虚拟仪器概述分析
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1. 虚拟仪器的系统构成 硬件和软件两大部分构成。
第15页
2. 虚拟仪器的通用硬件平台
硬件平台由两部分组成： 1、计算机可以是笔记本计算机、PC机或工作站； 2、仪器硬件：可以是插入式数据采集板（含信号 调理电路、A／D转换器、数字 I／O、定时器、D ／A转换器等），或者是带标准总线接口的仪器 (如 GPIB仪器、VXI仪器、RS－232仪器等)。
虚 拟 仪 器 设 计
主讲教师：陈慧
第1页
第1章 虚拟仪器概述
1.1 虚拟仪器形成背景 1.2 虚拟仪器的基本概念
1.3 虚拟仪器的系统结构
1.4 虚拟仪器的软件系统 1.5 虚拟仪器技术应用
第2页
1.1虚拟仪器的形成背景 仪器的发展历史
第一代仪器：模拟仪器
如指针式万用表，它们的基本特征 是采用模拟电子技术实现，采用指 针显示结果。
虚拟仪器技术至今经历了将近30年的快 速发展。
第10页
2. 虚拟仪器的特点
（1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括计算机和测试 模块）； 相同的硬件平台下，通过软件设计可实现不同 的虚拟仪器。 （2）良好的人机界面。 虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通 过“控件”虚拟出面板）； （3）功能强。 虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。
第5页
第四代仪器：虚拟仪器
虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相 结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大 变革，是将来仪器发展的一个重要方向。
第6页
1.2 虚拟仪器的基本概念
1. 虚拟仪器的定义
传统仪器：特定功能和仪器外观。
第7页
基于虚拟仪器的温度检测与控制系 统
第8页
如：虚拟示波器
硬件（电子线路）
信号处理
硬件（旋钮与显示器）
参数输入与结 果输出
虚拟仪器
硬件（配合驱动程 序）
计算机软件（算法）
计算机硬件 （虚拟旋钮与显示器）
计算机系统资源 第17页
1.4 虚拟仪器的软件系统
1. 虚拟仪器的软件结构
包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分
应 用 软 件 仪器驱动程序 I/O 接口软件（VISA 库）
第22页
工业自动化
在完成风力涡轮发电塔的装载和安装前，必须对 变速箱的性能进行校验，需要采集如振动、噪声 、润滑油温度及齿轮啮合关系等数据。
第23页
第24页
盲人开车
美国弗吉尼亚理工大学的9名大学生设计了盲人驾 驶系统，利用激光测距仪作为环境探测器，扫描 驾驶环境中的交通路标及其它障碍。帮助盲人驾 驶员成功地驾驶汽车，控制汽车速度并在行驶时 避免碰撞。 第25页
家居监控机器人
在2010世博会中展出。通过 网络监控家居环境中的各种 家电，具有语音和人脸识别 等人机交互功能，具有双机 械臂完成一些取物、递送等 任务，并且可以作为智能轮 椅载人移动。
第26页
实验室建设
传统的实验室需购置大量的基础测量仪器，如示 波器、万用表、信号源等，设备投资大，技术更 新快、维护困难。
第29页
参考文献
[1] NI公司网站：www.ni.com [2] 赵会兵. 虚拟仪器技术规范与系统集成，清华大学出 版社 [3] 詹惠琴、古军、袁亮. 虚拟仪器设计，高等教育出版 社 [4] 袁渊、古军、古天祥、习友宝等. 虚拟仪器基础教程， 电子科技大学出版社 [5] 张重雄．虚拟仪器技术分析与设计．电子工业出版社
第13页
虚拟仪器与传统仪器的比较：
比较内容 系统构成
开发周期 开发费用 技术更新周期
虚拟仪器 软件和通用硬件。软件是关键
开发时间短、技术要求低、系统 通用性强
传统仪器 专用硬件系统
开发时间长、技术要 求高、系统功能 较专一 开发与维修开销高 长（5~10年）
软件使得开发和维护费用降至最 低
短（1~2年）
基于虚拟仪器的温度检测与控制
虚拟仪器（VI， Virtual Instrument）：是 一种以计算机和测 试模块的硬件为基 础、以计算机软件 为核心所构成的， 并且在计算机屏幕 上显示虚拟的仪器 面板，可由用户软 件来定义仪器功能 的仪器。
第9页
1986年，美国国家仪器公司（NI, National Instruments）提出了虚拟仪器 （Virtual Instrument）的概念。 同年10月正式发布图形化编程的虚拟仪 器设计软件LabVIEW。 1990年代，虚拟仪器得到业界广泛认可 和应用，相继推出了基于GPIB总线、 PC-DAQ和VXI总线、PXI总线等多种虚 拟仪器系统。
工业自动化 控制工程 石油和天然气工程 工业机器人 SCADA 晶片传送手臂
第21页
食品加工 机器视觉 制药生产 过程自动化 统计流程控制 机械制造
仪器制造业
传统仪器制造成本高，中高档仪器价格昂贵。 虚拟仪器技术降低了市场门槛 。 采用虚拟仪器技术，很多功能可由软件实现， 可开发出质优价廉的仪器。 发达国家的市场退出成本较高，我们及时进入 市场，能形成后发优势。略过传统仪器的发展 阶段，迅速进入下一代仪器发展阶段，造成仪 器技术的跨跃式发展态势。
第16页
3.各部分基本功能
