虚拟仪器技术(1)
第1讲 虚拟仪器的技术背景与基本概念
……
模块化仦器架构的出现
便于保持已有投资 同时便于利用最新半导体及PC技术
与用处理器, OS 固定的用户界面 固件 内部总线 定时控制
PC 处理器, OS 开放总线 定时控制 测量硬件
模块 4 模块 1 模块 5
电源 传统台式系统
统
7. 智能化
• 利用单或多处理器实现学习、识别、推理等功能，以
使设备充分模拟人的智力能力, 特别适合故障诊断、
识别等应用
人工智能
8. 网络化
• 利用通信线路和设备将仦器连接成较大的复杂系统，
共享资源，提高速率、灵活性, 适合于进程分布测试、
维修、校准、培训等应用
虚拟仦器技术充分体现了这些趋势
2. 自动化
• 程序控制代替手动操作，
提高效率，减轻操作者劳
动强度. 自动化程度愈高， 速度愈快
3. 综合化
• 利用一台多功能仦器代替多台单功能仦器系统，提高 灵活性和可靠性，幵降低成本，减小体积
– 例如: 相同的通用射频硬件结合丌同软件程序实现多种无线 协议测试以及射频参数测试等功能
WLAN
GSM/EDGE
第一讲 虚拟仦器的技术背景不基本概念
背景: 伴随摩尔定律的技术飞速发展
晶体管数量每18个月提高1倍 ≈ 处理器性能每18个月提高1倍
性能提升
体积减小
成本降低
仦器技术不系统的发展趋势
• 伴随着半导体技术、处理器技术、计算机总线技术、
网络技术、软件技术等快速发展，仦器不测控系统出
现了如下的一些发展趋势: 数字化 自动化 综合化 模块化 标准化 虚拟化 智能 化 网络化
自动化系统中的虚拟仪器技术
自动化系统中的虚拟仪器技术自动化系统中的虚拟仪器技术是一种通过软件仿真实现仪器功能的技术。
它可以模拟真实的物理仪器，使得实验设备的开发、测试和运行更加简便高效。
本文将介绍自动化系统中的虚拟仪器技术的原理、应用和未来发展趋势。
一、虚拟仪器技术的原理虚拟仪器技术的核心原理是将物理仪器的功能通过软件仿真实现。
它通过搭建仪器模型、添加信号处理算法和界面设计等步骤，将仪器的测量和控制功能转化为算法的处理过程。
虚拟仪器技术可以利用计算机的处理能力和灵活性，实现多种仪器功能在同一硬件平台上的集成。
虚拟仪器技术一般包括以下几个方面的内容：1. 算法建模：将真实仪器的测量和控制过程抽象为数学模型和算法实现。
2. 界面设计：通过人机交互界面，实现用户对虚拟仪器的控制和监测。
3. 数据处理：对仪器测量数据进行分析、处理和展示，以实现各种功能要求。
4. 硬件接口：将计算机与真实的物理设备连接，实现虚拟仪器对实际环境的感知和干预。
二、虚拟仪器技术的应用虚拟仪器技术在自动化系统中有着广泛的应用。
以下列举几个典型的应用领域：1. 实验教学：虚拟仪器技术可以替代传统的实验设备，使得学生能够在计算机上进行实验操作和数据分析，提高实验教学的效果和效率。
2. 自动化测试：虚拟仪器技术可以快速搭建测试平台，实现对各种设备和系统的测试和验证，大大提高了测试的灵活性和自动化水平。
3. 工业控制：虚拟仪器技术可以替代部分物理仪器，实现对生产过程的监测和控制，并且能够快速调整参数和算法，适应不同的工况需求。
4. 仪器研发：虚拟仪器技术可以用于仪器的原型开发和测试，大大节省了成本和时间，加速了新产品的上市进程。
三、虚拟仪器技术的未来发展趋势随着计算机和通信技术的不断进步，虚拟仪器技术在自动化系统中的应用前景十分广阔。
以下是一些虚拟仪器技术未来的发展趋势：1. 多模态集成：虚拟仪器技术将更多的仪器功能集成在同一平台上，使得用户可以通过一个界面进行多种任务和操作。
虚拟仪器技术
虚拟仪器简介虚拟仪器的相关介绍2.1 虚拟仪器技术虚拟仪器技术是以计算机软硬件技术为核心，以自动控制技术、传感器技术、现代信号处理技术、现代网络技术、数值分析技术为支撑，以各专业学科为应用背景的现代测试技术。
它利用高性能的模块化集成概念和方法，结合软件设计平台高效、简便的程序编译功能，依据用户各类特殊需求创建出人机对话界面，实现并取代各类特殊、昂贵的测试仪器的功能，目前已经成为测试理论和应用实验研究的重要支撑。
传统电子仪器存在的诸多弱点使传统仪器已渐渐不能满足工业自动化和测量领域的需要。
随着计算机技术日新月异的飞速发展，计算机强大的数据处理能力使得它的应用范围越来越广。
1986年，美国NI公司（National Instruments）提出虚拟仪器的概念，以“软件即仪器”为口号，彻底打破了传统电子仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一场革命。
简单地说，虚拟仪器技术就是利用计算机技术实现的对测控系统的抽象。
平常使用的示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪，以及传感器等传统仪器，都可使用通用计算机和专用的控制器和显示器来模拟，实现向虚拟仪器的转变。
用户在计算机屏幕上用鼠标和键盘就可设置参数、观察波形，取代以往的在传统仪器面板上调节旋钮、观察曲线等操作，更为快捷方便。
可见虚拟仪器反映的是一种“硬件软件化”的思想和趋势。
虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器的发展方向。
而Labview是世界上最优秀的虚拟软件开发平台。
使用Labview的最开发虚拟仪器最大的好处是提高开发的效率。
据统计使用Labview开发虚拟仪器比使用基于文本的语言开发效率可以提高10—15倍，程序的执行速度去几乎不受影响；时时在信号处理等方面的强大功能方面是组态软件不可以比拟的。
2.2 虚拟仪器的组成与分类虚拟仪器包括硬件和软件两大部分。
