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1、2023/9/15,1,学习要求,1了解现场总线的协议模型及常见现场总线的特点，了解智能传感器的含义、实现的途径及智能传感器系统智能化功能的实现方法。2了解数据采集系统的组成、性能指标及电路设计中常见的问题。3掌握GPIB总线技术及其特点；了解VXI,PXI总线技术的各自特点4了解虚拟仪器的概念及其结构特点；,2023/9/15,1,当今测试的特点?面临的挑战?CAT：计算机辅助测试CAT组成:由微机加插卡式硬件和采集分析软件组成计算机化测试系统的优点：能够对信号进行复杂的分析处理；高精度、高分辨率和高速实时分析处理；性能可靠、稳定、维修方便；能够以多种形式输出信息；多功能；自动测试和故障监控
2、。,5.1 引言,2023/9/15,2,计算机化测试系统的发展历程 第一代:二十世纪六十年代-七十年代,无专用接口CAT系统。特点：1)无仪器专用总线;2)开发周期长;3)无通用性第二代:二十世纪七十年代-八十年代,通用接口CAT系统。特点:1)程控仪器符合相应的总线标准;2)开发周期短;3)具有通用性及互换性;第三代:二十世纪九十年代至今,虚拟仪器 特点:1)用计算机软件功能实现了相关仪器功能;2)符合相应的总线标准;3)系统组成时间短、功能易于扩展。,2023/9/15,3,新的设计思路:开放式系统.生产自动化要求组建开放式系统的2要素?现场总线：是应用在生产现场，在微机化测量控制设备(
3、现场智能设备及更高控制管理层网络之间)之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。,5.2 现场总线与智能传感器,2023/9/15,4,现场总线控制系统与传统控制系统比较,连接方式/控制模式/信号类型/简化系统,2023/9/15,5,6,现场总线的发展1984年：美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年：国际电工委员会决定由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年：德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称PROFIBU
4、S;1992年：由Siemens、Rosemount、ABB、Foxboro、Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP（Interoperable System Protocol）组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。,2023/9/15,6,现场总线的发展1993年：以Honeywell、Bailey等公司为首，成立了World FIP（Factory Instrumentation Protocol）组织，由120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。1994年：ISP和World FIP北美部分合并，成立了现场基金会（Fieldbus Fou
5、ndation,简称FF）。1996年：第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的仪表互联为控制系统和通信网络，使H1低速总线开始步入了实用阶段。德国Bosch CAN 美国的lonwork,2023/9/15,7,现场总线协议的参考模型 为建立互联系统,国际标准化组织ISO于1978年建立了一个“开放系统互连”的技术委员会。起草了“开放系统互连基本参考模型”（Open System Interconnection）的建议草案。1986年又对该标准进行了进一步的完善和补充。OSI参考模型分层的原则是将相似的功能集中在同一层内，功能差别较大时则分层处理，每层只对
