虚拟仪器设计-概论

虚拟仪器设计

西安电子科技大学测控工程与仪器系主讲教师：贺华老师联系系方式：：

电话话虚拟仪仪器设计计课程程公共邮邮箱:vi..xidian@163.com密密码::vixidian第一章概概论论仪器技术术的相关关概念测量是人人类认识识客观世世界的最最基本方方法。测测量技术术也是人人类科学学技术和和改造客客观世界界能力的的重要标标志。从从广义上上讲，测测量本身身是一种种试验方方法，也也是通过过试验，，对客观观事物取取得定量量意义（（或叫信信息）的的过程。。事实上上，这种种过程就就是把待待测量直直接或间间接的与与另一同同类的已已知量进进行比较较，用已已知量作作为计量量单位，，求得待待测量的的过程，，人们通通过测量量可以建建立对客客观事物物属性量量度的认认识，并并可通过过对测量量结果数数据进行行必要的的归纳和和演绎，，从中找找到客观观事物的的演变规规律，提提出科学学的理论论。“测量是是科学进进步的阶阶梯”“没有测测量，就就没有科科学”测量：检测一般般指现代代自动化化大生产产中为确确保产品品质量对对生产流流程中某某些物理理量值和和工艺质质量进行行的监控控性测量量过程。。检测技技术就是是要研究究那些被被监测的的非电物物理对象象如何变变换成一一般计量量测试仪仪器所能能测量到到的电量量参数，，并经过过校准换换算使之之变为被被测对象象应有的的单位量量值。在在这一过过程中工工艺规范范和质量量标准的的建立是是十分重重要的，，没有规规范和标标准的检检测是无无意义的的。检测测也可以以指那些些对成品品质量实实行抽样样检查而而进行的的测量过过程。检测：一般泛指指生产和和科学实实验中经经常进行行的满足足一定准准确度要要求的试试验性测测量过程程。“测试””与“测测量”、、“检测测”在理理解上稍稍有区别别：(1)测试可指指那些实实验研究究性质的的测量过过程，这这种测量量一般没没有建立立正式的的计量标标准，我我们只能能用一些些有意义义的参数数和方法法去“测测评”被被测对象象的状态态、性能能或能力力。这种种“测评评”是无无法计量量的，只只能是试试验性质质的，这这种测评评过程一一般只能能称为测测试。。例如，，我们对对一个人人能力的的考查，，只能能用有某某种公认认水准的的题目或或项目来来考查他他，看他他能否应应答自如如或高质质量完成成，这就就是一种种测试过过程。测试：(2)测试也可可指只着着眼于定定性而不不重定量量的测量量过程，，例如，，逻辑电电路中对对逻辑电电平的测测量，我我们只着着重判别别测试点点逻辑电电平的高高低，逻逻辑状态态是否正正确，而而不去追追求该电电平的精精确量值值。这种种只求定定性，不不求精确确测定量量的测量量过程也也称为测测试过程程。(3)测试也可可以指试试验和测测量的全全过程，，这种过过程即是是定量的的，也是是定性的的。在这这种情况况下，可可以把测测试理解解为一种种手段或或过程，，其目的的在于鉴鉴别被测测对象的的性质和和特征。。例如，，一般对对各种产产品的鉴鉴定工作作就是一一种既定定量又定定性的测测试过程程。(4)在生产流流程和成成品鉴定定中的检检测过程程，从过过程的作作用和意意义来讲讲实际上上也是一一种测试试过程。。一个典型型的传统统测试系系统常由由试验装装置、测测量部分分、数据据处理和和输出设设备等几几部分组组成。测试系统统的组成成：测试工作作：根据据不同的的测试对对象，选选择适当当的传感感器，设设计或选选择有效效而准确确的中间间变换电电路、测测量仪器器和信号号处理部部件，以以最方便便、科学学的形式式把测试试结果显显示出来来。科学技术术的迅速速发展使使生产效效率愈来来愈高，，科学研研究也愈愈来愈深深入和复复杂。