虚拟仪器的内部功能，可划分为信号采集与控制、数据分析与 处理、参数输入与结果输出三大功能模块。 信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器 驱动程序共同完成，而数据分析与处理、参数输入与结果输出 则主要由用户应用软件完成。
传统仪器 硬件（电子线路） 数据采集
硬件是基础，软件是核心。
第20页
1.5 虚拟仪器技术应用
应用广泛
从军事到民用； 特别是仪器制造业、工业自动化、实验室建设等领域。 测试测量
声学测试 汽车测试 计量校准 光纤校准 研发调试 通信测试 设备测试 生物医学研究 电子与非电子测试 光学度量和测定 半导体测试 振动测试
工业自动化
利用虚拟仪器技术，可设计出与实际仪器在原理 、功能和操作等方面完全一样的虚拟仪器，降低 了实验室建设与管理成本。
第27页
全国虚拟仪器大赛
中国仪器仪表学会、教育部高等学校仪器科学与 技术教学指导委员会主办，NI公司协办
http://www.gsdzone.net/vicontest/
第28页
全国虚拟仪器大赛
大赛分为软件组和综合组 “2013年第二届全国虚拟仪器大赛”获得 了全国各高校师生的广泛关注，共有来自 全国 132 所高校的 1469 支队伍报名参加， 涉及全国 27 个省 59 个城市。
作品涵盖通信、机器人、智能家居、医疗 、绿色环境、建筑监测、汽车等诸多方面 的创新应用。
第11页
（4）虚拟仪器之“虚拟”含义： 虚拟仪器面板；
软件实现仪器功能。 （5）Байду номын сангаас此，软件是虚拟仪器的核心。
NI公司提出“软件即仪器”（The software is the instrument）。
“软件定义仪器”
第12页
与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点： （1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性） 好； 充分利用计算机丰富的软硬资源。 仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的 硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪 器）。 仪器升级方便，性价比高（一机多用）。 基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟 仪器”。 （2）操作方便； 通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面 板。
Serial
VXI
第18页
GPIB 等
2. 虚拟仪器的软件开发环境
（1）通用的可视化软件编程环境
Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise 公司的Delphi和C++ Builder等。
（2）专用于虚拟仪器开发的软件编程环境
文本编程环境：NI LabWindows/CVI。 图形化编程（G语言）环境：Agilent VEE 、NI LabVIEW；
其中，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室 虚拟仪器工程平台）是目前最流行、应用最 广、发展最快、功能最强的图形化软件。非 常适于仪器、测量与控制领域的虚拟仪器软 第19页 件开发。
虚拟仪器的系统构成 硬件和软件两大部分构成。
第30页
本章思考题 1.什么是虚拟仪器？如何理解虚拟仪器中的“虚拟” 二字？ 2.虚拟仪器与传统仪器比较有何特点？ 3.虚拟仪器的系统组成是怎样的？如何理解“软件定 义仪器”？
第31页
价格 功能可塑性
系统开放性
价格低、可复用与可重配置性强 用户定义仪器功能，柔性
开放、灵活，与计算机技术同步 发展 易与网络及其他周边设备互连
第14页 无限的显示选项、界面友好
价格昂贵
厂商定义仪器功能， 刚性 封闭、固定 功能单一的独立设备
构成复杂系统 能力 人机交互
有限的显示选项
1.3 虚拟仪器的系统结构
第3页
仪器的发展历史
第二代仪器：数字化仪器 数字化仪器目前相当普及，如数字电压 表、频率计等。这类仪器将模拟信号的 测量转化为数字信号的测量，并以数字 方式输出最终结果。
第4页
仪器的发展历史 第三代仪器：智能仪器
智能仪器内置微处理器，能进行自动测量， 具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力 劳动。它的全部功能全部都是以硬件（或固 化的软件）的形式存在，无论是开发还是应 用，都缺乏灵活性。 目前，仪器领域正在进行第三次仪器革命，这 次革命是由通用计算机硬软件技术的进步引起 的，这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时 期：虚拟仪器时代。
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2. 虚拟仪器的通用硬件平台
硬件平台由两部分组成： 1、计算机可以是笔记本计算机、PC机或工作站； 2、仪器硬件：可以是插入式数据采集板（含信号 调理电路、A／D转换器、数字 I／O、定时器、D ／A转换器等），或者是带标准总线接口的仪器 (如 GPIB仪器、VXI仪器、RS－232仪器等)。
虚 拟 仪 器 设 计
主讲教师：陈慧
