第3章 虚拟仪器软件标准
3虚拟仪器软件规范(1)_v0.7
IEEE488 问题
容易产生数据错误
导致设备的兼容性差
给仪器编程、学习和使用带来很大麻烦
测试系统应用软件的可重用性受到很大的限制
为了鼓励工业界对IEEE488总线更广泛的应用，IEEE开
发制定了新的标准IEEE488.2。
8
Standards Introduction
Standard Number Standard Title ————————————————————————————————— ANSI/IEEE Std 488.1-1987 IEEE standard digital interface for programmable instrumentation ANSI/IEEE Std 488.2-1987 IEEE standard codes, formats, protocols, and common commands. For use with ANSI/IEEE Std 488.1-1987 IEEE standard digital interface for programmable instrumentation IEEE Std 488.2-1992 IEEE standard codes, formats, protocols, and common commands for use with IEEE Std 488.1-1987, IEEE standard digital interface for programmable instrumentation IEEE Std 488.1-2003 IEEE standard for higher performance protocol for the standard digital interface for programmable instrumentation
第3章Multisim元器件库及虚拟仪器
第2章 元器件库及虚拟仪器
3.1.13 机电类元件族
第2章 元器件库及虚拟仪器
3.1.13 机电类元器件库
该库包含的八个元器件箱中，只有Line Transformer 是现实元器件。
1.Sensing switches(感测开关)。
该开关可以使用键盘上的字母“a”到“z”或空格 键、数字键中的任何一个，来控制其开或断，具体设 定可通过其属性对话框完成。默认控制键是空格键。
被用作传输线、波导和不连续器件间的连接，实际电容 值在几pF到nF之间。有一种典型的射频电容是交叉指 型电容，其电容值ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0.1到10pF之间。 2.RF inductor(虚拟射频电感器)。
其等效电路是电阻与电感串联、与电容并联。射 频电感与其他电感相比，具有更高的品质因数Q。
第2章 元器件库及虚拟仪器
3.1.9 混合元件族 Mixed
第2章 元器件库及虚拟仪器
表3.6 混合集成电路库（MixedICs）
第2章 元器件库及虚拟仪器
3.1.10 指示元件族
电压表 电流表
灯泡
数码管
第2章 元器件库及虚拟仪器
3.1.11 其他元件族 Misc
第2章 元器件库及虚拟仪器
3.1.11 其它器件库（Miscellaneous）
8.三端双向可控硅开关元件（Triac）
该元件是双向开关，可使电流双向流过该元件， 可把它看作两个单向可控硅背靠背并联。只有在阳极、 阴极间的双向电压大于转折电压及正向脉冲电流流进 门极（又称栅极或控制极）时，才允许电流流过元件。
第2章 元器件库及虚拟仪器
3. 1.4 晶体管族
第2章 元器件库及虚拟仪器
表3.4 三极管库（Transistors）
虚拟仪器技术
虚拟仪器简介虚拟仪器的相关介绍2.1 虚拟仪器技术虚拟仪器技术是以计算机软硬件技术为核心，以自动控制技术、传感器技术、现代信号处理技术、现代网络技术、数值分析技术为支撑，以各专业学科为应用背景的现代测试技术。
它利用高性能的模块化集成概念和方法，结合软件设计平台高效、简便的程序编译功能，依据用户各类特殊需求创建出人机对话界面，实现并取代各类特殊、昂贵的测试仪器的功能，目前已经成为测试理论和应用实验研究的重要支撑。
传统电子仪器存在的诸多弱点使传统仪器已渐渐不能满足工业自动化和测量领域的需要。
