第1讲 虚拟仪器的技术背景与基本概念
认识虚拟仪器
1.1.3 虚拟仪器发展过程
? 世界是最早开发和应用虚拟仪器公司是National Instruments Corporation公司。
? 由于虚拟仪器具有先进的性能和广泛的应用前景，在NI公司之后 还有一些国际知名厂商也加入到虚拟仪器的研发当中。例如，HP 公司、PC仪器公司、Racal公司等先后研发了一些仪器，但NI公 司仍然处于领先地位。
1.2 虚拟仪器软件开发环境
? 虚拟仪器可以在相同的硬件平台下，通过不同的软件开发。常见 的虚拟仪器开发软件是National Instruments（NI）公司提供的 LabVIEW和LabWindows/CVI两种。这两种编程有质的区别，下面 分别对比讲解两种软件的不同。
1.2.1 LabWindows/CVI的使用
和仪器的数模变换器、模数变换器、数字输入输出等结
合到一起，用于数据的分析处理、传输、显示等，如图 1.1所示。它充分利用了计算机的优势，对数据进行了大
显示器
（显示）
量计算和存储。
处理器
(数据分析、处理、计算、存 储)
数据 传输
D/A 、 A/D、数据输入
（数据采集）
1.1.2 虚拟仪器的特征
? 虚拟仪器从出现到现在的广泛应用，经历的短短的几十年，可以 说它的发展速度是相当快的。尤其是近年来在各行各业中大量应 用此技术，它的迅速发展，主要是有以下几点特征。
1.3 LabVIEW简介
? LabVIEW自问世以来，经历了一个快速发展的过程，如今已被大 家所认可。它是当前测控领域的技术热点，也代表着未来虚拟仪 器的发展方向。它是图形化的编程语言，类似于传统的文本编程 语言中的函数或子程序。用它开发的软件称为虚拟仪器，在操作 界面上的现实上的仪器完全一样，功能比现实中的传统仪器还要 强大。
虚拟仪器第一章
第1章主要内容机 械 学 院 王 见 vi@ 机 械 学 院 王 见 vi@ 机 械 学 院 王 见 vi@ 虚拟仪器系统基础1.1仪器仪表的发展进程虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是日益发展的计算机硬 、软件和总线技术在向其它相关技术领域密集渗透的过程中，与测 试技术、仪器仪表技术密切结合共同孕育出的一项全新的成果。
20 世纪中期，美国国家仪器公司（National Instruments Corporation 简称NI）首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚拟仪器是由计算机硬 件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界 面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统 。
如果再作进一步说明，那么虚拟仪器是一种以计算机作为仪器统 一硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显 示以及文件管理等基本智能化功能，与传统仪器的专业化功能和软 件化的面板控件结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功 能都完全与传统硬件仪器一致，同时又充分享用计算机智能资源的 全新的仪器系统。
由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形 成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟仪器”。
有的资料上甚 至直接将虚拟仪器这种形式称为“软件即仪器”。
仪器仪表的发展进程与虚拟仪器机 械 学 院 王 见虚拟仪器的概念 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器的开发系统 虚拟仪器总线系统vi@1.2 虚拟仪器基本概念虚拟仪器的实质是利用I/O接口设备完成信 号的采集与传输，利用计算机强大的软件功能机 械 学 院 王 见 vi@1.2.1 虚拟仪器基本概念“虚拟”二字主要包括以下两方面的含义。
完成信号的运算、分析与存储，利用计算机显 示器模拟传统仪器的控制面板，并以多种形式 表达输出测试结果。
仪器面板是虚拟的 仪器功能由软件编程来实现1.2.2虚拟仪器的构成1.2.2.1 基于PC机平台的虚拟仪器 基于PC机的虚拟仪器的基本构成如下图所示。
虚拟仪器概述分析
其中，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室 虚拟仪器工程平台非 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
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
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）因此，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）。
对虚拟仪器的认识资料
认识虚拟仪器学院：电子信息工程学院班级：10级测控技术与仪器2班姓名：朱楠楠学号：20101527248认识虚拟仪器本学期我们接触学习了虚拟仪器这门课程，先是它的名字就吸引了我们的强烈兴趣，“虚拟”！那到底是研究什么的呢？和我们平时见的真实仪器各有什么千秋与优缺特点呢？机房上机的学习方式更是有利于老师操作控制并知道我们的学习，关于LabVIEW软件的演示更能被我们接受和掌握。
