现代检测技术：虚拟仪器技术课件

现代检测技术现代检测技术 虚拟仪器技术虚拟仪器技术 精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事现代检测技术 虚拟仪器技术 精勤求学 敦笃励志 果毅力1虚拟仪器虚拟仪器 v第一代仪器：模拟仪器第一代仪器：模拟仪器，如指针式万用表等，它们的基本特征，如指针式万用表等，它们的基本特征是采用模拟电子技术，采用指针显示结果；是采用模拟电子技术，采用指针显示结果；v第二代仪器：数字化仪器第二代仪器：数字化仪器，这类仪器把模拟信号转化为数字信，这类仪器把模拟信号转化为数字信号，并以数字方式显示为特征；号，并以数字方式显示为特征；v第三代仪器：智能仪器第三代仪器：智能仪器，这类仪器的特征是内置，这类仪器的特征是内置CPU，但但CPU的作用大多用于仪器的控制，基本不用于数字信号处理；能够的作用大多用于仪器的控制，基本不用于数字信号处理；能够进行信号分析处理的仪器非常复杂和昂贵。进行信号分析处理的仪器非常复杂和昂贵。v第四代仪器：虚拟仪器第四代仪器：虚拟仪器，这类仪器是计算机技术与仪器技术相，这类仪器是计算机技术与仪器技术相结合的产物，其主要特征是结合的产物，其主要特征是通过通过CPU进行数字信号处理，用软进行数字信号处理，用软件算法代替硬件实现仪器的测量功能，并通过软面板操控仪器件算法代替硬件实现仪器的测量功能，并通过软面板操控仪器和显示测量结果和显示测量结果。虚拟仪器 第一代仪器：模拟仪器，如指针式万用表等，它们的基2虚拟仪器虚拟仪器 v虚拟仪器是在以虚拟仪器是在以通用计算机为核心通用计算机为核心的硬件平台上，由的硬件平台上，由用户用户设计设计定义、具有定义、具有虚拟面板虚拟面板、其、其测试功能由软件实现测试功能由软件实现的一种的一种计算机仪器系统。计算机仪器系统。传统仪器上的各种开关、旋钮等由虚拟仪器面板上各种符号传统仪器上的各种开关、旋钮等由虚拟仪器面板上各种符号“控件控件”代替，对仪器的操作通过鼠标和键盘来完成；代替，对仪器的操作通过鼠标和键盘来完成；仪器的测试功能由编程实现，可以将不同软件模块组合实现仪器的测试功能由编程实现，可以将不同软件模块组合实现多种测试功能，多种测试功能，“软件即是仪器软件即是仪器”。虚拟仪器 虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用3 性能高性能高 扩展性强扩展性强 开发时间少开发时间少 集成度高集成度高虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点 性能高 虚拟仪器的特点 4GPIBSerialDAQ被测信号被测信号VXI图象采集图象采集运动控制运动控制PXI虚拟仪器硬件：计算机、虚拟仪器硬件：计算机、I/O接口设备接口设备计算机计算机I/O接口设备接口设备虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成硬件硬件 GPIBSerialDAQ被测信号VXI图象采集运动控制PX5v PC-DAQ系统系统：基于基于PC-DAQ组成虚拟仪器测控系统，组成虚拟仪器测控系统，在计算机上插入数据采集（在计算机上插入数据采集（DAQ）卡，并由驱动软件驱动卡，并由驱动软件驱动硬件，通过应用程序构建虚拟面板和发送通讯命令。硬件，通过应用程序构建虚拟面板和发送通讯命令。如基如基于于PCI总线的图像采集系统。总线的图像采集系统。虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成硬件硬件 PCI总线图像采集卡实物图总线图像采集卡实物图 PC-DAQ系统：基于PC-DAQ组成虚拟仪器测控系统，6v 串口系统串口系统：以：以Serial标准总线仪器与计算机为仪器平标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器系统。台组成的虚拟仪器系统。基于基于USB2.0总线的高总线的高分辨数字图像传感器分辨数字图像传感器（1280*10241280*1024）虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成硬件硬件 串口系统：以Serial标准总线仪器与计算机为仪器平台组7v GPIB系统系统：以：以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器平台标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器系统。