硬件主要是获取现实世界的被测信号, 提供信号传输的通道。
《虚拟仪器技术》课程设计
目录第1章《虚拟仪器技术》课程设计任务书 (3)1.1课程设计任务 (3)1.2课程设计目的 (3)1.3课程设计要求 (4)1.4课程设计内容 (4)1.5课程设计报告要求 (4)1.6课程设计进度安排 (5)1.7课程设计考核办法 (5)第二章总体设计方案 (6)2.1虚拟仪器 (6)2.1.1虚拟仪器的概述 (6)2.1.2虚拟仪器的概念 (6)2.1.3虚拟仪器的特点 (6)2.1.4虚拟仪器在各方面的应用 (7)2.2 LabVIEW (8)2.2.1 LabVIEW的发展历程 (8)2.2.2 LabVIEW的概念 (8)2.2.3 LABVIEW的操作面板 (9)2.2.4 LABVIEW的应用领域 (10)2.3 多功能数字滤波器 (11)2.3.1滤波器的概念 (11)2.3.2滤波器分类 (11)2.3.2.1根据滤波器的选频作用分类 (11)2.3.2.2根据“最佳逼近特性”标准分类 (11)2.3.2.3理想滤波器 (12)2.3.3实际滤波器 (12)2.3.3.1实际滤波器的基本参数 (12)2.3.4多功能数字滤波器的总体结构图 (14)第三章多功能数字滤波器原理及功能 (15)3.1 多功能数字滤波器原理 (15)3.1.1前面板结构布局 (15)3.3.2、前面板部分功能界面说明 (18)第四章多功能数字滤波器的程序设计及运行调试 (21)4.1流程图 (21)4.2框图程序的设计 (22)4.2.1波形类型选择框 (22)4.2.2 噪声类型选择框 (23)4.2.3滤波器类型选择框图 (25)4.2.4波形显示选择框 (27)4.2.5大致的总程序框图 (27)4.3、运行调试 (29)4.3.1不添加噪声的波形显示 (29)4.3.2加入噪声后的波形显示 (29)4.3.2.1选择IIR滤波器的波形变化 (30)4.3.2.2选择FIR滤波器的波形变化 (30)4.3.2.3选择中值滤波器的波形变化 (31)第五章收获、体会 (32)参考文献 (33)第一章《虚拟仪器技术》课程设计任务书题目：多功能数字滤波器设计1.1课程设计任务数字滤波器是数字信号分析中重要的组成部分，数字滤波器与模拟滤波器相比具有准确度和稳定性高，系统函数容易改变,灵活性高，不存在阻抗匹配问题，便于大规模集成，可实现多位滤波等优点，因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用。
9.1 虚拟仪器技术概述
第八章虚拟仪器设计8.1 虚拟仪器技术随着计算机技术的高度发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。
虚拟仪器是20世纪90年代提出的概念，是现代计算机技术、仪器技术及其它新技术完美结合的产物。
虚拟仪器的提出与发展，标志着21世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向。
8.1.1 虚拟仪器的概念传统仪器一般是一台独立的装置，从外观上看，它一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。
操作面板上一般有一些开关、按钮、旋钮等。
检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及打印输出等。
从功能方面分析，传统仪器可分为信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几个部分。
传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。
传统仪器大都是一个封闭的系统，与其它设备的连接受到限制。
另外，传统仪器价格昂贵，技术更新慢（周期为5至10年），开发费用高。
随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展，出现了数字化仪器和智能仪器。
尽管如此，传统仪器还是没有摆脱独立使用和手动操作的模式，在较为复杂的应用场合或测试参数较多的情况下，使用起来就不太方便。
由于以上这些原因，使传统仪器很难适应信息时代对仪器的需求。
那么如何解决这个问题呢？可以设想，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能，这就是设计虚拟仪器的核心思想。
所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。
虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。
随着计算机技术的快速发展、CPU处理能力的增强、总线吞吐能力的提高以及显示技术的进步，人们逐渐意识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。
虚拟仪器技术实验1
《虚拟仪器技术》实验指导书实验1数字温度计实验实验序号：1实验名称：数字温度计实验适用专业：电子信息工程、通信工程学时数：4学时一、实验目的该实验要求学生学会使用NI ELVIS II+的可调电源VPS，并在其上搭建热敏电阻电路，基于NI ELVIS II+的软件包，在LabVIEW中编写程序，构建一个数字温度计。
二、实验要求（1）学会使用NI ELVIS II+中的数字万用表、可调电源。
（2）学会基于NI ELVIS II+的软件包在LabVIEW中编写程序构建一个数字温度计。
