虛擬儀器設(shè)計(jì)

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(jì)及系統(tǒng)集成1.6虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用本章總結(jié)1.1虛虛擬擬儀器的的基本概概念1.虛虛擬儀器器的定義義傳統(tǒng)儀器器：特定定功能和和儀器外外觀。虛擬儀器器（VI，VirtualInstrumentation）：是是一種以以計(jì)算機(jī)機(jī)和測試試模塊的的硬件為基基礎(chǔ)、以計(jì)算算機(jī)軟件為核核心所構(gòu)成的的，并且且在計(jì)算算機(jī)顯示示屏幕上上虛擬的的儀器面面板，以以及由計(jì)計(jì)算機(jī)所所完成的的儀器功功能，都都可由用用戶軟件件來定義義的計(jì)算算機(jī)儀器器。如：虛擬擬示波器器虛擬數(shù)字字電壓表表基于虛擬擬儀器的的溫度檢測測與控制制2.虛虛擬儀器器的特點(diǎn)點(diǎn)從虛擬儀儀器的組組成結(jié)構(gòu)構(gòu)上來看看：（1）虛虛擬儀器器的硬件件是通用用的（包括通用用計(jì)算機(jī)機(jī)硬件平平臺和通通用的測測量功能能硬件）；（2）良良好的人人機(jī)界面面。虛擬擬儀器的的面板（（或稱軟軟面板））是虛擬擬的（通過““控件””虛擬出出面板））；（3）功功能強(qiáng)。。虛擬儀儀器的功功能是由由用戶軟軟件定義義的。（4）虛虛擬儀器器之“虛虛擬”含含義：虛擬儀器器面板；；軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)儀器功功能。如如：基于于高速數(shù)數(shù)據(jù)采集集硬件，，通過計(jì)計(jì)算機(jī)軟軟件編程程可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)“虛擬擬示波器器”、““虛擬頻頻譜儀””、“虛虛擬交流流數(shù)字電電壓表””、“虛虛擬頻率率計(jì)”、、“虛擬擬相位計(jì)計(jì)”等不不同儀器器。（5）因因此，軟軟件是虛虛擬儀器器的核心心，NI提出出“軟件件即儀器器”（Thesoftwareistheinstrument））。與傳統(tǒng)儀儀器相比比，虛擬擬儀器技技術(shù)特點(diǎn)點(diǎn)：（1）功功能強(qiáng)、、性價(jià)比比高、開開放性（（可擴(kuò)充充性）好好；充分利用用計(jì)算機(jī)機(jī)豐富的的軟硬資資源。儀器功能能可通過過軟件靈靈活設(shè)計(jì)計(jì)（基于于相同的的硬件，，通過軟軟件設(shè)計(jì)計(jì)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)不同的的虛擬儀儀器）。。儀器升級級方便，，性價(jià)比比高（一一機(jī)多用用）?；谟?jì)算算機(jī)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù)，，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化虛虛擬儀器器”。（2）操操作方便便；通過圖形形用戶界界面（GUI））操作虛虛擬儀器器面板。。（3）硬硬件模塊塊化、系系列化；；基于儀器器總線技技術(shù)，設(shè)設(shè)計(jì)出模模塊化、、系列化化硬件。。比較內(nèi)容虛擬儀器傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構(gòu)成軟件和通用硬件。軟件是關(guān)鍵專用硬件系統(tǒng)開發(fā)周期開發(fā)時間短、技術(shù)要求低、系統(tǒng)通用性強(qiáng)開發(fā)時間長、技術(shù)要求高、系統(tǒng)功能較專一開發(fā)費(fèi)用軟件使得開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低開發(fā)與維修開銷高技術(shù)更新周期短（1~2年）長（5~10年）價(jià)格價(jià)格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng)價(jià)格昂貴功能可塑性用戶定義儀器功能，柔性廠商定義儀器功能，剛性系統(tǒng)開放性開放、靈活，與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展封閉、固定構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)能力易與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互連功能單一的獨(dú)立設(shè)備人機(jī)交互無限的顯示選項(xiàng)、界面友好有限的顯示選項(xiàng)虛擬儀器器與傳統(tǒng)統(tǒng)儀器的的比較：：1.2虛虛擬儀儀器的形形成和發(fā)發(fā)展1.