第1章 虚拟仪器基础

第,1,章 虚拟仪器基础,LabVIEW,虚拟仪器设计教程,工业和信息化普通高等教育,“,十二五,”,规划教材立项项目，,21,世纪高等院校电气工程与自动化规划教材,LabVIEW,虚拟仪器设计教程,工业和信息化普通高等教育,“,十二五,”,规划教材立项项目，,21,世纪高等院校电气工程与自动化规划教材,虚拟仪器,刘鹏,Email:niatdluthotmail.om,QQ:253186883,Tel:15097591836,使用教材：,参考教材：,刘其和,.,LabVIEW,虚拟仪器程序设计与应用,.,化学工业出版社，,2011,陈树学、刘萱,.,LabVIEW,宝典,.,电子工业出版社，,2011,Labview7.1,编程与虚拟仪器设计,-,侯国屏,-,清华大学出版社,课程安排,课内教学,:20,学时,实验：,26,学时,机动：,2,学时,共计,:48,学时,课程内容 见教材目录,第,1,章 虚拟仪器基础,1.1,虚拟仪器技术概述,1.2,虚拟仪器的构成及分类,1.3,虚拟仪器软件开发环境,1.1,虚拟仪器技术概述,一,.,虚拟仪器的概念,电子测量仪器的发展历程：,第一代仪器是模拟式仪器仪表。它们的主要结构是基于电磁机械式机构，其测量结果是依靠指针显示，也称为模拟指针仪表，如模拟万用表、模拟函数发生器、指针式电压表等。,第二代是数字化仪器。它们将模拟信号转化为数字信号，以数字形式输出与显示出结果。如数字万用表、数字存储示波器、数字电压表等。,第三代是智能仪器。这种仪器内部有微处理器，可以进行自动检测，可以代替人脑具有一定的数据处理能力，故称“智能”仪器。,前三代电子测量仪器统称为,传统仪器,。,1.1,虚拟仪器技术概述,一,.,虚拟仪器的概念,虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号的运算、分析、处理；利用,I/O,接口设备完成信号的采集与调理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统。,LabVIEW,虚拟仪器设计基础教程,虚拟仪器就是在以计算机为核心的硬件平台上，根据用户对仪器的设计定义，用软件实现虚拟控制面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统。,用户通过鼠标、键盘或触摸屏来操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样，实现所需要的测量目的。,传统仪器,虚拟仪器,待测模拟信号,信号处理,前置预处理,数据显示,信号输入,硬件电子系统,A/D,转换,数字信号处理,数据显示,信号产生,信号输出,手动,/,模拟信号控制,待测模拟信号,输出模拟信号,D/A,转换,计算机数字信号控制,数字信号产生,输出模拟信号,计算机,DAQ,卡,前置预处理,虚拟仪器的,“,虚拟,”,两字主要包含以下两个方面的含义：,（,1,）虚拟仪器的面板是虚拟的,虚拟仪器面板上的,“,开关,”,、,“,旋钮,”,等，它们的外形是与实物和传统仪器的,“,开关,”,、,“,旋钮,”,等相像的图标，其操作通过计算机的鼠标和键盘来实现，实际功能通过相应的软件程序来实现。,（,2,）虚拟仪器的测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的,传统的仪器是通过设计具体的电子电路来实现仪器的测量测试及分析功能，而虚拟仪器是在以计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器功能的，这也充分体现了测试技术与计算机深层次的结合。,二,.,虚拟仪器的特点,1,不强调物理上的实现形式,虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集与控制、数据处理与分析及数据的显示功能。在硬件支持下，利用软件完成数据采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合实现传统仪器的功能。,2,在系统内实现软硬件资源共享,虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、,DSP,技术相结合，在系统内共享软硬件资源。由用户自己定义仪器功能，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可实现功能完全不同的测量仪器。,3,图形化软件面板,虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。,1.2,虚拟仪器的构成及分类,一,.,虚拟仪器的组成,从功能上讲，虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，完成对被测量的采集、分析、处理、显示、存储、打印等功能，因此，与传统仪器一样，虚拟仪器可划分为,数据采集、数据分析、数据显示,三大功能模块。,从组成结构上虚拟仪器可分为通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分。,1,虚拟仪器的硬件平台,（,1,）计算机是虚拟仪器硬件平台的核心，一般为,PC,或者工作站。,（,2,）,I/O,接口设备是为计算机配置的电子测量仪器硬件模块，主要包括各种传感器、信号调理器、模拟数字,/,转换器,(ADC),、数字,/,模拟转换器,(DAC),、数据采集器,(DAQ),等。,获取测试对象的被测信号，由计算机和,I/O,接口设备组成。,2,虚拟仪器的软件,（,1,）接口软件是为虚拟仪器驱动层提供信息传递的底层软件，是实现开放、灵活的虚拟仪器的基础。接口软件的功能是直接对仪器进行控制，完成数据读写。,（,2,）仪器驱动程序是连接虚拟仪器应用软件与接口软件的纽带和桥梁，其功能是为虚拟仪器应用软件层提供抽象的仪器操作集。,（,3,）虚拟仪器应用软件直接面对操作用户，提供了快捷、友好的测控操作界面，以及图形、图表等数据显示方式。,虚拟仪器软件控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能。包括接口软件、仪器驱动软件和应用程序。,二,.,虚拟仪器的分类,根据所使用的仪器硬件不同，虚拟仪器硬件系统可以分为,PC-DAQ,系统、,GPIB,系统、,VXI/PXI/LXI,系统、串口系统、现场总线系统等。,（,1,）,PC-DAQ,系统,：以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。,（,2,）,GPIB,系统,：以,GPIB,标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。,（,3,）,VXI/PXI/LXI,系统,：这是一类模块化的仪器系统,其硬件结构与工控机类似。,（,4,）串口系统,：以,Serial,标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。,（,5,）现场总线系统,：以,Field Bus,标准总线仪器及,PC,机为仪器硬件平台，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、造价及维护成本低等优点。,GPIB,系统,NI,的,DAQ,及,VXI,产品示例,PXI,产品,PXI(PCI extensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)是一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI（Peripheral Component Interconnection-外围组件互连）的电气总线特性与CompactPCI（紧凑PCI）的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。制订PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。,1.3,虚拟仪器软件开发环境,一,.,虚拟仪器开发软件,（,1,）传统的文本式编程方法，如,C,、,Visual C+,、,Visual Basic,、,Labwindows/CVI,等。,（,2,）图形化编程方法，如,NI,公司的,LabVIEW,软件，,HP,公司的,VEE,等。,目前已有多种虚拟仪器的软件开发工具，主要分为以下两类：,二,.G,语言的概念,虚拟仪器编程语言,LabVIEW,是一种图形化的程序语言，又称为,“,”,语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，,LabVIEW,是一个面向最终用户的工具。使用,LabVIEW,进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。,