电子测量技术 课件 ch14虚拟仪器

虚拟仪器第十四章电子测量技术（第四版）十二五普通高等教育本科国家级规划教材高等学校电于信息类精品教材01概述概述1.传统仪器传统仪器通常是一台独立的装置，从外观上看，它一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出等几部分组成。操作面板上有一些开关、按键、旋钮等;检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及打印输出等。从功能方面考虑，传统仪器划分为信号的釆集、控制、分析、处理、结果的表达与输出显示等电路。传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件来实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。传统仪器大都是一个封闭的系统，与其他设备的连接受到一定的限制。另外，传统仪器价格偏贵，技术更新慢和开发费用高，而且还没有摆脱独立使用的模式，在较为复杂的应用场合或测试参数较多的情况下，操作复杂。传统仪器与虚拟仪器简介1概述2.虚拟仪器虚拟仪器的独特优点是在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能。所谓虚拟仪器，就是用户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，使得操作人员在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。VI以透明的方式把计算机资源(如微处理器、内存、显示器等)和仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号处理等)的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对信号的分析处理、传输及图形化用户接口等。传统仪器与虚拟仪器简介1概述给定计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用VI的关键在于应用软件。这是因为应用软件为用户构造或使用VI提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口软件是虚拟仪器的核心，“软件即仪器”形象地概述了软件在VI中的重要作用。应用软件最流行的趋势之一是图形化编程环境。最早应用图形化编程技术开发VI始于NI公司1986年推出的LabVIEW软件包。目前市场上的图形化VI框架有NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE。应当指出，图形化开发环境与图形化VI框架是不同的，其主要区别在于使用VI组件进行开发时，可重复使用原码模块的能力，而后者的这些原码模块必须具有被其他原码模块继承性调用的能力。软件的功能2概述通过应用程序提供的仪器硬件接口，使用透明的方式操作仪器硬件。能方便、有效地使用这类硬件。控制诸如万用表、示波器、频率计等特定仪器的软件模块，即所谓的仪器驱动程序（InstrumentDrivers），它现在已经成为应用软件包的标准组成部分。这些驱动程序可以实现对特定仪器的控制与通信，成为用户建立VI系统的基础软件模块。而以往用户必须通过学习各种仪器的命令集、编程选项和数据格式等才能进行仪器编程。釆用标准化的仪器驱动程序从根本上消除了这种仪器编程的复杂过程，能够把精力集中于仪器的使用而不是仪器的编程上。软件的功能202虚拟仪器的组成与分类虚拟仪器的组成与分类虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本部分。虚拟仪器中硬件的主要功能是获取真实测试中的被测信号，而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。虚拟仪器有多种分类方法，既按应用领域划分，又按测量功能划分，但是最常用的还是按照构成虚拟仪器的接口总线不同，划分为数据采集插卡式（DAQ）虚拟仪器、RS-232/RS-422虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、USB虚拟仪器、GPIB虚拟仪器、VXI虚拟仪器、PXI虚拟仪器和最新的IEEE-1393接口虚拟仪器。 虚拟仪器的组成与分类DAQ虚拟仪器广泛应用于一般的测试系统与工业过程控制，并且正在从过去的16位标准ISA总线发展到32位的PCI总线插卡，为设计各种测试仪器提供了更好的数据采集和控制能力。当然，DAQ虚拟仪器需要打开主机机箱连接，使用比较麻烦，并且容易将干扰引入计算机，因此，通用计算机标准配置接口的各种外接式VI将成为发展方向。外接式方案避免了PC内部的噪声，特别适合于低电平信号应用，为仪器设计提供更广阔的空间、更好的隔离能力和更方便的连接方式。