虚拟仪器概述部分设计课件

虚拟仪器一、概述二、虚拟仪器技术新进展及其应用三、虚拟仪器实验环境介绍(另)一、概述1.1、虚拟仪器的演化和发展历程

1.1.1测量仪器发展阶段框图：

从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。1.1.2传统仪器构成特点

传统仪器包括模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器这几个大的方面。第一代：模拟仪器，这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针试仪表。如指针式万用表、晶体管电压表等。第二代：数字式仪表，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。第三代：智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，所以习惯上称为智能仪器。但是它的功能块全部都是以硬件（或固化的软件）形式存在的，无论是在开发还是应用中，都缺乏灵活性。传统仪器构成特点一个独立的装置，有一机箱，有操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。一般由以下三大功能块组成：信号的采集和控制信号的分析与处理结果的表达与输出功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在。这种框架式的结构，决定了传统的仪表只能由仪器厂家来定义、制造，用户无法改变的现实。1.1.3虚拟仪器(VirtualInstrument)的出现

为解决以上各传统仪器出现的问题，总线式仪器与系统应运而生。这也确定了虚拟仪器、自动测试系统乃至整个测试领域的一个重要发展动向。一般认为，虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。虚拟仪器的出现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。还可以把仪器的三大功能全部放在计算机上实现。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分析，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。后面详细介绍虚拟仪器的概念以及其特点。1.2、虚拟仪器的概念和特点1.2.1虚拟仪器的概念：

关于虚拟仪器国外专家一般有以下几种说法：（1）虚拟仪器是看起来并在感觉上与物理仪器相同的软件包；（2）虚拟仪器是由计算机、仪器硬件、固件和应用软件组成的测量装置；（3）虚拟仪器通常指利用个人计算机和有关的硬件与（或）软件使之具有传统独立仪器功能的组合。

美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCor-poration,NI)这样定义，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统,是一种计算机操纵的模块化仪器系统。虚拟仪器主要由通用的计算机资源、应用软件和仪器硬件等构成。使用者利用应用软件将计算机资源和和仪器硬件结合起来,通过友好的图形界面来操作计算机,完成对测试信号的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪器中的硬件主要用于解决信号的调理、以及输入、输出问题。软件主要用于实现对数据的读取、分析和处理、显示以及对硬件的控制等功能,这些功能在传统电子仪器中往往通过硬件来实现。软件即是仪器这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I／O部件来构建虚拟仪器。虚拟仪器的核心－－软件算法代替硬件电路；虚拟仪器=总线模块＋算法1.2.2虚拟仪器的特点虚拟仪器有以下特点：(1)虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等特点。(2)在通用硬件平台搭建后,由软件来实现具体的功能,即软件在虚拟仪器中有重要的作用。