虚拟仪器概述60465

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,虚拟仪器技术,第,34,页,虚拟仪器技术,第1章 虚拟仪器概述,本章概述,1.1 虚拟仪器的基本概念,1.2 虚拟仪器的形成和发展,1.3 虚拟仪器的系统结构,1.4 虚拟仪器的软件系统,1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成,1.6 虚拟仪器技术应用,1.1 虚拟仪器的基本概念,1. 虚拟仪器的定义,传统仪器：特定功能和仪器外观。,虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：是一种以计算机和测试模块的,硬件为基础,、以计算机,软件为核心,所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，这些功能都可由用户软件来定义的计算机仪器。,如：虚拟示波器,虚拟数字电压表,基于虚拟仪器的,温度检测与控制,简单虚拟信号发生器制作,2. 虚拟仪器的特点,从虚拟仪器的组成结构上来看：,（1）虚拟仪器的硬件是通用的（,包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件,）；,（2）良好的人机界面。虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的,（通过“控件”虚拟出面板）,；,（3）功能强。虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。,（4）虚拟仪器之“虚拟”含义：,虚拟仪器面板；,软件实现仪器功能。如：基于高速数据采集硬件，通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。,（5）因此，软件是虚拟仪器的核心，美国国家仪器（NI）有限公司 提出“软件即仪器”（The software is the instrument）。,与传统仪器相比:,传统仪器,虚拟仪器,关键是硬件,关键是软件,开发与维护费用高,开发与维护费用低,技术更新周期长,技术更新周期短,价格高,价格低，并且可重用性与可配置性强,厂商定义仪器功能,用户定义仪器功能,系统封闭、固定,系统开放、灵活，与计算机的发展同步,不易与其他设备连接,容易与其他设备连接,仪器 = A/D + CPU+ 软件,1.2 虚拟仪器的形成和发展,（1）电子测量仪器,(Electronic Instruments)及,自动测试系统,(Automatic Test System, ATS),的发展,（2）虚拟仪器是技术发展的结果,计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与系统的结构不断推陈出新，电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化，功能与性能得到不断提高。,计算机（PC机）处于核心地位，,计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合,成了一个有机整体。,在上述的背景下，提出了全新概念的仪器虚拟仪器。,1986年，美国国家仪器公司（NI, National Instrument）提出了虚拟仪器（Virtual Instrumentation）的概念。,虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术。,（3）虚拟仪器技术的发展与展望,虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物。多门学科多种技术的融合，如测试技术、计算机技术、软件技术、数字信号处理、总线与接口、网络与通信、传感技术、光电技术、微机械技术等。,（1）新的总线技术的应用（如HS488，1394b等）。,（2）速度不断提高。,（3）智能化、模块化、集成化是硬件发展的主流。,（4）软件技术。第一是软件标准化问题；第二是如何利用各种软件开发环境及工具，编制出符合标准的应用软件。,（5）网络化仪器系统。,（6）应用范围更加广泛。,1.3 虚拟仪器的系统结构,1. 虚拟仪器系统组成及各部分基本功能,（1）虚拟仪器的系统构成,硬件和软件两大部分构成。,硬件是基础，软件是核心。,说明：虚拟仪器的硬件,PCI总线数据采集卡,USB总线的数据采集卡,NI的PCI-GPIB卡,操作系统：,D,OS, Windows2000/9x/NT,最大,I/0,速度：,1.5 Mbytes/s （IEEE488.1)7.7 Mbytes/s,(HS488),尺寸：,133x107 mm,NI的DAQ及VXI产品示例,PXI产品,（2）各部分基本功能,虚拟仪器的内部功能，可划分为信号采集与控制、数据分析与处理、结果表示与输出三大功能模块。,信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器驱动程序共同完成，而数据分析与处理、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。,2. 虚拟仪器的通用硬件平台,（1）通用硬件平台的基本功能,信号采集（模拟、数字输入）；,信号产生（模拟、数字输出）；,信号调理（信号幅度、频率、驱动、隔离等）；,定时与计数；,大容量数据存储。,实时信号处理。,总线与通信。,（2）通用硬件平台的组成,3. 虚拟仪器通用硬件平台的构成形式,通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备（分立式或模块式仪器），主要有PC总线的数据采集模块（PC-DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型，或多种类型的组合。,1.4 虚拟仪器的软件系统,1. 虚拟仪器的软件结构,虚拟仪器系统的软件结构包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。,2. 虚拟仪器软件开发平台,（1）虚拟仪器软件框架结构,（2）通用的可视化软件编程环境,Microsoft公司的Visual C+和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C+ Builder等。,（3）专用于虚拟仪器开发的软件编程环境,图形化编程（G语言）环境：Agilent VEE、NI LabVIEW；,文本编程环境：NI LabWindows/CVI。,其中，LabVIEW是目前最流行、应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。,非常适于仪器、测量与控制领域的虚拟仪器软件开发。,1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成,1. 虚拟仪器系统的设计过程,主要包括测试需求分析、系统总体方案设计、系统硬件设计、系统软件设计、系统集成及系统调试等。,（1）测试需求分析,分析被测参数的形式（电量还是非电量、数字量还是模拟量）、范围（幅度、频率）和数量（通道数），激励信号的形式和范围要求；,性能指标（测量精度、速度）要求；,功能（用户接口界面、数据分析与处理、存储与显示、外部通信接口等）要求。,（2）系统总体方案设计,根据测试任务要求，确定测试方法；,系统组成结构设计。,（3）系统硬件设计,自制或购买；,硬件系统集成。,（4）系统软件设计,选择软件开发环境；,底层驱动设计；,上层应用软件设计（用户界面设计、测量数据分析与处理、算法设计、测量结果表达）。,（5）软硬件集成与调试,功能测试；,指标测试；,系统优化。,1.6 虚拟仪器技术应用,1. 应用广泛,从军事到民用；,特别是仪器、测量与控制、自动化等领域。,测试测量,工业自动化,声学测试,设备测试,工业自动化,食品加工,汽车测试,生物医学研究,控制工程,机器视觉,计量校准,电子与非电子测试,石油和天然气工程,制药生产,光纤校准,光学度量和测定,工业机器人,过程自动化,研发调试,半导体测试,SCADA,统计流程控制,通信测试,振动测试,晶片传送手臂,机械制造,教学实验（LabVIEW）虚拟调制解调器,网络化环境监测研究,（多点地温监测）,远程地质灾害监测研究,基于LabVIEW的风机性能远程测试系统的研究,基于LabVIEW的测控技术虚拟网络实验室的研究与构建,基于LabVIEW的电力变压器在线状态监测系统的研究,基于LabVIEW的挤塑机温度测控系统的应用研究,本章参考文献:,NI公司网站：,1、刘君华，基于LabVIEW的虚拟仪器设计，电子工业出版社，2003。,2、邓焱、王磊，LabVIEW7.1测试技术与仪器应用，机械工业出版社，2004。,3、杨乐平、李海涛、杨磊，LabVIEW程序设计与应用，电子工业出版社，2005。,4、侯国屏、王坤、叶齐鑫，LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计，清华大学出版社，2005。,5、龙华伟、顾永刚，LabVIEW8.2.1与DAQ数据采集，清华大学出版社，2008。,思考题,1-1：什么是虚拟仪器？ 1-2：虚拟仪器有哪几方面的特点？ 1-3：虚拟仪器的主要功能有哪些？,