动态测试技术-虚拟仪器

动态测试技术_虚拟仪器第一页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.1仪器的定义和作用仪器是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一个系统或装置。最基本的作用：是延伸扩展补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。2第二页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.2从传统仪器到虚拟仪器VXIChassisDAQBoardswithRTSIFullyProgrammableSystemGUIIEEE488RackandStackSystemAnalogInstrumentationVirtualInstrumentation仪器的发展历史3第三页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.3从传统仪器到虚拟仪器第三代为智能仪器，将单片或多片的微处理器与传统仪器有机地结合在一起形成的单机，其形态是仪器。智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量(或检测)仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等)。4第四页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.4虚拟仪器的产生传统仪器满足不了测试需求仪器越来越复杂，各种测试仪器，其组成都可以分为数据采集与控制、数据的分析与处理、结果的输出与显示三大功能，且都是以硬件形式存在，仪器硬件存在冗余，使用率低，开发、维护的费用高，技术更新周期长传统仪器都是独立使用、手工操作、任务单一，实时性差，现代测控可能要求多点，多物理量的实时采集控制和记录分析。振动仪硬度仪测厚仪5第五页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器计算机技术的进步为新型仪器提供了基础6.4虚拟仪器的产生电子技术和计算机技术的进步改变了传统的设计思想，许多过去由硬件实现的功能可以由软件实现；专业化的设计软件为高效、易用的仪器软件开发提供了工具6第六页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器虚拟仪器是技术发展的结果6.4虚拟仪器的产生计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与系统的结构不断推陈出新，电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化，功能与性能得到不断提高。计算机（PC机）处于核心地位，计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。在上述的背景下，提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。1986年，美国国家仪器公司（NI,NationalInstrument）提出了虚拟仪器（VirtualInstrumentation）的概念。7第七页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器虚拟仪器的定义6.4虚拟仪器的产生虚拟仪器是在通用计算机（如PC机、Mac或工作站）中加上硬件（通用的测量功能硬件）和软件（LabVIEW、驱动），并使用计算机屏幕提供仪器虚拟界面的可重用测量仪器。8第八页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.5虚拟仪器的特点从虚拟仪器的组成结构上来看：（1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件）；（2）良好的人机界面。虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通过“控件”虚拟出面板）；（3）功能强。虚拟仪器的功能是由用户软件定义的9第九页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器虚拟仪器使用通用计算机的资源标准I/O硬件（如串行口，PCI/ISA扩展槽或其它硬件标准）用户界面，特别是图形用户界面（GUI）通用软件执行平台，如操作系统和各种动态连接库和其它计算机和设备连网，用于分布式测控互联网，为用户提供远程测量和监控功能6.5虚拟仪器的特点10第十页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.6虚拟仪器与传统仪器的比较比较内容虚拟仪器

传统仪器系统构成软件和通用硬件。软件是关键

专用硬件系统开发周期开发时间短、技术要求低、系统通用性强开发时间长、技术要求高、系统功能较专一开发费用软件使得开发和维护费用降至最低开发与维修开销高技术更新周期短（1~2年）长（5~10年）价格价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵功能可塑性用户定义仪器功能，柔性厂商定义仪器功能，刚性系统开放性开放、灵活，与计算机技术同步发展封闭、固定构成复杂系统能力易与网络及其他周边设备互连功能单一的独立设备人机交互无限的显示选项、界面友好有限的显示选项11第十一页，共33页。传统仪器虚拟仪器待测模拟信号信号处理前置预处理数据显示信号输入硬件电子系统A/D转换数字信号处理数据显示信号产生信号输出手动/模拟信号控制待测模拟信号输出模拟信号D/A转换计算机数字信号控制数字信号产生输出模拟信号ClassicalInstrumentVirtualInstrument(VI)计算机DAQ卡

利用计算机强大、高效的数字信号处理和控制能力，配合高速高精度A/D、D/A转换卡，实现与传统专用仪器相同乃至更强的功能，组成虚拟仪器前置预处理对比2023/4/1812第十二页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.7虚拟仪器的系统结构虚拟仪器的系统构成硬件和软件两大部分构成。硬件是基础，软件是核心。虚拟仪器的内部功能，可划分为信号采集与控制、数据分析与处理、结果表示与输出三大功能模块采集分析显示13第十三页，共33页。GPIBSerialDAQProcessorUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&DriverSoftwareLabVIEW虚拟仪器系统结构2023/4/1814第十四页，共33页。LABVIEW编程DLL调用访问驱动