RS-232/RS-422串行接口在各种现场过程控制仪器仪表中应用较多，支持长线传输，抗干扰能力强，但数据传输率低，不适合动态测试应用。并行接口也是一种比较传统的高速接口，一般打印机都配置并行接口，目前已经有配置并行接口的数字存储示波器、逻辑分析仪等虚拟仪器。目前，最有发展前途的是USB通用串行总线技术和IEEE-1394高速串行总线技术。 虚拟仪器的组成与分类USB总线目前已成为PC的标准配置，并且支持热插拔功能，IEEE-1394总线在一些高档台式和笔记本微型计算机上也已经开始流行。USB和IEEE-1394总线最大的优点是数据传输率高，目前IEEE-1394总线的VI已经达到100Mb/s的数据传输率，完全满足高性能动态测试的要求。GPIB.VXI和PXI总线都是专门为程控仪器设计的计算机接口总线;其中GPIB仪器具有独立的仪器操作界面，既能脱离计算机独立使用，又能通过标准GPIB电缆连接计算机实施程序控制;而VXI和PXI仪器没有独立的仪器操作界面，必须依赖仪器驱动器提供的虚拟操作界面。 03虚拟仪器的系统构成虚拟仪器的系统构成虚拟仪器通常包括通用计算机和外围硬件设备。通用计算机可能是笔记本电脑、台式计算机或工作站等。外围硬件设备通常选择GPIB系统、VXI系统、PXI系统、数据釆集系统或其他系统，或者选择由两种或两种以上系统构成的混合系统。其中，最简单、最廉价的形式应采用ISA与PCI总线的数据采集卡，或是采用RS-232与USB总线的便携式数据釆集模块。虚拟仪器的软件包括操作系统、仪器驱动器软件和应用软件三个层次。操作系统可以选择Windows9x/NT/2000、SUNOS.Linux等。仪器驱动器软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，应用软件通过仪器驱动器实现与外围硬件模块的连接。应用软件包括实现仪器功能的软件程序和实现虚拟面板的软件程序。用户通过虚拟面板与虚拟仪器进行交互。04虚拟仪器的特点与应用虚拟仪器的特点与应用1.虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器的比较见表14.4.1，其最主要的区别是VI的功能由用户使用时自己定义，而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的。虚拟仪器的特点1虚拟仪器的特点与应用2.虚拟仪器的特点(1)突出“软件就是仪器”的新概念。传统仪器的某些硬件功能在虚拟仪器中被软件所代替。(2)丰富和增强了传统仪器的功能。(3)开放的工业标准。虚拟仪器的硬件、软件都制定了开放的工业标准，因此，用户将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器的标准上，极大地提高了资源的可重复利用率。(4)便于构成复杂的测试系统，经济性优良。虚拟仪器不仅作为测试仪器独立使用，而且能通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控与故障诊断。(5)仪器由用户定义。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重复用源代码库，根据设计要求很方便地修改仪器功能和面板设置，设计仪器的通信、定时和触发功能。虚拟仪器的特点1虚拟仪器的特点与应用虚拟仪器技术经过不断的发展，目前正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向发展。以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善，建立在虚拟仪器技术上的各种先进仪器将会层出不穷。例如在电子测量和过程控制领域，以及与人们的生活紧密相关的许多其他领域，如电信、医学等方面。用计算机控制一台GPIB或RS-232仪器，通过计算机屏幕上的图形化前置面板操作仪器，这与操作一台独立的仪器没有区别。虚拟仪器的应用2虚拟仪器的特点与应用下面举例说明虚拟仪器在以下几个方面的应用。(1)虚拟仪器在测量方面的应用(2)虚拟仪器在监控方面的应用(3)虚拟仪器在检测方面的应用(4)虚拟仪器在远程教育方面的应用虚拟仪器的应用205虚拟仪器总线虚拟仪器总线VXI(VMEExtensionsforInstrumentation)总线是“用于仪器的VME总线扩展”的简称，它是一种正在不断成长和壮大的仪器系统总线标准。自1987年VXIbus规范的第一个版本问世以来，目前已在全世界得到广泛认同。制定VXI标准的初衷是为了利用先进的计算机技术来降低测试系统成本，增加其数据吞吐率，减少系统开发时间。VXI具有互操作性好、数据传输速率高、可靠性强、体积小、重量轻、可移动性好等优点。目前，已有1000多家生产厂家生产各种VXI仪器，VXI的应用范围越来越广。