6、相邻的上、下层定义接口。OSI参考模型是计算机网络体系结构发展的产物，它的基本内容是开放系统通信功能的分层结构。7层次,各层协议的研究独立进行,某层有变化时只需改变相应的层。,2023/9/15,8,提供用于建立、保持和断开物理连接的机械的、电气的、功能的和过程的条件。物理层提供有关同步和比特流在物理媒体上的传输手段。,利用下一层提供的服务并为上一层提供服务(通信功能和层之间的会话规定)同等层之间的通信规则和约定协议,2023/9/15,9,用于建立、维持和拆除链路连接，实现无差错传输的功能。在点到点或点到多点的链路上，保证信息的可靠传递。该层对连接相邻的通路进行差错控制、数据成帧、同步等控制
7、。,检测差错:循环冗余校验CRC纠正:计时器恢复/自动请求重发ARQ,2023/9/15,10,规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。它的主要功能是利用数据链路层所提供的相邻节点间的无差错数据传输功能，通过路由选择和中继功能，实现两个系统之间的连接。,2023/9/15,11,完成开放系统之间的数据传送控制。主要功能是开放系统之间数据的收发确认。同时，还用于弥补各种通信网络的质量差异，对经过下三层之后仍然存在的传输差错进行恢复，进一步提高可靠性。,2023/9/15,12,会话层依靠传输层以下的通信功能使数据传送功能在开放系统间有效地进行。其主要功能是按照在应用进程之间的约定，按照正确的顺序
8、收、发数据，进行各种形式的对话。,2023/9/15,13,表示层的主要功能是把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式，提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等的统一表示。,2023/9/15,14,应用层是OSI参考模型的最高层。其功能实现应用进程（如用户程序、终端操作员等）之间的信息交换。同时，还具有一系列业务处理所需要的服务功能。,7层是否都必须?,2023/9/15,15,智能传感器?智能传感器，必须具备学习、推理、感知、通讯以及管理功能。20世纪80年代末，L.Foulloy提出了模糊传感器概念，认为“模糊传感器是一种能够在线实现符号处理的智能传感器”。智能传感器：基于现场总线
9、数字化、标准化、智能化的要求，带有总线接口，能自行管理自己，能将检测到的现场信号进行处理变换后，以数字量形式通过现场总线与上位机进行信息传递。,2023/9/15,16,智能传感器的特点具有非线性自动校正功能，可消除整个传感器系统的非线性系统误差，提高了精度。具有自校零与自校准功能。抑制噪声的智能化功能。通过自补偿技术可改善传感器系统的动态特性，使其频率响应特性向更高或更低频段扩展。,2023/9/15,17,智能传感器实现的途径1)非集成化实现：将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系
10、统。2)集成化实现：这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上。故又可称为集成智能传感器（Integrated Smart/Intelligent Sensor）。3)混合实现：根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如：敏感元件、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。,2023/9/15,18,集成化智能传感器的几种形式初级形式：就是组成环节中没有微处理器单元，只有敏感单元与（智能）信号调理电路，二者被封装在一个外壳里。中级形式
11、/自立形式：在组成环节中除敏感单元与信号调理电路外，必须含有微处理器单元，即一个完整的传感器系统全部封装在一个外壳里的形式。它具有完善的智能化功能，这些智能化功能主要是由强大的软件来实现的。高级形式：高级形式是集成度进一步提高，敏感单元实现多维阵列化时，同时配备了更强大的信息处理软件，从而具有更高级的智能化功能的形式。这时的传感器系统不仅具有完善的智能化功能，而且还具有更高级的传感器阵列信息融合功能，或具有成像与图像处理等功能。,2023/9/15,19,自动测试系统的组成由五部分组成：控制器；程控仪器、设备；总线与接口；连接控制器与各程控仪器测试软件；被测对象,5.3 自动测试系统,2023