组成的虚拟仪器系统。基于基于PCI总线的总线的GPIB总线通信接口卡总线通信接口卡虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成硬件硬件 GPIB系统：以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器平台组8v VXI系统系统：以：以VXI标准总线仪器与计算机为仪器平台标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器系统。组成的虚拟仪器系统。VXI总线集成仪器总线集成仪器虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成硬件硬件 VXI系统：以VXI标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的9v PXI系统系统：以：以PXI标准总线仪器与计算机为仪器平台标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器系统。组成的虚拟仪器系统。PXIPXI总线集成仪器总线集成仪器虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成硬件硬件 PXI系统：以PXI标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的10虚拟仪器软件包括虚拟仪器软件包括2部分：部分：1，I/O接口仪器驱动程序接口仪器驱动程序：完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。2，应用程序，应用程序 定义并实现虚拟仪器前面板功能；定义并实现虚拟仪器前面板功能；定义并实现测试功能的流程图软件。定义并实现测试功能的流程图软件。另外，虚拟仪器软件开发还需要选择合适的工具，目前常另外，虚拟仪器软件开发还需要选择合适的工具，目前常用的开发工具包括：用的开发工具包括：文本式文本式编程语言：如编程语言：如Visual C+，LabWindows/CVI等；等；图形化图形化编程语言：如编程语言：如LabVIEW、HPVEE等。等。虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成软件软件 虚拟仪器软件包括2部分：另外，虚拟仪器软件开发还需要选择合适11LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）实验室虚拟仪器工程平台）内置信号采集、测量分析与内置信号采集、测量分析与数据显示功能，为用户提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。数据显示功能，为用户提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中，让用户可以在自己的平台上无缝地集成一套完整的应用方案。境中，让用户可以在自己的平台上无缝地集成一套完整的应用方案。LabVIEW LabVIEW（Laboratory Virtual Ins12用用LabVIEW可以快速搭建并运行系统，采集来自插入式板卡、可以快速搭建并运行系统，采集来自插入式板卡、USB接口设备或以太网系统的信号。这些数据采集功能包括：接口设备或以太网系统的信号。这些数据采集功能包括：用于调理原始数据的内置通道配置用于调理原始数据的内置通道配置 高速波形采集与发生（单个或连续波形）高速波形采集与发生（单个或连续波形）精确并快速的单点模拟与数字精确并快速的单点模拟与数字I/O 高速数字量输入输出高速数字量输入输出 用于脉冲生成、事件计数与周期测量的计数用于脉冲生成、事件计数与周期测量的计数/定时器定时器 这些这些I/O功能及各种专门的数据类型与测量分析功能及各种专门的数据类型与测量分析VI子程序，是为子程序，是为了从物理传感器中快速并简单地获取数据或测量值而设计的。了从物理传感器中快速并简单地获取数据或测量值而设计的。数据采集数据采集 用LabVIEW可以快速搭建并运行系统，采集来自插入式板卡、13LabVIEW 简化了与各种仪器设备进行连接并通信的工作。简化了与各种仪器设备进行连接并通信的工作。LabVIEW可可以以利利用用内内置置的的仪仪器器I/O连连接接库库，迅迅速速完完成成对对GPIB接接口、串口、以太网接口、口、串口、以太网接口、PXI及及VXI仪器的数据采集。