智能儀器課件第1頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六10.1個人儀器及系統(tǒng)下頁上頁返回計(jì)算機(jī)在測量測試領(lǐng)域的應(yīng)用——1982年之前將計(jì)算機(jī)裝入到智能儀器中，對儀器進(jìn)行控制和管理；在采用通用接口母線的自動測試系統(tǒng)中由計(jì)算機(jī)充當(dāng)控制器，管理測試過程。第2頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六下頁上頁返回計(jì)算機(jī)在測量測試領(lǐng)域的應(yīng)用

——20世紀(jì)80年代初期插入式儀器組件個人儀器個人儀器系統(tǒng)在個人儀器或個人儀器系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)通用的個人計(jì)算機(jī)代替了智能儀器中的微計(jì)算機(jī)和儀器中的人機(jī)接口，通過插入式結(jié)構(gòu)把個人計(jì)算機(jī)和智能儀器的插入式組件相連，共同完成儀器的功能。第3頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六美國西北儀器系統(tǒng)公司(NorthwestInstrumentSystems,NWIS)1982年研制成功了世界上第一臺個人儀器。下頁上頁返回HP公司在1986年推出一套含有8種常見儀器的個人儀器系統(tǒng)。第4頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六個人儀器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)個人儀器發(fā)展初期多功能個人儀器系統(tǒng)下頁上頁返回第5頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六1986年以后出現(xiàn)的一種個人儀器系統(tǒng)下頁上頁返回第6頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六下頁上頁返回注意盡管個人儀器及個人儀器系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代曾經(jīng)風(fēng)靡一時，但其擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程等局限阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展，目前已經(jīng)為VXI總線儀器、虛擬儀器和虛擬儀器系統(tǒng)所取代。個人儀器的特點(diǎn)：低成本高性能使用方便研制周期短個人儀器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種測試功能可以組建自動測試系統(tǒng)第7頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六下頁上頁返回10.2VXI總線儀器

沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的產(chǎn)品互不兼容，用戶在組建儀器系統(tǒng)時難以選配不同廠家的產(chǎn)品，影響了儀器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展1987年4月，由美國的ColoradoDataSystems、Hewlett-Packard、Racal、DanaInstruments、Tektronix和Wavetek等5家著名儀器公司率先在國際上成立了VXI總線聯(lián)合體(VXIbusConsortiumInc.)，表示用基于當(dāng)時國際上公認(rèn)的一種比較完善的開放式計(jì)算機(jī)總線VMEbus，同時吸取GPIB易于組合的優(yōu)點(diǎn)，來開發(fā)開放式模塊化儀器系統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)，并于7月宣布了VXIbus技術(shù)規(guī)范草案初稿，開創(chuàng)了VXI的新紀(jì)元。

第8頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六VXI總線標(biāo)準(zhǔn)對基于VXI總線的虛擬儀器系統(tǒng)沒有提出詳細(xì)的規(guī)范，特別是對系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)幾乎沒有作任何的規(guī)定。1993年9月22日，NationalInstruments、Genrad、RacalInstruments、Tektronix和Wavetek等5家公司聯(lián)合成立了VXI即插即用系統(tǒng)聯(lián)盟(VXIPlug&PlaySystemAlliance，VPP)VPP宗旨是通過制定一系列的VXI儀器軟件(系統(tǒng)級)標(biāo)準(zhǔn)來提供一個開放性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)VXI儀器總線的即插即用，解決多廠家的VXI系統(tǒng)的易操作性與互操作性問題，并為最終用戶提供進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)、支持與再開發(fā)的能力。第9頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六VXIbus總線聯(lián)合體主要負(fù)責(zé)VXIbus硬件(即儀器級)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂VPP系統(tǒng)聯(lián)盟主要是通過制訂一系列的VXIbus軟件(即系統(tǒng)級)標(biāo)準(zhǔn)來提供一個開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其更容易集成和使用所謂VXIbus標(biāo)準(zhǔn)體系就由這兩套標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成。第10頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六VXI總線是VMEbusExtensionforInstrumentation的縮寫，即VME總線在測量儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。符合VXI總線規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的儀器及系統(tǒng)稱為VXI總線儀器及VXI總線儀器系統(tǒng)。VXI總線系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化、模塊化的顯著優(yōu)點(diǎn)，集測量、計(jì)算、通信功能于一體，它不僅繼承了GPIB智能儀器和VME總線的特點(diǎn)，還有多功能、高密度、高效率、高性能、模塊化等優(yōu)勢。首先是在軍事、航空航天、兵器系統(tǒng)，繼而在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。VXI儀器是一種模塊化的卡式儀器，沒有傳統(tǒng)意義上的操作面板，對VXI儀器的操作需要借助計(jì)算機(jī)來進(jìn)行。第11頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六VXI的主要優(yōu)點(diǎn)(1)開放標(biāo)準(zhǔn)。