在在大规模模的生产产和科学学研究中中，要求求测试的的项目和和研究的的问题也也愈来愈愈多和复复杂，不不但工作作量大，，而且要要求高，，还常伴伴随着大大量的数数据处理理和统计计运算的的工作。。在这种种情况下下，靠人人工或功功能简单单的仪器器测试已已经无法法适应这这种形势势的发展展了，自自然提出出了测试试技术的的自动化化问题。。计算机技技术、实实时采样样技术、、频率合合成技术术的发展展和成熟熟给自动动测验技技术奠定定了良好好的基础础。近代代检测技技术、传传感器技技术、显显示技术术、数据据传输和和处理技技术以及及大规模模集成电电路技术术的发展展，尤其其是单片片计算机机技术和和计算机机科学的的飞速发发展和成成就，为为测试技技术的自自动化提提供了必必要的技技术条件件和手段段。测试技术术的自动动化仪器的发发展历史史第一代仪仪器：模模拟仪器器第二代仪仪器：数数字化仪仪器第三代仪仪器：智智能仪器器第四代仪仪器：虚虚拟仪器器仪器的发发展历史史第一代仪仪器：模模拟仪器器如指针式式万用表表，它们们的基本本特征是是采用模模拟电子子技术实实现，采采用指针针显示结结果。第二代仪仪器：数数字化仪仪器数字化仪仪器目前前相当普普及，如如数字电电压表、、频率计计等。这这类仪器器将模拟拟信号的的测量转转化为数数字信号号的测量量，并以以数字方方式输出出最终结结果。仪器的发发展历史史第三代仪仪器：智智能仪器器智能仪器器内置微微处理器器，能进进行自动动测量，，具有一一定的数数据处理理能力，，可取代代部分脑脑力劳动动。它的的全部功功能全部部都是以以硬件（（或固化化的软件件）的形形式存在在，无论论是开发发还是应应用，都都缺乏灵灵活性。。第四代仪仪器：虚虚拟仪器器虚拟仪器器是现代代计算机机技术和和测量技技术相结结合的产产物，是是传统仪仪器观念念的一次次巨大变变革，是是将来仪仪器发展展的一个个重要方方向。仪器技术术革命第一次仪仪器革命命是由于于数字电电子技术术的发展展引起的的，使仪仪器形态态进入了了数字化化仪器时时代；第二次仪仪器革命命是由于于微处理理器的大大量应用用引起的的，使仪仪器形态态进入了了智能仪仪器时代代；目前，仪仪器领域域正在进进行第三三次仪器器革命，，这次革革命是由由通用计计算机硬硬软件技技术的进进步引起起的，这这次仪器器革命将将使仪器器形态进进入第四四个时期期：虚拟拟仪器时时代。仪器的构构成元素素数据采集集信号处理理结果表达与仪器控制硬件（电电子线路路）硬件（电电子线路路）硬件（显显示器与与旋钮））硬件（电电子线路路）计算机软软件（算算法）计算机硬硬件（显示器器与虚拟拟旋钮））传统仪器器虚拟仪器器计算机系系统资源源传统仪器器厂商定义义功能虚拟仪器器用户定义义功能仪器概念念的转变变VirtualInstrumentation---ComputerBasedInstruments习惯把具具有自动动化、智智能化、、可编程程化等功功能的测测试系统统称为自自动测试试系统，，也称作作现代测测试系统统。它的的主要表表现形式式有：1、智能仪仪器2、自动测测试系统统3、虚拟仪仪器自动测试试系统定定义：1、智能能仪器