（3）要求认真且独立完成电子电路的参数测量。
（4）在NI ELVIS II+的实验板上搭电路以及测量数据时，注意不能短路，以免烧坏实验平台中的元器件。
（5）注意仪器设备的规范使用以及测量步骤正确的顺序。
（6）编写程序要规范、正确，有问题的程序能够通过调试解决。
（7）做完实验后给出本实验的实验报告。
三、实验设备、环境（1）NI ELVIS II+实验平台（2）至少PIII计算机，装有LabVIEW软件和NI ELVIS II+硬件驱动。
四、实验中的元器件（1）10kΩ电阻R1（2）10kΩ热敏电阻R T五、实验步骤及内容1、电阻元件参数测量（1）使用数字万用表测量电阻R1和热敏电阻R T。
在表1中记录测量数据。
实测值标称值R19.9710KΩR T16.9110KΩ表1电阻的测量值（2）将热敏电阻拿在指尖处，使它升温，观察电阻阻值变化随着温度升高阻值降低。
2、可调电源的使用（1）在软面板中，选择VPS，如图1。
NI ELVIS II+有两个可控电源，-12V~0V和0~12V，每个最大都可以输出500mA电流。
图1可调电源（2）用数字电压表测试可变电源的电源输出。
将可变电源[supply+]和[ground]连接到DMM的电压输入。
旋转VPS电压旋钮，可看见DMM显示的电压随VPS电压变化而变化。
点击手动按钮，旋转工作台上旋钮，观察DMM的变化随旋钮变化而变化。
虚拟仪器技术
(3)LabVIEW 提供程序调试功能, 可以在源代码中设置断点、单步执行源代码、在源代码中的数据流连线上 设置探针, 观察程序运行过程中数据流 的变化等。
应用实例
应用实例
概述
阿尔卡特美国公司是全球领先的世界上电信设备制造商领导者之一。位于加州佩塔卢马的接入部，开发 Litespan接入平台一种光纤数字环路载波（DLC）。DLC能够将公司中心机房普通铜线上的业务传递到更远的地方。 通过LabVIEW，在相对短的时间内开发了一个全面测试方案。同时测试对每个信道单元的16个ANSI要求的环路和4 条ISDN线路的一个信道单元进行测试时，每项测试所花费的时间为12分钟。由于一些信道单元需要测试某个温度 范围内的状况，因而整个测试需要几天的时间。
Allen Klein美国阿尔卡特公司Litespan硬件质量部的一位工程师，在程序中增加了一项功能，使得测试可 以全天进行，甚至在周末也行。这项功能极大地扩展丰富了测试平台，提高了测试效率。
虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器 原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体。
产品优势
产品优势
虚拟仪器技术的四大优势：
性能高
虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业 技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。 此外，不断发展的因特和越来越快的计算机络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。
虚拟仪器技术-虚拟仪器基础实验(1)
《虚拟仪器技术》
VISA在LabVIEW中的实现
➢ 1.VISA子模板简介 VISA功能模块位于Instrument I/O →VISA→VISA Advanced 子模板中如图。
第18页
➢ 2.VISA 总线系统软件设计 VISA子模板中各个函数的端口图和功能如表
《虚拟仪器技术》
第19页
✓ （3）编程开发者接口。它是应用程序调用驱动程序的软 件接口，通过此接口可方便地调用仪器驱动程序中所定义 的所有功能函数。
✓ （4）VISA I/O接口。它通过本接口调用VISA这一标准的 I/O接口程序库，提供了仪器驱动器与仪器硬件的通信能 力。
✓ （5）子程序接口。它使得仪器驱动器在运行时能调用其 它所需要的软件模块（如数据库、FFT等），而提供的软 件接口。
第21页
《虚拟仪器技术》
（2）在属性节点弹出选单，选择Select Class→VISA→I/O Session 选项，如图8-7所示，在此选项的下列选单包含各 种不同的VISA类，选择VISA类后进行属性设置。
第22页
➢ 4. 实例 【例8-1】VISA锁定机制的运用 VISA锁定机制允许优先通过独立的操作访问资源。
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VISA的组成原理
➢ 1、VISA的内部结构 VISA的内部结构简化图
《虚拟仪器技术》
第6页
《虚拟仪器技术》
✓ 1）资源管理器 VISA资源管理器是用于管理所有资源的一种系统资源 （控制设备资源），执行管理、控制和分配VISA资源的 操作。
✓ 2）资源 VISA的资源类概念类似于面向对象程序设计方法中类的 概念，它是一个实例的外观和行为的描述，是一种抽象化 的设备特点的功能描述，是对资源精确描述的专用术语。
虚拟仪器技术
计算机科学与技术系/ zjtcm
