《电子测量技术基础》课件-第9章 虚拟仪器

姓名

XXX学院第九章虚拟仪器——XXX学校9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1

虚拟仪器概述9.2

虚拟仪器平台架构9.3

虚拟仪器开发流程目录9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程

电子测量仪器按照功能模块通常可划分为三个部分：(1)信号采集(2)信号处理(3)结果显示

对于传统电子测量仪器而言，这三个功能模块都是由硬件功能模块和固化软件来实现的，具体见图9-1所示。

9.1概述9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程图9-1传统仪器到虚拟仪器的演化过程9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程

进入20世纪80年代以来，随着科技的迅速发展，对各类大规模、自动化、智能化电子测量系统的需求愈发迫切，从而导致了基于计算机、仪器和通讯等技术，出现了一类新型测试仪器开发技术——虚拟仪器技术。虚拟仪器是将信号采集部分由仪器模块完成，而信号处理和结果显示部分则由通用计算机系统来完成，开启了一种全新的电子测量仪器开发方式，见图9-1所示。9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程

虚拟仪器概念早在20世纪70年代就已提出，但真正得以实现则是在GP-IB、VXI、PXI等总线标准出现之后才变为可能，并随着GPIB总线仪器、VXI总线仪器、PXI总线仪器等的推广而得到迅速发展。虚拟仪器主要由仪器硬件模块、通用计算机和应用软件三部分够成。(1)仪器硬件模块：获取被测信号，产生激励信号等；(2)通用计算机：提供虚拟仪器通用平台，完成数据存储、显示等；(3)应用软件：控制被测信号的采集、处理和显示等，是虚拟仪器的核心。9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程表9-1虚拟仪器与传统仪器比较一览表项目传统仪器虚拟仪器仪器定义厂商定义仪器功能用户定义仪器功能开放性系统封闭、固定系统开放、灵活，与计算机的发展同步技术更新慢（5~10年）快（1~2年）性能/价格比价格高价格低，并且可重复性与可配置性强开发维护费开发维护费用高开发维护费用低中心环节硬件是关键软件是关键功能设定仪器的功能、规模均已固定系统功能和规模可通过软件修改和增减应用情况多为实验室拥有个人可以拥有一个实验室设备连接不易与其他设备连接容易与其他设备连接集成度集成度低集成度高，可形成仪器库分析处理数据分析处理能力弱具有强大的数据处理能力储存能力数据储存能力弱，大部分仪器完全没有所有仪器具有很强的数据储存能力9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程第一阶段：基于PC总线的虚拟仪器9.1.1发展历程随着计算机技术、总线技术、通信技术的不断发展，虚拟仪器技术的发展也经历了四代。9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程第二阶段：基于GPIB总线的虚拟仪器9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程第三阶段：基于VXI总线的虚拟仪器9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程第四阶段：基于PXI总线的虚拟仪器9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程

可以按应用领域分类，也可以按测量功能分类，最常用是按总线接口类型划分：(1)插卡式（DAQ）虚拟仪器(2)串行口（RS232/422）虚拟仪器(3)GPIB虚拟仪器(4)VXI虚拟仪器(5)PXI虚拟仪器(6)LXI虚拟仪器9.1.2产品分类9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程

在电子测量仪器领域，信号发生器、万用表、示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等是高等院校、科研机构、企业单位等的必备测量仪器。由于传统仪器设备缺乏相应的计算机通信接口，因而，配合数据采集及数据处理十分困难。在完成某项测试任务时，可能需要多台仪器，如电压表、示波器、频率计等，对复杂的数字电路系统还需要逻辑分析仪、IC测试仪等，难以满足科技发展的需要。随着计算机技术在测试领域的广泛应用，出现了虚拟仪器这一新型仪器设备，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从科研到生产，从应用到探索，虚拟仪器技术都能派上用场。9.1.3主要用途9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程虚拟仪器技术广泛应用于军工、科研、工业生产等各个领域，尤其在测试与测量和工业自动化这两大领域，虚拟仪器技术的优势显得尤为突出：(1)测试与测量：计算机、通讯、半导体、汽车等产业。(2)工业自动化：石油化工、加工制造、医药生产等产业。9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程9.1.4典型产品1、VXI总线虚拟仪器(1)概述

VXIbus(VMEbusExtensionforInstrumentation)，VME总线在仪器领域的扩展。(2)

发展历史1979年，诞生了一种被称为“Eurocard”（IEC297-3）的印刷电路板标准。1981年10月，Motorola、Mostek和Signetics宣布他们共同支持基于VERSAbus和Eurocard模块尺寸的系列板卡，这就是著名的VMEbus。1987年，VMEbus被IEEE正式接受为万用背板总线（VersatileBackplaneBus）标准——VMEbus（ANSI/IEEE1014-1987）。9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程1987年7月，ColoradoDataSystem、HewlettPackard、RacalDana、Tektronix和Wavetek五家著名仪器公司共同制定了VXI规。1993年9月

，VXIplug&play

联盟的成立，是VXI发展道路上的一个里程碑，该联盟对VXI模块的软件作了进一步的标准化，从而可以保证不同厂家生产的模块可以很容易地应用于同一个测试系统。版本0.01.01.11.21.31.4IEEE-1155日期1987.7.91987.8.241987.10.71988.6.211989.7.141992.4.211993.9.20表9-2VXI规范版本一览表9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程

