1、第第14章章 智能测量仪器与自动测试系统智能测量仪器与自动测试系统智能仪器的输入通道及接口智能仪器的输入通道及接口概述概述智能仪器外设及控制技术智能仪器外设及控制技术智能仪器输出通道及数据通讯接口智能仪器输出通道及数据通讯接口数据采集系统数据采集系统智能仪器的设计原则智能仪器的设计原则自动测试系统自动测试系统14-1 概述概述经典的经典的测量理论测量理论测量的三要素测量的三要素标准量，被测量，比较仪器标准量，被测量，比较仪器现代的现代的测量理论测量理论 提取被测量的信息特征；提取被测量的信息特征；作为测控系统的一部分；作为测控系统的一部分；计算机计算机技术技术测量测量技术技术+现代测量现代测量
2、理论与技术理论与技术智能仪器智能仪器 智能仪器是计算机技术和测量仪器相结合的产物。由于它智能仪器是计算机技术和测量仪器相结合的产物。由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断和自动化操作等功能，因拥有对数据的存储、运算、逻辑判断和自动化操作等功能，因而称之为而称之为智能仪器智能仪器。一、智能仪器一、智能仪器二、智能仪器的特点二、智能仪器的特点1.测量过程的软件控制测量过程的软件控制 人机对话；自检；自诊；显示及打印；人机对话；自检；自诊；显示及打印；.2.2.数据处理数据处理 数据存储；数据存储；数据处理数据处理误差处理；数字滤波；时域误差处理；数字滤波；时域/频域分析；频域分析；.3.3.多功能
3、化多功能化 例：智能化电力分析仪例：智能化电力分析仪有功、无功、电压、电流、有功、无功、电压、电流、峰谷记录、打印报警、峰谷记录、打印报警、.用用软件软件实现早期由硬件实现的功能实现早期由硬件实现的功能自动量程切换；自动量程切换；自动极性判断；自动极性判断；自动巡回检测；自动巡回检测；.三三、智能仪器的基本结构智能仪器的基本结构CPUROMRAM模拟模拟通道通道A/D-C传感器传感器变送器变送器面板面板(键盘、键盘、LED、按钮按钮)D/A-C接口接口CRT输入输入模出模出内部总线内部总线 P内置式智能仪器一般结构框图内置式智能仪器一般结构框图专用或多功能；专用或多功能；小型、便携；小型、便携
4、；成本较底；成本较底；特点：特点：屏幕显示屏幕显示输入插件输入插件应用软件应用软件输入输入数据处理数据处理接口接口网络网络.个人个人计算机计算机以以PC机为核心的智能仪器机为核心的智能仪器(PCI)机构图机构图PCI的的硬件平台硬件平台相应相应的的软件软件VI(Virtual Instrument)+14-2 智能仪器的输入通道及接口智能仪器的输入通道及接口一、程控放大器及接口一、程控放大器及接口 为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。增益放大器。A电阻网络电阻网络控制接口控制接口输入输入输出输出 通过控制接口，改变放大器通
5、过控制接口，改变放大器反馈电阻的数值，可以改变方大反馈电阻的数值，可以改变方大器的放大倍数。器的放大倍数。反馈电阻网络有许多形式，如反馈电阻网络有许多形式，如权电阻网络、权电阻网络、T网络电阻、有源网络。网络电阻、有源网络。AD612AD7510AD7503122232.82921028031P1.1P1.2P1.3P1.00A1A3AEN+1A2A3A1S2S3S8S1S2S3SoViV AD612仪用放大器内部集成有高精度薄膜电阻网络仪用放大器内部集成有高精度薄膜电阻网络 运放增益运放增益Af=1+80k/RG，RG为引脚为引脚1、2外接电阻；外接电阻；二、二、A/D-C接口技术接口技术A
6、/D-C器件繁多，原理各异，性能不同。器件繁多，原理各异，性能不同。A/D三三态态缓缓冲冲数据总线数据总线DRRW/0DBSPST/nDB地址地址逻辑逻辑地址总线地址总线应答控制应答控制A/D-CA/D-C的的并行并行输出形式输出形式 A/D-C与与CPU的接口时序；的接口时序；CPU与与A/D-C查询方式查询方式/中中 断方式；断方式；错误出口的设置。错误出口的设置。例例 AD574(12Bit,25 S)、MAX150(8Bit,1.7 S )1DSEOC2DS例例 MC14433 三位半双积分三位半双积分A/D-C3DS4DS0Q1Q2Q3QP1口口TNIMC144338031 MC14