第1页
第1章 虚拟仪器概述
1.1 虚拟仪器形成背景 1.2 虚拟仪器的基本概念
1.3 虚拟仪器的系统结构
1.4 虚拟仪器的软件系统 1.5 虚拟仪器技术应用
第2页
1.1虚拟仪器的形成背景 仪器的发展历史
第一代仪器：模拟仪器
如指针式万用表，它们的基本特征 是采用模拟电子技术实现，采用指 针显示结果。
虚拟仪器技术至今经历了将近30年的快 速发展。
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2. 虚拟仪器的特点
（1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括计算机和测试 模块）； 相同的硬件平台下，通过软件设计可实现不同 的虚拟仪器。 （2）良好的人机界面。 虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通 过“控件”虚拟出面板）； （3）功能强。 虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。
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第四代仪器：虚拟仪器
虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相 结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大 变革，是将来仪器发展的一个重要方向。
第6页
1.2 虚拟仪器的基本概念
1. 虚拟仪器的定义
传统仪器：特定功能和仪器外观。
第7页
基于虚拟仪器的温度检测与控制系 统
第8页
如：虚拟示波器
硬件（电子线路）
信号处理
硬件（旋钮与显示器）
参数输入与结 果输出
虚拟仪器
硬件（配合驱动程 序）
计算机软件（算法）
计算机硬件 （虚拟旋钮与显示器）
计算机系统资源 第17页
1.4 虚拟仪器的软件系统
1. 虚拟仪器的软件结构
包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分
应 用 软 件 仪器驱动程序 I/O 接口软件（VISA 库）
第22页
工业自动化
在完成风力涡轮发电塔的装载和安装前，必须对 变速箱的性能进行校验，需要采集如振动、噪声 、润滑油温度及齿轮啮合关系等数据。
第23页
第24页
盲人开车
美国弗吉尼亚理工大学的9名大学生设计了盲人驾 驶系统，利用激光测距仪作为环境探测器，扫描 驾驶环境中的交通路标及其它障碍。帮助盲人驾 驶员成功地驾驶汽车，控制汽车速度并在行驶时 避免碰撞。 第25页
家居监控机器人
在2010世博会中展出。通过 网络监控家居环境中的各种 家电，具有语音和人脸识别 等人机交互功能，具有双机 械臂完成一些取物、递送等 任务，并且可以作为智能轮 椅载人移动。
第26页
实验室建设
传统的实验室需购置大量的基础测量仪器，如示 波器、万用表、信号源等，设备投资大，技术更 新快、维护困难。
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参考文献
[1] NI公司网站：www.ni.com [2] 赵会兵. 虚拟仪器技术规范与系统集成，清华大学出 版社 [3] 詹惠琴、古军、袁亮. 虚拟仪器设计，高等教育出版 社 [4] 袁渊、古军、古天祥、习友宝等. 虚拟仪器基础教程， 电子科技大学出版社 [5] 张重雄．虚拟仪器技术分析与设计．电子工业出版社
第13页
虚拟仪器与传统仪器的比较：
比较内容 系统构成
开发周期 开发费用 技术更新周期
虚拟仪器 软件和通用硬件。软件是关键
开发时间短、技术要求低、系统 通用性强
传统仪器 专用硬件系统
开发时间长、技术要 求高、系统功能 较专一 开发与维修开销高 长（5~10年）
软件使得开发和维护费用降至最 低
短（1~2年）
基于虚拟仪器的温度检测与控制
虚拟仪器（VI， Virtual Instrument）：是 一种以计算机和测 试模块的硬件为基 础、以计算机软件 为核心所构成的， 并且在计算机屏幕 上显示虚拟的仪器 面板，可由用户软 件来定义仪器功能 的仪器。
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1986年，美国国家仪器公司（NI, National Instruments）提出了虚拟仪器 （Virtual Instrument）的概念。 同年10月正式发布图形化编程的虚拟仪 器设计软件LabVIEW。 1990年代，虚拟仪器得到业界广泛认可 和应用，相继推出了基于GPIB总线、 PC-DAQ和VXI总线、PXI总线等多种虚 拟仪器系统。
工业自动化 控制工程 石油和天然气工程 工业机器人 SCADA 晶片传送手臂
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食品加工 机器视觉 制药生产 过程自动化 统计流程控制 机械制造
仪器制造业
传统仪器制造成本高，中高档仪器价格昂贵。 虚拟仪器技术降低了市场门槛 。 采用虚拟仪器技术，很多功能可由软件实现， 可开发出质优价廉的仪器。 发达国家的市场退出成本较高，我们及时进入 市场，能形成后发优势。略过传统仪器的发展 阶段，迅速进入下一代仪器发展阶段，造成仪 器技术的跨跃式发展态势。