国际上现有两个VXIbus组织——VXIbus联合体和VPP系统联盟。VXIbus联合体主要负责VXIbus硬件（即仪器级）标准规范的制订；

VPP系统联盟的宗旨是通过制订一系列的VXIbus软件（即系统级）标准来提供一个开放的系统结构，使其更容易集成和使用。

所谓VXIbus标准体系就由这两套标准构成。(3)系统结构VXI总线虚拟仪器的硬件基本结构如下图9-7所示。

其中，VXI主机箱是为保证各模块恰当地连接到底板而设的；底板(Backplane)是一块印刷电路板(PCB)，其中有96脚J型连接器和信号通路，主机箱有13个插槽，面插入方向从左到右其编号从0到12。9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程图9-7VXI总线虚拟仪器的硬件基本结构9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程Motorola：美国摩托罗拉公司，由JosephGalvin和PaulGalvin创办，1928年创立。

1969年，阿波罗11号使用摩托罗拉无线电从月球传来第一句话。Mostek：美国莫斯特克公司，由来自德州仪器的创办人创办，1969年创立、1983年底破产。Signetics：美国西格尼蒂克公司，由来自仙童半导体的工程师创立（DavidAllison、DavidJames、LionelKattner、MarkWeissenstern），1960年创立，1975年被收购。

最著名产品：NE555计时器器（1971年推出）9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程ColoradoDataSystem：美国科罗拉多数据系统公司HewlettPackard：美国惠普公司RacalDana：美国雷卡达那公司Tektronix：美国泰克公司Wavetek：美国威尔泰克公司9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程2、PXI总线虚拟仪器(1)概述PXI(PCIextensionsforInstrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)是一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。(2)

发展历史

是由NationalInstruments（NI）公司在1997年发起，先已超过60个厂家加入PXI系统联盟，超过100个产品供应商，全球大约有1000种产品(包括300多种cPCI)。(3)系统结构PXI总线虚拟仪器的硬件基本结构与VXI总线虚拟仪器的基本相同，可参考图9-7。它也由主机箱、控制器模块、通用仪器模块等构成。9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程9.2虚拟仪器平台架构

虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分组成。虚拟仪器是利用计算机和一组专用软件，加上硬件设备，以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，建立中英文界面的虚拟仪器面板。提供对测量数据的分析和显示，形成既有普通仪器的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。

9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件两部分。1、计算机硬件平台

可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。2、测控功能硬件按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换等。9.2.1硬件平台基本构成9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程图9-8虚拟仪器硬件平台框图9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程虚拟仪器软件由两大部分构成：1、应用程序：应用程序含两个方面：实现虚拟面板功能的前面板软件程序；定义测试功能的流程图软件程序。2、I/O接口仪器驱动程序：I/O接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两类：文本式编程语言如VisualC++、VisualBASIC、LabWindows/CVI等；图形化编程语言如LabVIEW、HP-VEE等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。9.2.2软件开发环境架构9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程

虚拟仪器的软件包括操作系统、仪器驱动软件和应用软件三个层次。

操作系统：是虚拟仪器软件系统的基础平台，它可以选择Windows98、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，他建立在I/O接口操作软件的基础上，是连接应用软件与外围硬件模块的桥梁。

应用软件：包括实现仪器功能的测试程序和实现虚拟面板的界面程序。用户通过虚拟面板与虚拟仪器进行对话。以VXI总线虚拟仪器为例，其软件结构示意图如图9-9所示，包括应用软件开发环境、仪器驱动器、VISAAPI三部分。9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程

图9-9

VXI总线虚拟仪器软件结构示意图9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程9.3虚拟仪器平台架构9.3.1测试需求分析明确用户想解决什么问题，即仪器要完成哪些测试项目，以及用户对面板操作上的要求，从而确定面板需要什么控制部件和指示部件，并进行面板布局设计。9.3.2硬件平台构建虚拟仪器的硬件一般分为基础硬件平台和仪器硬件设备。采用不同硬件体系结构的虚拟仪器系统性能比较如下表9-3所示，用户须根据测试功能与性能需求、预算情况等进行合理选择。9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程平台特性GPIBPC-DAQVXI传输宽度88，16，32(可拓展至64)8，16，32(可拓展至64)吞吐率1MB/s(3线)8MB/s(HS488)1-2MB/s(ISA)132MB/s(PCI)40MB/s80MB/s(VME64)定时与控制能力无无8根TTL触发线2根ECL触发线面市产品种类>10000>1000>1000扩展能力众多接口卡众多第三方产品标准MXI接口结构大小大小中表9-3不同体系结构虚拟仪器系统性能比较9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程9.3.3驱动程序开发通常，仪器驱动程序的开发包括以下几个部分：(1)函数库；(2)交互式操作接口；(3)编程接口；(4)I/O接口；(5)功能库；(6)子程序接口；

9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程9.3.4应用程序开发

通常，虚拟仪器应用程序的开发需要注意以下几点：(1)

软面板应设计成能在不同平台和计算机显示器上完成各种操作，所以必须保证每个软面板在不同平台和不同分辨率的显示器之间是可移植的。(2)

字体选择应基于可移植性和易读性。

(3)

根据外观、效果、可移植性及打印的要求来选择颜色。(4)仪器或公司的图标显示在主面板上。

(5)不同面板上的控制器和指示器应该是一致的、易读的，应能足够容纳所表示的最大数字或选项。(6)软面板应支持鼠标和键盘操作，应提供在线帮助功能。9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程9.4PXI总线虚拟仪器开发基础9.4.1PXI总线虚拟仪器硬件平台PXIe总线虚拟仪器硬件平台主要由机箱、控制器、仪器模块等部分组成。1、机箱

2、控制器3、仪器模块9.4

PXI总线虚拟仪器开发基础9.1概述9.2虚拟仪器平台架构9.3虚拟仪器开发流程9.4.2PXI总线虚拟仪器软件环境目前，市场上可供选择的面向工程的虚拟仪器软件开发平台较多，其大致可分为两类：第一类是图形化编程环境，如原HP公司的HP-VEE和NI公司的LabVIEW；第二类是程序语言编程环境，如NI公司的LabWindows