仪器的数据采集。无无需需另另外外开开发发程程序序代代码码，即即可可与与来来自自150多多个个厂厂家家的的1400多多种种仪仪器器进进行行通通信信；利利用用工工业业标标准准的的设设备备驱驱动动软软件件增增加加系系统统性性能能与与便便携性携性。仪器驱动仪器驱动 LabVIEW 简化了与各种仪器设备进行连接并通信的工作。仪14National Instruments（NI）为自动测试与机器马达控制应用为自动测试与机器马达控制应用提供一整套工具选择，包括提供一整套工具选择，包括运动控制软件、运动控制器与马达驱动运动控制软件、运动控制器与马达驱动器器，它们都可以无缝集成到应用系统中。从简单、重复的运动控制，它们都可以无缝集成到应用系统中。从简单、重复的运动控制到互联多轴运动控制，从实验桌到生产线，都可以提供运动控制应到互联多轴运动控制，从实验桌到生产线，都可以提供运动控制应用方案。可以使用用方案。可以使用Motion Advisor帮助设计各种运动控制系统。帮助设计各种运动控制系统。使用多轴运动控制器实现可靠的运动控制；使用多轴运动控制器实现可靠的运动控制；集成式运动控制解决方案；集成式运动控制解决方案；简单易用的运动控制软件；简单易用的运动控制软件；与与140多种不同运动平台（多种不同运动平台（stage）的简单连接。的简单连接。运动控制运动控制 National Instruments（NI）为自动测试与15从模型环境到编程环境的快速转换；从模型环境到编程环境的快速转换；利用利用LabVIEW RT(实时实时)模块在模块在PXI平台上配置嵌入式实平台上配置嵌入式实时机器视觉系统；时机器视觉系统；使用第三方的机器视觉部件；使用第三方的机器视觉部件；以更低的生产生本完成复杂的图像处理工作；以更低的生产生本完成复杂的图像处理工作；几百种机器视觉功能选择；几百种机器视觉功能选择；与与NI数据采集与运动控制设备的简易集成；数据采集与运动控制设备的简易集成；图像采集与机器视觉图像采集与机器视觉 从模型环境到编程环境的快速转换；图像采集与机器视觉 16内带内带400 多个分析处理工具，专门用于从采集到的原多个分析处理工具，专门用于从采集到的原始数据中提取有用的信息，或用于测量数据分析并进行信始数据中提取有用的信息，或用于测量数据分析并进行信号处理。诸如快速傅立叶变换（号处理。诸如快速傅立叶变换（FFT）与频率分析、信号与频率分析、信号发生、数学运算、曲线拟和、数据差补及时频分析等。发生、数学运算、曲线拟和、数据差补及时频分析等。提供集成式函数与附加工具包，专门用于测量分析与提供集成式函数与附加工具包，专门用于测量分析与信号处理。用户可以一边采集数据，一边对这些测量数据信号处理。用户可以一边采集数据，一边对这些测量数据进行分析，并提取有用信息、整理数据，让应用系统可以进行分析，并提取有用信息、整理数据，让应用系统可以根据采集到的数据做出决策。根据采集到的数据做出决策。数据分析数据分析 内带400 多个分析处理工具，专门用于从采集到的原始数据中提17用于测量分析的用于测量分析的LabVIEW附加工具包附加工具包 LabVIEW阶次分析工具套件阶次分析工具套件 LabVIEW 信号处理套件信号处理套件 LabVIEW声音与振动套件声音与振动套件 LabVIEW视觉与图像处理视觉与图像处理 用于控制、仿真与设计的用于控制、仿真与设计的LabVIEW 附加工具包附加工具包 LabVIEW PID控制工具套件控制工具套件 LabVIEW 统计处理控制工具包统计处理控制工具包 LabVIEW 仿真界面工具包仿真界面工具包 数据分析数据分析 用于测量分析的LabVIEW附加工具包 数据分析 18 包含一组包含一组完整的显示工具完整的显示工具，帮助用户将数据显示在应用，帮助用户将数据显示在应用系统的界面中。这些工具包括图形图表及内置系统的界面中。这些工具包括图形图表及内置2维和维和3维显示维显示工具。用户可以随时改动数据显示方式，如颜色、字体大小、工具。用户可以随时改动数据显示方式，如颜色、字体大小、图表类型等，同时还可以对图表进行动态旋转、缩放或拖动图表类型等，同时还可以对图表进行动态旋转、缩放或拖动等操作。等操作。