完美的集成 完美的集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产 品在功能上不断地趋于复杂， 品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测 量设备来满足完整的测试需求， 量设备来满足完整的测试需求，但是这些不同设备间的连接 和集成总是耗费大量时间，不是轻易可以完成的。NI的虚拟 和集成总是耗费大量时间，不是轻易可以完成的。NI的虚拟 仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口， I/O设备提供了标准的接口 仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，例如数 据采集、视觉、运动和分布式I/O等等， I/O等等 据采集、视觉、运动和分布式I/O等等，帮助用户轻松地将 多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。 多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。为了 获得最高的性能、简单的开发过程和系统层面上的协调， 获得最高的性能、简单的开发过程和系统层面上的协调，这 些不同的设备必须保持其独立性， 些不同的设备必须保持其独立性，同时还要紧密地集成在一 NI的结构可以使开发者们快速创建测试系统 的结构可以使开发者们快速创建测试系统， 起。NI的结构可以使开发者们快速创建测试系统，并随着要 求的改变轻松地完成对系统的修改。 求的改变轻松地完成对系统的修改。得益于这一集成式的构 架带来的好处，您的系统可以更具竞争性， 架带来的好处，您的系统可以更具竞争性，因为您可以更高 效地设计和测试高质量的产品， 效地设计和测试高质量的产品，并将它们更快速地投入市场 。
Graphical User Interface Hardcopy Output File I/O
计算机科学与技术系/ zjtcm
Virtual Instrumentation-Computer Bascm
虚拟仪器技术
虚拟仪器技术通过前面的介绍，相信对虚拟仪器已经有了基本的熟悉，可能也很想在实际工程中应用一番。
但是如何才能得到虚拟仪器呢？要想获得虚拟仪器的使用通常有两种途径：一是，由专业的虚拟仪器系统集成商提供，他们具有丰富的、专业的虚拟仪器开发技能与经验。
他们会按照你的要求为你专门设计开发虚拟仪器，并可提供专业级的保护与升级。
这种方式特别适合仪器综合技术性能要求高，而应用面又比较窄的情况下。
二是，使用虚拟仪器技术由自己设计实现，通过学习与实践将自己塑造成为具有专业虚拟仪器开发技能与经验的开发者。
只要掌握了一定的虚拟仪器技术，就能够按项目要求自行设计虚拟仪器。
假如条件成熟，甚至你也能够进展成为专业级的虚拟仪器系统集成商。
什么是虚拟仪器技术？本节将介绍什么是虚拟仪器技术与虚拟仪器技术与虚拟仪器之间的关系。
1.5.1 虚拟仪器技术——概述首先要说明的是：我们之前所谈到的“虚拟仪器”概念与这里所要介绍的“虚拟仪器技术”概念是两个完全不一致的概念。
虚拟仪器——指虚拟仪器技术的具体应用实例。
通俗地讲：“虚拟仪器”是“虚拟仪器技术”的产物或者结果。
虚拟仪器技术——指设计实现虚拟仪器的设计方法与高效的开发环境与硬件体系架构，包含软、硬件之间的有效连接，是一整套很复杂的现代技术集合。
事实上，美国NI公司不仅是虚拟仪器概念的创建与提出者，同时还制造、发明了一整套虚拟仪器设计、制造方法——被我们称之为：虚拟仪器技术。
这其中包含一个开放的、灵活的虚拟仪器软件开发环境与与软件平台相习惯的硬件体系架构与管理体系。
NI公司良好愿景是：提供完整的与现代科学技术同步进展的虚拟仪器技术，让所有科学家与工程师都能够通过虚拟仪器技术来轻松地参与并主宰工业自动化测量与应用。
简单的讲，使用虚拟仪器技术将降低科学家与工程师在工业自动化测量与应用方面的门槛。
现在，世界上众多的科学家与工程师借助于NI公司的图形化系统设计平台，完全改变了测试、测量与操纵应用程序的设计开发。
虚拟仪器技术的应用与发展
虚拟仪器技术的应用与发展虚拟仪器技术是一种基于计算机技术的新型仪器技术，它将传统的仪器与计算机技术相结合，实现了仪器的数字化、智能化和网络化。
虚拟仪器技术的应用范围非常广泛，包括物理、化学、生物、医学、环境等多个领域。
本文将从应用和发展两个方面来探讨虚拟仪器技术的现状和未来。
一、虚拟仪器技术的应用1. 物理领域在物理实验中，虚拟仪器技术可以模拟各种物理现象，如光学、电学、热学等，使学生能够更加直观地理解物理原理。
同时，虚拟仪器技术还可以帮助研究人员进行物理实验的设计和优化，提高实验效率和准确性。
2. 化学领域在化学实验中，虚拟仪器技术可以模拟各种化学反应，如酸碱中和、氧化还原等，使学生能够更加深入地理解化学原理。
同时，虚拟仪器技术还可以帮助研究人员进行化学反应的模拟和预测，提高实验效率和准确性。
3. 生物领域在生物实验中，虚拟仪器技术可以模拟各种生物现象，如细胞分裂、基因表达等，使学生能够更加生动地理解生物原理。
同时，虚拟仪器技术还可以帮助研究人员进行生物实验的设计和优化，提高实验效率和准确性。
4. 医学领域在医学实验中，虚拟仪器技术可以模拟各种医学现象，如心电图、脑电图等，使医学学生能够更加直观地理解医学原理。
同时，虚拟仪器技术还可以帮助医学研究人员进行医学实验的设计和优化，提高实验效率和准确性。
5. 环境领域在环境实验中，虚拟仪器技术可以模拟各种环境现象，如大气污染、水污染等，使学生能够更加深入地理解环境原理。
同时，虚拟仪器技术还可以帮助环境研究人员进行环境实验的设计和优化，提高实验效率和准确性。
二、虚拟仪器技术的发展虚拟仪器技术的发展已经取得了很大的进展，但仍然存在一些挑战和机遇。
1. 挑战虚拟仪器技术的发展面临着以下挑战：（1）技术难题：虚拟仪器技术需要涉及多个学科领域，如计算机科学、物理学、化学等，技术难度较大。
（2）成本问题：虚拟仪器技术需要大量的计算机硬件和软件支持，成本较高。
