虚拟仪器课件：第1章绪论

1、 编著 张重雄电子工业出版社电子工业出版社虚拟仪器技术分析与设计虚拟仪器技术分析与设计欢迎使用欢迎使用电子教案电子教案第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 虚拟仪器总线接口技术虚拟仪器总线接口技术第第3 3章章 虚拟仪器软件标准虚拟仪器软件标准第第4 4章章 虚拟仪器软件开发平台虚拟仪器软件开发平台LabVIEWLabVIEW第第5 5章章 虚拟仪器设计基础虚拟仪器设计基础第第6 6章章 虚拟仪器数据采集与信号处理虚拟仪器数据采集与信号处理第第7 7章章 虚拟仪器通信技术虚拟仪器通信技术第第8 8章章 虚拟仪器工程设计实例虚拟仪器工程设计实例主要内容主要内容课程介绍 任务之一：任务之一：了解

2、虚拟仪器基本概念了解虚拟仪器基本概念 任务之二：任务之二：学会使用学会使用LabVIEW8.2LabVIEW8.2 任务之三：任务之三：掌握虚拟仪器设计方法掌握虚拟仪器设计方法教学参考书 虚拟仪器技术分析与设计虚拟仪器技术分析与设计 张重雄张重雄 编著编著 电子工业出版社电子工业出版社电子信息与电气学科规划教材电子信息与电气学科规划教材绪 论第第1 1章章 绪论绪论 教学重点教学重点 虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成 虚拟仪器的特点与应用虚拟仪器的特点与应用 虚拟仪器技术发展趋势虚拟仪器技术发展趋势1.1 虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的基本概念 Virtual

3、Instrument，VI 什么是什么是虚拟仪器虚拟仪器? ? 虚拟仪器是指在以通用计算机为核心虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。软件来实现的一种计算机仪器系统。虚拟的含义虚拟的含义 虚拟的仪器面板虚拟的仪器面板 传统仪器面板上的器件都是实物，而传统仪器面板上的器件都是实物，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图标，其操作对应着相应的软件程序，使用标，其操作对应着相应的软件程序，使用鼠标式键盘操

4、作虚拟面板的控件。鼠标式键盘操作虚拟面板的控件。 虚拟仪器的测控功能虚拟仪器的测控功能 传统的仪器特别是早期的仪器，它的传统的仪器特别是早期的仪器，它的功能是通过硬件来实现的，而虚拟仪器是功能是通过硬件来实现的，而虚拟仪器是通过软件编程来实现的通过软件编程来实现的仪器的发展历史仪器的发展历史 第一代仪器：模拟仪器第一代仪器：模拟仪器 第二代仪器：数字化仪器第二代仪器：数字化仪器 第三代仪器：智能仪器第三代仪器：智能仪器 第四代仪器：虚拟仪器第四代仪器：虚拟仪器虚拟仪器的出现虚拟仪器的出现 计算机技术和仪器技术结合计算机技术和仪器技术结合 充分利用计算机丰富的软硬件资源，可以较充分利用计算机丰富

5、的软硬件资源，可以较大突破传统仪器在数据处理、表达、传递、存储大突破传统仪器在数据处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。还可以把仪器的三大功能全部放在计算机上实现。还可以把仪器的三大功能全部放在计算机上实现。 构成虚拟仪器构成虚拟仪器 在计算机中插入数据采集卡，然后，用软件在计算机中插入数据采集卡，然后，用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号处理在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号处理分析，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。分析，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。仪器概念的转变传统仪器传统仪器厂商定义功能厂商定义功

6、能虚拟仪器虚拟仪器用户定义功能用户定义功能PROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMPROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMControl PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperature1.2 虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成 虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。虚拟仪器的组