VXI总线1虚拟仪器总线VXI总线规范的目标是定义一系列对所有厂商开放的、与现有工业标准兼容的和基于VME总线的模块化仪器标准，其特点为：①通过使用统一的公共接口，降低系统集成时间的软件开发成本；②使用专门的通信协议和更宽的数据通道，为测试系统提供更高的数据吞吐率；③使VXI标准比机架堆叠式系统具有更小的体积；④通过使用虚拟仪器原理能容易地扩展测试系统的功能；⑤提供用于军事模块化仪器的测试设备；⑥使设备之间以更明确的方式通信；⑦在该规范内定义实现多种模块仪器系统的方法。VXI总线1虚拟仪器总线从物理结构来看，一个VXI总线系统由一个能为嵌入式模块提供安装环境与背板连接的主机箱组成。VXI总线标准以IEEE1014VME标准为基础，采用32位VME体系结构，并在VME标准的基础上增加了两种模块尺寸与一个连接器。P1和P2连接器的中排插针严格按照VME规格的定义保留下来，VXI对VME用户可定义的P2连接器外面两排插针和VXI所增加的P3连接器作了定义。VXIbus的系统结构2虚拟仪器总线软件是成功开发虚拟仪器系统的关键，软件的选择不但影响整个系统性能和系统功能，而且影响用户开发应用的时间、效率、维护及将来工程的软件可重复利用性。应用开发环境应能与操作系统和程序设计语言兼容，软件应能容易地移植。当构建一个VXI系统时，有许多程序设计语言、操作系统、应用开发环境和应用软件包可供选择。在选择时，要考虑到现在建成系统及将来使用和维护系统的费用。应当指出，诸如C，C++，BASIC，ADA，ATLAS等标准语言并没有内置的VXI能力。VXI能力是通过VXI总线接口软件函数库实现的。该软件之所以很重要，是因为它直接影响VXI计算机硬件、操作系统、编程语言和ADE的选择。VXIbus接口软件3虚拟仪器总线对VXIbus总线有了一个比较清晰的了解以后，再按步骤讨论怎样运用VXI，因为所有的优越性都必须在具体应用中才能体现。(1)确定目标

(2)选择软件和VXI即插即用框架(3)选择控制器

(4)选择VXI主框架(5)选择VXI仪器

(6)堆叠组合VXI总线的运用4虚拟仪器总线在VI系统中，用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智力资源代替许多物质资源，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，使仪器中的一些硬件，甚至整个由电路组成的仪器从系统中“消失”，而由计算机的软/硬件资源来完成它们的功能已经是一种发展趋势。但是，在GPIB、PC-DAQ和VXI三种VI体系结构中，GPIB实质上是通过计算机来实现对传统仪器功能的扩展与延伸的；PC-DAQ直接利用标准的工业计算机总线，为设计各种测试仪器提供了更强的数据釆集和控制能力。PXI总线5虚拟仪器总线长期以来，互换性成为建造测试系统的发展目标，因为在很多情况下，仪器硬件不是过时就是需要更换，因此迫切需要一种无须改变测试程序代码，便能釆用新的仪器硬件改进系统的方法。为了解决这一技术上的不足和缺点，在1998年9月成立了IVI（InterchangeableVirtualInstrument）基金会。IVI基金会是最终用户、系统集成商和仪器制造商的一个开放的联盟。目前，该联盟已经制定了五类仪器的规范——示波器/数字化仪器（IVIScope）、数字万用表（IVIDmm）、任意波形发生器/函数信号发生器（IVIFGen）、开关/多路复用器/矩阵（IVISwitch）及电源（IVIPower）。美国国家仪器公司（简称NI）作为IVI的系统联盟之一，积极响应IVI的号召，开发了基于虚拟仪器软件平台的IVI驱动程序库。IVI技术606虚拟仪器编程环境虚拟仪器编程环境LabWindows/CVI——完整的交互式C语言开发环境，也就是虚拟仪器软件开发平台。它以标准C语言为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和显示的测控专业工具有机结合起来。它的交互式开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数增强了C语言的功能，为建立自动化检测系统、自动测量环境、数据釆集系统、过程控制系统等提供了一个理想的软件开发环境。作为交互式的集成开发环境，LabWindows/CVI是使用C语言进行编写检测、数据釆集、监控程序的理想工具。LabWindows/CVI1虚拟仪器编程环境LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineering)是一种图形化的编程语言，它应用广泛，被视为一个标准的数据釆集和仪器控制软件。LabVIEW集成与满足了GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据釆集卡通信的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP.ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件，利用它能方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面