VXI總線是一種真正的開放標(biāo)準(zhǔn)，得到世界上眾多儀器生產(chǎn)廠家的支持，用戶可以選擇不同廠家的儀器模塊組建儀器系統(tǒng)。(2)模塊化結(jié)構(gòu)。采用共用電源、消除面板、共用冷卻、高密度緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于減少尺寸。(3)較高的測試系統(tǒng)吞吐量。采用背板結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達(dá)到40MB/s，吞吐量大。具有分布性，可以在共享存儲器體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上在背板上安裝多個微處理器?？梢栽O(shè)定多級優(yōu)先級別，提供嚴(yán)格的中斷處理。第12頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六(4)單機(jī)箱多模塊。VXI儀器系統(tǒng)由傳統(tǒng)的“多機(jī)箱堆放式”發(fā)展成“單機(jī)箱多模塊式”。具有安裝密度高、體積小、重量輕、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。因其外形尺寸小，故可提高被測信號的保真度，能減小儀器與被測裝置的引線長度，降低系統(tǒng)噪聲和改善屏蔽效果。此外，VXI系統(tǒng)也易于與機(jī)架層疊式儀器結(jié)構(gòu)相連。(5)容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制。VXI規(guī)范定義了儀器系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接，使儀器系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)本地局域網(wǎng)控制，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)控制。第13頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個VXIbus主機(jī)箱、若干VXIbus器件、一個VXIbus資源管理器和主控制器組成。零槽模塊完成系統(tǒng)背板管理，包括提供時鐘源和背板總線仲裁等，也可以同時具有其他的儀器功能。資源管理器在系統(tǒng)上電或者復(fù)位時對系統(tǒng)進(jìn)行配置，以使系統(tǒng)用戶能夠從一個確定的狀態(tài)開始系統(tǒng)操作。在系統(tǒng)正常工作后，資源管理器就不再起作用。VXI資源管理器實(shí)際上是一個軟件模塊，它可以裝在VXI模塊或者外部計(jì)算機(jī)上，與0槽模塊一起進(jìn)行系統(tǒng)中每個模塊的識別、邏輯地址的分配、內(nèi)存配置、并用字符串協(xié)議建立命令者/從者之間的層次體制。主機(jī)箱容納VXIbus儀器，并為其提供通信背板、供電和冷卻。第14頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六一、VXI總線系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)VXIbus系統(tǒng)的最小物理單元是組件模塊，由帶電子元件和連接器的組件板、前面板和任選的屏蔽殼組成。VXI規(guī)范定義了四種尺寸的VXI模塊，參見圖所示。較小的尺寸A和B是VMEbus模塊定義的尺寸，較大的C和D尺寸模塊是為高性能儀器所定義的，它們增大了模塊間距，以便對包含用于高性能測量場合的敏感電路的模塊進(jìn)行完全屏蔽。每個模塊都必須有規(guī)定的邊沿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，以便能順利插入機(jī)箱。第15頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六A、B尺寸主機(jī)箱的插槽間距為20.32mm，C、D尺寸則為30.48mm。一個機(jī)箱最多有13個槽位，其中0號槽比較特殊，位于機(jī)箱的最左邊或最底部。一個模塊一般占一個槽位，但VXI系統(tǒng)允許設(shè)計(jì)和使用多槽位的更厚的模塊。組件模塊的機(jī)械載體是主機(jī)箱。與模塊尺寸類型相適應(yīng)，主機(jī)箱也有A、B、C、D四種尺寸可供選擇。模塊的互連載體是主機(jī)箱的背板，背板與模塊之間通過總線連接器銜接。VXIbus系統(tǒng)允許較大尺寸機(jī)箱使用較小尺寸模塊，但必須有附加的安裝裝置。第16頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六典型的VXI標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱（D尺寸）第17頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六VXI系統(tǒng)的全部總線都印制在主機(jī)箱內(nèi)的背板上，并通過P1、P2、P3連接器與各模塊連接。其中，P1是各種尺寸模塊都必須配備的，B、C尺寸模塊可選擇使用P2，D尺寸模塊可P2，也可以選擇P3。模塊和板上的連接器都是96引腳，分成A、B、C三行，每行32個引腳。VXI總線標(biāo)準(zhǔn)和VME總線標(biāo)準(zhǔn)對P1連接器引腳的定義相同，VME總線標(biāo)準(zhǔn)只定義了P2連接器的9排32個引腳，而VXI總線標(biāo)準(zhǔn)定義了P2、P3連接器的全部引腳。VXI主機(jī)箱也為系統(tǒng)提供儀器工作所要求的公用電源、冷卻和電磁屏蔽環(huán)境條件。第18頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六二、VXI總線系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)VXIbus完全支持32位VME計(jì)算機(jī)總線，并在此基礎(chǔ)上增加了用于模擬供電和ECL供電的額外電源線、用于測量同步和觸發(fā)的儀器總線、模擬相加總線以及用于模塊之間通信的本地總線，以適應(yīng)高速高性能儀器組件模塊的需要。VXI總線系統(tǒng)所涉及的總線有：VME計(jì)算機(jī)總線，時鐘和同步總線，模塊識別線(MODID)，觸發(fā)總線，本地總線(LocalBus,LBUS)，模擬加法總線(SUMBUS)等第19頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六VXI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第20頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六(1)VME計(jì)算機(jī)總線。包括數(shù)據(jù)傳輸總線(DataTransferBus,DTB)、DTB仲裁總線(DataTransferBusArbitration)、優(yōu)先級中斷線(PriorityInterruptBus)、公用總線(PriorityNierruptBus)。(2)時鐘和同步總線。包括一個通過連接器P2提供的10MHz時鐘的CLK10，一個通過連接器P3提供的100MHz時鐘CLK100，以及一個位于連接器P3上與CLK100上升沿同步的同步信號SYNC100。這三個信號都是從0槽模塊發(fā)出的。其中，CLK10時鐘線用于模塊之間的精確同步，CLK100和SYNC100用于系統(tǒng)中更高精度的定時和觸發(fā)。