在网络上发布信息在网络上发布信息 使用使用Microsoft Office工具生成报告工具生成报告 交互式数据管理（交互式数据管理（DIAdem软件包）软件包）数据发布数据发布 包含一组完整的显示工具，帮助用户将数据显示在19现代检测技术：虚拟仪器技术课件2086848684A100KHzA100KHz1000MHz1000MHz虚拟信号发生器虚拟信号发生器8684A100KHz1000MHz虚拟信号发生器21现代检测技术：虚拟仪器技术课件22现代检测技术：虚拟仪器技术课件23现代检测技术：虚拟仪器技术课件241，LabVIEW安装；安装；2，创建一个，创建一个VI：NewggVI from templateggTutorial(Getting Started)ggGenerate and Display；注意中间预览框的内容和右侧对该注意中间预览框的内容和右侧对该VI的描述；的描述；3，运行和停止程序。，运行和停止程序。4，切换到程序框图，切换到程序框图，Block Diagram，快捷键快捷键；5，了解了解VI程序框图的组成要素：端口、节点、连线程序框图的组成要素：端口、节点、连线端口端口是数据流的源头或终点，主要包括是数据流的源头或终点，主要包括 前面板对象端口：从前面板输入控制型控件获取数前面板对象端口：从前面板输入控制型控件获取数据，或向前面板输出数据；据，或向前面板输出数据；常量端口：设置程序中数据运算所需的常量；常量端口：设置程序中数据运算所需的常量；全局和局部变量端口：变量来自全局和局部变量端口：变量来自Structure子模板相子模板相应图标；应图标；DAQ端口：数据来自数据采集卡。端口：数据来自数据采集卡。用用LabVIEW设计虚拟仪器设计虚拟仪器 1，LabVIEW安装；端口是数据流的源头或终点，主要包括用25节点节点是执行是执行“函数函数”、“各种运算各种运算”等子程序的调用，主要包等子程序的调用，主要包括括A）函数节点：函数节点：LabVIEW封装好的函数，供用户调用。封装好的函数，供用户调用。B）子子VI节点：由节点：由LabVIEW提供或用户自己定义的子提供或用户自己定义的子VI，可可以访问和修改。以访问和修改。C）结构节点：用来执行结构化程序控制命令，如结构节点：用来执行结构化程序控制命令，如“For Loop”，“Case”等。等。连线连线表示程序执行过程中的数据流和数据走向。表示程序执行过程中的数据流和数据走向。端口生成方式：端口生成方式：A）在前面板放置控件在前面板放置控件B）先在流程图窗口放置图标，在接线头右击鼠标，用先在流程图窗口放置图标，在接线头右击鼠标，用“create control”，”create indicator”等命令生成端口图标。等命令生成端口图标。用用LabVIEW设计虚拟仪器设计虚拟仪器 节点是执行“函数”、“各种运算”等子程序的调用，主要包括连261，“Panel”（前面板）开发窗口前面板）开发窗口 设计制作虚拟仪器前面板是将相关控件摆放到窗口中适当设计制作虚拟仪器前面板是将相关控件摆放到窗口中适当位置组成虚拟仪器前面板的过程。位置组成虚拟仪器前面板的过程。包括：主菜单、工具栏、控制模板等。包括：主菜单、工具栏、控制模板等。运行控制按钮、字体、控件对齐、控件分布、控件层叠、运行控制按钮、字体、控件对齐、控件分布、控件层叠、图标编辑等。图标编辑等。上下文帮助窗口，有详细和简略两种方式；加锁。上下文帮助窗口，有详细和简略两种方式；加锁。2，“Diagram”（流程图）编辑窗口流程图）编辑窗口 流程图是图形化的源代码，是仪器测试功能的图形化表达。流程图是图形化的源代码，是仪器测试功能的图形化表达。包括：主菜单、工具栏、功能模板。包括：主菜单、工具栏、功能模板。高亮执行、单步调试等。高亮执行、单步调试等。用用LabVIEW设计虚拟仪器设计虚拟仪器 LabVIEW基本开发环境基本开发环境 1，“Panel”（前面板）开发窗口2，“Diagram”（272）控制模板：位于前面板窗口，包括数字量、布尔量、字符串）控制模板：位于前面板窗口，包括数字量、布尔量、字符串和路径、数组与簇；表；图；自定义控件等。和路径、数组与簇；表；图；自定义控件等。“Control”类作为输入，用于参数设置，边框较粗；类作为输入，用于参数设置，边框较粗；“Indicator”型作为输出，用于结果显示、仪器工作状态型作为输出，用于结果显示、仪器工作状态指示等，边框较细。指示等，边框较细。3）功能模板：位于流程图窗口，包括结构、数字量、布尔量、）功能模板：位于流程图窗口，包括结构、数字量、布尔量、字符串、数组、簇、比较、时间与对话框、文件字符串、数组、簇、比较、时间与对话框、文件I/O、波形、波形、分析、仪器分析、仪器I/O、声音与图形、通讯、选择子声音与图形、通讯、选择子VI、高级调用高级调用等。等。