（3）标准化问题：虚拟仪器技术的标准化问题尚未得到解决，不同厂家的虚拟仪器之间存在兼容性问题。
CVI简介
CVI简介随着电子技术、计算机技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域的应用，新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不断出现，电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化，仪器与计算机技术的深层次结合产生了全新的仪器结构概念——虚拟仪器。
它的出现使测试仪器与计算机之间的界限消失，从此开始了测量仪器的新时代。
虚拟仪器强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。
1、虚拟仪器技术随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，美国国家仪器公司（National Instruments,简称NI）于20世纪80年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。
经过十几年的发展，虚拟仪器技术将高速发展的计算机技术、电子技术、通信技术和测试技术结合起来，开创了个人计算机仪器时代，是测量仪器工业发展的一个里程碑。
1.1虚拟仪器概念1.虚拟仪器概念所谓虚拟仪器，就是在以个人计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。
操作者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器，虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现数据信号的运算、分析和处理，利用I/O 接口设备完成信号的采集、测量和处理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
“虚拟”主要包含以下两方面的含义。
1）新能源强的面板虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。
如由各种开关按键显示器等实现仪器电源的“通”、“断”，被测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置，测量结果“数值显示”、“波形显示”等。
传统仪器面板上的器件都是实物，而且都通过手动和触摸完成操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相似的图表，“通”、“断”、“放大”等对应着相应的软件程序，这些软件已经设计好了，用户只需选用代表该种软件程序的图形控件即可，用计算机的鼠标对其进行操作。
计算机虚拟仪器技术
计算机虚拟仪器技术简介计算机虚拟仪器技术是在计算机技术的基础上，将软件技术与仪器技术相结合，实现对各类仪器进行虚拟化的技术。
它通过软件模拟的方式，将传统的硬件仪器虚拟化为软件仪器，实现了在计算机上进行各类仪器的模拟、仿真和操作，具有灵活、便捷和高效等特点。
发展历程计算机虚拟仪器技术起源于20世纪80年代，当时主要用于代替传统的硬件仪器进行信号采集和分析。
随着计算机技术的发展，虚拟仪器技术也得到了迅速的发展和应用。
90年代，虚拟仪器技术开始应用于自动测试系统，实现了对多种测试设备的集成和统一管理。
2000年代以后，随着云计算和大数据技术的兴起，计算机虚拟仪器技术得到了进一步的发展，不仅应用于实验室和工业界，还被广泛应用于医疗、教育、科研等领域。
技术原理计算机虚拟仪器技术主要包括以下几个方面的技术：1. 信号采集与处理在计算机虚拟仪器技术中，模拟信号需要通过数据采集卡进行采集，并输入到计算机中进行处理。
计算机利用模拟-数字转换技术将模拟信号转换为数字信号，并进行数字信号处理。
2. 仪器仿真与建模利用计算机虚拟仪器技术，可以通过编程语言或专门的建模工具对仪器进行仿真。
根据仪器的特性和功能，可以利用数学模型和物理模型进行仿真，以实现对仪器的模拟和仿真。
3. 用户界面设计计算机虚拟仪器技术依赖于用户界面的设计，通过直观的图形界面和友好的操作方式，使用户能够方便地模拟和控制虚拟仪器。
用户界面设计要考虑用户的使用习惯和操作需求，提供清晰的操作指导和可视化的数据展示。
4. 数据处理与分析在计算机虚拟仪器技术中，数据处理与分析是非常重要的环节。
通过对采集到的数据进行处理和分析，可以得到实验结果和相关参数，并通过可视化的方式展示给用户。
数据处理与分析的方法包括滤波、频谱分析、峰值检测等。
5. 仪器控制与管理计算机虚拟仪器技术可以实现对各类仪器的远程控制和集中管理。
通过网络技术和远程控制接口，可以实现对分布在不同地点的仪器的控制。
虚拟仪器技术现状及发展趋势
虚拟仪器技术现状及发展趋势随着科技的快速发展，虚拟仪器技术越来越成为科学家和研究者在实验室操作和数据获取中不可或缺的工具。
那么，虚拟仪器技术现状及发展趋势是怎样的呢？一、虚拟仪器技术现状虚拟仪器技术是指将物理实验仪器数字化，并通过计算机程序模拟其实验原理和操作，x实现虚拟实验的技术。
目前，虚拟仪器技术已经广泛应用于科研领域、教育培训、工业生产和质量控制等方面。
1.在科研领域虚拟仪器技术通过模拟物理现象，帮助科学家们更快、更便捷地进行实验和数据获取，从而为科学研究提供了重要的技术支持。
