基于虚拟仪器的测控技术

1、第第9 9章章基于虚拟仪器的测控技术p 虚拟仪器概述虚拟仪器概述p 典型虚拟仪器系统典型虚拟仪器系统p 基于基于LabVIEW的虚拟仪器设计的虚拟仪器设计p 典型应用典型应用 虚拟仪器基本概念虚拟仪器基本概念 虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。用户可以在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能。 虚拟仪器的实质是利用I/O接口设备完成信号的采集与传输，利用计算机强大的软件功能完成信号的运算、分析与存储，利用计算机显示器模拟传统仪器的 控制面板，并以多种形式表达输出测试结果。虚拟仪器基本概念虚拟仪

2、器基本概念仪器面板是虚拟的仪器面板是虚拟的 仪器功能由软件编程来实现仪器功能由软件编程来实现 虚拟仪器基本概念虚拟仪器基本概念“虚拟虚拟”二字主要包括以下两方面的含义。二字主要包括以下两方面的含义。虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成 1. 通用仪器硬件平台通用仪器硬件平台 虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成 PC-DAQ型 GPIB型 VXI型 PXI型 串口型 USB型和IEEE 1394型 2.虚拟仪器软件虚拟仪器软件 虚拟仪器软件包括I/O接口仪器驱动程序、虚拟仪器 开发工具和应用软件三个层次。虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成 I/O接口仪器驱动程序 虚拟仪器开发工具 应用程序DAQDAQ体系虚拟仪器系

3、统体系虚拟仪器系统 通常，DAQ系统主要包括传感器、信号调理、数据采集卡、计算机、软件等几个部分 现场信号传感器执行机构计算机数据采集控制软件信号调理（放大、滤波、隔离、激励等）数据采集卡DAQDAQ体系虚拟仪器系统体系虚拟仪器系统1.DAQ系统的各主要组成部分传感器信号调理数据采集卡计算机软硬件 DAQ体系虚拟仪器系统体系虚拟仪器系统 2. DAQ仪器的其他设计 总线扩展与接口技术 高速缓存电路 实时采样和等效采样技术DAQDAQ体系虚拟仪器系统体系虚拟仪器系统 总线扩展与接口技术 高速缓存电路 实时采样和等效采样技术 可编程逻辑器件与逻辑电路 DAQ体系虚拟仪器系统体系虚拟仪器系统 3.P

4、CI总线板卡设计 PCI总线虚拟仪器硬件模块图虚拟仪器控制面板计算机PCI总线接口电路虚拟仪器功能电路测控对象或过程PCI总线PCI硬件板卡DAQDAQ体系虚拟仪器系统体系虚拟仪器系统WINDOWS2000功能驱动程序WINDOWS2000总线驱动程序WINDOWS2000动态链接程序人机接口PCI总线虚拟仪器板卡应用层内核层硬件层VXI总线仪器系统总线仪器系统1.VXI总线简介VXI总线系统典型结构主计算机3#仪器命令者CPU磁盘2#仪器命令者CPU1#仪器命令者CPURAM内部主要结构独立系统1#仪器命令者CPU1#仪器从者分层次系统1#仪器从者2#仪器命令者CPU2#仪器从者2#仪器从者

5、1#仪器2#仪器VXI总线仪器系统总线仪器系统nVXI仪器软件框架 交互式控制工具资源编辑器资源管理器VXI功能库仪器驱动器VXI 总线接口软件应用软件开发环境应用软件包（编程语言 C等）VXI总线仪器系统总线仪器系统n VXI总线仪器系统的设计 确定测试要求 制定总体设计方案 VXI总线仪器模块及其他类型仪器的选择 VXI总线系统控制器的选择 应用软件编程 系统联调 USB总线仪器系统总线仪器系统 USB的结构范围 客户端软件USB系统软件USB主机控制器功能部件USB逻辑设备USB总线接口主机互连物理设备功能应用层USB设备层USB接口层实际通信流逻辑通信流USB总线仪器系统总线仪器系统