所谓智能能仪器是是用以形形容新的的一代测测量仪器器．这类类仪器仪仪表中含含有微处处理器、、单片计计算机或或体积很很小的微微型机，，有时亦亦称为内内含微处处理器的的仪器或或基于微微型机的的仪器。。这类仪仪器，因因为功能能丰富又又很灵巧巧，国外外书刊中中常简称称为智能能仪器。。智能仪器器的特点点（1）具具有自动校准准的功能；；（2）具具有强大的数数据处理理能力；（3）具具有量程自动动切换的功能；；（4）具具有操作作面板和和显示器器；（5）具具有修正误差差的能力；；（6）有有简单的的报警功能。自动校准准功能一般仪器器在使用用前都要要进行刻刻度校准准。在使用中中，随着着仪表温温度升高高，元件件的参数数往往会会发生变变化，还还有诸如如电网干干扰、噪噪声等因因素的影影响，原原来校准准好的状状态会受受到破坏坏，导致致前后测测量的数数据不一一致。智能仪器器不仅可可以自动动校准．．还可以以在测量量过程中中定期校校准。这这样测量量的一致致性条件件校好，，减小了了误差。。电压输入入自动校校正智能仪器器的一般般结构：：一、在物理结结构上，，微型计算算机内含于测测量仪器器。微处处理器及及其支持持部件是是整个测测试电路路的一个个组成部部分，但但是，从从计算机机的观点点来看，，测试电电路与键键盘、GPIB接口、显显示器等等部件一一样，仅仅是计算算机的一一种外围围设备。。二、智能能仪器的的管理程程序也称称监控程程序，分分析、接接受、执执行来自自键盘或或接口的的命令，，完成测测试和数数据处理理等任务务。软件件存于ROM或EPROM。软件是智能仪仪器的灵灵魂。智能仪器器的基本本组成智能仪器器工作过过程1、微处理理器接收收来自键键盘或GPIB接口命令令，解释释并执行行这些命命令；2、微处理理器通过过接口发发出各种种控制信信息给测测试电路路，以规规定功能能、启动动测量、、改变工工作方式式等，3、当测试试电路完完成一次次测量后后，微处处理器读读取测量量数据，，进行必必要的加加工、计计算、变变换等处处理，最最后以各各种方式式输出。。2、自动动测试系系统一个自动动测试系系统，一一般由四四部分组组成：第第一是微机或微微处理器器，它是整整个系统统的核心心；第二二是被控控制的测测量仪器器或设备备，称为为可程控仪仪器；第三是是接口；第四是是软件。自动测试试系统基基本构成成(一)微微机(或或微处理理器)这是整个个系统的的核心。。在软件件控制下下，微机机控制够够个自动动测试系系统正常常运转，，并对测测量数据据进行某某种方式式的处理理，如计计算、变变换、数数据处理理、误差差分析等等；最后后将测量量结果通通过打印印机、显显示器、、磁盘磁磁卡或电电表、数数码显示示等方式式输出。。(二)可可程控仪仪器或设设备在自动测测试过程程中，测测量仪器器或设备备的工作作，如测测量功能能、工作作频段、、输出电电平、量量程等的的选择和和调节都都是由微微机所发发控制指指令的控控制下完完成的。。这种能能接受程程序控制制并据之之改变内内部电路路工作状状态，以以及完成成特定任任务的测测量仪器器称为仪仪器的可可程序控控制，简简称可程程控，或或称程控控仪器。。显然程程控仪器器是组成成自动测测试系统统的基本本部分。。(三)接接口口一个自动动测试系系统中，，各仪器器和设备备之间的的接口的的总体称称为该自自动测试试系统的的接口系系统。显显然，接接口系统统是自动动测试系系统达到到自动测测试目的的，使自自动测试试系统各各仪器和和设备之之间进行行有效通通信的重重要环节节。60年代代中期以以前，接接口是专专用的和和非标准准化的，，即是专专门为某某一自动动测试系系统而设设计制造造的，设设计和制制造不具具有重复复性。接口的主主要任务务是在下下列方面面提供仪仪器与计计算机连连接需要要的兼容容。机械兼容容对接口的的最简单单的要求求是提供供机械兼兼容，就就是要有有适当的的连接器器和它们们之间的的连线。。电磁兼容容接口的第第二种作作用是使使计算机机和探器器之间有有适配的的电器特特性即在在逻辑电电平方面面要相符符合。数据兼容容一旦接口口已使计计算机和和仪器实实现了机机械和电电器兼备备它们就就能通过过数据线线交换电电信号信信息，但但需要某某种格式式翻译，，有种种种编程能能力的计计算机通通常能执执行这种种功能，，考虑到到速度，，往往把把这个任任务交给给接口完完成。