随着计算机技术日新月异的飞速发展，计算机强大的数据处理能力使得它的应用范围越来越广。
1986年，美国NI公司（National Instruments）提出虚拟仪器的概念，以“软件即仪器”为口号，彻底打破了传统电子仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一场革命。
简单地说，虚拟仪器技术就是利用计算机技术实现的对测控系统的抽象。
平常使用的示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪，以及传感器等传统仪器，都可使用通用计算机和专用的控制器和显示器来模拟，实现向虚拟仪器的转变。
用户在计算机屏幕上用鼠标和键盘就可设置参数、观察波形，取代以往的在传统仪器面板上调节旋钮、观察曲线等操作，更为快捷方便。
可见虚拟仪器反映的是一种“硬件软件化”的思想和趋势。
虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器的发展方向。
而Labview是世界上最优秀的虚拟软件开发平台。
使用Labview的最开发虚拟仪器最大的好处是提高开发的效率。
据统计使用Labview开发虚拟仪器比使用基于文本的语言开发效率可以提高10—15倍，程序的执行速度去几乎不受影响；时时在信号处理等方面的强大功能方面是组态软件不可以比拟的。
2.2 虚拟仪器的组成与分类虚拟仪器包括硬件和软件两大部分。
硬件主要是获取现实世界的被测信号, 提供信号传输的通道。
虚拟仪器测试仪器从硬件到软件
虚拟仪器软件开发平台具有以下优点：
1、灵活性：虚拟仪器系统可以通过软件来模拟各种物理信号和系统，具有很 强的灵活性。
2、高效性：虚拟仪器系统可以通过计算机来实现数据的采集、处理和分析， 具有很高的效率。
3、可靠性：虚拟仪器系统可以采用软件容错技术，提高系统的可靠性。
4、易用性：虚拟仪器系统可以采用图形化编程方式，使得开发人员更加容易 地构建系统。
二、虚拟仪器的软件组件
虚拟仪器的核心是软件。软件为硬件提供了强大的测试和控制能力。一些主要 的软件组件包括：
1、驱动程序：驱动程序用于与硬件设备进行通信和控制。这些驱动程序通常 由硬件制造商提供，并确保硬件与虚拟仪器平台兼容。
2、测试程序：测试程序是用于创建和执行测试的软件模块。这些程序可以包 括对特定参数的测量，例如电压、电流、频率等，也可以包括对特定行为的监 控，例如设备的响应时间或信号的波形等。
三、虚拟仪器的优势
虚拟仪器技术的优势在于其灵活性和可扩展性。由于所有的功能都由软件实现， 用户可以根据需要进行定制。这意味着用户可以轻松地修改或添加新的测试功 能，以满足不断变化的需求。此外，虚拟仪器技术还具有以下优点：
1、高效率：虚拟仪器技术可以自动化许多测试过程，从而大大提高测试效率。
2、易于维护：如果硬件出现故障，用户可以简单地更换硬件，而不需要更改 软件。这大大降低了维护成本和时间。
一、虚拟仪器的硬件基础
虽然虚拟仪器主要依赖软件进行测试和测量，但硬件仍然是所有功能的基础。 硬件设备包括数据采集卡、信号发生器、信号调理器等，用于捕获、转换和处 理被测信号。
数据采集卡负责获取模拟信号，并将其转换为计算机可以处理的数字信号。信 号发生器则产生特定的测试信号，例如正弦波、方波或脉冲波。信号调理器用 于调整信号的幅度、频率和其他特性，以便进行更精确的测量。
虚拟仪器
虚拟仪器定义：虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。
特点：（1）突出“软件就是仪器”的概念（2）丰富和增强了传统仪器的功能（3）仪器由用户自己定义（4）开放的工业标准（5）便于构成复杂的测试系统，经济性好。
发展趋势：1.网络化2.标准化 3.不断吸收新技术给虚拟仪器带来生机开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。
高性能计算机的发展推动着仪器发展，计算机具有仪器所需要的最先进及性能价格比最好的显示与存储能力，尤其是计算机总线技术的发展虚拟仪器软件环境将朝着为广大用户提供简单易用的图形化开发环境，用于测试、测量与控制应用系统的开发，帮助工程师和科学家们实现更高的开发效率方向前进。
数据采集产品的性能的不断提高，为测试技术水平的提高提供了可靠保证。
随着网络技术的发展，”网络即仪器”将成为新的概念，网络化仪器必将在新世纪推动仪器界新的革命。
