傳感器與檢測(cè)技術(shù)（第5版）課件 10.3 虛擬儀器

10.3虛擬儀器10.3.1概述10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成10.3.3軟件結(jié)構(gòu)10.3.4軟件開發(fā)平臺(tái)10.3.1概述儀器儀表技術(shù)的發(fā)展兩條主線：模擬儀表、數(shù)字化儀表智能儀表 單臺(tái)儀器、疊架式儀器系統(tǒng)虛擬儀器

傳統(tǒng)儀器一個(gè)獨(dú)立的裝置，有一機(jī)箱，有操作面板，信號(hào)輸入輸出端，還有開關(guān)、旋鈕等。檢測(cè)結(jié)果輸出的方式有指針式表頭、數(shù)字式和圖形等，可能還有打印輸出。一般由以下三大功能塊組成：信號(hào)的采集和控制、信號(hào)的分析與處理結(jié)果的表達(dá)與輸出。功能塊全部都是以硬件(或固化的軟件)的形式存在。這種框架式的結(jié)構(gòu)，決定了傳統(tǒng)的儀表只能由儀器廠家來定義、制造，用戶無法改變的現(xiàn)實(shí)。虛擬儀器的出現(xiàn)

計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合：

充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，可以較大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。還可以把儀器的三大功能全部放在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)中插入數(shù)據(jù)采集卡，然后，用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進(jìn)行信號(hào)處理分析，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，這就是虛擬儀器。虛擬儀器“軟件就是儀器”具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。組成：計(jì)算機(jī)、模塊化功能硬件和控制軟件。操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器的運(yùn)行，完成對(duì)被測(cè)量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀表的關(guān)鍵。操作者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。10.3虛擬儀器10.3.1概述10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成10.3.3軟件結(jié)構(gòu)10.3.4軟件開發(fā)平臺(tái)10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方法2.GPIB儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法3.VXI儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方法一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由四部分組成。2.GPIB儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法