7、433输出不具有三态缓冲，输出不具有三态缓冲，必须经过接口与必须经过接口与 P相接。相接。MC14433为低速为低速A/D-C芯片，芯片，宜采用中断方式握手。宜采用中断方式握手。Q0Q3输出十进制编码。千位编输出十进制编码。千位编码还包含输出极性、欠码还包含输出极性、欠/过量程信息。过量程信息。DS1DS4控制转换结果的控制转换结果的“个个”、“十十”、“百百”、“千千”位。位。A/D-CA/D-C的的串并行串并行输出形式输出形式 串并行输出方式大多用于低速、廉价的积分型串并行输出方式大多用于低速、廉价的积分型A/D-C中；中；以十进制编码方式；以十进制编码方式；每次输出一位并行十进制编码，整
8、个结果分若干次输出。每次输出一位并行十进制编码，整个结果分若干次输出。例例 MAX1241串行输出串行输出A/D-CSCSCLKDOUTP1口口MAX12418031 低功耗、低电压；低功耗、低电压；12Bit，逐次逼近式；逐次逼近式；转换时间转换时间12 S；三线串行接口；三线串行接口；内置内置S/H电路。电路。MAX1241与与8031有两种连接方式：有两种连接方式：A/D-CA/D-C的的串行串行输出形式输出形式 串行数据输出的串行数据输出的A/D-C引线少，接口所需的引线少，接口所需的I/O位数少。位数少。SCSCLKDOUTMAX1241803101.PTXDRXD方式方式1方式方式
9、2方式方式1：8031使用普通使用普通I/O口；口；方式方式2：8031使用串行接口。使用串行接口。方式方式1输入速度慢，方式输入速度慢，方式2要占用串行接口。要占用串行接口。由若干个键组成的键盘，可分为由若干个键组成的键盘，可分为独立独立键结构和键结构和矩阵矩阵键结构。键结构。智能仪器的外设主要包括仪器的智能仪器的外设主要包括仪器的操作操作、显示显示和和记录记录设备。设备。14-3 智能仪器外设及控制技术智能仪器外设及控制技术输入操作器件；：纽子开关、键盘、拨盘；输入操作器件；：纽子开关、键盘、拨盘；显示器件：显示器件：LED、液晶、液晶、CRT一、键盘系统一、键盘系统1.1.非编码键盘系统
10、非编码键盘系统独立键结构：每一键单独占用一条独立键结构：每一键单独占用一条I/O线；线；矩阵键结构：键盘按行列式排列矩阵键结构：键盘按行列式排列节省节省I/O线，软件复杂。线，软件复杂。键盘工作方式：查询；中断。键盘工作方式：查询；中断。设计要点：判断有无键盘按下；断哪个键按下；键值处理；设计要点：判断有无键盘按下；断哪个键按下；键值处理；必要的显示；键盘消抖动；误操作处理。必要的显示；键盘消抖动；误操作处理。2.2.编码键盘系统编码键盘系统硬件电路实现键盘的编码、键闭合硬件电路实现键盘的编码、键闭合/释放、消抖动。释放、消抖动。intel8279 可编程键盘可编程键盘/显示接口芯片显示接口芯
11、片intel8279：片选、读写片选、读写(40pin)数据总线、地址总线数据总线、地址总线 时钟、中断请求时钟、中断请求 键盘扫描输出、返回输入键盘扫描输出、返回输入14个引脚个引脚 动态显示扫描、消隐动态显示扫描、消隐9个引脚个引脚 与与CPU接口接口(15个个引脚个个引脚)二、数码显示技术二、数码显示技术静态显示：静态显示：动态显示：动态显示：LED显示：显示：LCD显示：显示：LED点阵显示：点阵显示：LED笔段显示：笔段显示：共阴：共阴：共阳：共阳：7段译码：段译码：显示驱动：显示驱动：发光二极管阵列发光二极管阵列CPU锁存锁存译码译码驱动驱动锁存锁存译码译码驱动驱动1234abcd
12、发光二极管阵列驱动线路发光二极管阵列驱动线路LCD显示：显示：笔段式笔段式点阵式点阵式专用可编程显示控制驱动芯片专用可编程显示控制驱动芯片14-4 智能仪器输出通道及数据通讯接口智能仪器输出通道及数据通讯接口一、输出通道一、输出通道1.输出通道信号分类输出通道信号分类直流电流信号：直流电流信号：420mA：250750欧姆欧姆 010mA：03000欧姆欧姆直流电压信号：近距离传输，直流电压信号：近距离传输，15V模模拟拟量量开关量控制：继电器、接触器、电磁阀开关量控制：继电器、接触器、电磁阀显示工作状态；显示工作状态；开用开用关关量途量途数数字字量量串行串行较远距离信息传输和数据交换较远距离