從0槽總線傳至任何槽的絕對延遲時間不超過8ns。(3)模塊識別線(MODID)。用于檢測特定位置上的模塊存在與否，或者識別一個特定器件的物理槽位。這些線自0號槽分別送至1號槽至12號槽。系統(tǒng)自動配置時必須用到MODID線。第21頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六(4)觸發(fā)總線。為適應(yīng)儀器的觸發(fā)、定時和消息傳遞的要求，VXI總線系統(tǒng)增加了三種觸發(fā)線，分別是TTL、ECL和星型觸發(fā)線。TTL觸發(fā)線共8條，即TTLTRG0~TTLTRG7，是一組用于模塊間通信的、集電極開路的TTL信號線，分布在P2連接器上。包括0號槽在內(nèi)所有模塊都可以驅(qū)動這些線或者從這些線上接受信息。這是一組通用線，可用于觸發(fā)、掛鉤、時鐘或邏輯狀態(tài)的傳送。數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)125Mb/s。VXIbus規(guī)范定義了同步觸發(fā)、時鐘傳送、數(shù)據(jù)傳送、啟/停和外部觸發(fā)緩沖7種標(biāo)準(zhǔn)工作方式。ECL觸發(fā)線共6條，即ECLTRG0-ECLTRG5，同TTL觸發(fā)線一樣，是一組用于模塊之間通信和定時的信號線，但具有更高的工作速度。分布在P2、P3連接器上。VXIbus規(guī)范定義了7種跟TTL觸發(fā)線類似的標(biāo)準(zhǔn)工作方式。星型觸發(fā)總線STARX和STARY分布在P3連接器上，用于模塊間的異步通信。兩條STAR線連接在各模塊插槽和0號槽之間。0號槽可提供一個交叉矩陣開關(guān)，通過對該開關(guān)進(jìn)行編程可以確定任何兩根STARX和STARY線之間的信號路徑。第22頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六(5)本地總線(LocalBus,LBUS)。采用菊花鏈路連接，分布在P2和P3連接器上，是一條專用的相鄰模塊間通信總線。本地總線可以為不同模塊提供不同的通信方式，數(shù)據(jù)傳輸速率可分別高達(dá)250Mb/s和1Gb/s。VXI規(guī)范規(guī)定了使用LBUS傳送TTL、ECL、模擬低、模擬中和模擬高五種信號的標(biāo)準(zhǔn)。(6)模擬加法總線(SUMBUS)。是VXIbus系統(tǒng)背板上的一條模擬相加接點(diǎn)。每個模塊都可以用一個模擬電流源驅(qū)動器來驅(qū)動這條線，或者通過一個高阻接收器如一個高阻抗模擬放大器接收來自該總線的信息。此外，VXIbus系統(tǒng)的電源可為每個儀器模塊提供268W的功率，通過VXI背板提供7種不同的電壓。+5V、±12V是VME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，其余4種電壓是VXI規(guī)范增加的，其中，±24V是為模擬電路設(shè)計(jì)的，-5.2V和-2V是為高速ECL電路設(shè)計(jì)的。第23頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六三、VXI總線系統(tǒng)的電磁兼容、冷卻和電源VXIbus總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了系統(tǒng)傳導(dǎo)及輻射電磁兼容(EMC)產(chǎn)生和敏感度的上限值。EMC的限定保證了包含敏感電路的模塊具有各自的靈敏度且互不干擾。在VXI系統(tǒng)中，必須采用嚴(yán)格的方法確保環(huán)境的冷卻性以使系統(tǒng)正常工作。每個儀器模塊的功率消耗、空氣流量以及機(jī)柜空間和冷卻能力都必須考慮。VXI總線的電源特性為用戶組建VXI系統(tǒng)提供了方便，每種供電電壓都提供了一個峰值DC電源輸出值和一個峰值動態(tài)電流輸出值，以便用戶在選擇模塊時對電壓和電流的要求與機(jī)箱進(jìn)行對比。動態(tài)電流特性確保了被選擇的模塊不會在機(jī)箱的供電線路上產(chǎn)生超過其他模塊可以承受的波紋噪聲。為了方便系統(tǒng)集成，VXIbus規(guī)范要求機(jī)箱制造商和模塊制造商在其產(chǎn)品規(guī)范中給出機(jī)箱供電和冷卻能力以及模塊的電源需求和冷卻指標(biāo)。系統(tǒng)集成者可以根據(jù)這些指標(biāo)選擇合適的機(jī)箱和模塊。第24頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六四、VXI總線系統(tǒng)的器件器件是VXIbus系統(tǒng)的基本邏輯單元通常，一個器件占有一個模塊，但也允許有多個模塊器件或多器件模塊存在一個VXI子系統(tǒng)最多可有256個器件每個器件必須具有0～255(00～FFH)中惟一的邏輯地址靜態(tài)組態(tài)器件、動態(tài)組態(tài)器件與邏輯地址一一對應(yīng)，每個VXI器件都有一塊64字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)/操作寄存器第25頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六器件之間的基本操作是信息傳輸VXI器件根據(jù)通信能力可分為寄存器器件、存儲器器件、消息器件和擴(kuò)展器件四類VXIbus器件間的通信是基于一種器件的分層關(guān)系進(jìn)行的，即相互通信的兩個器件，一個是命令者，一個是響應(yīng)者或從者命令者啟動一次命令或數(shù)據(jù)的傳遞，是VXIbus命令的發(fā)出者，屬消息型器件從者只能響應(yīng)命令者啟動的數(shù)據(jù)傳遞，并以事件狀態(tài)響應(yīng)VXIbus命令，從者通常是寄存器器件或存儲器器件，某些消息器件(如智能儀器)也可能充當(dāng)從者第26頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六五、VXI總線系統(tǒng)的通信VXIbus系統(tǒng)的通信分為若干層次，由器件的不同硬件和軟件提供支持

VXIbus總線規(guī)范定義了幾種器件類型和通信協(xié)議，但是卻沒有規(guī)定VXIbus主機(jī)箱和器件的控制方式，以便廠商可以靈活定義并與高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)同步第27頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六VXI總線系統(tǒng)的通信層次

