虛擬儀器概述60465

1、虛擬儀器技術(shù)第1章 虛擬儀器概述本章概述1.1 虛擬儀器的基本概念1.2 虛擬儀器的形成和發(fā)展 1.3 虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.4 虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 1.5 虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)集成 1.6 虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用 1.1 虛擬儀器的基本概念1. 虛擬儀器的定義傳統(tǒng)儀器：特定功能和儀器外觀。虛擬儀器（VI，Virtual Instrumentation）：是一種以計算機和測試模塊的硬件為基礎(chǔ)、以計算機軟件為核心所構(gòu)成的，并且在計算機顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計算機所完成的儀器功能，這些功能都可由用戶軟件來定義的計算機儀器。 如：虛擬示波器虛擬數(shù)字電壓表基于虛擬儀器的 溫度檢測與控制簡單虛擬

2、信號發(fā)生器制作2. 虛擬儀器的特點從虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)上來看：（1）虛擬儀器的硬件是通用的（包括通用計算機硬件平臺和通用的測量功能硬件）；（2）良好的人機界面。虛擬儀器的面板（或稱軟面板）是虛擬的（通過“控件”虛擬出面板）；（3）功能強。虛擬儀器的功能是由用戶軟件定義的。（4）虛擬儀器之“虛擬”含義：虛擬儀器面板；軟件實現(xiàn)儀器功能。如：基于高速數(shù)據(jù)采集硬件，通過計算機軟件編程可實現(xiàn)“虛擬示波器”、“虛擬頻譜儀”、“虛擬交流數(shù)字電壓表”、“虛擬頻率計”、“虛擬相位計”等不同儀器。（5）因此，軟件是虛擬儀器的核心，美國國家儀器（NI）有限公司 提出“軟件即儀器”（The software is t

3、he instrument）。與傳統(tǒng)儀器相比:傳統(tǒng)儀器虛擬儀器關(guān)鍵是硬件關(guān)鍵是軟件開發(fā)與維護費用高開發(fā)與維護費用低技術(shù)更新周期長技術(shù)更新周期短價格高價格低，并且可重用性與可配置性強廠商定義儀器功能用戶定義儀器功能系統(tǒng)封閉、固定系統(tǒng)開放、靈活，與計算機的發(fā)展同步不易與其他設(shè)備連接容易與其他設(shè)備連接儀器 = A/D + CPU+ 軟件1.2 虛擬儀器的形成和發(fā)展（1）電子測量儀器(Electronic Instruments)及自動測試系統(tǒng)(Automatic Test System, ATS)的發(fā)展（2）虛擬儀器是技術(shù)發(fā)展的結(jié)果計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，及其在電

4、子測量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，使新測試理論、測試方法、測試技術(shù)不斷出現(xiàn)，儀器與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不斷推陳出新，電子測量儀器及自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了質(zhì)的變化，功能與性能得到不斷提高。計算機（PC機）處于核心地位，計算機軟件技術(shù)和儀器與測試系統(tǒng)更緊密結(jié)合成了一個有機整體。在上述的背景下，提出了全新概念的儀器虛擬儀器。1986年，美國國家儀器公司（NI, National Instrument）提出了虛擬儀器（Virtual Instrumentation）的概念。虛擬儀器軟件采用面向?qū)ο蠛涂梢暬幊碳夹g(shù)。（3）虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與展望 虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)與測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。多門學(xué)科多種技術(shù)的

5、融合，如測試技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)字信號處理、總線與接口、網(wǎng)絡(luò)與通信、傳感技術(shù)、光電技術(shù)、微機械技術(shù)等。（1）新的總線技術(shù)的應(yīng)用（如HS488，1394b等）。（2）速度不斷提高。（3）智能化、模塊化、集成化是硬件發(fā)展的主流。（4）軟件技術(shù)。第一是軟件標準化問題；第二是如何利用各種軟件開發(fā)環(huán)境及工具，編制出符合標準的應(yīng)用軟件。（5）網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng)。（6）應(yīng)用范圍更加廣泛。1.3 虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1. 虛擬儀器系統(tǒng)組成及各部分基本功能（1）虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。說明：虛擬儀器的硬件PCI總線數(shù)據(jù)采集卡USB總線的數(shù)據(jù)采集卡NI的PCI-GPI

