第一章虛擬儀器概述.ppt

1、虛擬儀器技術(shù),Technique of Virtual Instruments,王書茂 教授,電 話:e-mail : ,1/41,課程內(nèi)容,授課形式,課堂講解（16學(xué)時(shí)） 實(shí)驗(yàn)（8學(xué)時(shí)）,第一章 虛擬儀器概述 第二章 虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第三章 虛擬儀器軟件 第四章 抗干擾技術(shù) 第五章 網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器,2/41,參考書目,虛擬儀器技術(shù)概論 楊樂平等，電子工業(yè)出版社 現(xiàn)代測試技術(shù)及虛擬儀器 曹玲芝 北京航空航天大學(xué)出版社 計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)原理與應(yīng)用 周明光等 電子工業(yè)出版社,第一章 虛擬儀器概述,3/41,1.1 測試測量儀器的發(fā)展,測試測量儀器的發(fā)展經(jīng)歷了以下四個(gè)

2、階段：,模擬儀器階段 18世紀(jì)末至20世紀(jì)初科學(xué)家發(fā)現(xiàn)描述物理現(xiàn)象的定律之后，發(fā)明了基于物理定律的模擬儀表，最典型的主要有針式萬用表、晶體管電壓表等，他們的基本結(jié)構(gòu)是電磁機(jī)械式的，借助指針來顯示最終結(jié)果。,4/41,數(shù)字儀器階段 隨著晶體管與集成電路的出現(xiàn)，數(shù)字技術(shù)在測試測量儀器中成功的獲得應(yīng)用。主要有數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等，這類儀器將模擬信號測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的測量，并以數(shù)字形式顯示和輸出結(jié)果。,5/41,智能儀器階段 在數(shù)字式儀器中置入微處理器，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)緊密結(jié)合，從而部分取代人腦工作，這類儀器稱為智能儀器。智能儀器的功能模塊主要是硬件和固化的軟件。,路燈光電控制器,便攜式超

3、聲波流,6/41,虛擬儀器階段 隨著計(jì)算機(jī)與電子技術(shù)的飛速發(fā)展，軟件取代硬件成為儀器儀表行業(yè)迫切需要解決的問題，它能完成硬件無法完成的任務(wù)，標(biāo)志著“軟件即儀器”時(shí)代的到來。,7/41,1.2 虛擬儀器的基本概念,虛擬儀器（VI，Virtual Instrument）指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能化模塊結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺單個(gè)儀器一樣，完成對被測量的采集、控制、顯示、數(shù)據(jù)存儲等。,8/41,1.2.1、虛擬儀器的概念,實(shí)例-虛擬示波器,9/41,1.2.2 、虛擬儀器的特點(diǎn),與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)有如下特點(diǎn)：,功能強(qiáng)、開放性

4、好； 儀器功能可通過軟件靈活設(shè)計(jì)； 儀器升級方便，性價(jià)比高； 基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器”； 操作方便，通過圖形用戶界面（GUI）操作虛擬儀器面板； 硬件模塊化、系列化；,10/41,虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較,11/41,1.3 虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成,1.3.1、虛擬儀器系統(tǒng)組成 硬件和軟件兩大部分構(gòu)成 硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心,虛擬儀器的構(gòu)成框圖,12/41,虛擬儀器通用硬件平臺,13/41,根據(jù)接口硬件的不同，虛擬儀器的構(gòu)成方式可以分為以下幾種類型。,PC-DAQ系統(tǒng) 以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。,GPIB系統(tǒng) 以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀

5、器與計(jì)算機(jī)為硬件平臺組成的虛擬儀器系統(tǒng)。,VXI系統(tǒng) 以VXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為硬件平臺組成的虛擬儀器系統(tǒng)，是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。,PXI系統(tǒng) 以PXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為硬件平臺組成的虛擬儀器系統(tǒng)，是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。,串口系統(tǒng) 以Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。,14/41,虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu),15/41,虛擬儀器的核心思想是利用計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，使本來由硬件 或電路實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化和虛擬化?；谲浖谔摂M儀器系統(tǒng)中的重 要作用，從底層到頂層，虛擬儀器的軟件框架包括三部分：VISA庫、 I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。,

6、VISA庫 VISA庫實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。一般稱這個(gè)I/O函數(shù)庫為VISA庫。它駐留與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中，執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，用以實(shí)現(xiàn)對儀器的程控。,I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序 儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合，是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序，儀器廠商將其以源碼的形式提供給用戶，用戶在應(yīng)用程序中調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)程序。,應(yīng)用程序 應(yīng)用程序包含兩個(gè)方面:實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序和定義測試功能的流程圖軟件程序。應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對操作用戶，通過直提供直觀、友好的操

7、作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動(dòng)測試任務(wù)。,16/41,17/41,1.3.2 、各部分基本功能,與傳統(tǒng)的儀器一樣，虛擬儀器也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(dòng)程序共同完成，而數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出則主要由用戶應(yīng)用軟件完成。,18/41,1.3.3、常見虛擬儀器軟件開發(fā)平臺,19/41,通用的可視化軟件編程環(huán)境 Microsoft公司的Visual C+和Visual Basic等。 專用于虛擬儀器開發(fā)的軟件編程環(huán)境 圖形化編程環(huán)境：Agilent VEE、NI LabVIEW。

8、交互式編程環(huán)境：NI LabWindows/CVI。,其中，LabWindows/CVI集成化開發(fā)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員開發(fā)檢測、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控提供了理想的軟件開發(fā)環(huán)境。,Vasual C+,Visual Basic,20/41,LabView,Agilent VEE,21/41,LabWindows/CVI,22/41,1.4 虛擬儀器的發(fā)展,第一階段：利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能，使用通訊總線（GPIB等）控制臺式儀器。,虛擬儀器的發(fā)展經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：,23/41,第二階段：開放式的儀器構(gòu)成 出現(xiàn)了插卡式儀器（DAQ）

9、和儀器總線(VXI&PXI)，計(jì)算機(jī)成為儀器的重要組成部分,24/41,VXI機(jī)箱和模塊,25/41,PXI機(jī)箱,26/41,第三階段：虛擬儀器框架得到了廣泛認(rèn)同和采用,基于虛擬儀器的新型工業(yè)測控系統(tǒng)架構(gòu),27/41,1.5 虛擬儀器的應(yīng)用,虛擬儀器的應(yīng)用從軍事逐漸向民用發(fā)展，特別是儀器、測量與控制、自動(dòng)化等領(lǐng)域。,28/41,壓縮天然氣(CNG)實(shí)時(shí)監(jiān)控項(xiàng)目,29/41,壓縮天然氣罐車卸氣控制現(xiàn)場,30/41,壓縮天然氣儲氣罐參數(shù)檢測現(xiàn)場,31/41,CNG調(diào)壓站及其測控系統(tǒng),32/41,虛擬儀器測控系統(tǒng),33/41,虛擬儀器主界面設(shè)計(jì),34/41,植保性能試驗(yàn),35/41,可靠性能試驗(yàn),36/41,灌溉性能試驗(yàn),37/41,噴霧角試驗(yàn),38/41,飛機(jī)起落架綜合測試系統(tǒng),39/41,1.6 虛擬儀器技術(shù)的展望,虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)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)相融合，如測試技術(shù)、計(jì)算機(jī)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)、