第28頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六六、VXI總線系統(tǒng)的總線控制VXI總線控制器可分為嵌入式和外掛式兩類，而外掛式控制器又有很多不同的方案可供選擇，常用的有GPIB總線控制器、MXI總線控制器和IEEE1394串行總線控制器等嵌入式VXI控制器就是在VXI機(jī)箱的0槽內(nèi)插入直接與背板相連的嵌入式計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)直接驅(qū)動VXI總線。這種配置方式的物理尺寸最小，而且嵌入式控制器能夠直接訪問VXIbus背板信號，并直接讀寫VXIbus器件的寄存器，因此具有最高的數(shù)據(jù)傳輸性能外掛式控制器是一種比較靈活而且性能價格比很高的控制方案，得到了十分廣泛的應(yīng)用。采用這種方式，計(jì)算機(jī)不直接驅(qū)動VXI總線，而是驅(qū)動適于通信傳輸?shù)目偩€形式，間接驅(qū)動VXI總線。通信總線的一端提供總線適配器連接到計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽，另一端連到VXI機(jī)箱的0槽控制器上第29頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六連接計(jì)算機(jī)和VXI總線的通信總線最為常用的有GPIB總線、MXI總線和IEEE1394串行總線等。GPIB總線方式是將配置有GPIB接口板的計(jì)算機(jī)通過GPI電纜與VXI主機(jī)箱相連，主機(jī)箱的0槽插入GPIB-VXI/C模塊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用已有的GPIB儀器及其系統(tǒng)，但由于要在GPIB協(xié)議和VXI協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得系統(tǒng)隨機(jī)讀寫速度嚴(yán)重下降。MXI總線是一種柔性電纜相連的高速并行通信總線。采用高速M(fèi)XI總線將外部計(jì)算機(jī)接入VXI背板總線，使外部計(jì)算機(jī)可以像嵌入式計(jì)算機(jī)一樣直接控制VXI總線上的儀器模塊。既有外掛式的靈活性，又可將計(jì)算機(jī)安置在VXI主機(jī)箱外的其他地方，還便于控制機(jī)升級和多機(jī)箱擴(kuò)展。第30頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六IEEE1394是一種通用串行總線，最初由Apple公司提出并命名為FireWire(火線)。IEEE1394總線具有高速率、開放式標(biāo)準(zhǔn)、即插即用、支持熱拔插、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、同時支持同步和異步兩種數(shù)據(jù)傳輸模式等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域特別是數(shù)字成像領(lǐng)域得到的廣泛應(yīng)用。采用VXI-1394連接方式，可以在VXI儀器與計(jì)算機(jī)之間建立高速、不間斷的連接，而且在IEEE1394總線上可以串級使用4個設(shè)備而不會引起性能的下降。第31頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器(VirtualInstrument，VI)是20世紀(jì)80年代提出的新概念，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)以及其他新技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物1986年，美國國家儀器公司(NationalInstrument,NI)首先提出了“軟件就是儀器”的概念新的檢測理念、新的儀器結(jié)構(gòu)、新的檢測方法、新的開發(fā)手段，使測量儀器的功能和作用也發(fā)生了質(zhì)的變化電子測量與自動測試領(lǐng)域的一次技術(shù)飛躍通過各種與測量技術(shù)相關(guān)的軟硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)概念的儀器設(shè)備，或利用軟硬件與傳統(tǒng)儀器設(shè)備相連接，通過通信方式采集、分析、顯示數(shù)據(jù)，監(jiān)視和控制測試過程、生產(chǎn)過程等10.3虛擬儀器

第32頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件基礎(chǔ)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板、測試功能，由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，通過I/O接口設(shè)備完成信號的采集與測量，使用軟件對檢測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、分析和處理，并以多種形式表示和輸出檢測結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)測試測量功能。用戶通過鼠標(biāo)單擊虛擬模板上的按鈕進(jìn)行操作，如同使用一臺專用的電子測量儀器。簡單地說，虛擬儀器就是充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，并可由用戶自己設(shè)計(jì)、自己定義的儀器，或者也可以說虛擬儀器就是一種概念性儀器。第33頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器通常由計(jì)算機(jī)、儀器模塊和軟件三部分組成。儀器模塊的功能主要靠軟件實(shí)現(xiàn)，通過編程在顯示屏上構(gòu)成波形發(fā)生器、示波器或數(shù)字萬用表等傳統(tǒng)儀器的軟面板，而波形發(fā)生器發(fā)生的波形、頻率、占空比、幅值、偏置等，或者示波器的測量通道、標(biāo)尺比例、時基、極性、觸發(fā)信號(沿口、電平、類型……)等都可用鼠標(biāo)或按鍵進(jìn)行設(shè)置，如同常規(guī)儀器一樣使用，不過，虛擬儀器具有更強(qiáng)的分析處理能力。計(jì)算機(jī)在虛擬儀器中處于核心地位，儀器的各種功能和面板控件均由計(jì)算機(jī)軟件來完成，任何一個用戶均可以在現(xiàn)有硬件條件下通過修改軟件來改變儀器的功能軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，“軟件就是儀器”第34頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器的特點(diǎn)

在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能；允許用戶根據(jù)需要通過軟件自定義儀器的功能，而不是事先由廠商定義好的；儀器功能的改進(jìn)和擴(kuò)展只需通過相關(guān)軟件設(shè)計(jì)更新，而無需購買新的儀器設(shè)備；研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短；功能強(qiáng)大，有更高的數(shù)據(jù)采集速率、測量準(zhǔn)確度、精度以及更好的信號隔離功能；具有更大的靈活性和開放性，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備互聯(lián)；硬件擴(kuò)展非常便捷，可以利用計(jì)算機(jī)插入式硬件以及網(wǎng)絡(luò)化硬件；性價比高，可以大幅降低資金投入、系統(tǒng)開發(fā)成本和系統(tǒng)維護(hù)成本；操作性強(qiáng)，儀器面板可由用戶定義，針對不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面；良好的便攜性，可以在筆記本電腦上運(yùn)行第35頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成的基本框圖

第36頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)