GPIB技術(shù)是虛擬儀器發(fā)展的第一階段。GPIB把可編程儀器與計(jì)算機(jī)緊密地聯(lián)系起來，從此電子測(cè)量由獨(dú)立的、手工操作的單臺(tái)儀器向組成大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的方向邁進(jìn)。典型的GPIB測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成：一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口板卡和若干臺(tái)GPIB儀器通過標(biāo)準(zhǔn)的GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口板可帶多達(dá)14臺(tái)儀器，電纜長度可達(dá)20米。GPIB技術(shù)可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測(cè)試的誤差。可以預(yù)先編制好測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，提高了可靠性和效率?？梢苑奖愕貙⒍嗯_(tái)儀器組合起來，形成較大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，高效、靈活地完成各種不同規(guī)模的測(cè)試任務(wù)。可以很方便地?cái)U(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。因?yàn)閮x器同計(jì)算機(jī)連在一起，儀器測(cè)量的結(jié)果送到計(jì)算機(jī)里，在計(jì)算機(jī)這邊增加不同的分析處理算法，就相當(dāng)于增加了儀器的功能。3.VXI儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線—VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展(VMEExtensionforInstrumentation)。優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、具有數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持，得到廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用：在組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，以及對(duì)速度、精度要求較高的場(chǎng)合，有著其它系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。VXI儀器系統(tǒng)不同的配置方法(1)GPIB控制方案(2)嵌入式計(jì)算機(jī)控制方案(3)MXI總線控制方案(1)GPIB控制方案組件：插于通用計(jì)算機(jī)的GPIB接口板，位于VXI零槽的GPIB—VXI/C模塊，連接兩者的GPIB電纜，一個(gè)VXI機(jī)箱以及若干個(gè)VXI儀器模塊。GPIB控制方案的數(shù)據(jù)傳輸速率約為1Mbytes/s。如果使用HS488協(xié)議可使GPIB的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到1.6Mbytes/s。其中，零槽模塊起GPIB和VXI總線翻譯器的作用。優(yōu)點(diǎn)：可以利用熟悉的GPIB技術(shù)如同控制一臺(tái)GPIB儀器一樣來控制VXI儀器系統(tǒng)，且系統(tǒng)造價(jià)低。缺點(diǎn)：由于GPIB總線的數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VXI總線，形成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換的瓶頸。(2)嵌入式計(jì)算機(jī)控制方案組件：一個(gè)VXI機(jī)箱，插于VXI零槽的嵌入式計(jì)算機(jī)模塊，若干VXI儀器模塊以及VXI軟件開發(fā)平臺(tái)。一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)模塊除具有VXI系統(tǒng)控制功能外，還具有一臺(tái)通用PC機(jī)的全部功能。優(yōu)點(diǎn)：所有的模塊均插在VXI機(jī)箱的背板總線上，能實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳送(40Mbytes/s左右)，且體積最緊湊，是實(shí)現(xiàn)VXI自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的最佳配置方案。缺點(diǎn)：配置方案的造價(jià)及升級(jí)費(fèi)用均較高。(3)MXI總線控制方案組件：一個(gè)VXI機(jī)箱，插于通用計(jì)算機(jī)的VXI接口板，位于VXI零槽的VXI—MXI模塊，連接兩者的MXI電纜，若干VXI儀器模塊以及VXI軟件開發(fā)平臺(tái)。MXI是由美國國家儀器公司(NationalInstruments，簡稱NI)提出的一種多系統(tǒng)擴(kuò)展接口總線，相當(dāng)于把VXI機(jī)箱的背板總線拉到外部計(jì)算機(jī)上來，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)VXI機(jī)箱間的32位數(shù)據(jù)交換。它可以直接把VXI內(nèi)存空間映射到外部計(jì)算機(jī)上，因此在提高數(shù)據(jù)傳輸速率方面有很多的優(yōu)勢(shì)。PCI—8000系列，總線傳輸速率可達(dá)23Mbytes/s，峰值傳輸速率可達(dá)33Mbytes/s。性能指標(biāo)已接近嵌入式計(jì)算機(jī)。MXI總線控制方案特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：綜合了第一種方案使用外部計(jì)算機(jī)靈活方便、易于升級(jí)以及第二種方案高性能的優(yōu)點(diǎn)，且造價(jià)適中。同時(shí)還可以在外部計(jì)算機(jī)上加插GPIB接口卡、數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的系統(tǒng)集成。缺點(diǎn)：與內(nèi)嵌式方案相比，體積偏大，數(shù)據(jù)傳輸速率偏低。三種VXI控制方案比較GPIB控制方案：適用于對(duì)總線控制的實(shí)時(shí)性要求不高，并需在系統(tǒng)中集成較多GPIB儀器的場(chǎng)合；嵌入控制方案：由于在系統(tǒng)的體積、控制速率和電磁兼容方面具有優(yōu)勢(shì)，因而在性能要求較高和投資較大的場(chǎng)合，如航天、軍用等應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞；MXI控制方式：具有較高的性能價(jià)格比，便于系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)，適用于在各種實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)科研系統(tǒng)以及對(duì)體積要求不高的場(chǎng)合使用。10.3虛擬儀器10.3.1概述10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成10.3.3軟件結(jié)構(gòu)10.3.4軟件開發(fā)平臺(tái)10.3.3軟件結(jié)構(gòu)1.與設(shè)備無關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)2.測(cè)試管理3.測(cè)試程序(虛擬儀器功能模塊)層4.儀器驅(qū)動(dòng)層5.I/O接口1.與設(shè)備無關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)軟件主要分為4層結(jié)構(gòu)：測(cè)試管理層、測(cè)試程序?qū)?、儀器驅(qū)動(dòng)層I/O接口層。過去要自己制作這4個(gè)軟件層，開發(fā)相當(dāng)艱苦。虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn):使這些軟件層的設(shè)計(jì)均以“與設(shè)備無關(guān)”為特征，極大地改善了開發(fā)環(huán)境。虛擬儀器的本質(zhì)是面向?qū)ο螅刹煌_發(fā)人員采用不同開發(fā)工具編寫的測(cè)試程序可用方便地集成在一個(gè)系統(tǒng)中。與設(shè)備無關(guān)特征I/O接口軟件與儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，且由儀器制造廠隨儀器配套提供。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試開發(fā)工具包含了大量不同類型、預(yù)先編好的程序庫，用于數(shù)據(jù)分析、顯示、報(bào)表等。測(cè)試管理軟件具有強(qiáng)大、靈活的性能來滿足用戶廣泛的需求。虛擬儀器軟件工具的一個(gè)重要特征：用戶可以使用單一的、前后一致的開發(fā)工具完成測(cè)試程序的所有部分，包括用戶應(yīng)用程序、測(cè)試程序和儀器驅(qū)動(dòng)程序等。虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)2.測(cè)試管理