虛虛擬儀儀器形成成的背景景（1）電電子測量量儀器(ElectronicInstruments)及及自動測試試系統(tǒng)(AutomaticTestSystem,ATS))的發(fā)展（2）儀儀器與自自動測試試系統(tǒng)總總線技術(shù)術(shù)總線（bus））：信號號或信息息傳輸?shù)牡墓猜仿窂?。片?nèi)總線線：微處處理器芯芯片內(nèi)連連接內(nèi)部部各邏輯輯單元；；片間總線線：元件件級總線線（如典典型的微微機(jī)“三三總線結(jié)結(jié)構(gòu)”））。還有有串行總總線，如如：Motorola的SPI（SerialPeripheralInterface，，串行外外圍接口口）、Philips的I2C（InterICbus，片片間總線線）、NS的MicroWire（（串行同同步雙工工通信接接口）等等。內(nèi)總線：：板級總總線。如如個人計(jì)計(jì)算機(jī)的的PC//XT、、PC//AT、、ISA、EISA、、MCA、PCI，及及工業(yè)控控制的STD、、VME、CompatPCI，儀儀器與測測量系統(tǒng)統(tǒng)的CAMAC、VXI、PXI等等。外總線：：外部通通信總線線。如RS-232//485、USB、IEEE1394、EPP、、SCSI；現(xiàn)現(xiàn)場總線線CAN、LONworks、FF；儀器器與測量量系統(tǒng)的的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等等。通過總線線技術(shù)，，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)：模塊化硬硬件設(shè)計(jì)計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)化；；便于生產(chǎn)產(chǎn)、維護(hù)護(hù)（維修修）、升升級；較好的經(jīng)經(jīng)濟(jì)性。。儀器與自自動測試試系統(tǒng)幾幾種常用用總線的的比較摘自：EvaluatingPXIandVXIPlatformsforyourMeasurementandAutomationNeeds，NI（2）虛虛擬儀器器是技術(shù)術(shù)發(fā)展的的結(jié)果計(jì)算機(jī)技技術(shù)、軟軟件技術(shù)術(shù)、總線線技術(shù)、、網(wǎng)絡(luò)技技術(shù)、微微電子技技術(shù)的發(fā)發(fā)展，及及其在電電子測量量技術(shù)與與儀器領(lǐng)領(lǐng)域中的的應(yīng)用，，使新測測試?yán)碚撜?、測試試方法、、測試技技術(shù)不斷斷出現(xiàn)，，儀器與與系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)不不斷推陳陳出新，，電子測測量儀器器及自動動測試系系統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)也發(fā)發(fā)生了質(zhì)質(zhì)的變化化，功能能與性能能得到不不斷提高高。計(jì)算機(jī)（（PC機(jī)機(jī)）處于于核心地地位，計(jì)算機(jī)軟軟件技術(shù)術(shù)和儀器器與測試試系統(tǒng)更更緊密結(jié)結(jié)合成了一個個有機(jī)整整體。在上述的的背景下下，提出出了全新新概念的的儀器———虛擬擬儀器。。1986年，美美國國家家儀器公公司（NI,NationalInstrument）提提出了虛虛擬儀器器（VirtualInstrumentation）的概概念。1990年代，，虛擬儀儀器得到到業(yè)界廣廣泛認(rèn)可可和應(yīng)用用，相繼繼推出了了基于GPIB總線（（GeneralPurposeInterfaceBus））、PC-DAQ（DataAcquisition）和VXI總總線（VMEbuseXtensionforInstrumentation，，1987年））、PXI總線線（PCIeXtensionforInstrumentation，1997年）等等多種虛虛擬儀器器系統(tǒng)。。虛擬儀器器軟件采采用面向向?qū)ο蠛秃涂梢暬幊碳技夹g(shù)。底層驅(qū)動動和上層層應(yīng)用軟軟件融為為一體。。虛擬儀器器軟件的的標(biāo)準(zhǔn)化化：VPP（（VXI即插即即用，VXIplug&play，，1993年））和VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture,虛虛擬儀儀器軟件件體系結(jié)結(jié)構(gòu)）。。IVI（InterchangeableVirtualInstruments，可可互換式式虛擬儀儀器，1997年）。。