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3.各部分基本功能
虚拟仪器的内部功能，可划分为信号采集与控制、数据分析与 处理、参数输入与结果输出三大功能模块。 信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器 驱动程序共同完成，而数据分析与处理、参数输入与结果输出 则主要由用户应用软件完成。
传统仪器 硬件（电子线路） 数据采集
硬件是基础，软件是核心。
第20页
1.5 虚拟仪器技术应用
应用广泛
从军事到民用； 特别是仪器制造业、工业自动化、实验室建设等领域。 测试测量
声学测试 汽车测试 计量校准 光纤校准 研发调试 通信测试 设备测试 生物医学研究 电子与非电子测试 光学度量和测定 半导体测试 振动测试
工业自动化
利用虚拟仪器技术，可设计出与实际仪器在原理 、功能和操作等方面完全一样的虚拟仪器，降低 了实验室建设与管理成本。
第27页
全国虚拟仪器大赛
中国仪器仪表学会、教育部高等学校仪器科学与 技术教学指导委员会主办，NI公司协办
http://www.gsdzone.net/vicontest/
第28页
全国虚拟仪器大赛
大赛分为软件组和综合组 “2013年第二届全国虚拟仪器大赛”获得 了全国各高校师生的广泛关注，共有来自 全国 132 所高校的 1469 支队伍报名参加， 涉及全国 27 个省 59 个城市。
作品涵盖通信、机器人、智能家居、医疗 、绿色环境、建筑监测、汽车等诸多方面 的创新应用。
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（4）虚拟仪器之“虚拟”含义： 虚拟仪器面板；
软件实现仪器功能。 （5）Байду номын сангаас此，软件是虚拟仪器的核心。
NI公司提出“软件即仪器”（The software is the instrument）。
“软件定义仪器”
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与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点： （1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性） 好； 充分利用计算机丰富的软硬资源。 仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的 硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪 器）。 仪器升级方便，性价比高（一机多用）。 基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟 仪器”。 （2）操作方便； 通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面 板。
Serial
VXI
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GPIB 等
2. 虚拟仪器的软件开发环境
（1）通用的可视化软件编程环境
Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise 公司的Delphi和C++ Builder等。
（2）专用于虚拟仪器开发的软件编程环境
文本编程环境：NI LabWindows/CVI。 图形化编程（G语言）环境：Agilent VEE 、NI LabVIEW；
其中，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室 虚拟仪器工程平台）是目前最流行、应用最 广、发展最快、功能最强的图形化软件。非 常适于仪器、测量与控制领域的虚拟仪器软 第19页 件开发。
虚拟仪器的系统构成 硬件和软件两大部分构成。
第30页
本章思考题 1.什么是虚拟仪器？如何理解虚拟仪器中的“虚拟” 二字？ 2.虚拟仪器与传统仪器比较有何特点？ 3.虚拟仪器的系统组成是怎样的？如何理解“软件定 义仪器”？
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价格 功能可塑性
系统开放性
价格低、可复用与可重配置性强 用户定义仪器功能，柔性
开放、灵活，与计算机技术同步 发展 易与网络及其他周边设备互连
第14页 无限的显示选项、界面友好
价格昂贵
厂商定义仪器功能， 刚性 封闭、固定 功能单一的独立设备
构成复杂系统 能力 人机交互
有限的显示选项
1.3 虚拟仪器的系统结构
第3页
仪器的发展历史
第二代仪器：数字化仪器 数字化仪器目前相当普及，如数字电压 表、频率计等。这类仪器将模拟信号的 测量转化为数字信号的测量，并以数字 方式输出最终结果。
第4页
仪器的发展历史 第三代仪器：智能仪器
智能仪器内置微处理器，能进行自动测量， 具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力 劳动。它的全部功能全部都是以硬件（或固 化的软件）的形式存在，无论是开发还是应 用，都缺乏灵活性。 目前，仪器领域正在进行第三次仪器革命，这 次革命是由通用计算机硬软件技术的进步引起 的，这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时 期：虚拟仪器时代。