GPIB器件：执行IEEE488.2协议的各种设备统称为“GPIB器件”职能：1.控者职能2.讲者职能3.听者职能Gpib三线挂钩过程：（源方（讲者与控者）与受方（听者））①听者置NRFD为高，表示已做好接收数据准备；听者是线或连接至nrfd②讲者发现NRFD呈高后，讲者发送数据至DIO线上，并令DAV为低电平；表示dio上数据已经稳定且有效③听者发现DAV为低后，就令NRFD为低，表示准备接收数据；④听者接收数据时，ndac一直保持低电平，直至每个听者都收完数据后，置NDAC为高；⑤当讲者检出NDAC为高后，就令DAV为高，表示总线上数据不再有效。
⑥听者检出DAV为高，就令NDAC为低，准备下一个循环。
VXI总线标准是在VME总线标准在仪器领域的扩展。
VXI总线以其开放的系统结构、模块化的设计、紧凑的机械结构、良好的电磁兼容性，以及可靠性高、小型便携和灵活通信能力等一系列优点满足了工业领域需求，被公认为21世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台。
虚拟仪器使用说明书
EzDSO系列多功能示波器用户手册Ver 1.12006.8目录首页：目录： (1)示波器篇第一章：系统介绍 (3)1.1特点介绍 (4)1.2性能参数 (4)1.3应用领域介绍 (6)1.4开箱检查 (6)第二章：仪器的安装、连接2.1检查电源电压 (7)2.2操作环境 (7)2.3电脑系统要求 (7)2.4仪器的接口 (7)2.5仪器与电脑、测试线的连接 (8)第三章：软件的安装3.1安装驱动程序 (9)3.2安装应用软件 (10)3.3拷贝仪器调整参数文件到安装目录 (12)第四章：软件与仪器的使用4.1为仪器上电 (13)4.2启动程序 (13)4.3主程序界面 (14)4.3.1菜单区域介绍 (14)4.3.2快捷键区域介绍 (18)4.3.3显示区域介绍 (19)4.3.4仪器控制面板区域介绍 (22)第五章：快速操作指南 (25)逻辑分析仪篇第六章：逻辑分析仪介绍６．１ ezLA逻辑分析仪外观 (26)６．２ ezLA逻辑分析仪性能参数 (26)６．３ ezLA逻辑分析仪对系统要求 (27)第七章：软件介绍７．１ 软件的安装 (28)７．２ 软件功能介绍 (30)第八章：操作向导８．１ 时钟信号测量 (37)８．２ 总线测量 (38)８．３ 逻辑电平测量 (39)信号发生器篇第九章：信号发生器介绍 (40)附录一：如何校准仪器 (45)附录二：技术支持 (47)第一章：系统介绍承蒙您选购ezDSO系列多功能示波器！其功能强大、结构小巧，一定会成为您研发、查错、维修中的最佳助手！该仪器包含两个测量通道，支持多种触发方式以及测量模式。
最高采样频率可以达到100Msps,存储深度最大可到256K。
部分型号还包含任意信号发生器，逻辑分析仪器。
相对于普通的模拟示波器，其功能更加强大、多样，结构更加简洁、小巧，方便携带。
适用于一般的电子产品\设备的研发、维修、测试等领域。
同时也非常适合应用在教育以及职业培训中，比如建设信号与处理实验室、EDA实验室、单片机实验室等等。
第3章虚拟仪器的软件开发平台
2. 信号的频域分析
频域分析是采用傅立叶变换将时域信号X(t)变换为 频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解 信号的特征；
信号的频域描述：应用傅里叶变换，对信号进行变 换(分解)，以频率为独立变量，建立信号幅值、相 位与频率的关系;
特点：频域描述抽取信号内在的频率组成，信息 丰富，应用广泛。
2.利用NI USB-6009数据采集卡实现数据采集
主要技术指标： 8个模拟通道（14位、48 位kS/s采样速度）； 2路14位模拟输出通道； 12个I/O通道； 1个32位计数器/定时器。
产品通过USB接口供电，不需要任何外接电源。它们均包括用于直接信号 连接可拆卸螺孔端子、用于支持外部设备以及传感器1个参考电压、低噪音高精 度的4层电路板，以及高达±35v的模拟输入过电压保护。
优点:形象、直观 缺点:不能明显揭示信号的内在结构
信号的时域分析举例一相关分析
所谓“相关”是指变量之间的线性关系； 相关性是指信号的相似和关联程度，相关分析不
