CN2715114Y - 多功能手持智能虚拟仪器 - Google Patents
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Abstract
多功能手持智能虚拟仪器涉及一种多功能的电子测量仪器，尤其是一种多功能的智能仪器和虚拟仪器相组合的电子测量仪器。该仪器的输入接口(4)、模拟量变换器(5)、模拟信号调理器(6)顺序连接，复杂可编程逻辑器件(9)的输出端接液晶模块(11)，同时通过模拟控制总线(16)分别接模拟量变换器、模拟信号调理器、模数转换器；单片微控制器(12)通过MCU地址、数据总线(17)与液晶模块(11)、复杂可编程逻辑器件、外部扩展接口(15)相连接，通过CPLD控制总线(18)与复杂可编程逻辑器件相连接，通过USB控制器数据总线(19)与通用串行总线控制器(13)相连接，通过外部扩展接口地址、数据总线(20)与外部扩展接口相连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多功能的电子测量仪器，尤其是一种多功能的智能仪器和虚拟仪器相组合的电子测量仪器。
背景技术
在工业生产、电子实验室甚至日常生活中，各种电量以及器件参数的测量是经常遇到的一个问题。同时，一些非电量，如温度、湿度、压强等的测量在电子技术中也有着极其重要的作用。因此，在以上所述场合常常需要配置大量的测试测量仪器，如用于电量测试的多用表、示波器、频率计、网络分析仪等，又如用于非电量测试的温度计、湿度计、压强计等。
但是，如此之多的仪器不仅使用繁琐、价格昂贵、体积庞大，并且使用、管理、维护都不是一件容易的事情。除此以外，测试结果的记录和处理通常也要费很大的周折。
让我们从另一个角度思考这个问题。一般说来，电子测量仪器的发展经历了三个阶段：传统仪器、智能仪器和虚拟仪器。传统仪器一般指使用纯硬件的方法来实现测试测量功能的仪器，因为功能单一、结构复杂，现已使用较少，仅用于低成本的测量应用如手持多用表；智能仪器是将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器，使其具有类似人智能特性或功能的仪器。为了实现这种特性或功能，智能仪器中一般都使用嵌入微处理器的系统芯片(SoC)、或数字信号处理器(DSP)及专用电路(ASIC)，仪器内部带有处理能力很强的智能软件。仪器仪表已不再是简单的硬件实体，而是硬件、软件相结合，软件在仪器智能高低方面起重要作用的仪器；而虚拟仪器则尝试了个人电脑(PC)与仪器的结合，充分的利用了计算机技术，并可由用户自己设计、自己定义仪器本身。随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，用户只能使用制造商提供的仪器功能的传统观念正在改变，而用户自己设计、定义的范围进一步扩大；同一台虚拟仪器可在更多场合应用，比如既可在电量测量中应用，又可在振动、运动和图像等非电量测量中应用，甚至在网络测控中应用。
但是，智能仪器和虚拟仪器均具有其固有的缺点。对于智能仪器，由于所有的功能均由嵌入式处理器来实现，因此结构复杂、功能简单、成本高、体积庞大，更重要的是，普通的智能仪器很难充分利用PC强大的计算能力、丰富的显示手段以及灵活自由的接口。而虚拟仪器虽然摆脱了嵌入式结构，能够充分利用PC的强大功能，但是同时引入了其致命的缺点：必须配合PC才能使用。这使得虚拟仪器在很多场合特别是便携式应用中发挥不了其作用。
本实用新型的出发点就是提出一种克服以上所述不足之处的便携式电子测量仪器。
发明内容
技术问题：本实用新型的目的是提供一种多功能手持智能、虚拟仪器，该仪器实现了一个智能仪器和虚拟仪器的混合体来克服他们的缺点而融合他们的优点，具有体积小巧，电池供电，方便便携式应用，同时智能化、图形化、人性化测量，用户自己设计、定义的范围进一步扩大；同一台仪器可在更多场合应用，比如既可在电量测量中应用，又可在振动、运动和图像等非电量测量中应用，甚至在网络测控中应用。