12、/9/15,20,通用接口总线,GPIB发展简介:国际公认并广泛使用的IEEE-488接口总线被称为通用接口总线(GPIB，general purpose interface bus)。它的作用是实现仪器仪表、计算机、各种专用的仪器控制器和自动测控系统之间的快速双向通信。,2023/9/15,21,IEEE-488.1,IEEE-488.1是一种数字式8位并行通信接口，其数据传输速率可达1Mbps。该总线支持一台系统控制器（通常是PC）和多达10台以上的附加仪器。各有关器件之间是通过一根含24（或25）芯的集装通信缆来联系的。通信缆通过专用标准连接器与设备连接(阳性与阴性)，连接器及其引脚定义
13、如图所示。负逻辑-零逻辑代表“真”抗干扰,2023/9/15,22,GPIB总线测试仪器通过GPIB接口和GPIB电缆与计算机相联，形成计算机测试仪器。与DAQ卡不同，GPIB仪器是独立的设备，能单独使用。GPIB设备可以串接在一起使用，但系统中GPIB电缆的总长度不应超过20m，过长的传输距离会使信噪比下降，对数据的传输质量有影响。,2023/9/15,23,GPIB操作,GPIB采用字节串行/位并行协议。GPIB通过连接总线传输信息而实现通信。输送的信息分两种：基于器件的信息:数据信息;连接信息:命令信息。,2023/9/15,24,GPIB器件和接口功能,基于GPIB测试结构的全部有关器
14、件可分为控者、讲者和听者三大类：（1）控者 控者指明谁是讲者，谁是听者（如PC）。每个GPIB系统都必须定义一个系统执行控者，这一工作可通过设置接口板卡上的跳线或软件构筑来完成。（2）讲者与听者 讲者：产生指令及数据器件 听者：接收指令及数据器件 讲者在总线任一时刻只能有一个器件,听者可以有多个器件。,2023/9/15,25,讲者和听者的功能特性,2023/9/15,26,信号及连线,GPIB有16条信号线和8条地回送线。GPIB上的所有器件分享24条总线。16条信号线分为三组：数据线8条、接口管理线5条、握手线3条。数据线(8条)：以并行方式输送数据。接口管理线(5条)：管理着GPIB中的
15、信号传输：接口清除线（IFC，interface clear）:主控复位注意线（ATN，attention）:通报数据类型远距离使能（REN，remote enable）终止或识别（EOI，end or identify:停止数据输出服务请求（SRQ，service request）执行控者监测此信息。握手线(3条)：异步地控制各器件之间的信息字节的传输,2023/9/15,27,三条握手线:三线连锁握手/挂钩模式?NRFD(not ready for data)指出一个器件是否已准备好接收一个数据字节，此线由所有正在接受命令（数据信息）的听者器件来驱动。NDAC(not data accep
16、ted)指出一个器件是否已收到一个数据字节，此线由所有正在接收（数据信息）的听者器件来驱动。在此握手模式下，该传输率将以最慢的执行听（正在听）者为准，因为讲者要等到所有听者都完成工作。在发送数据和等待听者接受之前，NRFD应被置于“非”。DAV（data valid）指出数据线上的信号是否稳定、有效和可以被器件验收。当控者发送命令和讲者发送数据信息时都要申报一个DAV。,2023/9/15,28,讲者DATA,0,0,DAV,2,5,讲者宣布数据不再合法,进入接收数据状态，不要再准备,完成AGAIN,1,1,3,听者NRFD,NADAC,数据传输开始,最慢听者接收完毕,数据传输结束,4,图 三
17、线握手过程,听者准备好接收,讲者收到RFD消息宣布DAV=0有效,三条握手线:三线连锁握手/挂钩模式,2023/9/15,29,总线命令,所有器件必须监视ATN线并在200ns内做出响应。当ATN为“真”时，所有器件都接收数据线上的数据并将其作为命令或地址来处理。,2023/9/15,30,查 询,在IEEE-488中，每个数据传输过程都由控者来启动。控者接到申报后，便启动一个查询过程来依次寻址，来发现申报SRQ的器件，查询方法分为串行式和并行式两种：串行查询 被寻址到的器件作为讲者向控者发送一个状态字节来表明自己是否要注意。并行查询 此时所选定的器件有可能发送一个状态位到预先制定的数据线上。