仅可用于确定性信号，也可用于随机信号的检测、 识别和提取等； 相关分析常用相关函数（自相关函数和互相关函 数）或相关系数来描述； 相关函数和功率谱(密度)是一对傅立叶变换。
1.前面板
前面板是VI的用户界面。创建VI时，通常应 先设计前面板，然后设计程序框图执行在前 面板上创建的输入、输出任务。
2. 程序框图
程序框图是图形化源代码的集合，图形化源 代码又称G代码或程序框图代码。
程序框图由接线 端、节点、连线 和结构等构成。
程序框图对象
程序框图由接线端、节点、连线和结构等构 成:
内容包括:
① 频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱； ② 功率谱分析：包括自谱和互谱； ③ 频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱之比； ④ 相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱的相关 程度。
虚拟仪器 LABVIEW 第3章3-1
第2页
《虚拟仪器设计》
在同一硬件平台上，调用不同的测试软件就可构 成不同功能的虚拟仪器。例如：
对采集的数据通过测试软件进行标定，并在时间轴上 把对应的数据点显示出来，就构成了一台数字示波器； 对采集的数据利用软件进行FFT变换，并把各频率分 量幅值在频率轴上显示出来，则构成一台频谱分析仪 等。 通过信号分析与处理可求取信号的各种特征值，如峰 值、真有效值、均值、均方值、方差、标准差及频谱 函数、相关函数、概率密度函数等，可构成各种测试 仪器。
信号名称
图3-9 Simulate Signal．vi的参数设定对话框
第23页
《虚拟仪器设计》
（1）信号特性
首先选择周期信号类型和能够附加噪声信号的类型， 分别见图3-10和图3-11，然后设定信号的频率、幅值、 初始相角和直流偏置，噪声的均值、标准偏差等。
第24页
《虚拟仪器设计》
（2）采样时间特性和时间戳 采样时间特性选择：
《虚拟仪器设计》
虚拟仪器测试功能软件的主要内容
① 时域分析：测量时采集到的信号是一个时域波形。 ② 频域分析：测量时直接采集到的信号是时域波形，由 于时域分析的局限性，所以往往把问题转换到频域来处 理。基本方法是FFT。 ③ 相关分析：信号的相关分析是时（延）域中进行的一 种信号分析处理方法。 ④ 幅值域分析：信号的幅值域分析首先是对随机信号进 行统计分析，可以求得信号的均值、均方值、方差、概 率密度函数等。
在测试工程应用中还有这样一种情形：测量的信号是若 干个正弦信号或余弦信号的叠加，每个正弦信号或余弦 信号具有不同的频率、幅值和相位。
仿真信号发生器Simulate Signal．vi不能产生多个周期信 号叠加的波形，如果要实现这一功能，需要在每个单一 周期信号产生以后再进行叠加运算。
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3.1.2 SCPI仪器模型
针对SCPI命令是描述测试功能，而不是仪器 信号路由选择 格式化 硬件组成、技术手段和前面板控制， SCPI提 用来控制信号输入通道与 用来转换数据的表达式，当数据需要 出了一个描述仪器测试功能的通用仪器模型， 内部功能间的路径 向外部接口传送时，必须格式化 如图 :
MEASure：VOLTage：AC? MAX，0.54，（@103，@108）
（2）CONFigure：配置命令
CONFigure命令的一般形式为： CONFigure：< function > < parameters > [，< source list > ] 该命令完成仪器配置 ，其参数意义及用法与 MEASure命令一致。例如，对于数字万用表， 该命令用指定参数设置数字万用表。
面板程序 应用程序 虚拟仪器开发平台 PC 机
被 测 信 号
传 感 器
虚拟仪器软件层次结构
仪器面板控制软件 数据分析处理软件 仪器驱动程序 输入/输出接口软件