6、B卡操作系統(tǒng)：DOS, Windows2000/9x/NT最大I/0速度：1.5 Mbytes/s （IEEE488.1)7.7 Mbytes/s (HS488)尺寸：133x107 mmNI的DAQ及VXI產(chǎn)品示例PXI產(chǎn)品（2）各部分基本功能虛擬儀器的內(nèi)部功能，可劃分為信號采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表示與輸出三大功能模塊。信號采集與控制主要由虛擬儀器的通用硬件平臺，并配合儀器驅(qū)動程序共同完成，而數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達與輸出則主要由用戶應(yīng)用軟件完成。2. 虛擬儀器的通用硬件平臺（1）通用硬件平臺的基本功能信號采集（模擬、數(shù)字輸入）；信號產(chǎn)生（模擬、數(shù)字輸出）；信號調(diào)理（信號幅度、頻率

7、、驅(qū)動、隔離等）；定時與計數(shù)；大容量數(shù)據(jù)存儲。實時信號處理?？偩€與通信。（2）通用硬件平臺的組成3. 虛擬儀器通用硬件平臺的構(gòu)成形式通常為帶有某種標準總線接口的各種測試設(shè)備（分立式或模塊式儀器），主要有PC總線的數(shù)據(jù)采集模塊（PC-DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線儀器模塊、RS-232串口、USB接口儀器等類型，或多種類型的組合。1.4 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1. 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括I/O接口軟件、儀器驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件三部分。2. 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺（1）虛擬儀器軟件框架結(jié)構(gòu)（2）通用的可視化軟件編程環(huán)境Microsoft公司的Visual

8、C+和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C+ Builder等。（3）專用于虛擬儀器開發(fā)的軟件編程環(huán)境圖形化編程（G語言）環(huán)境：Agilent VEE、NI LabVIEW；文本編程環(huán)境：NI LabWindows/CVI。其中，LabVIEW是目前最流行、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件。非常適于儀器、測量與控制領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)。1.5 虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)集成1. 虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計過程主要包括測試需求分析、系統(tǒng)總體方案設(shè)計、系統(tǒng)硬件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)集成及系統(tǒng)調(diào)試等。（1）測試需求分析分析被測參數(shù)的形式（電量還是非電量、數(shù)字量還是模擬量）、

9、范圍（幅度、頻率）和數(shù)量（通道數(shù)），激勵信號的形式和范圍要求；性能指標（測量精度、速度）要求；功能（用戶接口界面、數(shù)據(jù)分析與處理、存儲與顯示、外部通信接口等）要求。（2）系統(tǒng)總體方案設(shè)計根據(jù)測試任務(wù)要求，確定測試方法；系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)設(shè)計。（3）系統(tǒng)硬件設(shè)計自制或購買；硬件系統(tǒng)集成。（4）系統(tǒng)軟件設(shè)計選擇軟件開發(fā)環(huán)境；底層驅(qū)動設(shè)計；上層應(yīng)用軟件設(shè)計（用戶界面設(shè)計、測量數(shù)據(jù)分析與處理、算法設(shè)計、測量結(jié)果表達）。（5）軟硬件集成與調(diào)試功能測試；指標測試；系統(tǒng)優(yōu)化。1.6 虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用1. 應(yīng)用廣泛從軍事到民用；特別是儀器、測量與控制、自動化等領(lǐng)域。測試測量工業(yè)自動化聲學(xué)測試設(shè)備測試工業(yè)自動化食品加

10、工汽車測試生物醫(yī)學(xué)研究控制工程機器視覺 計量校準電子與非電子測試石油和天然氣工程制藥生產(chǎn)光纖校準光學(xué)度量和測定工業(yè)機器人過程自動化研發(fā)調(diào)試半導(dǎo)體測試SCADA統(tǒng)計流程控制通信測試振動測試晶片傳送手臂機械制造教學(xué)實驗（LabVIEW）虛擬調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境監(jiān)測研究（多點地溫監(jiān)測）遠程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測研究基于LabVIEW的風(fēng)機性能遠程測試系統(tǒng)的研究基于LabVIEW的測控技術(shù)虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的研究與構(gòu)建基于LabVIEW的電力變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究基于LabVIEW的擠塑機溫度測控系統(tǒng)的應(yīng)用研究本章參考文獻: NI公司網(wǎng)站：1、劉君華，基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計，電子工業(yè)出版社，2003。2、鄧焱、王磊，LabVIEW7.1測試技術(shù)與儀器應(yīng)用，機械工業(yè)出版社，2004。3、楊樂平、李海濤、楊磊，LabVIEW程序設(shè)