技术方案：本实用新型的多功能手持智能、虚拟仪器，由信号处理电路、控制电路、存储电路、显示电路所组成，其特征在于输入接口的输出端接模拟量变换器，模拟量变换器的输出端接模拟信号调理器，模拟信号调理器和室温传感器的输出端接模数转换器，模数转换器的输出端接复杂可编程逻辑器件；复杂可编程逻辑器件的输出端接液晶模块，同时通过模拟控制总线分别接模拟量变换器、模拟信号调理器、模数转换器；单片微控制器通过MCU地址、数据总线与液晶模块、复杂可编程逻辑器件、外部扩展接口相连接，单片微控制器通过CPLD控制总线与复杂可编程逻辑器件相连接，单片微控制器通过USB控制器数据总线与通用串行总线控制器相连接，单片微控制器通过外部扩展接口地址、数据总线与外部扩展接口相连接，单片微控制器还与电可擦写只读存储器相连接，串行总线控制器还与USB接口相连接。电源部分由充电接口、电池、多输出电源顺序连接所组成。
模拟量变换器(5)的输出端即集成电路“U204”的“X”端，接模拟信号调理器(6)的输入端即放大器“U200A”的同相输入端，模拟信号调理器(6)的输出端即放大器“U200B”的输出端接模数转换器(8)的输入端即集成电路“U201”的“AIN1”端。
待测信号通过输入接口4接入，经过模拟量变换器5，变换成了相应的电压信号。经过模拟信号调理器6调理后，送入高精度AD转换器AD7719进行AD转换成为离散的数字量并送入C8051F022高速单片SoC微控制器MCU。MCU对数据进行处理后，将结果显示在点阵液晶显示器11上。CPLD完成整机的总线、接口逻辑时序控制的工作。温度传感器用来测量室温并对整机提供软件温度补偿。EEPROM保存了用户数据以及整机的校准信息。USB控制器和USB接口提供了USB的硬件支持。外部扩展卡连接到外部接口15上，并可由CPLD和MCU访问。充电接口1、电池2和多输出电源3对整机提供了电源支持。
有益效果：本实用新型的有益效果是：融合了智能仪器和虚拟仪器、实现了其优点而克服了其缺点，在大专院校、电子实验室、用户服务人员、电子爱好者等应用场合下可满足用户的多项需求，且只要选购相应扩展卡就可以实现诸如示波器、网络分析仪、任意波形发生器等多种仪器的功能，因此几乎无需购买其他任何测量仪器，从一个方面简化了测量过程，提高了工作效率。同时设有完善的统计、结果处理功能，方便了结果的记录和处理。本体积小，十分方便携带。内置电池省去了更换电池的麻烦和费用。重量轻，性能稳定。
本实用新型实现了一个智能仪器和虚拟仪器的混合体来克服他们的缺点而融合他们的优点。本仪器具有智能仪器和虚拟仪器的双重特点。
在脱离PC的情况下，本仪器是一个典型的智能仪器：内嵌高速处理器，体积小巧，电池供电，方便便携式应用，同时智能化、图形化、人性化测量，点阵灰度液晶显示器图文并茂显示测量结果。当该仪器和PC通过高速通用串行总线(USB)接口连接的时候，该仪器又是一个典型的虚拟仪器：软件代替硬件，具有强大的存储能力、计算能力，丰富的显示手段，而且，用户能够建立起满足本行业测试要求的测试系统，其高度的灵活性、开放性及可靠性使用户不再受仪器单一功能的限制，用户可根据自己的需要扩展升级测试测量能力。保证了开发周期，减少了投资购买新仪器的成本。
值得注意的是，无论处于智能仪器或者虚拟仪器状态，本仪器的所有功能均是灵活组态的。并且不同于传统虚拟仪器的组态方式，这种组态不仅仅是软件上的，同时可以是硬件上的和固件上的。换句话说，用户可以使用添加专用扩展插卡或者安装新软件或者两者皆有的方式进行软件、硬件和固件的全方位的功能扩展。本仪器具备一个总线式扩展插座，可以方便的插入专用扩展卡以具备特定功能。例如，插入示波卡就具备了示波器的功能，插入488接口卡就具备了IEEE-488接口，插入压强、湿度扩展卡就具备了测量压强、湿度的能力等等。当然，这种组态也可以是软件的，如安装特定软件就可实现振动分析等功能。
因此，本仪器在一个平台上实现了全方位的功能扩展，用户可以在本仪器的平台上组建适合自己的测试测量系统，具有高度的灵活性和扩展性。
本仪器具有以下功能特点：
●功能极其强大，具有以下测量项目：