输入/输出（I/O）接口软件 I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对 仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作，为仪器驱动程序 提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器 系统的基础和核心。（VISA） 仪器驱动程序 仪器驱动程序是为用户提供能用于仪器操作的、较抽象的操 作函数集。连接上层应用软件和底层I/O软件的纽带和桥梁。 仪器生产厂家在提供仪器模块的同时提供仪器驱动程序。 应用软件 顶层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分析处理软 件。一般是在仪器硬件厂商提供的I/O接口软件和仪器驱动程 序基础上进行应用软件开发。
常用仪器公用命令
（3）*TST？自检命令。该命令复位仪器，完成自检， 返回自检代码。返回“0”表示仪器正常，否则仪器 存在故障需维修。自检命令是确定仪器操作过程是 否出现问题的一个有效手段。 （4）*CLS 清除命令。中断正在执行的命令，清除在 命令缓冲区等待的命令。例如当数字表正在等待外 部触发信号时，此时输入的命令将在缓冲区等待， 直至触发信号接收到后才执行。命令*CLS将清除在 缓冲区等待的命令。 （5）*ERR？错误信息查询命令。当仪器操作过程中 发生错误时，错误代码和解释信息储存在错误队列 中，用下述命令可以读出错误代码和解释信息： SYST：ERR？
READ? == *CLS+INITiate+FETCh？ MEASure？ == *CLS+CONFigure+READ? 子系统命令 TRIGger: 触发命令 SENSe： 检测命令 CALibration：自校准命令 CALCulate：运算命令 FORMat： 格式命令 DISPlay： 显示命令
注意：读数的速度必须与DMM缓冲区容量匹配。
（4）FEtch?：取命令
FEtch?命令的一般形式为： FEtch? < function > ？< parameters > [， < source list > ] 该命令取出由最近的INITiate命令放在内存中 的读数值，并将这些读数送到输出缓冲区。 在送 FETch? 命令前，必须先执行 INIT 命令， 否则将产生错误。
长形助记符的规则
长形助记符与关键词的字母完全相同，只 不过长形助记符的书写格式有一定要求， 它被分成两部分，第一部分用大写字母表 示短形助记符，第二部分用小写字母表示 关键词的其余部分。 关键词的书写形式要求不严格，可以与长 形助记符完全相同，也可以只把第一个字 母大写。
助记符形成实例
Error！
第3章
虚拟仪器软件标准
Instrument Driver
第3章 虚拟仪器软件标准
教学内容
可编程仪器标准命令(SCPI) 虚拟仪器软件结构(VISA) 虚拟仪器驱动程序
Instrument Driver
虚拟仪器系统
以 PC-DAQ 接口的虚拟仪器为例，虚拟仪器 的整体结构如图
信 号 调 理 电 路 数 设 据 备 卡 驱 动
3.1.1 SCPI的目标
SCPI的总目标是节省自动测试设备程序开发 时间，保护设备制造者和使用者双方的硬件 和软件投资，为仪器控制和数据利用提供广 泛兼容的编码环境。 这个广泛兼容的编码环境是指：SCPI仪器程 控消息、响应消息、状态报告结构和数据格 式均有标准化的定义，其使用只与仪器测试 功能及仪器性能、精度相关。而不考虑仪器 硬件组成、制造厂家、通信物理连接硬件环 境和测试程序编制环境。
CALCulate:
3.2 虚拟仪器软件结构(VISA)
VISA （ Virtual Instrumentation
Software Architecture ， VISA ），
测试应用软件 测试编程环境 仪器软面板
是VXI即插即用（VPP）系统联 盟制定的 I/O函数库及其相关规 范的总称，一般称这个 I/O 函 数库为VISA 库。 优点：面向器件而不是面向借口 总线，与硬件接口无关，是一个 标准且独立于硬件设备、接口、 操作系统和编程语言的 I/O函数 库，是现有I/O接口软件的一个 超集。
3.1.5 SCPI编程方法
SCPI命令采用“树结构”语言。 例如：用电压表测量直流电压 MEAS: VOLT: DC? 10, 0.001
复 位 初始化状态 设定触发方式 测 量 读数据到缓冲器 结果处理 到主机
*CLS *RST CONFigure: TRIGger: MEASure:
CONF: VOLT: DC 10, 0.001 TRIG: SOUT EXT READ? CONF: VOLT: DC 10, 0.001 TRIG: SOUT EXT INIT: FETCh?