(3)虚拟仪器的功能是是由用户根据实际需要通过软件来定义的,而不是事先由仪器厂商定义。(4)虚拟仪器的研制周期较传统仪器大为缩短。虚拟仪器的特特点(5)虚拟仪仪器的性价比比较高。(6)由于于虚拟仪器技技术是建立在在计算机技术术和数据采集集技术基础上上的,因而技技术更新较快快、成本较低低、测试自动动化程序较高高,而且可与与网络及其他他设备互联。。(7)虚拟仪仪器具有友好好、灵活的人人机界面,传传统仪器的界界面较呆板。。传统仪器与虚虚拟仪器比较较数据采集信号处理结果表达与仪器控制硬件（电子线线路）硬件（电子线线路）硬件（显示器器与旋钮）硬件（电子线线路）计算机软件（（算法）计算机硬件（显示器与虚虚拟旋钮）传统仪器虚拟仪器计算机系统资资源传统仪器与虚虚拟仪器比较较传统仪器虚拟仪器仪器定义厂家用户功能设定功能特定，与其它设备连接受到限制。面向应用的系统结构，可方便地与网络设备、外设和其它设备连接。关键环节硬件软件开放性封闭式系统，功能固定，不能改变。基于计算机技术的开放式系统，灵活的软件功能模块。性能价格比低高，可重复使用。技术更新速度慢（周期5~10年）快（周期1~2年）开发维护开发维护费用高软件结构，节省费用传统仪器实例例：数字万用用表FLUKEF189毫伏表VT-181E数字示波器DPO4034传统仪器-操操作台面板传统仪器-内内部结构传统仪器-内内部结构信号调理电路路虚拟仪器实例例：一体化工工作站AWS-8248虚拟仪器—数数据采集卡PCI-6259A/DD/AI/O虚拟仪器—调调理电路调理电路—底底板+插板虚拟仪器的构构成虚拟仪器系统统主要由计算算机、硬件板板卡、软件及及附件组成，，用户可以根根据要求,灵灵活地构建自自己的测试仪仪器(系统)，下面是其其典型结构：：虚拟仪器的结结构层次虚拟仪器的基基本结构GPIBSerialDAQProcessorUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&DriverSoftwareLabVIEW虚拟仪器系统统的基本构成成虚拟仪器的架架构模块化仪器软件算法仪器概念的转转变传统仪器厂商定义功能能虚拟仪器用户定义功能能虚拟仪器的构构成虚拟仪器的硬硬件系统：虚拟仪器是基基于计算机的的测量设备,其硬件由计计算机及I/O接口设备备组成，如下下图。I/O接口设备主主要完成输入入信号的采集集、放大、模模/数转换及及数/模转换换和信号输出出控制等。不不同的总线有有其相应的I/O接口硬硬件设备。虚虚拟仪器的硬硬件主要有以以下几种构成成方案：虚拟仪器的硬硬件构成方案案(1)基于数据采集集的虚拟仪器器系统：借助于插入计计算机内的数据采集卡与专用的软件件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)，将模拟拟、数字信号号采集到计算算机进行分析析、处理、显显示等，并可可通过输出实实现反馈控制制。(2)基于通用接口口总线GPIB接口的仪仪器系统：利用GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)技术，，由计算机实实现对仪器的的操作和控制制，替代传统统的人工操作作方式，排除除人为因素造造成的测试测测量误差。(3)利用VXI总总线仪器实现现虚拟仪器系系统：VXI(VMEbusExtensionforInstrumentation)总线是一种种高速计算机机总线VME在仪器领域域的扩展。由由于其标准开开放、传输速速率高、数据据吞吐能力强强、定时和同同步精确、模模块化设计、、结构紧凑、、使用方便灵灵活，已越来来越受到重视视。它便于组组织大规模、、集成化系统统，是仪器发发展的一个方方向。(4)基于串行口或或其它工业标标准总线的系系统：将带有RS-232总线线接口的仪器器作为I/O接口设备通通过RS-232串口总总线与PC计计算机组成虚虚拟仪器系统统，目前仍然然是虚拟仪器器的构成方式式之一。当今今，PC计算算机已更多地地采用了USB总线和IEEE1394总线。。虚拟仪器的软软件系统：根据仪器的三三大功能,设设计仪器必须须解决好人机机接口和机机机接口问题,因此虚拟仪仪器软件又由由两大部分构构成,即应用用程序和I/O接口仪器器驱动程序。。(1)应用用程序：①实现虚拟面面板功能的软软件程序；②定义测试功功能的流程图图软件程序。。