（3）虛虛擬儀器器技術(shù)的的發(fā)展與與展望虛擬儀器器技術(shù)是是計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)與與測試技技術(shù)相結(jié)結(jié)合的產(chǎn)產(chǎn)物。多多門學(xué)科科多種技技術(shù)的融融合，如如測試技技術(shù)、計(jì)計(jì)算機(jī)技技術(shù)、軟軟件技術(shù)術(shù)、數(shù)字字信號處處理、總總線與接接口、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與通通信、傳傳感技術(shù)術(shù)、光電電技術(shù)、、微機(jī)械械技術(shù)等等。（1）新新的總線線技術(shù)的的應(yīng)用（（如HS488，1394b等）。。（2）速速度不斷斷提高。。（3）智智能化、、模塊化化、集成成化是硬硬件發(fā)展展的主流流。（4）軟軟件技術(shù)術(shù)。第一一是軟件件標(biāo)準(zhǔn)化化問題；；第二是是如何利利用各種種軟件開開發(fā)環(huán)境境及工具具，編制制出符合合標(biāo)準(zhǔn)的的應(yīng)用軟軟件。（5）網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化儀儀器系統(tǒng)統(tǒng)。（6）應(yīng)應(yīng)用范圍圍更加廣廣泛。1.3虛虛擬儀儀器的系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)1.虛虛擬儀器器系統(tǒng)組組成及各各部分基基本功能能（1）虛虛擬儀器器的系統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)成硬件和軟軟件兩大大部分構(gòu)構(gòu)成。硬件是基基礎(chǔ)，軟軟件是核核心。（2）各各部分基基本功能能虛擬儀器器的內(nèi)部部功能，，可劃分分為信號號采集與與控制、、數(shù)據(jù)分分析與處處理、結(jié)結(jié)果表示示與輸出出三大功功能模塊塊。信號采集集與控制制主要由由虛擬儀儀器的通通用硬件件平臺，，并配合合儀器驅(qū)驅(qū)動程序序共同完完成，而而數(shù)據(jù)分分析與處處理、結(jié)結(jié)果表達(dá)達(dá)與輸出出則主要要由用戶戶應(yīng)用軟軟件完成成。2.虛虛擬儀器器的通用用硬件平平臺（1）通通用硬件件平臺的的基本功功能信號采集集（模擬擬、數(shù)字字輸入））；信號產(chǎn)生生（模擬擬、數(shù)字字輸出））；信號調(diào)理理（信號號幅度、、頻率、、驅(qū)動、、隔離等等）；定時與計(jì)計(jì)數(shù)；大容量數(shù)數(shù)據(jù)存儲儲。實(shí)時信號號處理。。總線與通通信。（2）通通用硬件件平臺的的組成3.虛虛擬儀器器通用硬硬件平臺臺的構(gòu)成成形式通常為帶帶有某種種標(biāo)準(zhǔn)總總線接口口的各種種測試設(shè)設(shè)備（分分立式或或模塊式式儀器）），主要要有PC總線的的數(shù)據(jù)采采集模塊塊（PC-DAQ）、、GPIB總線線儀器、、VXI總線儀儀器模塊塊、PXI總線線儀器模模塊、RS-232串串口、USB接接口儀器器等類型型，或多多種類型型的組合合。（1）基基于PC總線的的虛擬儀儀器內(nèi)置PC總線（（如ISA、PCI、、PC//104）的通通用數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡（DAQ，，DataAcQuisition）。。（2）基基于GPIB通通用接口口總線的的虛擬儀儀器國際標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)（IEEE488..1和IEEE488.2）），技術(shù)術(shù)成熟；；但其數(shù)據(jù)據(jù)傳輸速速度一般般低于500Kb/s，對測測試速度度要求很很高的場場合不太太適用。。（3）基基于VXl總線線的虛擬擬儀器具有模塊塊化、系系列化、、通用化化、“即即插即用用”及VXI儀儀器的互互換性和和互操作作性。但價(jià)格相相對較高高，適合合于高端端的測試試領(lǐng)域。。（4）基基于PXI總線線的虛擬擬儀器兼容PCI總線線產(chǎn)品。。集CompactPCI的高高性能和和VXI可靠性性，性價(jià)價(jià)比最好好。1.4虛虛擬儀儀器的軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)1.虛虛擬儀器器的軟件件結(jié)構(gòu)虛擬儀器器系統(tǒng)的的軟件結(jié)結(jié)構(gòu)包括括I/O接口軟軟件、儀儀器驅(qū)動動程序和和應(yīng)用軟軟件三部部分。