直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、电阻、电容、电感、频率、晶体管放大倍数(HFE)、室内温度、热电偶、p-n压降、逻辑、电池、真电压、真电流、周期、电导、阻抗、转速
●功能可在软件、硬件和固件方面全方位扩展
●准确度高，达5位十进制分辨率(数字显示：±99999)和0.05％准确度
●智能功能/量程选择
●综合测量，如测量直流电压时同时显示交流纹波电压及频率
●真实测量，可排除仪器影响而得到真实结果
●自动/手动校准，机内无可调元器件
●自动数据保持
●波形显示功能(160×80点阵)
●可通过高速USB端口连接PC构建虚拟仪器
●具有数字示波器、标量网络分析仪、任意波形发生器等扩展功能
●4000个非易失性数据存储
●零点设定、对比、最值测量
●均值，方差，标准差、原点距、中心距、抽样分布、统计图、域变换等统计功能，可链接到EXCEL等电子表格或数据库
●真有效值交流测量
●内藏可充电锂离子电池，可连续工作十小时
●采用小型背光160×100点阵四级灰度图形液晶显示器显示数据
●仿模拟表条图功能
●方便的人机接口，整机仅11个轻触开关
●体积小、重量轻、手持设计
●自动关机
●完善的保护功能
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的电路原理框图。
图中有，充电接口1；电池2；多输出电源3；输入接口4；模拟量变换器5；模拟信号调理器6；室温传感器7；ADC(模数转换器)8；CPLD(复杂可编程逻辑器件)9；EEPROM(电可擦写只读存储器)10；LCD(液晶)模块11；MCU(单片微控制器)12；USB(通用串行总线)控制器13；USB接口14；外部扩展接口15；模拟控制总线16；MCU地址、数据总线17；CPLD控制总线18；USB控制器数据总线19；外部扩展接口地址、数据总线20。
图2是图1中充电接口1；电池2；多输出电源3的电路原理图。
图3是图1中输入接口4；模拟量变换器5；模拟信号调理器6；室温传感器7；ADC(模数转换器)8的电路原理图。
图4是图1中CPLD(复杂可编程逻辑器件)9的电路原理图。
图5是图1中EEPROM(电可擦写只读存储器)10；MCU(单片微控制器)12的电路原理图。
图6是图1中LCD(液晶)模块11；USB(通用串行总线)控制器13；USB接口14；外部扩展接口15的电路原理图。
具体实施方式
在图1所示实施例中，本实用新型的多功能手持智能、虚拟仪器，由信号处理电路、控制电路、存储电路、显示电路所组成；输入接口4的输出端接模拟量变换器5，模拟量变换器5的输出端接模拟信号调理器6，模拟信号调理器6和室温传感器7的输出端接模数转换器8，模数转换器8的输出端接复杂可编程逻辑器件9；复杂可编程逻辑器件9的输出端接液晶模块11，同时通过模拟控制总线16分别接模拟量变换器5、模拟信号调理器6、模数转换器8；单片微控制器12通过MCU地址、数据总线17与液晶模块11、复杂可编程逻辑器件9、外部扩展接口15相连接，单片微控制器12通过CPLD控制总线18与复杂可编程逻辑器件9相连接，单片微控制器12通过USB控制器数据总线19与通用串行总线控制器13相连接，单片微控制器12通过外部扩展接口地址、数据总线20与外部扩展接口15相连接，单片微控制器12还与电可擦写只读存储器10相连接，串行总线控制器13还与USB接口14相连接。
电源部分由充电接口1、电池2、多输出电源3顺序连接所组成。
模拟量变换器(5)的输出端即集成电路“U204”的“X”端，接模拟信号调理器(6)的输入端即放大器“U200A”的同相输入端，模拟信号调理器(6)的输出端即放大器“U200B”的输出端接模数转换器(8)的输入端即集成电路“U201”的“AIN1”端。
在以上的电路中，采用了C8051F022单片高速SoC微控制器作为作品的中央控制器，以高精度AD7719双通道24bit Sigma-Delta AD转换器作为输入通道，以160×100四级灰度点阵液晶显示器作为显示输出，以PDIUSBD12控制器作为USB控制器，以ispMACH4128低功耗复杂可编程逻辑器件(CPLD)作为整机的总线、接口逻辑时序控制器，配以强大的模拟变换前端，通过软件实现了功能的测量和功能的扩展。
