[信息与通信]虚拟仪器设计第1章—概述.ppt

1,Virtual Instrumentation,虚拟仪器,2,虚拟仪器设计课时安排,总学时： 32 学时 上机实验：4 学时 考核： 考勤 5，总共5分，缺席一次扣1分 作业 25，包含上机实验成绩 测试 70，考试形式待定,3,第一章、概述,授课内容： 1.1 虚拟仪器概述 1.2 LabVIEW概述 1.3 LabVIEW结构简介 1.4 G语言编程基础,4,1.1 虚拟仪器概述,1.1.1 什么是虚拟仪器 1.1.2 虚拟仪器的形成和发展 1.1.3 虚拟仪器的优势与特点 1.1.4 虚拟仪器的构成,5,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）：利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的计算机软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。 虚拟仪器的特点： 仪器控制面板由计算机软件界面所代替 仪器硬件由计算机控制,1.1.1 什么是虚拟仪器？,6,虚拟仪器是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器模拟式仪表、第二代仪器分立元件式仪表、第三代仪器数字式仪表、第四代仪器智能化仪器之后的新一代仪器。,7,Traditional Instrument,Virtual Instrument（VI）,虚拟仪器主要是以计算机为核心，通过最大限度地利用计算机的软硬件资源，使计算机不但能完成传统仪器测量控制、数据运算和处理工作，而且可以用强大的软件去代替传统仪器的某些硬件功能。,The software is the instrument 软 件 就 是 仪 器,虚拟仪器的实质,8,虚拟仪器与智能化仪器之间的关系： 相同之处： 二者都是计算机和仪器密切结合的产物； 不同之处： 计算机和仪器的结合方式不同。 智能化仪器：将计算机装入仪器中，仪器功能日趋强大含嵌入式系统的仪器。 虚拟仪器：将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。,9,例：虚拟示波器,10,虚拟数字电压表 基于虚拟仪器的 温度检测与控制,11,小结：什么是虚拟仪器？ 所谓虚拟仪器即是将现有的计算机主流技术中的 1. 高效灵活易用的软件 2. 高性能模块化硬件 3. 用于集成的软硬件平台 三者结合在一起，建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统来替代传统仪器（价格昂贵，功能单一）的功能。 虚拟仪器之“虚拟”含义： 仪器面板靠软件虚拟实现； 基于相同的硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪器。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。 因此，软件是虚拟仪器的核心，NI 提出“软件即仪器”（The software is the instrument）,12,虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（National Instrument）在1986年提出的，但其雏形可以追溯到1981年由美国西北仪器系统公司推出的Apple II为基础的数字存储示波器。这种仪器和个人计算机的概念相适应，当时被称为个人仪器（Personal Instrument）。,虚拟仪器概念的提出,1986年，NI公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW，标志着虚拟仪器软件设计平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。,1.1.2 虚拟仪器的形成和发展,13,1.虚拟仪器形成的背景 （1）电子测量仪器(Electronic Instruments)及自动测试系统(Automatic Test System, ATS)的发展,14,（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。,15,1990年代，虚拟仪器得到业界广泛认可和应用，相继推出了基于GPIB总线（General Purpose Interface Bus）、PC-DAQ（Data Acquisition）和VXI总线（VMEbus eXtension for Instrumentation，1987年）、PXI总线（PCI eXtension for Instrumentation，1997年）等多种虚拟仪器系统。 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术。 底层驱动和上层应用软件融为一体。 虚拟仪器软件的标准化： VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年） VISA（Virtual Instrument Software Architecture, 虚拟仪器软件体系结构） IVI（Interchangeable Virtual Instruments，可互换式虚拟仪器，1997年）,16,2.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。多门学科多种技术相互融合，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。,17,虚拟仪器技术就是用户自定义的基于PC技术的测试和测量解决方案，具有四大优势： 1.高性能。 虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点。,1.1.3 虚拟仪器的优势与特点,此外，越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势，使数据分享进入了一个全新的阶段。将因特网和虚拟仪器技术相结合，就能够轻松地与发布测量结果到世界上的任何地方。,18,2.扩展性强。 虚拟仪器 = A/D + CPU + 软件。 一般只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。 3.开发时间短。 虚拟仪器技术采用通用或标准化的硬件和软件，使得工程师和科学家们开发仪器设备的时间缩短、技术要求降低而系统通用性强。 4.出色的集成。 