7、成包括硬件和软件两个基本要素。 信号调理 DAC 卡 现场总线设备 GPIB 接口卡 GPIB 接口仪器 串行口仪器/PLC 测 控 对 象 VXI/PXI 接口模块 计 算 机 软 件 系 统 其他计算机硬件板卡 虚拟仪器的硬件结构虚拟仪器的硬件结构虚拟仪器构成形式虚拟仪器构成形式 基于数据采集卡的虚拟仪器基于数据采集卡的虚拟仪器 基于基于GPIBGPIB方式的虚拟仪器方式的虚拟仪器 基于基于VXIVXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器 基于基于PXIPXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器 基于基于LXILXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器 在以在以PC 机为基础的虚拟仪器中，

8、插入式数机为基础的虚拟仪器中，插入式数据采集卡据采集卡DAQ (Data Acquisition)是虚拟仪器是虚拟仪器中最常用的接口形式之一。其功能是将现场中最常用的接口形式之一。其功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输出给数据采集到计算机，或将计算机数据输出给受控对象。受控对象。基于数据采集卡的虚拟仪器基于数据采集卡的虚拟仪器基于基于GPIB方式的虚拟仪器方式的虚拟仪器GPIBInterfaceDMMGPIB 电缆电缆 GPIB (General Purpose Interface Bus) GPIB (General Purpose Interface Bus)是由是由HPHP公司

9、于公司于19781978年制定的总线标准，是传统测试仪器在数年制定的总线标准，是传统测试仪器在数字接口方面的延伸和扩展字接口方面的延伸和扩展 基于基于VXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器 虚拟仪器技术中最引人注目的应用是基于虚拟仪器技术中最引人注目的应用是基于VXI总线总线（VMEbus Extension for Instrumentation）平台技）平台技术的自动测试仪器系统。由于术的自动测试仪器系统。由于VXI总线具有标准开总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步指确、放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步指确、模块可重复利用、众多厂家支持等优点得到广泛应模块可重

10、复利用、众多厂家支持等优点得到广泛应用。用。 主控计算机CPU仪器1仪器2RAM仪器3单CPU系统基于基于PXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器 PXI（ PCI eXtensions for Instrumentation）总线是总线是N I公司在公司在1997年年9月月1日推出的全新日推出的全新的开放性、模块化仪器总线规范。它以的开放性、模块化仪器总线规范。它以CompactPCI为基础，是为基础，是PCI总线面向仪器总线面向仪器领域的扩展。领域的扩展。 MXI-3 模块 主控计算机 PXI 模块 PXI 机箱 基于基于LXI总线方式的虚拟仪器总线方式的虚拟仪器 2004年年9月，月，

11、VXI 科技公司和安捷伦公司共同推出科技公司和安捷伦公司共同推出一种适用于自动测试系统的新一代基于局域网一种适用于自动测试系统的新一代基于局域网（LAN）的模块化测量仪器接口标准）的模块化测量仪器接口标准LXI（LAN-based eXtensions for Instrumentation），即），即LAN的仪器扩展的仪器扩展。 软件就是仪器软件就是仪器 “软件就是仪器软件就是仪器”，当虚拟仪器的硬件平台，当虚拟仪器的硬件平台建立起来之后，设计、开发、研究虚拟仪器建立起来之后，设计、开发、研究虚拟仪器的主要任务就是编制应用程序。的主要任务就是编制应用程序。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解

12、决信在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪表的关键。号的输入输出，软件才是整个仪表的关键。操作者可以通过修改软件的方法，方便地改操作者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增减仪器系统的功能与规模。使计算机变、增减仪器系统的功能与规模。使计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，完成数据的输入、存储、综合分析和输出等完成数据的输入、存储、综合分析和输出等功能。功能。虚拟仪器软件层次结构虚拟仪器软件层次结构 仪器面板控制软件 数据分析处理软件 仪器驱动程序 输入/输出接口软件 输入输入/输出（输出（I/O）接口软件）接口软件