6、USB物理总线拓扑结构 主 机根集线器设备设备设备设备设备设备设备集线器复合设备集线器USB总线仪器系统总线仪器系统 电气方面，USB通过一种4线电缆与主机或USB HUB相连接来传输信号和电源，如图9-9所示。 VBUSD+D-GNDVBUSD+D-GND.USB总线仪器系统总线仪器系统 USB接口芯片及其选择 USB接口芯片是一种集成了USB协议的微处理器，它能自动对各种USB事件做出响应，以处理USB总线上的数据传输。对于USB系统来说，所有的主机和设备上至少含有一块实现其功能的USB芯片。 USB总线仪器系统总线仪器系统nUSB功能设备芯片分类nUSB功能设备芯片的选择选择USB芯片应

7、该考虑以下因素： 芯片的传输速率 芯片的传输类型 芯片的硬件资源 芯片的功耗 芯片的开发工具包 芯片的其他因素 自我因素USB总线仪器系统总线仪器系统USB总线仪器的开发 硬件的设计 USB控制芯片固件的实现 Windows驱动的编写 应用程序编写 信 号 接 收发 送 单 元信 号调 理 单 元USB接 口 单 元计 算 机被 测 单 元 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）是一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。 LabVIEW提

8、供了一种全新的程序编写方法，设计者可以在一个便捷、轻松的设计环境中，利用LabVIEW所提供的图形化控件迅速地组建一个测控系统，构造自己的仪器面板，而几乎不需要编写任何程序代码。 LabVIEW简介简介(c) 功能模板LabVIEW简介简介(a)工具模板(b)控制模板用LabVIEW设计一个虚拟仪器的主要步骤如下：n虚拟前面板设计 n流程图设计：端口节点n运行检查设置程序运行为高亮方式单步执行探针断点 基于基于LabVIEW的开发步骤的开发步骤正弦波发生器和正弦波发生器和FFT变换变换前面板设计流程图设计正弦波发生器和FFT变换流程图设计可以按照下列步骤进行： 打开流程图设计窗口 放置正弦波发

9、生器和FFT函数 连线 运行检查典型应用典型应用 虚拟仪器技术的迅猛发展使其在测控领域越来越受到重视，已被广泛应用于电子、通信、机械制造和军事等领域的测控系统，这里介绍两种具有代表性的虚拟仪器测控系统。轴角类虚拟仪器测试系统轴角类虚拟仪器测试系统 1.轴角类虚拟仪器的组成及原理系统组成系统组成 轴角类虚拟仪器系统由计算机、轴角转换接口板和应用软件组成，如图所示轴角数据采集板轴角量输出接口板测控对象计算机及软件系统功能系统功能 轴角类虚拟仪器的功能是实现角度量的采集和控制、信号处理及图形显示等，这些功能是由软件和硬件共同完成的，具体又分为下面几种：轴角类虚拟仪器测试系统轴角类虚拟仪器测试系统“运

10、动波形发生器运动波形发生器”“数据采集数据采集”“数据回放数据回放”“数据处理数据处理”“数据通讯数据通讯”2.轴角转换数据采集板设计轴角类虚拟仪器测试系统轴角类虚拟仪器测试系统 CPLDCPLD的逻辑设计的逻辑设计 轴角数据采集板的设计轴角数据采集板的设计 数据采集板的功能框图数据采集板的功能框图轴角数据采集板的印制版如图所示轴角类虚拟仪器测试系统轴角类虚拟仪器测试系统PCI驱动程序设计轴角类虚拟仪器测试系统轴角类虚拟仪器测试系统 PCI总线是一种即插即用的接口技术，因此，每块PCI接口板都需要配有自己的驱动程序，使计算机启动时能进行资源分配。 WDM（Win32 Driver Model）

11、，即Win32驱动程序模型是一个跨平台的驱动程序模型，能够在Windows98、NT、及Windows2000操作系统中运行，具有很强的通用性，因此PCI接口板的驱动程序采用了这种模型。 轴角类虚拟仪器测试系统轴角类虚拟仪器测试系统轴角数据采集板驱动程序的设计步骤 启动DriverWorks出现Driver Wizard的向导对话框； 选择文件的类型，选择其中的WDM项，表示生成WDM类型文件。 选择接口板的类型并填写Device ID和Vender ID。在接口板 类型项中选择PCI。 添加Add Memory Range，表示通过缓冲区来读写I/O，并选择 其中的缺省设置。 其他步骤全部选