待测信号经过模拟量变换器，变换成了相应的电压信号。经过模拟信号调理器调理后，送入高精度模数转换器(ADC)AD7719进行AD转换成为离散的数字量并送入C8051F022高速单片SoC微控制器。中央控制器对数据进行处理后，将结果显示在点阵液晶显示器上。
当本仪器和PC连接后，PC对本仪器进行枚举，并载入相应的驱动程序。本仪器通过固件支持美国国家仪器公司(National Instrument)公司所提出的业界标准USBTMC(测试测量仪器通用串行总线接口设备类，Universal Serial BusTest and Measurement Class)规范和VISA(虚拟仪器软件应用程序接口，VirtualInstrument Software API)规范，因此，本作品可以被虚拟仪器的业界标准软件LabView、LabWindows和Measurement Studio等软件所直接识别和使用。在以上软件中通过发送VISA指令即可全方面的控制本仪器。
本仪器支持使用扩展卡的功能扩展。本仪器和扩展卡之间通过自定义的双向对等式总线进行数据通信。当本仪器插入扩展卡后，本仪器的固件会自动识别扩展卡的类型。本仪器将扩展卡分为非智能卡和智能卡两大类，当扩展卡为非智能卡时，主机的固件读出卡上电可擦写只读存储器(EEPROM)内部的信息，如卡的名字、版本、校准值、非线性校正表等，实现了模拟上或是接口上的扩展；当扩展卡为智能卡时，主机识别了卡的类型、序列号等信息后，将主控制权交给智能卡上的控制器，而主机仅进行一些常规处理工作，如初始化、液晶显示管理、USB接口、键盘管理等。其他功能均不主动运行。这样保证了扩展卡的全面扩展能力。
Claims (3)
1、一种多功能手持智能虚拟仪器，由信号处理电路、控制电路、存储电路、显示电路所组成，其特征在于输入接口(4)的输出端接模拟量变换器(5)，模拟量变换器(5)的输出端接模拟信号调理器(6)，模拟信号调理器(6)和室温传感器(7)的输出端接模数转换器(8)，模数转换器(8)的输出端接复杂可编程逻辑器件(9)；复杂可编程逻辑器件(9)的输出端接液晶模块(11)，同时通过模拟控制总线(16)分别接模拟量变换器(5)、模拟信号调理器(6)、模数转换器(8)；单片微控制器(12)通过MCU地址、数据总线(17)与液晶模块(11)、复杂可编程逻辑器件(9)、外部扩展接口(15)相连接，单片微控制器(12)通过CPLD控制总线(18)与复杂可编程逻辑器件(9))相连接，单片微控制器(12)通过USB控制器数据总线(19)与通用串行总线控制器(13)相连接，单片微控制器(12)通过外部扩展接口地址、数据总线(20)与外部扩展接口(15)相连接，单片微控制器(12)还与电可擦写只读存储器(10)相连接，串行总线控制器(13)还与USB接口(14)相连接。
2、根据权利要求1所述的多功能手持智能虚拟仪器，其特征在于电源部分由充电接口(1)、电池(2)、多输出电源(3)顺序连接所组成。
3、根据权利要求1所述的多功能手持智能虚拟仪器，其特征在于模拟量变换器(5)的输出端即集成电路“U204”的“X”端，接模拟信号调理器(6)的输入端即放大器“U200A”的同相输入端，模拟信号调理器(6)的输出端即放大器“U200B”的输出端接模数转换器(8)的输入端即集成电路“U201”的“AIN1”端。
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| CN104393629A (zh) * | 2014-09-30 | 2015-03-04 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种数字示波表的智能电源管理电路 |
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