用户态核心态LaBVIEWCIN接口控件动态测试技术：虚拟仪器15第十五页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用航空航天教学核工业军工通信测试铁道…….16第十六页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用应用广泛从军事到民用；特别是仪器、测量与控制、自动化等领域。测试测量工业自动化声学测试设备测试工业自动化食品加工汽车测试生物医学研究控制工程机器视觉计量校准电子与非电子测试石油和天然气工程制药生产光纤校准光学度量和测定工业机器人过程自动化研发调试半导体测试SCADA统计流程控制通信测试振动测试晶片传送手臂机械制造17第十七页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用NIPXI结构健康监测硬件平台NIPXI是一种基于PC，专用于测试测量与控制的开放式硬件平台。其模块化的架构，能够满足结构健康监测中多项综合技术，从基于电压或电流的传感器采集，到新兴FBG光纤传感器采集；远距离下的数据同步，到上千通道的分布式GPS同步采集，并结合联合信号分析、海量数据存储等。18第十八页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用NIPXI结构健康监测硬件平台平台优势：模块化——使用能够根据您不同需求而进行扩展的硬件体系结构，构建自定义测试系统；高性能——最新商业技术提供测试与测量行业最高的吞吐量和最低的延迟性能；坚固性——使用小型坚固封装，能够抵抗大幅度温度变化的硬件，适合开发以及工业应用发布19第十九页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用基于PXI的结构健康监测模块NI基于PXI的动态信号采集设备，实现高性能的加速度传感器采集，最高可达204.8kS/s采样率和更新率，118dB动态范围的24位ADC，带交流/直流耦合、IEPE调理、抗混叠滤波和TEDS选项。通过模块间或机箱间的同步，能创建从2到5000个通道高精度同步采集。通过NI信号调理模块，为应变、温度、位移等传感器提供如电桥、冷端补偿等信号调理功能，提供高达24位，102.4kS/s采样的8路同步电桥输入，或者32通道的热电偶输入。20第二十页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用基于PXI的结构健康监测模块通过工业级RS485或者422接口，可实现带光电隔离的总线端口，适合各类其他各类基于RS485/422总线的传感器，如疲劳计、倾斜计、位移计、索力计、风速计等。NI同步与定时模块，可通过GPS、IEEE1588、IRIG-B等信号进行分布式系统的同步，自带GPS模块，可支持GPS天线。通过高精度的定时模块，帮助对PXI系统中不同机箱的多种设备进行触发与同步。21第二十一页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用NICompactRIO结构健康监测平台NICompactRIO由一个实时控制器、内置可重配置FPGA芯片的坚固机箱和NIC系列I/O模块组合而成，最高可在-40℃到70℃的操作温度范围下工作，其高可靠性的设计、小巧的体积，更适合恶劣工况或或建筑结构的现场监测。22第二十二页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用NICompactRIO结构健康监测平台实时控制器：独立的实时分析、控制以及记录；以太网/串口，与外部设备/显示器的通信与连接；支持多种工业标准和嵌入式协议。可重配置机箱：经由LabVIEW编程的FPGA，可用于高速而精确的定时、控制以及触发；可重配置的FPGA用于快速原型发布和自定义开发。23第二十三页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用NICompactRIO结构健康监测平台C系列I/O模块：与模拟和数字传感器、执行机构直接连接；也可以自行设计模块；超过100种C系列模块电压应变运动驱动器电流数字（12、24、48VTTL）来自第三方开发者的50多种专用模块温度计数器/定时器加速度计CAN通信24第二十四页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用结构健康监测的C系列模块来自NI的C系列硬件包括了超过50种的可热插拔模块，可连接各类数字I/O、模拟I/O、传感器、执行机构，支持多种通信协议与总线，为工业以及嵌入式应用提供了多样化、模块化的I/O与通信接口。适用于NICompactRIO及NICompactDAQ平台。如欲获取C系列模块的完整列表，访问/crio/zhs。25第二十五页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用适用于结构健康监测的C系列模块主要模块参数26第二十六页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用虎门大桥多通道强震动监测报警系统利用NI公司的cRIO模块和LabVIEW8.6集成开发软件快速构建软硬件平台，进行多通道强震动监测与报警系统开发，实现地震动信号调理、数据采集、时钟同步、数据压缩传输、数据实时分析、数据离线分析、健康诊断、突发性震动破坏事件报警、网络通信和仪器控制等功能。27第二十七页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用“基于NIcRIO的多通道强震动监测与报警系统”是针对重大工程、生命线工程、超高层建筑和特殊结构远程实时长期地开展强震动监测和分析其健康状况而设计的，既能够以分布式布设，也可以作为单一监测系统独立工作。系统由地震观测站点、专线网络和数据中心三大部分构成。强震动监测与报警系统组成28第二十八页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用地震观测站点中的数据采集器采用NIcRIO数据采集模块、GPS模块和电源模块搭建而成。其中cRIO由嵌入式实时控制器cRIO9014、cRIO背板cRIO9104、模拟输入模块cRIO9205、模拟输出模块cRIO9263和高速数字IO模块cRIO9401构成。29第二十九页，共33页。动态测试技术：虚拟仪器6.8虚拟仪器的应用整个数据采集终端的软件由数据采集和通信两大部分组成。数据采集在FPGA和实时(RT)控制器上实现，集成了GPS同步、数字降采样、标定信号的多路转换控制和多种复杂的触发策略等极具挑战性的功能。通信部分的接口中，由数据采集器直接将实时数据流压缩打包成miniSEED格式，并按照NetSeisIP地震数据流的通信协议，发送到远程的地震流服务器或上位机监控分析软件强震动监测与报警系统的软件架构及其实现30第三十