自动测试试技术源源于70年代，，发展至至今．大大致可分分为三代代，其系系统组成成结构也也有较大大的不同同。第一代自自动测试试系统（（50年代代-70年代初初）第一代自自动测试试系统多多为专用用系统，，通常是是针对某某项具体体任务而而设计的的。如数数据自动动采集和和自动分分析，只只能用于于大量的的要求重重复、快快速、高高可靠和和对人员员健康有有害又难难于接近近的测试试场合。。其结构构特点是是采用比比较简单单的定时时器或扫扫描器作作为控制制器，其其接口也也是专用用的。因因此，第第一代测测试系统统通用性性比较差差。自动测试试系统发发展历程程第二代自自动测试试系统（70年代初初出现））第二代自自动测试试系统典典型方块块图如图图所示。。与第一一代自动动测试系系统的主主要不同同在于：：采用了了标准化化的通用用可程控控测量仪仪器接口口总线((IEEE488))及可程程序控制制的仪器器和测控控计算机机(控制制器)，，从而使使得自动动测试系系统的设设计、使使用和组组装都比比较容易易。第三代自自动测试试系统第二代自自动测试试系统虽虽然比人人工测试试显示出出前所未未有的优优越性，，但是在在这些系系统中，，电子计计算机并并没有充充分发挥挥作用，，系统中中仍是使使用传统统的测试试设备((只不过过是配备备了新的的标准接接口)，，整个系系统的工工作过程程基本上上还是对对传统人人工测试试的模拟拟。于是是出现了了虚拟仪器器。虚拟仪器器（VirtualInstrument,简简称VI）是是计算机机技术同同仪器技技术深层层次结合合产生的的全新概概念的仪仪器，是是对传统统仪器概概念的重重大突破破，是仪仪器领域域内的一一次革命命。虚拟拟仪器是是继第一一代仪器器——模拟式仪仪表、第二代代仪器———分立元件件式仪表表、第三代代仪器———数字式仪仪表、第四代代仪器———智能化仪仪器之后的新新一代仪仪器。虚拟仪器器所谓的虚虚拟仪器器，就是是在以通通用计算算机为核核心的硬硬件平台台上，由由用户设设计定义义，具有虚拟拟面板，测试功能能由测试软件实现现的一种计计算机仪仪器系统统。“虚拟””的含义义虚拟的仪仪器面板板由软件实实现仪器器的测量量功能（（软件就就是仪器器）虚拟仪器器的定义义虚拟仪器器技术降降低了市市场门栏栏长期以来来，我国国仪器行行业作出出了巨大大的努力力，但始始终没有有能力与与国外竞竞争。思思考其中中缘由，，国外先先进国家家在长期期的仪器器发展中中，形成成了以知知识产权权为核心心的技术术壁垒，，这个我我们很难难突破。。也就是是说，仪仪器市场场准入门门栏太高高。虚拟仪器器技术采采用通用用计算机机平台，，用软件件算法代代替硬件件实现仪仪器功能能，这使使得我们们可以绕绕过复杂杂的工艺艺问题和和传统仪仪器的知知识产权权，进入入一个全全新的市市场，与与国外公公司在一一个全新新的领域域，展开开竞争。。我国仪仪器行业业应抓住住现在的的大好时时机，大大力发展展虚拟仪仪器。就就能够迅迅速缩短短我们与与发达国国家的差差距。发达国家家的市场场退出成成本较高高，我们们及时进进入市场场，能形形成后发发比较优优势。发达国家家已形成成一套仪仪器工业业体系和和销售服服务网络络，在发发展虚拟拟仪器方方面，他他们只能能采用渐渐变的方方式，逐逐步实现现传统仪仪器退出出市场，，如果退退出太快快，就会会造成巨巨大的退退出成本本。我们作为为发展中中国家，，在传统统仪器领领域未能能形成比比较优势势。如果果我们集集中力量量，迅速速进入下下一代虚虚拟仪器器市场，，我们不不存在退退出成本本的问题题，能够够迅速形形成后发发比较优优势。