《測試技術(shù)》8.虛擬儀器技術(shù)

測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)科周正干12/13/20231第八章虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù)完成本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：

1.了解虛擬儀器的構(gòu)成和工作原理

2.了解常用的虛擬儀器開發(fā)平臺

12/13/202328.1

概述虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器（VirtualIntrument，簡稱VI）是20世紀(jì)90年代初期出現(xiàn)的一種新型儀器，它在計(jì)算機(jī)的顯示屏上虛擬傳統(tǒng)儀器面板，并盡可能多地將原來由硬件電路完成的信號調(diào)理和信號處理功能，用計(jì)算機(jī)程序來完成。這種硬件功能的軟件化，是虛擬儀器的一大特征。操作人員在計(jì)算機(jī)顯示屏上用鼠標(biāo)和鍵盤控制虛擬儀器程序的運(yùn)行，就像操作真實(shí)的儀器一樣，從而完成測量和分析任務(wù)。

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虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的產(chǎn)物，是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是儀器領(lǐng)域內(nèi)的一次革命。虛擬儀器是繼第一代儀器——模擬式儀表、第二代儀器——分立元件式儀表、第三代儀器——數(shù)字式儀器、第四代儀器——智能化儀器之后的新一代儀器，代表了當(dāng)前測試儀器發(fā)展的方向之一。

NationalInstrument公司提出的計(jì)算機(jī)虛擬儀器虛擬儀器技術(shù)12/13/20234虛擬儀器是計(jì)算機(jī)化儀器，由計(jì)算機(jī)、信號測量硬件模塊和應(yīng)用軟件三大部分組成。根據(jù)虛擬儀器所采用的信號測量硬件模塊的不同，虛擬儀器可以分為下面幾種形式：PC-DAQ測試系統(tǒng)：以數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。GPIB系統(tǒng)：以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)：以VXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。串口系統(tǒng)：以RS232標(biāo)準(zhǔn)串行總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)：以現(xiàn)場總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。其中PC-DAQ測試系統(tǒng)是最常用的構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器系統(tǒng)的的形式。虛擬儀器技術(shù)12/13/20235目前針對不同的應(yīng)用目的和環(huán)境，已設(shè)計(jì)了多種性能和用途的數(shù)據(jù)采集卡，包括低速采集板卡、高速采集卡、高速同步采集板卡、圖象采集卡、運(yùn)動控制卡等。

計(jì)算機(jī)虛擬儀器板卡虛擬儀器技術(shù)12/13/20236與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器最大的特點(diǎn)是其功能由軟件定義，可以由用戶根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)整，用戶選擇不同的應(yīng)用軟件就可以形成不同的虛擬儀器。而傳統(tǒng)儀器的功能是由廠商事先定義好的，其功能用戶無法變更。當(dāng)虛擬儀器用戶需要改變儀器功能或需要構(gòu)造新的儀器時(shí)，可以由用戶自己改變應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)，而不必重新購買新的儀器。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202378.2虛擬儀器的組成虛擬儀器主要由傳感器，信號采集與控制板卡，信號分析軟件和顯示軟件幾部分組成，如下圖所示。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202388.2.1硬件功能模塊

根據(jù)虛擬儀器所采用的信號測量硬件模塊的不同，虛擬儀器可以分為下面幾類：

(1)PC-DAQ數(shù)據(jù)采集卡

通常，人們利用計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽和外部接口，將信號測量硬件設(shè)計(jì)為計(jì)算機(jī)插卡或外部設(shè)備，直接插接在計(jì)算機(jī)上，再配上相應(yīng)的應(yīng)用軟件，組成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測試系統(tǒng)。這是目前應(yīng)用得最為廣泛的一種計(jì)算機(jī)虛擬儀器組成形式。按計(jì)算機(jī)總線的類型和接口形式，這類卡可分為ISA卡，EISA卡，VESA卡，PCI卡，PCMCIA卡，并口卡、串口卡和USB口卡等。按板卡的功能則可以分為A/D卡、D/A卡、數(shù)字I/O卡、信號調(diào)理卡、圖象采集卡、運(yùn)動控制卡等。

虛擬儀器技術(shù)12/13/20239(2)GPIB總線儀器

GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)是測量儀器與計(jì)算機(jī)通訊的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。通過GPIB接口總線，可以把具備GPIB總線接口的測量儀器與計(jì)算機(jī)連接起來，組成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測試系統(tǒng)。GPIB總線接口有二十四線(IEEE-488標(biāo)準(zhǔn))和二十五線(IEC-625標(biāo)準(zhǔn))二種形式，其中以IEEE-488的二十四線GPIB總線接口應(yīng)用最多。在我國的國家標(biāo)準(zhǔn)中確定采用24線的電纜及相應(yīng)的插頭插座，其接口的總線定義和機(jī)電特性如下圖所示。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202310GPIB總線測試儀器通過GPIB接口和GPIB電纜與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，形成計(jì)算機(jī)測試儀器。與DAQ卡不同，GPIB儀器是獨(dú)立的設(shè)備，能單獨(dú)使用。GPIB設(shè)備可以串接在一起使用，但系統(tǒng)中GPIB電纜的總長度不應(yīng)超過20m，過長的傳輸距離會使信噪比下降，對數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量有影響。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202311(3)VXI總線模塊

VXI總線模塊是另一種新型的基于板卡式相對獨(dú)立的模塊化儀器。從物理結(jié)構(gòu)看，一個(gè)VXI總線系統(tǒng)由一個(gè)能為嵌入模塊提供安裝環(huán)境與背板連接的主機(jī)箱和插接的VXI板卡組成。與GPIB儀器一樣，它需要通過VXI總線的硬件接口才能與計(jì)算機(jī)相連。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202312(4)RS232串行接口儀器

