第1讲+虚拟仪器基础_图文

1、 虚拟仪器技术及应用 华中科技大学电信系陈林 课程背景虚拟仪器技术National Instruments 最早于上世纪90年代由美国国家仪器(National Instruments公司提出概念。主要思想是利用模块化硬件,结合软件完成各种测试、测量和自动化应用。和自动化应用使测控领域充分利用计算机技术发展, 带来仪器技术的革新。应用领域随着计算机、软件、以及电子技术的快速发展,虚拟仪器技术的应用早已突破最初的仪器控制和数据采集的范畴。不仅可用于构建大型的自动化测试系统,还常常用于控制系统嵌入式设计等统、嵌入式设计等。应用包括电子电气、射频与通信、装备自动化、汽车、国防、航空航天、能源电力、生

2、物医电、土木工程、环境工程等等。虚拟仪器技术的内涵与外延自动化测试自动控制 图形化编程环境或基于文本语言的开发环境 各种硬件模块 应用领域 混合信号测试水质处理电能质量检测生物医电 结构健康监测自然环境监测楼宇资源监控虚拟现实 节能减排风能发电核能工程太阳能电池板 通信工程机器人开发 视频欧洲粒子对撞机的控制系统上海世博服务机器人iPhone控制的汽车(加拿大学生千里之行始于足下本课程学习掌握重点虚拟仪器技术的相关基本概念LabVIEW程序设计基础模块化的数据采集设备的基本操作及小型系统开发学习目标若将来从事相关研究或大型系统开发工作, 可, 举反三灵活运用这些基本知识和技能举一反三培养系统级

3、设计的概念, 提高通过集成创新解决实际问题的能力课程学习具体内容与目标虚拟仪器技术的基本概念工作原理关键虚拟仪器技术的基本概念、工作原理、关键技术和实际应用,全面了解测控技术领域前沿的技术发展与应用通过LabVIEW软件编程练习和结合硬件的数据采集实验,掌握图形化编程方式(G语言与虚拟仪器平台的基本操作培养实际动手与虚拟仪器平台的基本操作,培养实际动手能力(P j通过分组课程设计(Project建立起系统设计的概念,同时培养创新能力、独立思考与解决实际问题的能力课时安排学时课程内容方式4虚拟仪器技术背景与基本概念课堂讲授LabVIEW程序设计与数据采集基本概念课堂讲授16LabVIEW编程与数

4、据采集练习实验室/课后作业12课程设计分组自主完成实验课程设计实验、课程设计使用软件LabVIEW学生版需提交有清楚注释的LabVIEW源程序文件(.vi文件使用硬件课后练习及课程设计基于NI myDAQ数据采集平台考核方式LabVIEW程序设计作业(30%(40%课程设计(40%-在实验室现场演示并回答问题 综合实验报告(30%-系统总体设计、软件程序(含注释、实验程序流程描述、实验结果数据记录、实验现象综合分析。参考资源参考书 虚拟仪器设计基础教程LabVIEW2009中文版虚拟 仪器从入门到精通网络参考资源 (LabVIEW图形化设计中文门户网站 (NI公司官方网站 第一讲虚拟仪器技术基

5、础 一虚拟仪器技术背景虚拟仪器基本概念二 三LabVIEW的本质及发展四LabVIEW的开发环境一、虚拟仪器技术背景背景: 伴随摩尔定律的技术飞速发展 晶体管数量每18个月提高1倍处理器性能每18个月提高1倍 性能提升体积减小成本降低一、虚拟仪器技术背景仪器技术与系统的发展趋势伴随着半导体技术、处理器技术、计算机总线技术、网络技术、软件技术等快速发展,仪器与测术网络技术软件技术等快速发展仪器与测控系统出现了如下的一些发展趋势:数字化自动化综合化模块化标准化虚拟化智能化网络化1. 数字化数字化模拟量转换成数字量并进行处理,具有精确度高、稳定度高,速度快,便于数字处理计算和远传等特点计算和传等特点

6、处接ADC DAC理器口存储器摩尔效应驱动ADC的革新半导体的摩尔效应 类型ADC 向高速、低功耗、高分辨率等方向演进 ADC 类型:积分型ADC 逐次逼近型ADC 压频变换型ADC - ADC一、虚拟仪器技术背景M NI E 系列数据采集卡NI M系列数据采集卡一、虚拟仪器技术背景自动化2. 自动化程序控制代替手动操作,提高效率,减轻作提高效率减轻操作者劳动强度. 自动化程度愈高,速度愈快 一、虚拟仪器技术背景3. 综合化利用一台多功能仪器代替多台单功能仪器系统,利用台多功能仪器代替多台单功能仪器系统,提高灵活性和可靠性,并降低成本,减小体积:例如: 相同的通用射频硬件结合不同软件程序实现多