略略过传统统仪器的的发展阶阶段，迅迅速进入入下一代代仪器发发展阶段段，造成成仪器技技术的跨跨跃式发发展态势势。跨跃跃式发展展模式也也是发展展中国家家赶超发发达国家家的基本本模式。。虚拟仪器器的架构构模块化仪器软件算法1．虚虚拟仪器器的内部部功能测量仪器器的内部部功能可可划分为为：输入入信号的的测量、、转换、、数据分分析处理理及测量量结果的的显示四四个部分分。虚拟拟仪器也也不例外外，但是是实现上上述功能能的方式式不同，，下面按按三个部部分来叙叙述。（1）信信号采集集与控制制功能虚拟仪器器是由计计算机和和仪器硬硬件组成成的硬件件平台，，实现对对信号的的采集、、测量//转换与与控制的的。硬件件平台由由两部分分组成：：1、计算算机可以以是笔记记本计算算机、PC机或或工作站站；2、仪器器硬件：：可以是是插入式式数据采采集板（（含信号号调理电电路、A／D转转换器、、数字I／O、定时时器、D／A转转换器等等），或或者是带带标准总总线接口口的仪器器，如GPIB仪器器、VXI仪器器、RS－232仪器器等)。。(2)数数据分析析处理功功能虚拟仪器器充分利利用了计计算机的的存储、、运算功功能，并并通过软软件实现现对输入入信号数数据的分分析处理理。处理理内容包包括进行行数字信信号处理理＼数字字滤波统统计处理理、数值值计算与与分析等等。虚拟仪器器比传统统仪器以以及以微微处理器器为核心心的智能能仪器有有更强大大的数据据分析处处理功能能。(3)测测量结结果的表表达虚拟仪器器充分利利用计算算机资源源如内存存、显示示器等，，对测量量结果数数据的表表达与输输出有多多种方式式，这也也是传统统仪器远远不能及及的。例例如，虚虚拟仪器器可以实实现：通过总线线网络进进行数据据传输；；通过磁盘盘、光盘盘硬拷贝贝输出；；通过文件件存于硬硬盘内存存中；计算机屏屏幕显示示。VI构成成要素虚拟仪器器系统是是由计算机、、应用软软件和仪仪器硬件件三大要素素构成的的。计算算机与仪仪器硬件件又称为为VI的的通用仪器器硬件平平台。软件技术术是虚拟拟仪器的的核心技技术。常常用的仪仪器用开开发软件件有LabVIEW、、LabWindows/CVI、、VEE等等。。这些软软件已相相当完善善，而且且还在升升级、提提高。以以LabVIEW为例例，这是是基于图图形化编编程语言言G的开开发环境境，用于于如GPIB、、VXI、PXI、PCI仪仪器及数数据采集集卡等硬硬件的系系统构成成，而且且，具有有很强的的分析处处理能力力。VI系统统有多种种构成方方式：PC—DAQ测测量系统统：是以数数据采集集卡、信信号调理理电路及及计算机机为仪器器硬件平平台组成成的测试试系统。。GPIB系统：是以GPIB标准总总线仪器器与计算算机为硬硬件平台台组成的的测试系系统。VXI系系统：是以VXI标标准总线线仪器与与计算机机为硬件件平台组组成的测测试系统统。串口系统统：是以Serial标标准总线线仪器与与计算机机为硬件件平台组组成的测测试系统统。现场总线线系统：是以Fieldbus标标准总线线仪器与与计算机机为硬件件平台组组成的测测试系统统。VI构成方式式被测信号GPIB仪器串口仪器VXI模块PXI模块PC-DAQ计算机I/O接接口设备备虚拟仪器器的构成成方式无论上述述哪种VI系统统，都是是通过应应用软件件将仪器器硬件与与各类计计算机相相结合，，其中PC-DAQ测测试系统统是构成成VI的的基本方方式。因因为，实实际上数数据采集集系统DAS是是构成各各种标准准总线仪仪器的基基础，故故虚拟仪仪器是基基于“信息的的数据采采集(ADC))-信号号的分析析与处理理(DSP)--输出((DAC)及显显示”的结构模模式建立立通用仪仪器硬件件平台。。