1）工具模板：工具自动选择、操作工具、定位）工具模板：工具自动选择、操作工具、定位/尺寸尺寸/选择、选择、文本编辑、连线、快捷菜单、窗口滚动、断点、探针、文本编辑、连线、快捷菜单、窗口滚动、断点、探针、取色、着色。取色、着色。用用LabVIEW设计虚拟仪器设计虚拟仪器 LabVIEW模板模板 2）控制模板：位于前面板窗口，包括数字量、布尔量、字符串和路28 在模板基础上修改程序：在模板基础上修改程序：1，在，在Simulate Signal 节点上双击鼠标，更改信号的类型、频节点上双击鼠标，更改信号的类型、频率和幅值等参数；率和幅值等参数；2，用，用Pointer Slide控制噪声幅值；控制噪声幅值；3，添加，添加Signal Analysis模块，选择模块，选择Arithmetic mean、Maximum、Minimum，并生成相应的指示器（在端口上单击并生成相应的指示器（在端口上单击右键，右键，Create Numeric Indicator）。）。4，调整控件的位置、名称、颜色等；调整控件的位置、名称、颜色等；5，运行、保存程序。，运行、保存程序。LabVIEW帮助菜单帮助菜单 Show Context Help,Ctrl+H；自动出现光标所指对象的功能信息，可以锁定或得到更详细的自动出现光标所指对象的功能信息，可以锁定或得到更详细的信息。信息。用用LabVIEW设计虚拟仪器设计虚拟仪器 在模板基础上修改程序：1，在Simulate Signa29软测量仪器平台软测量仪器平台 v 应用需求与研究意义应用需求与研究意义广泛应用于离线产品测量、检验，在线产品识别判定，生产广泛应用于离线产品测量、检验，在线产品识别判定，生产过程装备的实时控制；过程装备的实时控制；是提升传统装备使用效率、降低生产成本、提高产品质量、是提升传统装备使用效率、降低生产成本、提高产品质量、增强产品竞争力的重要途径；突破测控技术难题，提高测控增强产品竞争力的重要途径；突破测控技术难题，提高测控仪器设备附加值；仪器设备附加值；发达国家大力研究基于发达国家大力研究基于传感器信息融合传感器信息融合的软测量理论方法、的软测量理论方法、基于基于嵌入式技术嵌入式技术的虚拟仪器系统平台、基于的虚拟仪器系统平台、基于无线网络数据通无线网络数据通信信等关键技术和应用；关键技术保密。等关键技术和应用；关键技术保密。软测量仪器平台 应用需求与研究意义30DAQ虚拟仪器系统硬件模型虚拟仪器系统硬件模型 DAQ虚拟仪器系统硬件模型 31DAQ虚拟仪器平台软件关键技术虚拟仪器平台软件关键技术 WIN操作系统操作系统 DAQ体系虚拟仪器硬件平台体系虚拟仪器硬件平台硬件抽象层接口程序多线程低级同步程序内核进程模式管理程序驱动程序服务及I/O管理程序WIN操作系统例程调用程序测控对象功能程序测控对象功能程序虚虚拟拟仪仪器器软软件件平平台台人机交互界面程序人机交互界面程序内内核核模模式式驱驱动动程程序序虚拟仪器平台抽象接口程序虚拟仪器平台抽象接口程序虚虚拟拟仪仪器器软软件件库库系系列列仪仪器器系系统统软软件件库库54321测控对象、测控对象、传感器、执行器、功率驱动、光源传感器、执行器、功率驱动、光源6软软测测量量算算法法程程序序库库DAQ虚拟仪器平台软件关键技术 WIN操作系统 32DAQ体系虚拟仪器硬件平台体系虚拟仪器硬件平台 v PC+硬件功能板卡硬件功能板卡雷达数据显示雷达数据显示图像获取卡图像获取卡工业相机工业相机DAQ体系虚拟仪器硬件平台 PC+硬件功能板卡雷达数据33嵌入式虚拟仪器系统平台嵌入式虚拟仪器系统平台 v 硬件模型：硬件模型：ARM+DSP+FPGA+接口硬件接口硬件嵌入式虚拟仪器系统平台 硬件模型：ARM+DSP+FPG34嵌入式虚拟仪器硬件平台嵌入式虚拟仪器硬件平台 嵌入式虚嵌入式虚拟仪器硬拟仪器硬件平台件平台嵌入式系嵌入式系统硬件统硬件外设与接外设与接口硬件口硬件嵌入式虚拟仪器硬件平台 嵌入式虚拟仪器硬件平台嵌入式系统35嵌入式软测量仪器嵌入式软测量仪器 嵌入式虚拟仪器嵌入式虚拟仪器系统平台系统平台抽油机控制器抽油机控制器 智能相机智能相机 嵌入式软测量仪器 嵌入式虚拟仪器系统平台抽油机控制器 36练习题练习题 ：1,生成并显示一个方波信号，可以在程序运行时改变占空生成并显示一个方波信号，可以在程序运行时改变占空比比(Duty Cycle)。2,利用摄氏温度与华氏温度的关系利用摄氏温度与华氏温度的关系C=5(F-32)/9编写一个程编写一个程序，求华氏温度为序，求华氏温度为32、64、104、212度时的摄氏温度。度时的摄氏温度。练习题 ：37Thank You!38