7、种无线协议测试以及射频参数测试等功能 WLAN GSM/EDGE GPS WCDMA WiMAX ZigBee4. 模块化一、虚拟仪器技术背景模块化插卡或模块代替传统台式仪器,在系统应用时节省系统重复资源,减少体积和重量 一、虚拟仪器技术背景促进模块化仪器发展的更多半导体技术 处理器FPGA DSP PCIe 桥接芯片电源管理内存芯片一、虚拟仪器技术背景摩尔定律促使仪器体积的减小4.0” 7.0” 5.1” 总线的概念目的: 实现不同的仪器(分立仪器或模块化仪器与计算机处理器之间的连接(传递控制命令与测量数据总线接口接口接口接口控制器功能部分功能部分功能部分 12n模块化仪器架构的出现便于保持

8、已有投资同时便于利用最新半导体及PC 技术软件PC 处理器, OS固件专用处理器, OS用户界面开放总线用户界面内部总线定时控制可编程的测量硬件模块2模块4模块3模块5模块6定时控制固定的测量子系统模块1共享的电源电源模块化仪器系统传统台式系统一、虚拟仪器技术背景模块化仪器架构的出现便于保持已有投资易于系统升级同时便于利用最新半导体及PC 技术软件PC 处理器, OS运用最新的CPU 及内存技术用户界面开放总线最新的总线技术通过模块化架构加载定时控制可编程的测量硬件模块2模块4模块3模块5模块6模块1更高精度时钟借助最新的ADC, ASIC, 共享的电源DSP, 定时芯片更高效稳定的电源管理模

9、块化仪器系统一、虚拟仪器技术背景5. 标准化利用标准总线使仪器互联成系统或配备总线接口的仪器,相对独立仪器可减少系统集成时间,提的仪器相对独立仪器可减少系统集成时间提高响应性和简便性. 并行总线适合于本地/集中,串行总线适合远程/分布测试目前常见的仪器总线标准外部总线:多用于连接分立式仪器包括外部总线: 多用于连接分立式仪器, 包括Serial (如RS-232, GPIB, LAN/LXI, USB 等内部总线:多用于连接模块化仪器包括内部总线: 多用于连接模块化仪器, 包括PCI/PCI Express, CompactPCI, PXI/PXIExpress等一、虚拟仪器技术背景主流仪器总

10、线技术的发展历程传统仪器GPIB1970计算机技术的发展出现基于PC 技术的仪器(ISA, PCI, CompactPCI1980VXI1990定时与同步PXILXI20002010 幻灯片 29L60 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同,可分为8种类型:LXY, 2008-10-25L61 借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件构成测试系统,它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制,且有电源功率不足,机箱内部的噪声电平较高,插槽数目也不多,插槽尺寸比较小,机箱内无屏蔽等缺点。LXY, 2008-10-25L62 第二类:并行口式虚拟仪器最新

11、发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置,它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上,通常可以完成各种测量测试仪器的功能,可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连,方便野外作业,又可与台式PC机相连,实现台式和便携式两用,非常方便。由于其价格低廉、用途广泛,特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。LXY, 2008-10-25L63 GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测

12、量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展,典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下,一块GPIB接口可带多达14台仪器,电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制,替代传统的人工操作方式,可以很多方便地把多台仪器组合起来,形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单,主要应用于台式仪器,适合于精确度要求高的,但不要求对计算机高速传输状况时应用。LXY, 2008-10-25L64 VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展,它具有稳定的电源,强有力的冷却能力和严格的RFI/E

13、MI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点,很快得到广泛的应用。经过十多年的发展,VXI系统的组建和使用越来越方便,尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而,组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器,造价比较高。LXY, 2008-10-25L65 PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的,增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的,增加了多板发总线,以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽,而台式PC