例如，在材料科学领域，通过虚拟多晶X射线衍射仪进行数据处理，不仅能够快速精确地分析材料的晶体结构，还能够预测它们的性能和结构状况。
2.在教育培训中虚拟仪器技术已经成为科学教育领域的重要工具之一，它可以帮助学生们更生动地了解物理实验原理和操作方法，从而提高学生学习积极性和兴趣。
良好的虚拟实验体验能够让学生们通过探索和错误学习到新知识和技能，而且不会造成实验设备伤害，大大提高实验安全性。
二、虚拟仪器技术发展趋势随着科技的发展，虚拟仪器技术也将不断发展，并呈现出以下趋势：1. 结合AI技术虚拟仪器将与人工智能技术结合，可以为科学家们提供更为准确、更为智能的数据分析和处理。
AI技术可以帮助虚拟仪器更准确地识别实验设备并分析实验结果，使科学研究更加高效和准确。
2. 远程控制技术虚拟仪器将会结合互联网技术和远程控制技术，帮助科学家们在不同时间、不同地点使用实验设备和收集实验数据，并实现远程协作。
这将会大大改善科学家在资金、人力和时间方面的限制，使科研成本更加低廉和高效。
3. 跨学科融合虚拟仪器技术可以融合不同学科的研究成果，例如生物、物理学和数学等领域。
通过这种跨学科融合，可以在多个领域内应用虚拟仪器，来解决不同领域的问题。
虚拟仪器技术可以为生物科学家提供计量工具来分析生物数据，为物理学家提供工具来分析物理数据，而为数学家提供支持来解决数学问题。
虚拟仪器技术
– 仪器控制
• GPIB仪器、带网络接口的仪器、串口等
– 插卡式仪器：VXI、PXI – 嵌入式仪器
• 研究范围
– 数据采集、仪器控制、测量自动化及运动控制。
四、发展现状
• 代表厂商：美国国家仪器公司(National Instruments Corp.简称NI) 网址： • 软件工具：LabVIEW • 主要硬件产品
储罐底板漏磁检 测器
脑电数据采集
声源定位 振动测量 声音照相机（１）
声源定位 振动测量 声音照相机（２）
声源定位 振动测量 声音照相机 （３）
六、虚拟仪器举例
1. 声卡构成的虚拟仪器（１）
１.声卡构成的虚拟仪器（２）
1．声卡构成的虚拟 仪器（３）
2．相量电压表
３．示波器
４．扫频仪
５．Chirp信号
x(t ) A sin(at bt)
2
七、仪器与测量观念的变化
1 比较
• 传统方式 • 现代方式
仪器：硬件构成
测量＝检测+显示
仪器：硬件与软件组成
测量＝采集+计算+显示
充分利用了计算机强大的 数据处理能力
２．间接测量和软测量
• 例：动态称重 –m、c0和c1分别为秤重装置的 质量、弹簧的弹性系数和装置 内的机械阻尼系数，M是待测 物体的质量。装置中使用位移 传感器，x(t)代表m和M共同的 位移，x(k)则是对x(t)进行采样 并量化了的数字信号序列。
八、如何学习和应用虚拟仪器技术
• 不能因循守旧，不要刻舟求剑
某一测量的原理（注重这个原理而不是别的原理）和方法 （建立这样的方法而不是别的方法）都是和当时测量工具— —仪器的发展水平密切相关的。用旧的教科书 上讲的测量原理和方法设计虚拟仪器很可能要 犯错误！这里确实需要有创新的思维。
虚拟仪器技术课程介绍
编程语言选择依据及推荐
• 平台支持: 确保所选编程语言与软件开发平 台和硬件平台兼容。
编程语言选择依据及推荐
推荐语言
输标02入题
• LabVIEW G语言: 对于使用LabVIEW平台的项目， 推荐使用图形化的G语言进行编程，它直观易用， 适合快速原型开发。
01
03
• Python: 对于数据分析、算法开发和科学计算等应 用，推荐使用Python语言，它语法简洁、库丰富， 适合快速开发和原型验证。
虚拟仪器技术将与计算机科学、电子工程、 机械工程等多学科深度融合，推动相关领 域的创新发展。
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知识掌握程度
通过课程学习，学生对虚拟仪器技术的 基本概念、软硬件开发平台及系统设计
方法有了较深入的了解。
团队协作与沟通能力
在课程项目实践中，学生学会了与团 队成员协作、沟通，共同完成任务。
实践能力提升
通过课程实验和项目实践，学生的动 手能力和解决问题的能力得到了显著 提高。
创新思维培养
课程鼓励学生自主思考、创新，通过 课程设计等环节培养学生的创新意识 和能力。
基于计算机的仪器模拟
图形化编程
虚拟仪器利用计算机强大的计算和处 理能力，通过软件模拟传统仪器的功 能和操作界面。
虚拟仪器使用图形化编程语言，如 LabVIEW等，使得用户可以直观地设 计和开发仪器界面与功能。
模块化设计
虚拟仪器采用模块化设计思想，将仪 器功能划分为不同的模块，方便用户 根据需求进行组合和配置。
利用LabVIEW的调试工具对 程序进行单步执行、断点设置 和变量监视等操作，确保程序 的正确性和性能。同时，通过 优化算法和代码结构提高程序 的执行效率。
《虚拟仪器技术》课程教学大纲
虚拟仪器技术课程教学大纲VIRTUA1I N STRUMENTTECHNO1OGY总学时数：48其中：实训学时：12学分：3适用专业：自动化一、本课程的性质、目的和任务虚拟仪器技术是电气工程与自动化专业的选修课，它是计算机技术、仪器技术、通信技术等多门技术相结合的产物。
基于图形化编程语言的虚拟仪器测量方法，代表了未来仪器的发展方向，是未来测试领域中的主流技术，具有重要的实用意义。
虚拟仪器技术这门课程目前可作为电气、电子信息工程类专业的必修课或公共选修课，并可逐步扩展到其他各相关专业。
二、课程教学的基本要求以基于1ABVIEW图形化编程语言的虚拟仪器开发平台为基础，主要介绍虚拟仪器的基本概念、基本原理、1abVIEW编程环境、编程方法、数据采集、信号分析与处理等方面的内容。