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着测试系统在功能上不断地趋于复杂，通常需要集成多个测量设备，而连接和集成这些不同设备则有相当难度。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，例如数据采集视觉运动和分布式I/O等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。,19,虚拟仪器与传统仪器的比较：,仪器 = A/D + CPU + 软件,20,1.1.4 虚拟仪器的构成,通用仪器硬件平台(简称硬件平台) （信号采集及控制） 应用软件 （信号分析与处理、显示） 两大部分构成,21,1. 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。,22,虚拟仪器的分类 按接口总线类型不同划分,数据采集卡式 DAQ RS232/RS485虚拟仪器 并行接口虚拟仪器 USB虚拟仪器,GPIB虚拟仪器 VXI虚拟仪器 PXI虚拟仪器 IEEE1394接口虚拟仪器,（详见书本59-60页）,23,虚拟仪器系统类型及组成,24,基于USB总线的数据采集卡,基于PCI总线数据采集卡,25,NI的DAQ及VXI产品示例,26,PXI产品,27,2. 虚拟仪器的应用软件：,1应用程序（包含两方面功能的程序） : 实现虚拟面板功能的软件程序 ； 定义测试功能的流程图软件程序。 2I/O 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。,28,虚拟仪器软件开发平台,Graphical Programming,LabWindows/CVI,Visual Basic,Laboratory Virtual Instrument Engineering Bench,Component Works,HP VEE,Standard ANSI C Language,通用的可视化软件编程环境： Visual C+、Visual Basic、Delphi和C+ Builder等。 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：HP-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。,29,1.2 LabVIEW概述,什么是LabVIEW ？ LabVIEW 的特点 LabVIEW 的应用,30,什么是LabVIEW ? LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, 实验室虚拟仪器工程平台）是美国 NI 公司推出的一种基于G语言 (Graphics Language, 图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具。,31,LabVIEW 的特点,所见即所得。 数据流编程模式，是可同时运行多个程序的多任务系统。 提供丰富的用于数据采集、分析、表达及存储的函数库。 内置了 PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-232 和 RS-485 等总线标准的所有功能函数, 支持数据采集卡和GPIB、串口设备、VXI仪器、PLC、工业现场总线以及用户特殊的硬件板卡。 具有强大的外部接口能力，可以实现 LabVIEW 与外部的应用软件（如Word、Excel等）、C语言、Windows API 、MATLAB等编程语言之间的通信。 强大的 Internet 功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。 支持多操作系统平台可直接移植到其它平台上。,32,应用于生产检测 应用于研究和分析 应用于过程控制和工业自动化 应用于机器监控,LabVIEW 的应用,33,虚拟仪器技术应用领域,航空 航天 教学 核工业 军工 通信测试 铁道 .,34,工业监测,35,教学实验（LabVIEW）虚拟调制解调器,36,：,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,37,1.3 LabVIEW 结构简介,LabVIEW应用程序的构成 即：VI的构成包括： 1. 前面板（Front Panel） 2. 流程图（Block Diagram） 3. 图标/连结器（Icon/Connector）,38,前面板（Front Panel） 前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板。这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。,39,40,流程图（Block Diagram） 图形化的源程序代码，用模块代替普通函数。 如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用VI可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。,41,函数：随机数发生器,结构：循环,与前面板控件对应的连线端子,与前面板控件对应的连线端子,随机信号发生器的流程图,42,连结器（Icon/Connector） VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可 以作为子程序，这里称为子VI（sub VI）， 被其他VI调用。图标与连接器在这里相当 于图形化的参数，详细情况稍后介绍。,43,1.4 G语言编程基础,什么是G语言? 数据流编程概念,44,什么是 G 语言？ “G”语言是一种图形化的程序语言。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或流程图。它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 “G”语言与其它基于文本的编程语言的重要区别在于G是图形化的编程语言。,45,数据流编程概念,在G语言中程序的执行是依靠数据沿规定路径传递来控制的，这种数据传递称为数据流。 对一个节点而言，只有当它的所有输入端口上的数据都成为有效数据时，它才能被执行。 当节点程序运行完毕后，它才把结果数据送给所有的输出端口，使之成为有效数据，并且数据很快从源送到目的端口。,46,本章小结,1. 虚拟仪器的概念： 虚拟仪器=计算机+通用硬件+应用软件 其中，软件可以代替传统仪器的某些硬件功能。 软件是虚