信号路由选择 测量功能 格式化 数据总线
触发 信号路由选择
存储器 格式化 数据总线
信号产生
3.1.3 SCPI命令句法
SCPI程控命令标准由3部分内容组成：
第一部分“语法和式样”，描述SCPI命令的产 生规则以及基本的命令结构； 第二部分“命令标记”，主要给出SCPI要求或 可供选择的命令； 第三部分“数据交换格式”描述了一种数据采 集的标准表示方法，用于实现仪器与仪器之间 及其他应用场合中的数据交换。
SCPI的目标
（ 1 ）程控命令面向测试功能（信号），而不是描述 仪器操作.（兼容性：横向，纵向） （ 2 ）减少类似测试功能的控制方法是保证编程兼容 性的关键. （ 3 ）在与通信物理连接层硬件无关的高层次上定义 程控消息. （4）与编程手段和程序语言无关，SCPI用户测试程 序模块易于移植. （5）具有可缩性，可适应不同规模的测量控制. （6）SCPI的可扩性.（ATE程序必须向上兼容）
1. 语法和式样
SCPI命令由程控题头、程控参数和注释 3部分组成。 SCPI程控题头有两种形式，如图所示.
*
程控助记符
?
： ：
短形助记符
：
长形助记符
数字后缀
？
短形助记符的规则
（ 1）如果关键词不多于 4个英语字母，则关键词就 是短形助记符。 （ 2）如果关键词多于 4个英语字母，则通常保留关 键词的前4个字母作为短形助记符。但是在这种情 况下，如果第4个字母是元音，则把这个元音去掉， 用3个字母作短形助记符。 （3）所有长形、短形助记符均允许有数字后缀，以 区别类似结构的多种应用场合。例如使用不同触 发源时可用不同的数字后缀区别它们。在使用数 字后缀时，短形助记符仍允许使用4个不包括数字 的字母。
本章内容的结构关系
IEEE 488 GPIB SCPI VISA IVI
VPP
注意：
1. 仪器的种类繁多，要求驱动程序具有可互换性和 通用性； 2. 关注的是正在试图测量的信号，而不是正在用于 测量信号仪器。
3.1 可编程仪器标准命令(SCPI)
SCPI：Standard Commands for Programmable Instruments 可编程仪器标准命令是为解决程控仪 器编程进一步标准化而制定的标准程序语 言，目前已经成为重要的程控仪器软件标 准之一。
2. SCPI主干命令
（1）MEASure：测量命令 MEASure命令的一般形式为： MEASure：< function > ? < parameters >[，< source list >] 完成交流电压测量的命令形式为： MEASure ： VOLTage ： AC?[<range>[ ， <resolution>]][，<channel list>] 例如：
命令中的符号
分号： : TRIG: DELAY 1; TRIG: COUNT 10 : TRIG: DELAY 1; COUNT 10 逗号： MEAS: VOLT: DC? 10, 0.001 空格用来分分隔命令助记符和参数； 问号用来指定仪器发送响应信息
2. 命令标记
SCPI命令标记主要给出 SCPI要求的和可供 选择的命令。 SCPI 命令分为两类：仪器公 用命令和SCPI主干命令。 SCPI把IEEE-488.2要求仪器必须执行的公 用命令作为 SCPI 仪器公用命令，这些公用 命令用于控制仪器的某些基本功能操作，其 句法和语义遵循IEEE-488I主干命令关键字与基本功能
SCPI主干命令关键字与基本功能
3. SCPI交换格式
SCPI交换格式主要描述了一种仪器与应用之间、应 用与应用之间、仪器与仪器之间可以使用的数据集 的标准方法。 SCPI 的交换格式语法与 IEEE-488.2 语法是兼容的，分为标准参数格式和数据交换格式 两部分。 标准参数格式 ：数值参数、离散参数、布尔参数、 字符串参数 数据交换格式 ： SCPI 的数据交换格式主要描述了 一种数据结构，它用来作为仪器与仪器之间以及不 同应用场合情况下交换特征数据。