14、I系统只有34个扩展槽,通过使用PCIPCI桥接器,可扩展到256个扩展槽,台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来,将形成未来的虚拟仪器平台。LXY, 2008-10-25L66 无论哪种VI系统,都是将硬件仪器(调理放大器、A/D卡搭载到笔记本电脑、台式PC 或工作站等各种计算机平台上,加上应用软件而构成的,实现了用计算机的全数字化的采集测试分析。因此VI发展完全跟计算机的发展步伐同步。所以显示出VI的灵活性和强大的生命力。虚拟仪器的崛起是测试仪器技术的一次“革命”,是仪器领域的一个新的里程碑。未来的VI完全可以覆盖计算机辅助测试(CAT的全部领域。几乎能替代所的模拟

15、测试设备。LXY, 2008-10-25 VXI总线 2012-4-24GPIBPXI 总线GPIB4882: 18 Mbytes/s 专为测试仪器设计的总线广泛的行业应用最大程度适用于仪器设备鲁棒性和可靠性488.2最高带宽: 1.8 Mbytes/s HS488最高带宽: 8 Mbytes/s 带宽分布: 共享30余年来的兼容性传输延迟典型值: 几十s适用于:自动化现有的设备混合系统特别要求专用仪器的系统 Serial每次在串行线上传送1bit数据适用于数据率低传输距离较长的场合适用于数据率低、传输距离较长的场合大多数PC都有串口,不需要额外的接口板卡RS-232/422/485 USB在

16、带宽: 60 Mbytes/s (USB 20PC 上的通用性低成本接口: 60 Mbytes/s (USB 2.0带宽分布: 所有端口共享传输延迟典型值: >100s即插即用 适用于 便携式台式应用低成本系统 PCI / CompactPCI / PCI Express132 Mb t /最佳的带宽和延迟在PC 上的通用性PCI 带宽: 132 Mbytes/s PCI 带宽分布: 共享PCI Express 带宽(x8: 2Gbytes/sPCI E 为系统带来较低的成本PCI Express 带宽分布: 每插槽专用传输延迟: <1s, 最好 适用于: 用于高性能系统数据量要求

17、大的系统 集成数种仪器VME / VXI较早的军用高宽/航空系统内部总线VXI 最高带宽: 40 Mbytes/s 带宽分布: 共享传输延迟: <1s专用仪器设备 适用于: 维护现有的ATE 系统构架 PXIPXI带宽: 132 Mbytes/sPXI带宽分布: 共享: <1s, 继承PCI技术的优势增加同步和触发总线传输延迟,最好针对尖端应用的可靠性和坚固性设计适用于:高性能系统数据量要求大的系统集成数种仪器PXI ExpressPXI Express带宽(x8: 2Gbytes/s PXI Express带宽分布: 每插槽专用传输延迟: <1s, 最好将PCIe技术引入P

18、XI进一步提高带宽扩展步和触发功能扩展了同步和触发功能增加100MHz差分时钟和差分式触发软件与PCI/PXI完全兼容混合插槽设计兼容PXI设备 LAN/LXI在PC 上的通用性的用性远程功能低成本接口100BASE-T 最高带宽: 12.5 Mbytes/s (快速以太网1000BASE-T 最高带宽: 125 Mbytes/s LXI 为独立的LAN 仪器增加可选的触发功能需要为1588和有线的触发总(Gigabit 以太网带宽分布: 网络间共享传输延迟典型值: >1ms线同步配备专用硬件适用于:分布式系统远程监控 6. 虚拟化基于通用硬件平台,充分利用软件定义的仪器设备,例如用软件

19、实现的软面板代替传统的仪器操作面板. 提高硬资源重用性和结构灵活性,降低成本、功耗、故障率等 北京谱仪慢控制系统中的一个模块 2012-4-24在北京正负电子对撞机二期工程北京谱仪慢控制系统中,大约有30种物理量共7000多点的现场数据点需要实时采集控制和分析记录7. 智能化一、虚拟仪器技术背景智能化利用单或多处理器实现学习、识别、推理等功能,以使设备充分模拟人的智力能力, 特别适合故障诊断、识别等应用 特别合故障诊断识别等应用人工智能8网络化一、虚拟仪器技术背景8. 网络化利用通信线路和设备将仪器连接成较大的 复杂系统,共享资源,提高速率、灵活性, 适合于远程分布测试维修校准培训适合于远程分布测试、维修、校准、培训等应用一、虚拟仪器技术背景虚拟仪器技术充分体现了这些趋势模块化数字化智能化综合化虚拟仪器技术标准化自动化虚拟化网络化 回顾: 传统仪器系统一、虚拟仪器技术背景回顾传统仪器系统固定的硬件配置由仪器厂商定义好的测量功能固定的用户界面定用户部分仪器可连接PC, 基于通信