18、并行查询的启动方法是同时用ATN和EOI线作申报。IEEE-488规定器件容量少于或等于15台（包括控者器件在内）。,2023/9/15,31,VXI总线,VXI（VMEbus extensions for instrumentation）总线结构标准将测量仪器、主机架、固定装置、计算机及软件集为一体，是一种电子插入式工作平台。在每个VXI总线系统中，必须有两个专门的功能：第一个是0号槽功能，它负责管理底板结构。第二个是资源管理程序。每当系统加电或复位时，这个程序就对各个模块进行配置，以保证能正常工作。,2023/9/15,32,VXI总线的体系结构，包括机械尺寸、电源、冷却、连接插座、模块连
19、接、通信协议、电磁干扰等各方面，VXI总线标准都作了规定。机械尺寸方面，规定了模块的尺寸和空间的大小及对冷却的要求A、B、C、D；电气性能方面，规定了完整的线路连接、触发器、时钟和模拟/数字信号总线；电源和EMC方面，对电压、噪声及辐射的敏感性做了限制；通信方面，规定了系统配置、设备的类型和通信协议等。,2023/9/15,33,VXI总线结构规定了三种96芯的双列直插(DIN)连接插座，分别为P1、P2和P3。其中P1是唯一的必须在VME或VXI总线中配备的连接插座，这种连接插座包括有数据传输总线（24位寻址线和16位数据线）、中断线及电源线等。,2023/9/15,34,在VXI总线总线结
20、构中，P2连接插座是可选的，除了A型模块外，其它的模块都要配备。P2连接插座把数据传输总线扩展到了全部的32位，并增加了许多其它的资源。P3连接插座也是可选的，只有D型模块才配备这种连接插座。P3比P2又增加了24条本地总线、ECL触发总线和100MHz的时钟及星型触发总线，供精确同步之用。,2023/9/15,35,本地总线 本地总线是邻近模块之间进行通信的总线。VXI总线标准为本地总线定义了5种信号类型，可以用于TTL电平的信号、ECL电平的信号或3种模拟电平的信号。电磁相容性 为确保仪器模块不干扰其它模块，也不被其它模块所干扰，VXI总线结构标准对辐射和传导电磁干扰（EMC）做了限制。冷
21、却 在典型的IEEE-488机架组合式系统中，必须采取严格的措施来保证系统正常工作所需要的冷却环境,2023/9/15,36,电源VXI总线结构对电源的指标也做了规定，选择模块时，要把模块对电压和电流的要求与主机的能力进行比较。,电源在提供稳定的电压的时候，若要求其电流发生突然变化，电源的供电能力就会改变。如果电源具有较大的感性负载（这在开关式电源中是常见的），这时电源输出的电压就会由于继电器对动态电流的需求而发生变化，感应出来的噪声就会进入使用统一电源的其它模块，影响其性能。因此，VXI总线结构对动态电流的规定，可确保所选择的模块不会在主机的电源线上感应出较大的起伏噪声，这样也就不会影响其它
22、模块的电性能。,2023/9/15,37,VXI总线的通信,VXI总线设备类型:VXI总线设备共有四种类型：寄存器基的设备、消息基的设备、存储器设备和扩展存储器设备。,寄存器基的设备是最简单的一种VXI总线设备，常用来作为简单仪器和开关模块的基本部分。寄存器基的设备的通信指通过寄存器的读写操作来完成，因为寄存器基的设备完全是在直接硬件控制这一层次上进行通信的，它的优点是速度快，这种高速度通信可使测试系统的吞吐量大大提高。消息基的设备一般是VXI总线系统中智能化程度较高的设备。消息基的设备都配有公共通信单元和字串行协议，以保证与其它消息基的模块进行ASC级的通信，也便于多厂家的仪器相互兼容。通信
23、速度会受到一定的影响，消息基的设备一般都要使用微处理器，比寄存器基的设备成本要高。,2023/9/15,38,VXI的寻址,在VXI总线标准中，提供了三种寻址方式，即IEEE-488主寻址、IEEE-488副寻址和嵌入式寻址:在IEEE-488主寻址方式下，主控制器把每个VXI总线上的仪器都作为一个独立的IEEE-488仪器来对待。这些仪器有唯一的IEEE-488地址。IEEE-488副寻址方式与主寻址方式相似，它是利用IEEE-488总线的副地址寻址功能，不用主地址寻址。,2023/9/15,39,PXI总线,PXI(PCI Extension for Instrumentation)是由美