(2)I/O接口仪器器驱动程序：：完成特定外部部硬件设备的的扩展、驱动动与通信。虚虚拟仪器可以以在相同的硬硬件平台下，，通过不同测测试功能软件件模块的组合合，实现功能能完全不同的的各种仪器，，即虚拟仪器器的测量功能能是由软件编编程来实现的的。软件是虚虚拟仪器的核核心，体现了了测试技术与与计算机技术术深层次的结结合。开发虚拟仪器器必须选用合合适的软件开开发平台，目目前的虚拟仪仪器软件开发发平台有如下下两类：①基于文本编程语言开发工具具：如VC++,VB,C++Build,LabWindows/CVI及Delphi等。。②基于图像化编程语言开发工具具：如LabVIEW(NI公司)，HPVEE(HP公司)。后后面重点介绍绍LabVIEW。二、虚拟仪器器技术新进展展

及其应用用2.1、虚拟仪器技技术新进展虚拟仪器技术术的进展分为为四个大方面面：①总线技术方方面②数据采集、、数字信号处处理及传感器器技术方面③测量技术方方面④软件技术方方面虚拟仪器的发发展ProcessorUnitUnderTestPXI虚拟仪器的演演变虚拟仪器在总线技术方面面的进展目前，仪器接接口总线和计计算机技术结结合越来越紧紧，用于虚拟拟仪器和测试试系统的有GPIB总总线、VXI总线技术术、PXI总总线技术、、IEEE1394总总线和USB等等。。GPIB仪器器总线已经风风行多年，由由于它只是8位并行仪器器总线，传输输速率和传输输距离有限，，已经跟不上上当今大规模模自动测试系系统的需求。。但是采用GPIB总线线的仪器或插插件仍然大量量存在，一直直在应用，因因此GPIB总线仍然是是组建中等水水平自动测试试系统所采用用的总线。从事虚拟仪器器开发的厂家家也很注意USB通用串串行总线和IEEE1394通用用高速串行总总线虚拟仪器器的开发，一一是因为虚拟拟仪器系统主主控常采用PC机，而当当今PC机已已经更多地采采用USB总总线和IEEE1394总线；二二是因为USB总线已经经得到广泛的的支持。微软从Windows98开始全全面支持USB1.1总总线，WindowsXP支持USB2.0，Sun公司和Digital公司也已经经支持USB。但是USB总线只限限于用在较简简单的测试系系统中。当今今用虚拟仪器器组建自动测测试系统更有有前途的是采采用IEEE1394串行总线，，这是因为这这种高速串行行总线，能够够以100、、200或400Mb/s的速率率传送数据，，显然会成为为虚拟仪器发发展最有前途途的总线。前几年国际上上虚拟仪器所所用IEEE1394总线的传送送速度的最高高记录已经达达到100Mb/s。。近几年也有有很大的发展展能达到更快快速度。虚拟仪器在数据采集、数数字信号处理理及传感器技技术方面的进展数据采集技术术：数据采集卡（（DAQ）发发展迅速，A/D,D/A转换技技术、仪器放放大器、抗混混淆滤波器和和信号波形处处理技术的不不断改进；数字字信信号号处处理理技技术术：：数字字信信号号处处理理（（DSP））芯芯片片使使高高速速的的数数据据流流处处理理进进行行优优化化和和数数学学计计算算，，增增强强了了采采集集系系统统的的功功能能，，降降低低成成本本，，使使其其具具有有独独立立控控制制和和实实时时处处理理的的优优点点；；传感感器器技技术术：：智能能传传感感器器的的出出现现使使传传感感器器具具有有更更强强大大的的功功能能，，计计算算机机技技术术、、网网络络通通讯讯技技术术的的飞飞速速发发展展使使传传统统的的现现场场模模拟拟信信号号通通信信方方式式转转为为现现场场级级的的全全数数字字信信号号通通信信方方式式,即即传传感感器器现现场场级级的的数数字字化化信信号号通通信信方方式式，，出出现现了了基基于于以以太太网网的的传传感感器器即即网网络络化化传传感感器器技技术术。。虚拟拟仪仪器器在在测量量技技术术方方面面的进进步步近些些年年来来，，非非电电量量的的电电测测技技术术和和自自动动测测试试技技术术迅迅速速发发展展，，成成为为最最活活跃跃的的测测量量技技术术分分支支。。随随着着科科学学技技术术的的发发展展，，测测试试、、数数据据采采集集、、控控制制三三者者之之间间的的界界限限已已模模糊糊不不清清，，测测量量、、维维护护、、诊诊断断、、修修理理、、数数据据处处理理/管管理理一一体体化化的的需需求求日日趋趋迫迫切切，，对对测测试试的的现现场场化化、、远远地地化化、、网网络络化化需需求求不不断断升升温温。。