13、信息传输和数据交换并行并行2.D/A-C原理、接口原理、接口3.开关量输出开关量输出开关量的隔离开关量的隔离光电耦合电路、继电器隔离电路光电耦合电路、继电器隔离电路开关量的驱动开关量的驱动晶体管、晶体管阵列晶体管、晶体管阵列 固态继电器固态继电器(SSR)二、串行数据通信接口二、串行数据通信接口国际标准国际标准IEEE-488并行接口并行接口RS232RS485串行接口串行接口14-5 数据采集系统数据采集系统一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成多多路路开开关关A/D计计算算机机采采样样保保持持放放大大隔隔离离.传感器传感器传感器传感器1.模拟开关模拟开关通道数通道数泄漏电流泄漏电流通
14、道断路，电阻不为无穷大通道断路，电阻不为无穷大导通电阻导通电阻通道短路电阻不为零通道短路电阻不为零切换速度切换速度电压范围电压范围芯片施加输入芯片施加输入电压与电源电电压与电源电压的次序问题压的次序问题2.隔离运放隔离运放隔离运放隔离运放光电隔离光电隔离电磁隔离电磁隔离捕获时间：从采样开始到输出电压达到精度指标所需时间，捕获时间：从采样开始到输出电压达到精度指标所需时间，它与电容器充电时间常数、运放响应时间有关。它与电容器充电时间常数、运放响应时间有关。3.采样保持采样保持HCinVoutV采样信号采样信号输出缓冲器输出缓冲器ACtACt采样采样保持保持APtHSt传导误差传导误差衰减率衰减率
15、 tVS/H放大器放大器输出信号输出信号被测电压被测电压孔径时间：从发出保持命令到保持开关真正断开所需时间，孔径时间：从发出保持命令到保持开关真正断开所需时间，保持电容在此时间后才起作用。保持电容在此时间后才起作用。APt保持建立时间：进入保持状态后，需要经过保持建立时间，保持建立时间：进入保持状态后，需要经过保持建立时间，输出才能达到稳定。早于此时间的输出才能达到稳定。早于此时间的A/D-C会会 产生误差。产生误差。HSt衰减率：在保持状态下，电容的漏电流引起保持电压的下降。衰减率：在保持状态下，电容的漏电流引起保持电压的下降。二、数据采集系统的设计二、数据采集系统的设计1.数据采集系统设计
16、考虑的因素数据采集系统设计考虑的因素输入信号的特性输入信号的特性信号的数量信号的数量信号的动态范围信号的动态范围信号的输入方式信号的输入方式(极性、共地极性、共地)信号的带宽信号的带宽信号的噪声信号的噪声信号源阻抗信号源阻抗对采集系性能的要求对采集系性能的要求系统采样速率系统采样速率采样定理采样定理系统分辨率系统分辨率系统精度系统精度接口特性接口特性2.数据采集系统结构形式的确定数据采集系统结构形式的确定多通道共享多通道共享S/H、A/D多通道同步数据采集多通道同步数据采集多多路路开开关关A/D采采样样保保持持放放大大隔隔离离.多多路路开开关关A/D采样采样保持保持放放大大隔隔离离.采样采样保
17、持保持.多通道同步数据采集多通道同步数据采集A/DS/H.S/H.A/DI/OI/OCPU3.数据采集系统的误差分析数据采集系统的误差分析模拟电路误差模拟电路误差(1)模拟开关导通电阻的误差模拟开关导通电阻的误差 模拟开关的导通电阻模拟开关的导通电阻100300欧姆，此电阻与下一级采样欧姆，此电阻与下一级采样 保持电路的输入阻抗相分压，使输入信号产生误差。保持电路的输入阻抗相分压，使输入信号产生误差。(2)模拟开关泄漏电流引起的误差模拟开关泄漏电流引起的误差 此泄漏电流在信号源内阻上产生压降，输入信号产生误差。此泄漏电流在信号源内阻上产生压降，输入信号产生误差。(3)采样保持器衰减率引起的误差