很多儀器帶有RS232串行接口，通過連接電纜將儀器與計(jì)算機(jī)相連就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對儀器進(jìn)行控制。

(5)現(xiàn)場總線模塊

現(xiàn)場總線儀器，是一種用于惡劣環(huán)境條件下的、抗干擾能力很強(qiáng)的總線儀器模塊。與上述的其它硬件功能模塊相類似，在計(jì)算機(jī)中安裝了現(xiàn)場總線接口卡后，通過現(xiàn)場總線專用連接電纜，就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對現(xiàn)場總線儀器進(jìn)行控制。

虛擬儀器技術(shù)12/13/2023138.2.2驅(qū)動程序

任何一種硬件功能模塊，要與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，都需要在計(jì)算機(jī)中安裝該硬件功能模塊的驅(qū)動程序（就如同在計(jì)算機(jī)中安裝聲卡、顯示卡和網(wǎng)卡一樣），儀器硬件驅(qū)動程序使用戶不必了解詳細(xì)的硬件控制原理和了解GPIB、VXI、DAQ、RS232等通訊協(xié)議就可以實(shí)現(xiàn)對特定儀器硬件的使用、控制與通信。驅(qū)動程序通常由硬件功能模塊的生產(chǎn)商隨硬件功能模塊一起提供。

8.2.3應(yīng)用軟件

“軟件即儀器”，應(yīng)用軟件是虛擬儀器的核心。一般虛擬儀器硬件功能模塊生產(chǎn)商會提供示波器、數(shù)字萬用表、邏輯分析儀等常用虛擬儀器應(yīng)用程序。對用戶的特殊應(yīng)用需求，則可以利用LabVIEW、AgilentVEE等虛擬儀器開發(fā)軟件平臺來開發(fā)。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202314虛擬儀器技術(shù)12/13/2023158.3

虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)介紹

目前，市面上常用的虛擬儀器的應(yīng)用軟件開發(fā)平臺有很多種，但常用的是Labview、Labwindows/CVI、AgilentVEE等，本節(jié)將對用得最多的Labview進(jìn)行簡單介紹。

Labview是為那些對諸如C、C++、VisualBasic、Delhi等編程語言不熟悉的測試領(lǐng)域的工作者開發(fā)的，它采用可視化的編程方式，設(shè)計(jì)者只需將虛擬儀器所需的顯示窗口、按鈕、數(shù)學(xué)運(yùn)算方法等控件從Labview工具箱內(nèi)用鼠標(biāo)拖到面板上，布置好布局，然后在Diagram窗口將這些控件、工具按設(shè)計(jì)的虛擬儀器所需要的邏輯關(guān)系，用連線工具連接起來即可。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202316下圖為用Labview開發(fā)的溫度測量儀的前面板圖。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202317下圖為溫度測量儀的Diagram連線圖：

虛擬儀器技術(shù)12/13/202318此外還有DasylabWindows、DIRECTVIEWforWINDOWS、和ProcessControlSoftwareforWindows等針對測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202319下圖是采用軟件總線和軟件芯片技術(shù)開發(fā)的一個(gè)積木拼裝式的虛擬儀器開發(fā)平臺虛擬儀器技術(shù)12/13/2023208.4虛擬儀器典型單元模塊

虛擬儀器的核心是軟件，其軟件模塊主要由硬件板卡驅(qū)動模塊，信號分析模塊和儀器表頭顯示模塊三類軟件模塊組成。

硬件板卡驅(qū)動模塊通常由硬件板卡制造商提供，直接在其提供的DLL或ActiveX基礎(chǔ)上開發(fā)就可以了。目前PC-DAQ數(shù)據(jù)采集卡、GPIB總線儀器卡、RS232串行接口儀器卡、FieldBus現(xiàn)場總線模塊卡等許多儀器板卡的驅(qū)動程序接口都已標(biāo)準(zhǔn)化，為減小因硬件設(shè)備驅(qū)動程序不兼容而帶來的問題，國際上成立了可互換虛擬儀器驅(qū)動程序設(shè)計(jì)協(xié)會(InterchangeableVirtualInstrument),并制訂了相應(yīng)軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。

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信號分析模塊的功能主要是完成各種數(shù)學(xué)運(yùn)算，在工程測試中常用的信號分析模塊包括：(1)信號的時(shí)域波形分析和參數(shù)計(jì)算(2)信號的相關(guān)分析(3)信號的概率密度分析(4)信號的頻譜分析(5)傳遞函數(shù)分析(6)信號濾波分析(7)三維譜陣分析目前，LabVIEW、MATLAB等軟件包中都提供了這些信號處理模塊，另外在網(wǎng)上也能找到Basic語言和C語言的源代碼，編程實(shí)現(xiàn)也不困難。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202322儀器表頭顯示模塊主要包括波形圖、選鈕、儀表頭、推鈕、溫度計(jì)、棒圖等儀表顯示常用的軟件儀表盤顯示模塊，如下圖所示。LabVIEW、HPVEE等虛擬儀器開發(fā)平臺提供了大量的這類軟件模塊供選擇，設(shè)計(jì)虛擬儀器程序時(shí)直接選用就可以了。但這些開發(fā)平臺很昂貴，一般只在專業(yè)場合使用。實(shí)際上表頭等一些常用的虛擬儀器控件實(shí)現(xiàn)并不難，用VisualBasic、VisualC++語言編程時(shí)完全可以在標(biāo)準(zhǔn)Windows控件的基礎(chǔ)上修改其Draw屬性，自己編制虛擬儀器控件，并在程序中使用。

虛擬儀器技術(shù)12/13/202323雙蹤信號示波和頻譜分析儀

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