測(cè)試管理層是一個(gè)帶有易于操作界面、用于管理和執(zhí)行某一測(cè)試任務(wù)、與設(shè)備無關(guān)的測(cè)試管理環(huán)境。它為測(cè)試系統(tǒng)與操作者交互、被測(cè)器件分析、順序測(cè)試、分支、循環(huán)等提供一個(gè)專門的測(cè)試運(yùn)行程序，并以密碼保護(hù)模式對(duì)不同部門的操作者提供多層登錄訪問。高層測(cè)試管理軟件還能為用戶提供企業(yè)范圍內(nèi)的聯(lián)系，將用戶的測(cè)試程序與其余部分集成在一起，包括生成測(cè)試記錄和測(cè)試報(bào)告、數(shù)據(jù)庫訪問以及對(duì)結(jié)果實(shí)施SPC分析等。測(cè)試管理層

測(cè)試管理層是一個(gè)與設(shè)備無關(guān)的軟件，因而采用開發(fā)式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)就會(huì)提供更多的性能和靈活性。

開發(fā)式測(cè)試管理系統(tǒng)的各項(xiàng)操作與界面以源代碼的方式提供給用戶，用戶可以很方便地制訂自己的操作方案。擁有這種靈活性，用戶就可以自行設(shè)計(jì)開發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)核，而且能夠滿足不同要求的測(cè)試管理軟件層，有效地縮短了設(shè)計(jì)周期和節(jié)約了開支、維護(hù)費(fèi)用。3.測(cè)試程序(虛擬儀器功能模塊)層針對(duì)某一產(chǎn)品而開發(fā)的功能測(cè)試模塊是一個(gè)有其特殊性的獨(dú)特的軟件組件，但其大多數(shù)的基本元素，如數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果表達(dá)等功能對(duì)所有的測(cè)試系統(tǒng)來說又都是通用的。正因?yàn)槿绱耍壳皣獬霈F(xiàn)了帶有大量通用、與設(shè)備無關(guān)的功能模塊庫的集成化編程環(huán)境。虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等均具有此項(xiàng)特性。在這些軟件中，幾乎所有用于測(cè)量、控制和通訊模塊的程序代碼均已編寫完成，供用戶即調(diào)即用。用戶只需在開發(fā)平臺(tái)上以圖形方式調(diào)出相應(yīng)的儀器功能模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行連接組合，就可構(gòu)成一個(gè)具體的儀器，節(jié)省用戶大量的開發(fā)時(shí)間。4.儀器驅(qū)動(dòng)層對(duì)儀器硬件進(jìn)行通訊和控制的軟件層。過去，由用戶編寫，對(duì)每個(gè)儀器硬件編制特殊的驅(qū)動(dòng)代碼，是測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)周期變得很長。今天，儀器驅(qū)動(dòng)程序都是按模塊化、與設(shè)備無關(guān)的方式向用戶釋放，供用戶迅速將儀器鏈入自己的測(cè)試系統(tǒng)。由于儀器驅(qū)動(dòng)程序是以源代碼的方式提供給用戶，用戶可以很容易地優(yōu)化和增強(qiáng)這些驅(qū)動(dòng)程序，使之滿足它們的特殊要求。標(biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動(dòng)程序還可以在不同的系統(tǒng)和配置中重復(fù)使用，節(jié)省了大量的開發(fā)費(fèi)用。5.I/O接口測(cè)試系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，用于處理計(jì)算機(jī)與儀器硬件間連接的底層通訊協(xié)議。優(yōu)秀的虛擬儀器軟件都建立在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化I/O接口軟件組件的通用內(nèi)核上，為用戶提供一個(gè)一致的、跨計(jì)算機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用編程接口(API)，使用戶的測(cè)試系統(tǒng)能夠自由靈活地選擇不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)和儀器硬件。10.3虛擬儀器10.3.1概述10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成10.3.3軟件結(jié)構(gòu)10.3.4軟件開發(fā)平臺(tái)10.3.4軟件開發(fā)平臺(tái)軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。

采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)可以提高軟件編程效率可視編程語言環(huán)境VisualC,VisualBASICNI公司推出LabVIEW和LabWindows/CVI,HP公司推出了VEE，

Tektronix公司推出了TekTMSLabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW是一種基于G語言的圖形化開發(fā)語言，是一種面向儀器的圖形化編程環(huán)境，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)、測(cè)試和測(cè)量、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化以及過程監(jiān)控。目的：簡化程序的開發(fā)工作，以使用戶能快速、簡便地完成自己的工作。使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VI。VI：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制，輸出量被稱為顯示。控制和顯示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。信號(hào)發(fā)生器前面板頻譜分析儀前面板溫度計(jì)前面板框圖程序每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。構(gòu)成：端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線。端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。溫度計(jì)顯示框圖程序圖標(biāo)/連接器圖標(biāo)/連接器是子VI