第37頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺和測控功能硬件虛擬儀器的計(jì)算機(jī)硬件平臺可以是各種類型的計(jì)算機(jī).計(jì)算機(jī)管理虛擬儀器的軟硬件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。虛擬儀器的測控功能硬件主要完成被測信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換，具體測量儀器硬件模塊是指各種傳感器、信號調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)、D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、數(shù)據(jù)采集卡，同時還包括外置測試設(shè)備。按照接口硬件的不同可以分為GPIB、VXI、PXI和DAQ等標(biāo)準(zhǔn)接口總線。第38頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)VPP系統(tǒng)規(guī)范的定義，虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)從底層到頂層包括三部分：VISA庫、儀器驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件VISA(VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture，虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu))的實(shí)質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。通常，這個I/O函數(shù)庫被稱作VISA庫。它駐留在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)儀器總線的特殊功能，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接。第39頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六VISA能夠適應(yīng)不同的處理器結(jié)構(gòu)，如單處理器結(jié)構(gòu)、多處理器結(jié)構(gòu)及分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等，并獨(dú)立于操作系統(tǒng)、編程語言及網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)的兼容性。在VISA中，儀器類型的不同體現(xiàn)在資源名稱的不同上，而對用戶而言，不同類型儀器的使用在形式和方法上都是一樣的。VISA實(shí)現(xiàn)了各種庫的統(tǒng)一，是一組函數(shù)集，通過它可以直接訪問計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備。VISA本身不具有編程的能力，只是一個應(yīng)用軟件的開發(fā)接口，為儀器驅(qū)動程序開發(fā)提供了可調(diào)用的函數(shù)集。I/O接口軟件存在于儀器與儀器驅(qū)動程序之間，是一個完成對儀器內(nèi)部寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作、對VXI總線背板與器件作測試與控制、并為儀器與儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞的底層軟件，是實(shí)現(xiàn)開放統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。VPP系統(tǒng)規(guī)范詳細(xì)規(guī)定了虛擬儀器系統(tǒng)I/O接口軟件的特點(diǎn)、組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)規(guī)范，并將符合VPP規(guī)范的虛擬儀器系統(tǒng)I/O接口軟件定義為VISA。第40頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集，是連接上層應(yīng)用程序和底層I/O接口軟件的紐帶和橋梁。通常，生產(chǎn)廠家都為其儀器模塊或設(shè)備提供了設(shè)備驅(qū)動程序。用戶可在此基礎(chǔ)上編寫適合自己的應(yīng)用程序。每個儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動程序。應(yīng)用軟件是建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能來完成測試任務(wù)。第41頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六目前，主要有兩類虛擬儀器系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境：(1)通用編程語言的開發(fā)環(huán)境，如VC、VB、JAVA、Delphi等。這些軟件都為用戶提供了圖形化的開發(fā)環(huán)境，但大都缺少針對虛擬儀器的專用類庫。(2)虛擬儀器專用軟件開發(fā)平臺，如LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。為用戶提供了豐富的軟件包，其中包含了大量的可重用的函數(shù)庫、過程程序包、宏、類、庫等，使得用戶的開發(fā)更為容易。幾乎所有用于測量、控制和通信模塊的代碼均已具備，供用戶隨時調(diào)用。第42頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺——LabVIEW

NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI，HP公司的VEE等LabVIEW是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)的簡稱，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的面向虛擬儀器的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境第43頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六

LABVIEW的特點(diǎn)(1)圖形化編程環(huán)境。LabVIEW采用圖形化編程語言，盡可能利用了技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念。在開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)人員基本上很少編寫代碼，更多的是采用圖形化符號。(2)功能強(qiáng)大的函數(shù)庫。LabVIEW提供了數(shù)百個用于I/O、控制、分析和數(shù)據(jù)顯示的內(nèi)置函數(shù)，用戶可以直接調(diào)用這些函數(shù)，大大提高了效率。(3)內(nèi)置32位程序編譯器。保證用戶數(shù)據(jù)采集及測試方案能高效執(zhí)行，此外，可以利用LabVIEW生成可脫離LabVIEW環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。(4)靈活的程序調(diào)試手段?？梢酝ㄟ^設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行、高亮執(zhí)行及設(shè)置探針等調(diào)試手段來檢查程序中的錯誤。第44頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六(5)開放式的開發(fā)平臺。