24、国NI公司于1997年推出的测控仪器总线标准。,2023/9/15,40,PXI模块尺寸,PXI规范定义了一个包括电源系统、冷却系统和安插模块槽位的一个标准机箱。PXI规定系统槽（相当于VXI的零槽）位于总线的最左端，主控模块只能向左扩展自身的扩展槽，而不能向右扩展占用仪器模块插槽。PXI仪器模块安装在右边余下的槽内，同时用户可以在第一个外围插槽（系统插槽的相邻槽）安装一个可选的星型触发控制器，为其它外围模块提供非常精确的触发信号。,2023/9/15,41,PXI总线电气结构,PXI总线规范是在PCI规范的基础上发展而来的,具有PCI的性能和特点,包括32/64位数据传输能力及分别高达132
25、Mbps(32位)和264 Mbps(64位)的数据传输速度,另外还支持3.3V系统电压、PCI-PCI桥路扩展和即插即用。PXI在保持PCI总线所有这些优点的前提下增加了专门的系统参考时钟、触发总线、星型触发线和模块间的局部总线,以此来满足高精度的定时、同步与数据通信要求。,2023/9/15,42,VXI与PXI的扩展性能比较（1）PXI系统产品的价格相当于VXI系统的一半到三分之二。（2）市场上大部分的VXI模块是C尺寸，C尺寸VXI卡的面积是PXI插卡的两倍，因而可提供更多的功能。（3）VXI通过P3连接器定义了一个有两条星型线组成的星型触发系统，这意味着星型触发必须配置D尺寸机箱和D
26、尺寸模块才能工作；PXI也定义了一个星型触发系统，与VXI不同的是，它通过1槽传送精确的触发信号，用于模块间精确定时。（4）一个PXI机箱最多只有7个插槽可插通用模块；与此相比，13槽C尺寸VXI机箱能提供给设计者12槽位置，一般不用通过机箱级联，就能满足实际需要了，而且，C尺寸的VXI模块比3U和6U尺寸的PXI模块能够集成更多的功能。（5）如果从性能上考虑，PXI是当然领先，它不但传输速率较高，价格也相对较低，可以满足大多数的测试应用项目要求，但是在高端领域，VXI仍然是最好的选择，它可以完成更复杂更尖端的测试任务。,2023/9/15,43,5.4 虚拟仪器系统,虚拟仪器VI：是指具有虚
27、拟仪器面板的个人计算机，它由通用计算机、模块化功能硬件和控制专用软件组成。“虚拟”主要有两方面的含义：（1）指虚拟仪器的面板是虚拟的；（2）另一方面是指虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现。,2023/9/15,44,虚拟仪器的结构,按其基本形式可分解为以下三个主要模块：输入:进行信号调整并将输入模拟信号转换成数字形式以便处理。输出:将量化的数据转换成模拟信号并进行必要的信号调理。数据处理:通常一个微处理器或一台数字信号处理器（DSP）可使仪器按要求完成一定功能。虚拟仪器就是利用通用的仪器硬件平台，调出不同的测试软 件构成不同功能的仪器。,2023/9/15,1,虚拟仪器与传统仪器比较,2023
28、/9/15,46,虚拟仪器性能优点:（1）测量精度高、重复性好；（2）测量速度高；（3）开关、电缆减少（4）系统组建时间缩短；（5）测量功能易于扩展；,2023/9/15,47,虚拟仪器发展随着微机的发展和采用总线方式的不同可分为五种:PC总线-插卡式虚拟仪器；并行口式虚拟仪器；GPIB总线方式的虚拟仪器；VXI总线方式的虚拟仪器；PXI总线方式的虚拟仪器。,2023/9/15,48,虚拟仪器的系统组成,2023/9/15,49,虚拟仪器软件开发平台,给定计算机能力和必须的仪器硬件后，构造和使用虚拟仪器的关键就是应用软件，应用软件主要有几个功能：与仪器硬件的高级接口;虚拟仪器的用户界面;集成的
29、开发环境;仪器数据库;,2023/9/15,50,LabVIEW软件的开发平台,LabVIEW具有以下功能：1）LabVIEW使用可视化技术建立人机界面；2）LabVIEW中的程序查错不需要先编译，只要存在语法错误，鼠标一按可完成程序自动查错，可以快速地查出错误的类型、原因以及错误的准确位置；3）LabVIEW提供程序调试功能；4）LabVIEW继承了传统编程语言中结构化和模块化编程的优点；5）LabVIEW支持多种系统平台；6）LabVIEW提供动态连接库(DLL)接口和属性节点(CIN)；7）LabVIEW提供了大量函数库供用户直接调用；,2023/9/15,1,作 业,1、挂接在IEEE488接口总线上的器件按它们的作用不同可分为讲者，听者，控者三类器件，分别解释何为讲者器件，听者器件，控者器件，在该总线上三者之间的关系有何规定？2、何谓“三线连锁”？,