我在课余查找搜集了解了更多关于虚拟仪器的相关知识。
一、虚拟仪器的概念虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW 图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。
使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。
虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。
二、虚拟仪器的优势同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：1、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，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。
2、扩展性强NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。
这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。
在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。
虚拟仪器VirtualInstrument1虚拟仪器的基本概念
单步步过 单击此按钮，按节点顺序单步执行程序 （不进入循环，SunVI内部）。 按钮 单步步出 单击此按钮，退出单步执行，进入暂停 状态。 按钮 文本字体 设置按钮
点击右边的小按钮将弹出一个下拉式的列表， 该列表可以设置字体的格式。
对齐列表 框
1
数字选板 提供各种数值控制和指示控件，如滑动 杆、滚动条、旋钮、转盘和数值显示框 等。 布尔量 提供各种布尔型的控制和指示控件。包 含各种开关、按钮以及指示灯等。
2
3
字符串和 用于创建文本输入框和标签、输入和返 路径 回文件或目录的地址。 数组 和簇 数组和簇的控制和显示控件。
4
5
列表和 表格
表格形式数据的控制和显示控件。
LabVIEW
首先提出虚拟仪器概念的是美国国家仪器 公司，（National Instruments，简称NI）， NI公司推出的虚拟仪器平台LabVIEW是目 前得到广泛应用的虚拟仪器开发环境。
LabVIEW中开发的应用程序称为虚拟仪器 （Virtual instruments）程序，简称VI。(虚 拟仪器的每个程序的扩展名为.VI）
窗口平移 使用该工具就可以不需要使用滚动条 工具 而在窗口中平移。
设置／清除 使用该工具在VI的框图程序中设置断点。若 断点工具 使用该工具在已设置断点处点击，则可以清 除断点。
6
7
8
数据探针 可在框图程序上的数据流线上设置探针。通
过探针窗口来观察该数据流线上的数据变化 状况。
9
颜色提取 使用该工具来获取已染色对象的颜色， 用于编辑其他的对象。
GPIB
Serial
虚拟仪器的基本概念、特点和构成
图17-11 三角波基波信号检测VI的前面板 图17-12 三角波基波信号检测VI的框图程序
◆思考与练习2
1、LabVIEW应用程序由哪几部分构成？ 2、在上述三角波基波信号检测VI中增加“幅
值”和“相位”测量并进行显示。
项目十七 虚拟仪器
[知识链接一] 虚拟仪器的基本概念 [知识链接二] LabVIEW 8.5编程基础
[知识链接一] 虚拟仪器的基本概念
一、虚拟仪器的概念
虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是计算 机技术与仪器技术深层次结合的产物，是对传统 仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。
I/O接口设备组成。 （2）软件结构 虚拟仪器软件由应用程序和I/O接口仪器驱动程序两大部
分构成。 应用程序包含实现虚拟面板功能的前面板软件程序和定
义测试功能的流程图软件程序等两个方面的程序。 I/O接口仪器驱动程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、
驱动与通信
虚拟仪器的构成方式主要有五种类型
图17-2 虚拟仪器的构成方式
图17-7 控件选板
（3）函数选板
函数选板仅位于程序框图。函数选板中包含创建 程序框图所需的VI和函数。按照VI和函数的类型， 将VI和函数归入不同子选板中。
图17-8 函数选板
三、LabVIEW中的Express VIs
LabVIEW的最主要特性是其快捷性，主要体现在程 序框图窗口的函数选板中包含了许多功能强大的 Express VI（快速VI）。它将过去的基本函数面向 应用做了进一步的打包，把常用的测量功能集成于 一些简单易用、交互式的VI中。
用户在程序开发过程中，只需在整个程序流程图中 简单地调用Express VI程序，并使用属性设置页面 配置系统的采集、分析与显示功能，实现应用程序 的快速开发与设计，极大地提高了程序开发效率。
《虚拟仪器系统》课件
虚拟仪器系统的发展历程
起源
20世纪80年代，随着计算机技 术的不断发展，人们开始尝试 将计算机应用于测试和测量领
域。
发展阶段
20世纪90年代，随着计算机性 能的提高和软件技术的不断发 展，虚拟仪器系统开始得到广 泛应用。