LabVIEW提供了大量與外部代碼或應(yīng)用程序進(jìn)行鏈接的機(jī)制，如動態(tài)鏈接庫、動態(tài)數(shù)據(jù)交換、ActiveX控件等。(6)適用于多種操作系統(tǒng)。LabVIEW提供了對Windows、UNIX、Linux、MacOS等操作系統(tǒng)的支持，并且在不同平臺開發(fā)的LabVIEW應(yīng)用程序可以直接移植。(7)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便用戶構(gòu)建各種網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程虛擬儀器系統(tǒng)。(8)同傳統(tǒng)編程語言相比，LabVIEW可以節(jié)省大約80％的程序開發(fā)時間，但其運(yùn)行速度幾乎不受影響。第45頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六使用LabVIEW開發(fā)的程序稱為虛擬儀器VI，以.VI為后綴。LabVIEW通過應(yīng)用庫函數(shù)來處理用戶界面的輸入，VI是LabVIEW的基本程序單位。結(jié)構(gòu)簡單的測試任務(wù)可由一個VI來完成，復(fù)雜任務(wù)由多個VI實(shí)現(xiàn)，通過VI之間的層次調(diào)用結(jié)構(gòu)來完成，高層的VI可以調(diào)用一個或多個低層的特殊功能的VI。VI包括三部分：程序前面板(FrontPanel)、框圖程序(BlockDiagram)和圖標(biāo)/連接器(Icon/Connector)。第46頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六第47頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六第48頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六第49頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器的發(fā)展與應(yīng)用虛擬儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、帶GPIB接口的智能化儀器到全部可編程虛擬儀器的發(fā)展歷程虛擬儀器從概念的提出到目前技術(shù)的日趨成熟，可大致分為四個階段：(1)初級虛擬儀器(2)開放式的虛擬儀器構(gòu)成(3)虛擬儀器框架(4)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器第50頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器是最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、先進(jìn)的測試技術(shù)(如VXI/PXI功能模塊儀器)和強(qiáng)大的軟件包等多種技術(shù)的大集成。虛擬儀器在測量和控制方面具有無以倫比的強(qiáng)大功能和靈活性，可廣泛應(yīng)用于電子測量、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機(jī)械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、農(nóng)業(yè)工程、教學(xué)及科研等諸多方面。國際上從1988年開始陸續(xù)問世虛擬儀器的產(chǎn)品，當(dāng)時有五家公司推出30種產(chǎn)品，此后成倍增加，到1994年年底，虛擬儀器生成廠家就達(dá)到95家，共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達(dá)2.93億美元，占整個儀器銷售額73億美元的4%。美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國，擁有許多著名的大公司。第51頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六我國對虛擬儀器的研究起步于1984年，如東方振動和噪聲技術(shù)研究所于1985年提出了PC卡泰(PCCATAI)——微機(jī)式采集測試分析儀的概念。目前，國內(nèi)一些高等院校和科研單位如重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等以及中科泛華等80余家公司在從事虛擬儀器技術(shù)和產(chǎn)品的研制與開發(fā)，同時在引進(jìn)消化NI、HP等公司的產(chǎn)品方面也做了一系列有益的工作，并取得了一批成果。第52頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展前沿和重點(diǎn)硬件方面的小型化、智能化、多樣化，以及各種標(biāo)準(zhǔn)的、功能更強(qiáng)的、面向行業(yè)應(yīng)用的虛擬儀器專用硬件模塊；軟件方面的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、專業(yè)化、系列化和網(wǎng)絡(luò)化；智能虛擬儀器系統(tǒng)的研究與開發(fā)；各種嵌入式虛擬儀器系統(tǒng)的研發(fā)；網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用；新概念儀器的提出及實(shí)現(xiàn)等第53頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六10.4網(wǎng)絡(luò)化儀器最初誕生的智能測控系統(tǒng)是以單片機(jī)、PC機(jī)、工控機(jī)為核心的多個分散單元的集合體當(dāng)總線出現(xiàn)以后，一般借助S-100或PC機(jī)總線形成測控系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(TDCS)基于LAN的TDCS系統(tǒng)現(xiàn)場總線與智能化測控儀器的連接構(gòu)成測控網(wǎng)絡(luò)第54頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六20世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展的啟發(fā)：接入Internet的不應(yīng)僅限于狹義上的計(jì)算機(jī)，工業(yè)中的各種測量控制裝置、生活中的各種家用電器、社會不同領(lǐng)域不同層面的各種公眾設(shè)備等，都應(yīng)該且必將成為Internet的客戶端。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展，測控任務(wù)的復(fù)雜化，遠(yuǎn)程監(jiān)測任務(wù)等迫切需求，促進(jìn)了測控儀器向網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)化儀器的概念是對傳統(tǒng)測量儀器概念的突破，是虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物第55頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六網(wǎng)絡(luò)化儀器包括基于計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的分布式測控儀器、基于Internet/Intranet的虛擬儀器、嵌入式Internet的網(wǎng)絡(luò)化儀器、基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感系統(tǒng)以及基于無線通訊網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng)等。