随随着着要要表表征征的的系系统统的的日日益益复复杂杂，，测测量量反反映映在在对对被被测测对对象象的的描描述述和和表表示示上上，，也也根根据据实实际际的的需需要要从从传传统统的的数数值值加加带带方方向向的的误误差差值值，，扩扩展展为为还还可可以以由由自自然然语语言言以以及及高高度度抽抽象象的的文文字字或或符符号号来来表表征征。。电电测测量量技技术术和和自自动动控控制制技技术术结结合合得得越越来来越越紧紧密密，，不不仅仅测测量量为为控控制制提提供供更更准准确确的的信信息息，，控控制制也也不不断断为为测测量量的的发发展展注注入入新新的的活活力力。。虚拟拟仪仪器器在在软件件技技术术方方面面的发发展展①操操作作系系统统：：目前前，，具具有有图图形形用用户户界界面面的的32位位操操作作系系统统Windows2000和和WindowsXP已已成成为为PC机机的的主主流流操操作作系系统统。。它它们们是是真真正正的的多多任任务务系系统统，，且且采采用用了了多多线线程程技技术术。。使使用用多多线线程程来来执执行行程程序序，，可可防防止止基基于于PC的的测测试试应应用用软软件件与与DAQ或或标标准准接接口口的的独独立立仪仪器器通通信信时时产产生生拥拥塞塞现现象象。。另另外外可可以以将将用用户户界界面面显显示示和和数数据据采采集集分分配配在在不不同同的的线线程程上上，，降降低低数数据据采采集集与与用用户户界界面面显显示示之之间间的的干干扰扰，，使使每每个个线线程程独独立立地地以以最最快快的的速速度度运运行行，，充充分分提提高高系系统统的的测测试试速速度度。。通通过过按按时时间间占占用用的的多多少少确确定定线线程程的的优优先先级级，，同同时时可可以以提提高高系系统统的的响响应应速速度度。。②开发平平台：(1)实现了仪仪器控制制与数据据采集的的完全图图像化编编程,设设计者无无需编写写任何文文本形式式的代码码。(2)提提供了大大量的面面向测控控领域应应用的库库函数,如面向向数据采采集的DAQ库库函数、、内置GPIB、VXI、串串口等数数据采集集驱动程程序;面面向分析析的高级级分析库库,可进进行信号号处理、、统计、、曲线拟拟合以及及复杂的的分析工工作;面面向显示示的大量量仪器面面板,如如按钮、、滑尺、、二维和和三维图图形等。。(3)提提供了大大量与外外部代码码或应用用软件进进行连接接的机制制。(4)具具有强大大的网络络连接功功能,支支持常用用网络协协议,便便于用户户开发各各种网络络测控、、远程虚虚拟仪器器系统。。(5)LabVIEW应用程程序具有有可移植植性,适适用于多多种操作作系统③驱动程程序1999年NI公公司提提出了可可互换虚虚拟仪器器标准IVI(Interchangeablevirtualinstruments)。。它使仪仪器在测测试系统统中可以以互换而而无需修修改软件件，这样样就解决决了消除除测试冗冗余、提提高测试试系统中中同类仪仪器的可可互换性性等问题题；在更更换硬件件时，软软件不需需做太大大的修改改，大大大地简化化了仪器器驱动器器的开发发，改进进了仪器器驱动程程序的编编写质量量。而且且IVI仪仪器驱动动器与接接口总线线无关，，只与仪仪器的测测试功能能有关，，这给许许多应用用领域和和工业部部门带来来了实惠惠，增强强了代码码的可重重用性。。④ActiveX、C/S结结构、、多媒体体技术ActiveX是测测试行业业的一项项关键技技术。ActiveX是一一种封装装模块，，与编程程语言无无关，能能被许多多不同语语言所调调用。采采用这种种技术可可以在测测试系统统中调用用各种有有用的应应用程序序，如电电子表格格Excel和数数学工具具MATLAB以以提高系系统的性性能。另另外，ActiveX还能能够通过过Internet网实实现远距距离控制制。用C/S结构构模型设设计虚拟拟仪器，，不仅可可使不同同测试子子系统之之间共享享系统资资源，并并行地进进行测试试工作，，而且可可以根据据测试系系统的实实际需要要，任意意增删测测试子系系统的数数目，而而无需对对测试系系统软件件的源代代码进行行修改。。多媒体体技术的的发展，，也将对对虚拟仪仪器技术术的发展展产生影影响。可可以用动动画技术术直观、、逼真地地动态监监控系统统状态和和测量结结果，可可用语音音技术实实现自动动报告测测试结果果和报警警。2.2、虚拟仪仪器技术术的应用用虚拟仪器器无处不不在。