（1）I/O接接口軟件件（VISA庫庫）I/O接接口軟件件存在于于儀器設(shè)設(shè)備（即即I/O接口設(shè)設(shè)備）與與儀器驅(qū)驅(qū)動程序序之間，，是一個個完成對對儀器寄寄存器進(jìn)進(jìn)行直接接存取數(shù)數(shù)據(jù)操作作，并為為儀器設(shè)設(shè)備與儀儀器驅(qū)動動程序提提供信息息傳遞的的底層軟軟件。VPP規(guī)規(guī)范了虛虛擬儀器器的I//O接口口軟件的的特點(diǎn)、、組成、、內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)與實(shí)實(shí)現(xiàn)規(guī)范范，并將將符合VPP規(guī)規(guī)范的虛虛擬儀器器I/O接口軟軟件定義義為VISA（（虛擬儀儀器軟件件結(jié)構(gòu)））軟件。。VISA庫，實(shí)實(shí)質(zhì)就是是標(biāo)準(zhǔn)的的I/O函數(shù)庫庫及其相相關(guān)規(guī)范范的總稱稱。VISA函數(shù)庫庫駐留于于計(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)中中，是計(jì)計(jì)算機(jī)與與儀器之之間的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)軟件件通信接接口，用用以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對儀器器的控制制。（2）儀儀器驅(qū)動動程序連接上層層應(yīng)用程程序與底底層I//O接口口儀器的的紐帶和和橋梁。。是完成成對某一一特定儀儀器的控控制與通通信的軟軟件程序序集合。。儀器廠商商提供有有相應(yīng)儀儀器的驅(qū)驅(qū)動程序序（原代代碼），，為用戶戶提供對對儀器操操作的較較抽象的的操作函函數(shù)集。。（3）程程控儀器器標(biāo)準(zhǔn)命命令SCPISCPI（StandardCommandsforProgrammableInstruments，，可程控控儀器標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)命令令）。面向測試試功能而而非儀器器。（4）應(yīng)應(yīng)用軟件件建立在儀儀器驅(qū)動動程序之之上，直直接面對對用戶操操作。提供直觀觀、友好好的操作作界面、、豐富的的數(shù)據(jù)分分析與處處理（時時域、頻頻域、數(shù)數(shù)字濾波波等）功功能，完完成自動動測試任任務(wù)。通常，包包括測試試管理軟軟件和測測試功能能軟件兩兩部分。。2.虛虛擬儀器器軟件開開發(fā)平臺臺（1）虛虛擬儀器器軟件框框架結(jié)構(gòu)構(gòu)（2）通通用的可可視化軟軟件編程程環(huán)境Microsoft公公司的VisualC+++和VisualBasic、Inprise公司的的Delphi和C+++Builder等。（3）專專用于虛虛擬儀器器開發(fā)的的軟件編編程環(huán)境境圖形化編編程（G語言））環(huán)境：：AgilentVEE、、NILabVIEW；文本編程程環(huán)境：：NILabWindows/CVI。。其中，LabVIEW是目前前最流行行、應(yīng)用用最廣、、發(fā)展最最快、功功能最強(qiáng)強(qiáng)的圖形形化軟件件。非常適于于儀器、、測量與與控制領(lǐng)領(lǐng)域的虛虛擬儀器器軟件開開發(fā)。NI公司司還推出出了用于于數(shù)據(jù)采采集、自自動測試試、工業(yè)業(yè)控制與與自動化化等領(lǐng)域域的多種種設(shè)備驅(qū)驅(qū)動軟件件和應(yīng)用用軟件，，如：LabVIEW的實(shí)時時應(yīng)用版版本LabVIEWRT；；工業(yè)自動動化軟件件BridgeVIEW；工業(yè)組態(tài)態(tài)軟件Lookout；基于Excel的測量量與自動動化軟件件Measure；即時可用用的虛擬擬儀器平平臺VirtualBench；生理數(shù)據(jù)據(jù)采集與與分析軟軟件Biobench；測試執(zhí)行行與管理理軟件TestStand；；還包括NI-488..2、NI-VISA、NI-VXI、NI-DAQ、、NI--IMAQ、NI-CAN、、NI--FBUS等設(shè)設(shè)備驅(qū)動動軟件；；以及各種種LabVIEW和LabWindows/CVI的增增值軟件件工具包包。1.5虛虛擬儀儀器系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)及及系統(tǒng)集集成1.虛虛擬儀器器系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)過過程主要包括括測試需需求分析析、系統(tǒng)