13、I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作，为个完成对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作，为仪器驱动程序提供信息传递的低层软件，是实现开放的、仪器驱动程序提供信息传递的低层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础和核心。统一的虚拟仪器系统的基础和核心。 仪器驱动程序仪器驱动程序 仪器驱动程序是连接上层应用软件和低层仪器驱动程序是连接上层应用软件和低层I/O软件的软件的纽带和桥梁。仪器生产厂家在提供仪器模块的同时提供纽带和桥梁。仪器生产厂家在提供仪器模块的同时提供仪器驱动程序仪器驱动程序 应用软件应

14、用软件 上层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分上层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分析处理软件。一般是在仪器硬件厂商提供的析处理软件。一般是在仪器硬件厂商提供的I/O接口软件接口软件仪器驱动程序基础上进行应用软件开发。仪器驱动程序基础上进行应用软件开发。虚拟仪器软件开发平台虚拟仪器软件开发平台 基于文本式编程语言开发工具基于文本式编程语言开发工具 VC+VC+，VBVB，C+BuildC+Build，LabWindowsLabWindows/CVI/CVI，DelphiDelphi等等 基于图形化编程语言开发工具基于图形化编程语言开发工具 LabVIEWLabVIEW（NI NI

15、公司）公司） HP VEE HP VEE （HP HP 公司）公司）虚拟仪器前面图虚拟仪器前面图虚拟仪器程序框图虚拟仪器程序框图虚拟仪器系统虚拟仪器系统 以以PC-DAQ接口的虚拟仪器为例，虚拟仪器接口的虚拟仪器为例，虚拟仪器的整体结构如图的整体结构如图 被测信号 传感器 信号调理电路 设备驱动 数据卡 虚拟仪器开发平台 应用程序 面板程序 PC 机 Hardware & Driver SoftwareGPIBSerialDAQVXIImage AcquisitionMotionControl Measurement Studio LabVIEW1.3 虚拟仪器的特点与应用虚拟仪器的特

16、点与应用传统仪器传统仪器虚拟仪器虚拟仪器关键是硬件关键是硬件关键是软件关键是软件开发与维护费用高开发与维护费用高开发与维护费用低开发与维护费用低技术更新周期长技术更新周期长技术更新周期短技术更新周期短价格高价格高价格低，并且可重用性与可配置性强价格低，并且可重用性与可配置性强厂商定义仪器功能厂商定义仪器功能用户定义仪器功能用户定义仪器功能系统封闭、固定系统封闭、固定系统开放、灵活，与计算机的进步同系统开放、灵活，与计算机的进步同不易与其他设备连接不易与其他设备连接容易与其他设备连接容易与其他设备连接虚拟仪器的优势虚拟仪器的优势丰富和增强了传统仪器的功能丰富和增强了传统仪器的功能。 虚拟仪器将信

17、号分析、显示、存储、打印和其虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理。他管理集中交由计算机来处理。仪器由用户自己定义仪器由用户自己定义。开放的工业标准开放的工业标准。 虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。规范，生产、维护和开发费用降低。便于构成复杂的测试系统便于构成复杂的测试系统。 可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控、和诊断。可节约仪器购买和维

18、护远程测试、监控、和诊断。可节约仪器购买和维护费用。费用。虚拟仪器的应用虚拟仪器的应用航空航空航天航天教学教学核工业核工业军工军工通信测试通信测试铁道铁道. .虚拟仪器的实际应用虚拟仪器的实际应用1.5 虚拟仪器技术发展趋势虚拟仪器技术发展趋势 自从自从NI于于1986年提出虚拟仪器的概念至今，虚拟年提出虚拟仪器的概念至今，虚拟仪器的发展大约可分为三个阶段：仪器的发展大约可分为三个阶段：第一阶段：利用计算机增强仪器的功能第一阶段：利用计算机增强仪器的功能 利用利用GPIB总线和总线和RS-232总线同计算机连接起总线同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。来，用户就可以用计算机控制仪器。第二阶段：开放式的仪器结构第二阶段：开放式的仪器结构 一是插入式计算机数据处理卡；二是一是插入式计算机数据处理卡；二是VXI仪器仪器总线标准的确立总线标准的确立第三阶段：虚拟仪器框架得到广泛认同和采用