18、采样保持器衰减率引起的误差 在保持阶段，保持电容的漏电流会使保持电压不断地衰减。在保持阶段，保持电容的漏电流会使保持电压不断地衰减。选用漏电流小的电容选用漏电流小的电容(如聚四氟乙烯电容如聚四氟乙烯电容)；增大电容量增大电容量(但会影响采样速率但会影响采样速率)改进改进(4)运放误差运放误差 运放的非线性误差、增益误差、零漂。运放的非线性误差、增益误差、零漂。A/D转换误差转换误差数据采集系统的综合误差数据采集系统的综合误差采样误差采样误差信号幅值会产生误差；信号幅值会产生误差；时间上会产生误差时间上会产生误差(如同步误差如同步误差)。(1)量化误差量化误差(2)零点误差零点误差(3)增益误差
19、增益误差(4)非线性误差非线性误差2222adshampmux 14-6 智能仪器的设计智能仪器的设计一、智能仪器的设计原则一、智能仪器的设计原则1.功能及技术指标功能及技术指标2.可靠性要求可靠性要求3.便于操作维护便于操作维护4.升级升级二、智能仪器的设计思想二、智能仪器的设计思想1.从总体到局部从总体到局部2.软硬件折中软硬件折中(速度、成本等速度、成本等)(一一)、智能仪器的设计方法概述、智能仪器的设计方法概述三、智能仪器的设计及研制步骤三、智能仪器的设计及研制步骤1.确定任务，拟定设计方案确定任务，拟定设计方案 根据要求确定仪器的功能、指标及设计任务；根据要求确定仪器的功能、指标及设
20、计任务；明确仪器实现的功能；明确仪器实现的功能；仪器内部结构、外形尺寸、面板布置；仪器内部结构、外形尺寸、面板布置；研制成本；仪器的可靠性研制成本；仪器的可靠性 方案论证后总体设计，之后将研制任务分成若干课题。方案论证后总体设计，之后将研制任务分成若干课题。2.硬件及软件的研制硬件及软件的研制 硬件电路的设计、模板的研制、调试；硬件电路的设计、模板的研制、调试；将系统分成若干个功能块；将系统分成若干个功能块；模板设计、布线；模板设计、布线；软件框图、程序编制、调试软件框图、程序编制、调试 程序的优化；程序的优化；程序的注释。程序的注释。(二二)、智能仪器的硬件设计、智能仪器的硬件设计一一、CP
21、U MCS8051 M6800 MCS96 TMS320二二、A/D-C 含含A/D-C的单片机的单片机 含模拟开关和含模拟开关和S/H的的A/D-C三三、可编程逻辑芯片可编程逻辑芯片(PAL、GAL、FPGA)FPGA(Field Programming Gate Array)是一个由程序驱动的是一个由程序驱动的逻辑器件。逻辑器件。FPGA器件的应用，可对仪器提高性能、缩小体积、器件的应用，可对仪器提高性能、缩小体积、降低成本、增强保密性等方面起到重要作用。降低成本、增强保密性等方面起到重要作用。FPGA编程语言：编程语言：VHDL(Very High Speed Integrated Ci
22、rcuit Hardware Description Language)(三三)、智能仪器的软件设计、智能仪器的软件设计一一、结构化程序设计结构化程序设计二二、智能仪器的软件结构智能仪器的软件结构1.监控程序监控程序 管理键盘和显示器，按键盘命令转入相应的服务程序；管理键盘和显示器，按键盘命令转入相应的服务程序；中断信号处理；中断信号处理；仪器的初始化、手动仪器的初始化、手动/自动控制、掉电保护；自动控制、掉电保护；仪器自诊断；仪器自诊断；.2.测量控制程序测量控制程序 通道切换；通道切换；A/D；.3.数据处理程序数据处理程序(四四)、智能仪器的抗干扰技术、智能仪器的抗干扰技术一、干扰与噪声
23、的基本特性一、干扰与噪声的基本特性噪声：来自元器件的内部。随机噪声是一种前后独立的平稳噪声：来自元器件的内部。随机噪声是一种前后独立的平稳 随机过程。随机噪声的幅度大多服从正态分布。随机过程。随机噪声的幅度大多服从正态分布。干扰：来源于干扰：来源于(1)空间电磁场；空间电磁场；(2)传输通道；传输通道；(3)配电系统。配电系统。干扰的减弱和消除：干扰的减弱和消除：屏蔽；滤波；合理的布线。屏蔽；滤波；合理的布线。二、串模干扰及其抑制二、串模干扰及其抑制1.串模干扰串模干扰由外界条件引起的、叠加在由外界条件引起的、叠加在被测电压上的干扰信号。被测电压上的干扰信号。exExR感应电势感应电势ne热电