在智能交通、信息家電、家庭自動化、工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測及遠(yuǎn)程醫(yī)療等眾多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)化儀器是電工電子、計(jì)算機(jī)軟硬件以及網(wǎng)絡(luò)、通信等多方面技術(shù)的有機(jī)組合體，以智能化、網(wǎng)絡(luò)化、交互性為特征，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，多采用體系結(jié)構(gòu)來表示其總體框架和系統(tǒng)特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)化儀器的體系結(jié)構(gòu)，包括基本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件、應(yīng)用軟件和各種協(xié)議?？梢越M建多種形式的測試系統(tǒng)，如單用戶測試系統(tǒng)、多用戶測試系統(tǒng)、局域網(wǎng)測試系統(tǒng)、遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)等。第56頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六基于Web的虛擬儀器

是虛擬儀器技術(shù)的延伸與擴(kuò)展虛擬儀器把傳統(tǒng)儀器的前面板移植到普通計(jì)算機(jī)上，利用計(jì)算機(jī)的資源處理相關(guān)的測試需求；而基于Web的虛擬儀器則更進(jìn)一步，它是把儀器的前面板移植到Web頁面上，通過Web服務(wù)器處理相關(guān)的測試需求?；赪eb的虛擬儀器軟件技術(shù)包括ActiveX技術(shù)、DataSocket服務(wù)器和Web服務(wù)器。ActiveX是由Microsoft公司定義并發(fā)布的一種開放性標(biāo)準(zhǔn)。DataSocket是NI提供的一種編程工具，用于在不同的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間共享數(shù)據(jù)。Web服務(wù)器支持標(biāo)準(zhǔn)的HTTP協(xié)議，可以使虛擬儀器的前面板顯現(xiàn)在瀏覽器中，可實(shí)現(xiàn)對虛擬儀器的遠(yuǎn)程交互式訪問。支持SMTP，可使虛擬儀器中消息和文件的發(fā)送可以郵件方式進(jìn)行。支持FTP，可以實(shí)現(xiàn)文件的自動上傳下載。第57頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六通過HTTP協(xié)議遠(yuǎn)程訪問和控制測量儀器系統(tǒng)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷、修復(fù)和監(jiān)控測試等。例如，基于Internet的分布式虛擬實(shí)驗(yàn)室（VirtualLab，VLab）將完成遠(yuǎn)程醫(yī)療、虛擬太空測試實(shí)驗(yàn)、虛擬海底測試實(shí)驗(yàn)，也將為測控儀器的設(shè)計(jì)與使用帶來許多意想不到的新思路。虛擬實(shí)驗(yàn)室是近幾年隨著Internet的迅速發(fā)展而提出來的，人們希望通過虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）技術(shù)來操作和控制遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的科學(xué)儀器。第58頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六嵌入式Internet的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器

傳統(tǒng)傳感器的數(shù)字化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化智能傳感器帶有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字總線接口，能夠自己管理自己，將所檢測到的信號經(jīng)過變換處理后，以數(shù)字量的形式通過現(xiàn)場總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。所謂智能傳感器，就是指帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地融合在一起。第59頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六智能傳感器的主要功能：（1）具有自校準(zhǔn)、自標(biāo)定、自校正功能；（2）具有自動補(bǔ)償功能；（3）具有自動采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理的功能；（4）能夠自動檢驗(yàn)、自選量程、自尋故障；（5）具有數(shù)據(jù)存儲、邏輯判斷和信息處理功能；（6）具有雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或符號輸出功能；（7）具有判斷、決策處理功能；（8）具有組態(tài)功能，可設(shè)置多種模塊化的硬件和軟件，完成不同的測量功能。智能傳感器的主要特點(diǎn)：高精度、寬量程、多功能、強(qiáng)自適應(yīng)性、高可靠性與穩(wěn)定性、高信噪比、高靈敏度和分辨能力等第60頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六智能傳感器的發(fā)展方向：單片集成化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、高精度、多功能、高可靠性與安全性?！皢纹瑐鞲衅鹘鉀Q方案”(SensorSolutionOnChip，SSOC)智能微塵(SmartMicroDust)，一種具有電腦功能的超微型傳感器虛擬傳感器，基于軟件開發(fā)而成的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器，是包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器第61頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是在智能傳感器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和信息化，其核心是使傳感器本身實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。將TCP/IP協(xié)議嵌入到智能化傳感器中可以通過軟件方式或硬件方式，目前已有多種嵌入式的TCP/IP芯片(如美國SeikoInstruments公司生產(chǎn)的ichipS7600A芯片)，它們可直接用作網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet的網(wǎng)絡(luò)化儀器。目前，智能傳感器連入Internet的方式主要有兩種：一是直接在智能傳感器上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，使之直接連入Internet；二是智能傳感器通過公共的TCP/IP轉(zhuǎn)接口(或稱網(wǎng)關(guān)Gateway)與Internet相連。第62頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六IEEE1451網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)