要求学生在掌握基本理论知识和编程方法的基础上，能够从测量问题的本身出发，初步学会如何设计一个合理的测量方案，并能应用虚拟仪器测量技术解决一两个测量问题。
三、教学内容第一章绪论内容体系：虚拟仪器简介；1abVIEW软件简介。
知识点：虚拟仪器的工作原理及G语言特点；1abV1EW8.5软件介绍。
重点：虚拟仪器的工作原理。
第二章、1abVIEW开发入门内容体系：1abV1EW8.5开发环境；创建虚拟仪器；虚拟温度测量仪实例。
知识点：主要介绍虚拟仪器的开发环境并通过温度测量来说明创建虚拟仪器的原理和基本步骤。
重点：学会创建虚拟仪器的原理和基本步骤。
第三章程序结构内容体系：循环结构；分支结构；顺序结构；公式节点。
知识点：主要掌握程序结构的几种基本形式及应用。
重点：程序结构的几种基本形式及应用。
第四章数组和簇内容体系：数值类型；数组；簇。
知识点：主要了解数值类型，掌握数组和簇的创建、应用及相互转换。
重点：数组和簇创建及应用。
第五章图形显示内容体系：实时趋势图控件；事后记录波形控件；XY波形记录控件；强度图形显示控件；强度趋势图控件；三维图形显示控件。
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2．D/A转换器的主要技术指标
1）分辨率
2）转换精度
3）转换时间
4）尖峰误差
D/A转换器尖峰误差及消峰原理
虚拟仪器技术(1)
3．D/A转换电路输入与输出形式 u 1）输入方式 u 2）输出方式
输出输入关系式为
D/A转换器单极性输出电路
虚拟仪器技术(1)
D/A芯片连接成双极性输出的电路图及数字量与 模拟量的关系如下图所示
65536
0.0015% 0.15mV
1048576
0.000095% 9.53μV
16777216
0.0000060% 0.60μV
（2）系统精度 （3）采集速率
虚拟仪器技术(1)
（4）动态范围
数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值Vimax与最 小幅值Vimin之比的分贝数，即
式中最大允许输出幅值Vimax是指使数据采集系统的放大器发生饱和 或者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值。 瞬时动态范围是指某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量 幅值之比的最大值，即幅度最大频率分量的幅值Afmax与幅度最小频率 分量的幅值Afmin之比的分贝数。用I表示瞬时动态范围，则有
虚拟仪器技术(1)
2．基于FIFO的高速数据缓存方式 FIFO（First In First Out）是先进先出存储器，其特点是： 同一存储器配备有两个数据端口，一个是输入端口，只负 责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据的输出。 IDT 72251是一个8KB×9的FIFO存储器
虚拟仪器技术(1)
分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且
随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，
数据采集技术将有广阔的发展前景。
虚拟仪器技术(1)
4.1.2 数据采集系统基本组成 1.DAS的基本组成
数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可 分为模拟部分和数字部分。下图是硬件基本组成示意图
式中， 为A/D转换器的满度值，tc为转换时间， 为输入信号，假定 ，
且 ，则有：
虚拟仪器技术(1)
2．采样保持器的组成原理
采样保持器（S/H）可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内 保持不变。采样保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在 采样方式下，采样保持器的输出必须跟踪模拟输入电压；在保持方式 下，采样保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到 保持命令撤销为止。其原理如图所示
1）分辨率与量化误差
A/D转换器的量化误差
虚拟仪器技术(1)
2）转换精度
虚拟仪器技术(1)
3）转换速率 转换速率是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这
个指标也可表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所 需的时间，两者互为倒数。例如，某A/D转换器的转换速 率为10MHz，则其转换时间是100ns。转换速度是一项重 要的技术指标，速度越高价格越贵。 4）满刻度范围 满刻度范围是指A/D转换器所允许最大的输入电压范围。满刻 度值只是个名义值，实际的A/D转换器的最大输入电压值 总比满刻度值小1/2n（n为转换器的位数）。这是因为0值 也是2n个转换状态中的一个。例如12位的A/D转换器，其 满刻度值为10V，而实际允许的最大输入电压值为
1. 低精度（8位及8位以下） 3. 高精度（13~16位）
2. 中精度（9~12位） 4. 超高精度（16位以上）
1. 低速（≥1ms） 3. 高速（1μs≥0.01μs）
2. 中速（1ms≥1μs） 4. 超高速（＜0.01μs）
虚拟仪器技术(1)
表4-3列出了6种常用的A/D转换器比较