24、势，接触电势热电势，接触电势三、共模干扰及其抑制三、共模干扰及其抑制1.共模干扰共模干扰2.串模干扰的抑制串模干扰的抑制采用滤波器；对信号进行予处理；屏蔽采用滤波器；对信号进行予处理；屏蔽共模干扰是同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号。共模干扰是同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号。xExR1r2r1Z2ZcmrcmEnEHLiR设设Z1=Z2，忽略忽略rcm(大地电阻，很小大地电阻，很小)在仪表两输入端之间产生的电压在仪表两输入端之间产生的电压EncmxcmxxnEZRErZrrRZrRE2212121 信号源内阻和仪表输入端对地的绝缘电阻的影响，共模信号源内阻和仪表输入端对地的绝缘
25、电阻的影响，共模干扰等效为串模干扰。干扰等效为串模干扰。2.共模干扰的抑制共模干扰的抑制 利用双端输入运放作为仪器的前置放大器；利用双端输入运放作为仪器的前置放大器；利用隔离运放利用隔离运放信号地与仪器地之间不构成回路；信号地与仪器地之间不构成回路；利用浮地输入双层屏蔽结构。利用浮地输入双层屏蔽结构。xExR1r2r1Z2ZcmrcmEnEHLiR3Z双层屏蔽结构。双层屏蔽结构。CL端：仪表的模拟地；端：仪表的模拟地；C端：仪表的数字地端：仪表的数字地cmxnEZrZRE331 3r为导线屏蔽层电阻。为导线屏蔽层电阻。四、模拟电路与数字电路的隔离四、模拟电路与数字电路的隔离五、接地方法五、接地
26、方法1.单点接地与多点接地单点接地与多点接地2.数字地与模拟地数字地与模拟地六、软件的抗干扰技术六、软件的抗干扰技术123123 软件陷阱软件陷阱 看门狗技术看门狗技术微机微机测量测量模块模块1测量测量模块模块2.总线总线早期的仪器除自身独自的功能外，另带早期的仪器除自身独自的功能外，另带接口接口 RS-232C串行接口；串行接口；IEEE-488接口接口(GPIB接口接口)；VXI总线仪器系统总线仪器系统14-7 自动测试系统自动测试系统虚拟仪器虚拟仪器(Virtual Instrumentation)的概念的概念现有的现有的PC计算机计算机专门设计的仪器硬件专门设计的仪器硬件专门设计的仪器
27、软件专门设计的仪器软件虚拟仪器虚拟仪器NI公司的硬件产品有：公司的硬件产品有：插入式数据采集产品；插入式数据采集产品；信号调理产品；信号调理产品；GPIB控制产品；控制产品；VXI控制产品；控制产品；现现场场总总线线设设备备VXI仪仪器器串串行行口口仪仪器器PLC图图象象采采集集DSPGBIB接口接口仪器仪器GBIB接口卡接口卡信号信号调理调理数据数据采集卡采集卡DAQ工业自动化软件工业自动化软件 Bridge VIEW Look out Component 测量与分析软件测量与分析软件 Lab ViewVEE Lab Windows/CVIVirtual Bench IVI 其他其他软件软件
28、PC机机/工作站工作站测控对象测控对象虚虚拟拟仪仪器器的的体体系系结结构构 LabVIEW 是是NI公司提供的图形开发调试和运行程序的公司提供的图形开发调试和运行程序的 集成化编程环境。它是基于集成化编程环境。它是基于C语言用来进行数据采集、和语言用来进行数据采集、和 控制、数据分析和数据表达。控制、数据分析和数据表达。LabVIEW的特点和功能：的特点和功能：(1)使用使用“所见即所得所见即所得”的可视化技术建立人机界面；的可视化技术建立人机界面；(2)使用图标表示功能模块，连线表示数据传递，用数据使用图标表示功能模块，连线表示数据传递，用数据 流程图语言编写程序；流程图语言编写程序；(3)提供调试功能；提供调试功能；(4)支持多种系统平台，提供大量函数库。支持多种系统平台，提供大量函数库。VEE是是HP公司提供的功能强大的可编程语言。可用于仪器公司提供的功能强大的可编程语言。可用于仪器 控制、测量处理和测试报告等日常编程任务。控制、测量处理和测试报告等日常编程任务。LabWindows/CVI是是NI公司提供的另一套开发平台。它适用公司提供的另一套开发平台。它适用 于于C/C+的虚拟仪器工具。的虚拟仪器工具。