12、择缺省值设置。这样就完成了WDM驱动程序的 框架代码设计。3.轴角量输出接口板设计pDSPDSP系统设计系统设计DSP的电路设计轴角类虚拟仪器测试系统轴角类虚拟仪器测试系统 DSP的电路设计主要包括电源电路、CPU电路和存储器单元电路的设计。DSP的电路设计电源电路电源电路 DSP器件有两种工作电压，其内核工作电压是 1.8V，I/O接口的工作电压是3.3V，因此需要将计算 机提供的5V电源转换成1.8V和3.3V电源，电源转换 器件采用LINER公司的DC/DC器件LT1084。 CPU CPU电路电路 TMS320VC5402的MP/MC引脚接地，DSP使用微 计算机工作方式，程序存放在外

13、部的EPROM中，当 DSP器件加电复位后，通过并行加载方式将程序读 入DSP内部的高速RAM中，使DSP能够高速地运行。DSP的电路设计存储器单元电路存储器单元电路 EPROM27512用于存放程序，RAM CY7C1021V33用于扩 展DSP器件的存贮空间。在EPROM与DSP之间用74HC244进行 电平转换，将EPROM输出的5V电平转换到DSP的3.3V电平， 并且由于EPROM的数据线是8位，而C5402的数据线是16位， 因此EPROM的数据线要与C5402的低8位数据线相连。C5402 在加载程序时，能够根据读取的关键字判断是8位加载方式 还是16位加载方式。TMS320VC

14、5402程序设计轴角量输出接口板设计 TI公司的DSP开发环境是Code Compiler Studio 2.0，在这个开发环境下可以使用C+语言设计程序，并可以在程序中嵌入汇编语言。 程程 序序 设设 计计 流流 程程 图图开 始初 始 化开 放 中 断接 受 中 断 请 求读 入 参 数中 断 1 ？输 出 数 据定 时 器 中 断 ？是否否是p输出接口板轴角类虚拟仪器测试系统轴角类虚拟仪器测试系统输出板的功能框图计算机接口总线DSP系统输出模块（粗）输出模块（细）CPLD数字接口角度量输出2角度量输出19.4.2 9.4.2 虚拟仪器网络测控系统平虚拟仪器网络测控系统平台台 作者研发的虚

15、拟仪器网络测控系统平台用虚拟仪器的概念实现了对现场对象的基于Internet的远程测量、控制和现场监视功能。该平台将PXI总线仪器、VXI总线模块仪器、GPIB总线台式仪器、SCXI总线调理模块和PC机板卡仪器等进行混合互连，集示波器、信号源、计数器、多用表、数据采集及图像采集等多种仪器为一体，具有远程测量、控制和现场监视功能。通过该平台对彩管画面质量特性进行了测试试验。 1.系统结构与原理系统结构系统结构9.4.2 9.4.2 虚拟仪器网络测控系统平虚拟仪器网络测控系统平台台PXI-8156系统控者PC机SCXI-2000远程用户SCB-100多功能数据采集器TDS-220示波器PXI-60

16、71E多功能I/O接口VXI-GPIB/CHP 8468A信号发生器6071EVX4101A多用表计数器PCI-1408图像采集SCXI-1200信号调理器对 象PXISCXIPCVXISCXIVXIInternetPXIRS-232GPIB系统主界面如图系统实物连接系统实物连接工作原理工作原理 系统的主控功能由PXI-8156零槽控制器和PC机完成。 系统在软件的控制下不仅实现了单台虚拟仪器的测控功能，更重要的是实现了测控系统的组态功能，既可硬件组态，也可软件组态，既可单路也可多路。9.4.2 9.4.2 虚拟仪器网络测控系统平虚拟仪器网络测控系统平台台系统虚拟示波器界面系统虚拟示波器界面系统虚拟信号源界面系统虚拟信号源界面2.2.软件设计软件设计软件结构9.4.2 9.4.2 虚拟仪器网络测控系统平虚拟仪器网络测控系统平台台网络测控主模