类 型 并联比较式 分级型
虚拟仪器技术(1)
AD9220/AD9221/AD9223的12位流水线型A/D转换器结构框图
虚拟仪器技术(1)
4.4 数据存储与数据传输技术
4.4.1 ADC与CPU直接数据传输 1．程序控制的数据传输方式 2．DMA控制的数据传输方式
虚拟仪器技术(1)
4.4.2 基于高速数据缓存技术的数据传输方式 1．基于双口RAM的高速数据缓存方式
虚拟仪器技术(1)
2020/12/5
虚拟仪器技术(1)
引言
DAQ虚拟仪器又称PC-DAQ仪器系统，其组成如 下图所示。它由一台PC机和基于标准总线的采集 卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件 来支持硬件工作。
虚拟仪器技术(1)
4.1 数据采集（DAQ）及数据采集系统（DAS）
4.1.1 数据采集的基本概念
虚拟仪器技术(1)
2．PCI9054简介 PCI9054的主要功能特点如下：
（1）符合PCIV2.2规范，是一种新型的32位、 33MHz总线主控接口控制器
“数据采集”（Data Acquisition,DAQ）是指将模拟
量（模拟信号）采集、转换成数字量（数字信号）后，再
由计算机进行存储、处理、显示或输出的过程。用于数据
采集的成套设备称为数据采集系统（Data Acquisition
System,DAS）。
数据采集是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取
信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部
0
1
1
1
内存写
1
0
1
0
配置读
1
0
1
1
配置写
1
1
0
0
内存重 复读
1
1
0
1
双周期
高速缓
1
1
1
0
存读
1
1
1
1
高速缓 存写
虚拟仪器技术(1)
4.5.3 PCI总线接口设计 1．总线接口方案选择
PCI接口设计和ISA等I/O接口设计有着完全不同 的设计思想。PCI总线设备需要通过桥路控制器 将PCI总线协议转换成本地总线协议，设计相对 复杂。大致有以下三种实现方法： （1）采用普通FPGA实现 （2）CPLD+集成总线控制器 （3）采用特殊FPGA实现
采样保持器电路原理
虚拟仪器技术(1)
3．采样保持器的主要性能指标 主要性能指标如下
（1）捕获时间tAC （2）孔径时间tAP （3）保持建立时间tHS （4）孔径抖动 （5）衰减率
采样保持器的动态特性
虚拟仪器技术(1)
4.3.2 A/D转换器的分类和指标
1．A/D转换器分类
分类方式 按器件工艺结构
Байду номын сангаас虚拟仪器技术(1)
（5）非线性失真 谐波失真系统用来衡量系统产生非线性失真的程 度，它通常用下式表示
式中 A1——基波振幅； Ak——第k次谐波（频率为kf）的振幅。
虚拟仪器技术(1)
4.2 信号获取与信号调理技术
4.2.1 信号获取方法和途径 1．信号获取
作为采集系统，为了获取被测对象的信息，需要拾取必要 的原始参量信号。为此，首先要通过敏感元件、传感器将 现场非电参量，如压力、温度、速度、位移等物理量转换 成电量。
测量放大器的主要技术指标有下面六个方面 1）共模抑制比
共模抑制比CMRR可表示为
2）温度漂移 3）非线性度 4）建立时间 5）恢复时间 6）电源引起的失调
虚拟仪器技术(1)
4.2.5 模拟量（激励信号）输出 1. D/A转换原理
R-2R梯形网络 D/A转换器原 理 根据叠加原理，D为任意数时四位D/A转换器的总输出电压
虚拟仪器技术(1)
2．PCI总线系统结构
PCI系统结构原理框图
虚拟仪器技术(1)
3．PCI总线信号定义
PCI局部总线信号
PCI总线操作命令表
C/BE#[3]
C/BE#[2]
C/BE#[ 1]
C/BE#[ 0]
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
命令类 型
中断响 应
特殊周 期
I/O读
0
0
1
1
I/O写
0
1
1
0
内存读
虚拟仪器技术(1)
DAS的基本结构图表示如下
虚拟仪器技术(1)
4.1.3 数据采集系统的主要性能指标 （1）系统分辨率
下表列出了满度值为10V时数据采集系统的分辨率。
位数
8 12 16 20 24
级数
1 LSB
1 LSB
（满度值的百分数） （10V满度）
256
0.391% 39.1mV
4096
0.0244% 2.44mV
1）通过敏感元件拾取被测信号 2）通过传感器拾取被测信号 3）通过接口直接拾取被测信号 4）通过测量仪表拾取被测信号
虚拟仪器技术(1)
2．输入通道特点 作为信号获取的门户和通道，输入通道具有以下 特点：
1）输入通道要靠近信号拾取对象 2）输入通道常常是一个模拟和数字的混合电路 3）输入通道电路设计与多种因素相关 4）输入通道的环境无主观选择余地 5）输入通道靠近现场，易受干扰
测量放大器原理电路
虚拟仪器技术(1)
测量放大器的增益由下列公式来确定
虚拟仪器技术(1)
从而测量放大器输出电压为
为了提高测量放大器的共模抑制比和降低温度漂移，测量 放大器的电路结构采用对称行式，一般取 ，可得增益表 达式为
很显然，调节Rg可以很方便地改变测量放大器的增益大小。
虚拟仪器技术(1)
2．测量放大器主要技术指标
虚拟仪器技术(1)
4.2.2 采集信号调理的主要功能 1、被采集信号的特点
传感器感应物理现象并生成与被检测的物理量成比例的电信号。传感 器输出信号的类型，主要有电阻、电压、电流和频率等四类信号。