機箱帶帶P1、P2連接器的連接器的PXI模塊（插卡）模塊（插卡）帶帶P1連接器的連接器的PXI模塊（插卡）模塊（插卡）便攜式便攜式PXI機箱機箱 技術規(guī)格的對比技術規(guī)格的對比 VXI儀器規(guī)范已被證明是非常健壯和成功的，而

50、儀器規(guī)范已被證明是非常健壯和成功的，而PXI也也為儀器定義了許多與為儀器定義了許多與VXI規(guī)范一樣的擴展特性。規(guī)范一樣的擴展特性。 局部總線局部總線 觸發(fā)器觸發(fā)器 時鐘時鐘 星形總線星形總線VXIPXI12線（線（D尺寸尺寸增加增加24條）條）8個個TTL, 2個個ECL, D尺寸尺寸 增加增加4個個ECL10 MHz(ECL), D 尺寸增加尺寸增加100 MHz (ECL)僅僅D尺寸尺寸13線線8 TTL10 MHz(TTL)每槽每槽1個個D尺寸的尺寸的VXI系統因為其尺寸很大，故很少使用。系統因為其尺寸很大，故很少使用。PXI和和VXI 的比較的比較 成本和性能成本和性能 VXI總線系統

51、性能卓越，但成本高昂且難以集成化，總線系統性能卓越，但成本高昂且難以集成化，使得使得VXI總線沒有被測量與自動化之外的主流行業(yè)所采用?？偩€沒有被測量與自動化之外的主流行業(yè)所采用。 而而PXI總線總線采用的是主流的采用的是主流的PCI總線總線技術，技術，PCI總線在臺總線在臺式式PC機中應用廣泛，技術成熟，因此機中應用廣泛，技術成熟，因此PXI產品的設計、制產品的設計、制造更加容易，并能從規(guī)模經濟中獲得成本優(yōu)勢。同時，造更加容易，并能從規(guī)模經濟中獲得成本優(yōu)勢。同時，PXI總線系統可以很容易地將最新的總線系統可以很容易地將最新的PC技術引入到技術引入到PXI系系統中，使用最新的處理器獲得更好的性能

52、。統中，使用最新的處理器獲得更好的性能。 傳輸速率傳輸速率 VXI總線基于總線基于VME總線，而總線，而VME總線采用的解釋執(zhí)總線采用的解釋執(zhí)行機制（基于消息機制的標準通訊）無法完全利用行機制（基于消息機制的標準通訊）無法完全利用VXI總總線的可用帶寬，標準線的可用帶寬，標準VME總線的傳輸速率只有總線的傳輸速率只有40MB/s。而而PXI總線基于總線基于PCI總線，傳輸速率為總線，傳輸速率為132MB/s528MB/s，所以所以PXI總線更有優(yōu)勢?？偩€更有優(yōu)勢。 體積體積 PXI總線系統基于總線系統基于CompactPCI，具有比，具有比VXI系統更小系統更小巧、輕便的體積和更緊湊、牢固的結

53、構，使用維護更加方巧、輕便的體積和更緊湊、牢固的結構，使用維護更加方便、靈活。在所有的開放式結構的儀器系統中，便、靈活。在所有的開放式結構的儀器系統中，PXI系統系統所需的空間是最小的。所需的空間是最小的。 電磁干擾（電磁干擾（EMI） 為了使系統中不同模塊間輻射干擾的相互影響最小，為了使系統中不同模塊間輻射干擾的相互影響最小，VXI 規(guī)范要求所有規(guī)范要求所有VXI模塊都封裝在金屬屏蔽裝置中，取模塊都封裝在金屬屏蔽裝置中，取得了很好的電磁兼容（得了很好的電磁兼容（EMC)性能，但對有些不需要屏蔽性能，但對有些不需要屏蔽的模塊也加以屏蔽就無謂地增加了成本。而的模塊也加以屏蔽就無謂地增加了成本。而

54、PXI規(guī)范也明規(guī)范也明確規(guī)定確規(guī)定PXI產品必須符合規(guī)定的輻射要求，包括歐洲的產品必須符合規(guī)定的輻射要求，包括歐洲的CE規(guī)范。但是規(guī)范。但是PXI規(guī)范不要求每個模塊都有金屬屏蔽裝置，規(guī)范不要求每個模塊都有金屬屏蔽裝置，而是根據實際需要來加以屏蔽，盡可能地降低了成本。而是根據實際需要來加以屏蔽，盡可能地降低了成本。 電源供應電源供應 VXI在背板上為儀器開發(fā)人員定義了大量的額外電源在背板上為儀器開發(fā)人員定義了大量的額外電源（+ +5,- -5.2, - -2, 12, 24 V）以供設計之用。但是在許多情）以供設計之用。但是在許多情況下這些電源并沒有被使用，這些多路輸出電源加大了況下這些電源并沒有被使用，這些多路輸出電源加大了VXI系統的成本和熱耗。而基于系統的成本和熱耗。而基于PCI的的PXI規(guī)定的電壓更適規(guī)定的電壓更適合于先進的低功率集成