基于現(xiàn)場總線的測控系統(tǒng)存在如下不足：(1)各種總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議格式不同，相互之間互不兼容，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展與維護(hù)；(2)對傳感器/執(zhí)行器的生產(chǎn)廠家而言，既要花費(fèi)很大精力了解和熟悉這些標(biāo)準(zhǔn)，同時又要在硬件的接口上符合每一種標(biāo)準(zhǔn)的要求，這無疑將增加制造商的成本；(3)對于系統(tǒng)集成開發(fā)商而言，必須提供符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的產(chǎn)品，選擇合適的生產(chǎn)廠家提供的傳感器/執(zhí)行器使之與系統(tǒng)相匹配；(4)對于用戶而言，擴(kuò)展系統(tǒng)功能的需求在很多情況下很難得到滿足，因?yàn)橹悄軅鞲衅?執(zhí)行器的大多數(shù)廠家都無法提供滿足各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要求的產(chǎn)品，如果更新系統(tǒng)，又將給用戶的投資利益帶來很大的損失。第63頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六IEEE組織制定并通過了智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器接口內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)和軟硬件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的目的是開發(fā)一種軟硬件的連接方案，將智能變送器連接到網(wǎng)絡(luò)或者用以支持現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括各種現(xiàn)場總線及Internet/Intranet。通過定義一整套通用的通信接口，使變送器在現(xiàn)場級采用有線或無線的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，大大簡化由變送器構(gòu)成的各種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題，并能夠最終實(shí)現(xiàn)各個廠家產(chǎn)品的互換性與互操作性。IEEE1451是一個連接傳感器和用戶的系列標(biāo)準(zhǔn)，所有的IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)都能單獨(dú)或相互使用。第64頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六IEEE1451變送器接口包括點(diǎn)對點(diǎn)接口UART/RS-232/RS-422/RS-485/(IEEEP1451.2子標(biāo)準(zhǔn))、多點(diǎn)分布式接口（IEEE1451.3標(biāo)準(zhǔn)、家庭電話線聯(lián)盟通信協(xié)議）、數(shù)字和模擬信號混合模式接口（IEEE1451.4子標(biāo)準(zhǔn)，1-wire通信協(xié)議）、藍(lán)牙/802.11/802.15.4無線接口（IEEEP1451.5標(biāo)準(zhǔn)），CAN總線使用的接口（IEEEP1451.6子標(biāo)準(zhǔn)，用于本質(zhì)安全系統(tǒng)CANopen協(xié)議）、USB接口（IEEEP1451.7標(biāo)準(zhǔn)，通用串行總線協(xié)議），以及將來制定子標(biāo)準(zhǔn)定義的接口。標(biāo)準(zhǔn)代號中的字母“P”（Proposed）表示該標(biāo)準(zhǔn)目前的狀態(tài)是提議標(biāo)準(zhǔn)，還沒有頒布和執(zhí)行。第65頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六IEEE1451智能變送器標(biāo)準(zhǔn)體系第66頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)特征：(1)變送器接口與網(wǎng)絡(luò)和廠商無關(guān)；(2)定義了TEDS(TransducerElectronicDataSheet，變送器電子數(shù)據(jù)表)；(3)支持變送器數(shù)據(jù)、控制、時序、配置和校正的通用模型；(4)“即插即用”的功能；(5)以最小的代價安裝、升級和維護(hù)變送器；(6)在世界上任意地點(diǎn)的主機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)可以以有線或無線的方式無縫獲得數(shù)據(jù)和信息。第67頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六10.5多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在智能儀器中的應(yīng)用多傳感器數(shù)據(jù)融合(Multi-sensorDataFusion)是20世紀(jì)70年代初期提出的，軍事應(yīng)用是其誕生的源泉。1973年，美國研究機(jī)構(gòu)就在國防部資助下開展了聲納信號解釋系統(tǒng)的研究，后來，美國又投入大量人力、財力相繼研究開發(fā)了幾十個軍用信息融合系統(tǒng)。在早期開發(fā)的系統(tǒng)中，最典型的是戰(zhàn)場管理和目標(biāo)檢測系統(tǒng)(BETA)，它的開發(fā)進(jìn)一步證實(shí)了信息融合的可行性和有效性。80年代，美國在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視系統(tǒng)的開發(fā)中采用信息融合技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)識別、態(tài)勢評估和威脅估計(jì)，并研制出已廣泛應(yīng)用于大型戰(zhàn)略系統(tǒng)、海洋監(jiān)視系統(tǒng)和小型戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)的第一代信息融合系統(tǒng)。第68頁，共78頁，2023年，2月20日，星期六20世紀(jì)80年代以來，發(fā)達(dá)國家相繼開始了相應(yīng)研究，數(shù)據(jù)融合也由此發(fā)展稱為一項(xiàng)專門的技術(shù)。目前，在C3I(Command,Control,CommunicationandIntelligence)系統(tǒng)中都在采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，在工業(yè)測量、機(jī)器人、空中交通管制、海洋監(jiān)視和管理等領(lǐng)域也朝著這一方向發(fā)展。多傳感器數(shù)據(jù)融合