在这个通通用仪器器硬件平平台上，，调用不不同的测测量软件件就构成成了不同同功能的的仪器。PXI模模块VXI模模块虚拟仪器器软件平平台Labview/Labwindows//CVI事实上的的虚拟仪仪器软件件平台HP-VEEVBVC+++其它1、编程程设计图图形化软软件模块块提提供图图形化编编程环境境，通过过调用控控件、库库函数原原码模块块进行仪仪器面板板设计和和数据分分析处理理。2、仪器器驱动程程序（InstrumentDrivers))与用户户接口开开发工具具（UserInterfaceDevelopment)标准准软件模模块。LabView软件组成成虚似仪器器和传统统仪器的的比较虚拟仪器传统仪器开发和维护费用低开发和维护费用高技术是更新周期短（0.5~1年）技术更新周期长（5~10年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备自动、智能化、远距离传输功能单一，操作不便虚拟仪器器的分类类:从技术发发展的角角度来看看，虚拟拟仪器走走的是两两条技术术路线：：一条是向向高速、、高精度度、大型型自动测测试设备备（ATE）方方向发展展，即GPIB（1975））→VXI（1987）→PXI（（1997）的的发展路路线；另一条是是向高性性能、低低成本、、普及型型系统方方向发展展，即PC插卡卡（1987））→并口口式（1995）→串串口USB（1999）的技技术路线线。

虚拟仪器器的发展展随着微微机的发发展和采采用总线线方式的的不同，，可分为为五种类类型：第一类：：PC总线——插卡型虚虚拟仪器器这种方式式借助于于插入计计算机内内的数据据采集卡卡与专用用的软件件如LabVIEW相结合。。但是受受PC机机箱和和总线限限制，且且有电源源功率不不足，机机箱内部部的噪声声电平较较高，插插槽数目目也不多多，插槽槽尺寸比比较小，，机箱内内无屏蔽蔽等缺点点。另外外，ISA总线的虚虚拟仪器器已经淘淘汰，PCI总线的虚虚拟仪器器价格比比较昂贵贵。第二类：：并行口口式虚拟拟仪器最新发展展的一系系列可连连接到计计算机并并行口的的测试装装置，它它们把仪仪器硬件件集成在在一个采采集盒内内。仪器器软件装装在计算算机上，，通常可可以完成成各种测测量测试试仪器的的功能，，可以组组成数字字存储示示波器、、频谱分分析仪、、逻缉分分析仪、、任意波波形发生生器、频频率计、、数字万万用表、、功率计计、程控控稳压电电源、数数据记录录仪、数数据采集集器。它它们的最最大好处处是可以以与笔记记本计算算机相连连，方便便野外作作业，又又可与台台式PC机相连，，实现台台式和便便携式两两用，非非常方便便。由于于其价格格低廉、、用途广广泛，特特别适合合于研发发部门和和各种教教学实验验室应用用。第三类：：GBIB总线方式式的虚拟拟仪器GPIB总线((GeneralPurposeInterfaceBus)),即IEEE488通用接口口总线,是HP公司在70年代推出出的台式式仪器接接口总线线,因此又叫叫HPIB(HPInterfaceBus)。该标准总总线在仪仪器、仪仪表及测测控领域域得到了了最为广广泛的应应用。这这种系统统是在微微机中插插入一块块GPIB接口卡,通过24或25线电缆连连接到仪仪器端的的GPIB接口。当当微机机的总线线变化时时,例如采用用ISA或PCI等不同总总线,接口卡也也随之变变更,其余部分分可保持持不变,从而使GPIB系统能适适应微机机总线的的快速变变化。由由于GPIB系统在PC出现的初初期问世世,所以有一一定的局局限性。。如其数据线只只有8根,用位并行行、字节节串行