85%的的世界500强强制造型型企业已已经选择择了虚拟拟仪器技技术，NI提供供的1000多多款软硬硬件产品品应用遍遍布电子子、机械械、通信信、生物物医药、、科研、、教育等等各个行行业领域域。(1)消费电子子微软公司司使用LabVIEW和PXI模模块化化仪器开开发了Xbox和Xbox360手手柄的多多功能验验证提升升了100%。(2)结结构监测测为了对东东海大桥桥进行实实时可靠靠的健康康监测，，上海巨巨一公司司使用NI的PXI平平台和动动态采集集（DSA）设设备实现现了全桥桥14个个工作站站的上千千个通道道的需求求，并通通过GPS时间间信号和和PXI背板板实现了了精确的的同步采采集标准准。(3)RF与与通信测测试上海聚星星仪器公公司使用用NILabVIEW和基基于PXI的矢矢量信号号分析仪仪开发了了业界性性价比最最高的GPS多多星接收收机测试试。基于于软件的的优势使使得系统统可以同同时仿真真多颗卫卫星的信信号，使使接收机机的功能能测试更更为有效效。(4)声声音与振振动基于NILabVIEW图图形化开开发环境境配合PXI模模块化硬硬件平台台，波音音公司实实现了一一个数量量高达600的的麦克风风阵列。。该麦克克风阵列列可以同同步地将将飞机飞飞过区域域时的噪噪音采集集、回溯溯并对庞庞大的噪噪声数据据进行处处理，然然后绘制制不同噪噪声等级级的示意意图，准准确地确确定噪声声来源。。(5)汽汽车BMW研研发人员员和德国国MicroNova公司的的工程师师合作，，选用了了基于虚虚拟仪器器技术的的NIPXI平台。。针对不不同的信信号类型型和接口口功能，，使用图图形化LabVIEW软件件对板载载FPGA的NI板卡卡作开发发，并应应用于BMW氢氢能7系系发动机机控制器器的硬件件在环测测试。因因为PXI平台台的可扩扩展性和和通用性性，该平平台已成成功用于于BMW其它它不同系系列发动动机控制制器的硬硬件在环环测试。。(6)军军事Mantech公司司选用PXI作为为用于美美国空军军F-15E和F-16C/D高高级战斗斗机的测测试系统统LANTRIN的一一部分，，成功将将测试试系统的的体积从从7个机机架减小小到3个个机架，，体积减减小了50%以以上，这这其中很很大部分分要归功功PXI仪器器的整合合能力。。(7)航空空航天天在NILabVIEW平平台台下，，NASA（美美国航航空航航天局局）完完美地地建立立了对对下一一代詹詹姆士士韦伯伯太空空望远远镜中中“微微快门门”技技术的的测试试所必必须的的太空空仿真真环境境。由由于能能够很很好的的控制制温度度、压压力条条件，，还可可以把把太阳阳产生生的热热扰动动因素素也考考虑在在内。。利用用LabVIEWFPGA及运运动控控制技技术，，可以以达到到对““微快快门””复杂杂的开开关阵阵列进进行灵灵活、、可靠靠的控控制，，再结结合NI图图像采采集与与处理理技术术得出出判断断结果果。(8)基于GSM/GPS的工工程机机械远远程监监控能与上上位机机通信信，接接收并并实现现上位位机的的指令令，实实现有有关数数据的的GSM短短信收收发和和GPS经经纬度度等信信息采采集的的功能能。2.3、虚拟拟仪器器的发发展趋趋势网络化化网络化化虚拟拟仪器器是虚虚拟仪仪器技技术和和网络络技术术相结结合的的产物物。基基于分分布式式测控控系统统，因因而具具备以以下功功能：：(1)支持持远程程测控控；(2)支持持分布布式应应用；；(3)支持持异地地域数数据存存取；；(4)支持持异地地服务务请求求与访访问。其中的的基本本功能能单元元，其其主要要任务务是：：①数数据采采集和和处理理；②②测试试数据据交换换；③③测控控过程程监控控、故故障诊诊断；；④测测试信信息存存储。。另外外一部部分通通信网网络包包括测测试服服务器器、浏浏览服服务器器、中中央管管理计计算机机和网网关等等：负负责对对各测测控基基本功功能单单元进进行任任务分分配、、对采采集的的数据据进行行计算算、处处理和和分析析、存存储、、系统统故障障诊和和报警警和提提供浏浏览服服务等等。典型的的网络络化虚虚拟仪仪器系系统组组成如如下图图所示示：向几何何参量量和机机械参参量等等难点点领域域拓展展应用虚虚拟仪仪器进进行几几何量量和机机械参参量测测量的的难度度要高高于电电参量量的测测量，，这是是因为为传感感器和和被测测工件件需要要按照照测量量基准准保持持严格格的相相对位位置关关系，，这种种虚拟拟仪器器不同同其它它参量量的测测