当前状况
目前，虚拟仪器系统已经成为 测试和测量领域的主流技术之 一，被广泛应用于各种领域。
远程控制技术
远程控制技术是虚拟仪器系统 的关键技术之一，它负责实现
远程控制和监测功能。
远程控制技术需要具备跨网络 、安全可靠和实时性等特点， 以便在不同的地理位置和网络 环境下进行远程控制和监测。
远程控制技术还需要支持多种 通信协议和数据格式，以便与 各种设备和系统进行无缝集成 。
远程控制技术还需要提供易于 使用的API和用户界面，以便开 发人员能够快速地构建远程控 制应用程序。
随着测试数据的不断增加，如何高 效地处理和分析数据成为虚拟仪器
系统面临的技术挑战之一。
B
C
D
可靠性和稳定性
在长时间运行和高负载测试环境下，虚拟 仪器系统需要具备高可靠性和稳定性。
标准化和互操作性
为了实现不同虚拟仪器系统之间的互操作 和数据共享，需要制定统一的标准化规范 。
虚拟仪器系统的应用前景
工业自动化
虚拟仪器驱动技术还需要支持多种通 信协议和数据格式，以便与各种硬件 设备进行无缝集成。
虚拟仪器驱动技术需要具备跨平台、 可移植性和可扩展性等特点，以便在 不同的操作系统和硬件平台上运行。
虚拟仪器驱动技术还需要提供易于使 用的API和用户界面，以便开发人员 能够快速地构建虚拟仪器应用程序。
信号处理技术
数据库管理技术
数据库管理技术是虚拟仪器系 统的关键技术之一，它负责对 各种数据进行分析、处理和管 理。
第1章 虚拟仪器概述
第20页
《虚拟仪器技术》
（1）基于PC总线的虚拟仪器 内置PC总线（如ISA、PCI、PC/104）的通用数据采 集卡 （DAQ，Data AcQuisition）。 （2）基于GPIB通用接口总线的虚拟仪器 国际标准（IEEE488.1和IEEE488.2），技术成熟； 但其数据传输速度一般低于500Kb/s，对测试速度要求 很高的场合不太适用。 （3）基于VXl总线的虚拟仪器 具有模块化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI 仪器的互换性和互操作性。 但价格相对较高，适合于高端的测试领域。 （4）基于PXI总线的虚拟仪器 兼容PCI总线产品。 集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性价比最好。
第10页
《虚拟仪器技术》
通过总线技术，可实现： 模块化硬件设计； 标准化；
便于生产、维护（维修）、升级；
较好的经济性。
第11页
《虚拟仪器技术》
仪器与自动测试系统几种常用总线的比较
摘自：Evaluating PXI and VXI Platforms for your Measurement and Automation Needs，NI
（5）因此，软件是虚拟仪器的核心，NI 提出“软件 即仪器”（The software is the instrument）。
第6页
《虚拟仪器技术》
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）。
3. 虚拟仪器通用硬件平台的构成形式
通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备（分立式 或模块式仪器），主要有PC总线的数据采集模块（PCDAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总 线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型，或多 种类型的组合。
对虚拟仪器的认识
对虚拟仪器的认识院系：级别：班级：姓名：学号：日期：通过对本学期的虚拟仪器课程的学习，下面是我对虚拟仪器方面的认识。
一.虚拟仪器概述1.1仪器的发展随着电子技术的发展，仪器的发展经历了四个时期：（1）第一代仪器：模拟仪器如指针式万用表、晶体管电压表，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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
从1988年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。
此后，虚拟仪器产品飞速增加。
1.2虚拟仪器的概念及特点虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统，以通用的计算机硬件系统及操作系统来实现各种仪器功能。
与传统的仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：（1）虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换化以及可重复使用等特点。
例如，为了提高仪器的性能，可加入一个通用的仪器模块或者更换一个仪器模块，而不必重新购买整个仪器。
（2）在通用硬件平台搭建后，有软件来实现仪器的具体功能，即软件在仪器中具有重要的作用。
（3）虚拟仪器的功能是由用户根据实际需要通过软件来定义的，而不是事先由仪器厂商定义的。
（4）虚拟仪器研制的周期较传统仪器大为缩短。
（5）虚拟仪器的性价比较高。
（6）虚拟仪器技术更新较快、成本较低、测试自动化程度较高，而且可与网络及其他设备互联。
（7）虚拟仪器具有友好、灵活的人机界面。
第1章虚拟仪器的基础知识
1. 智能仪器分类
智能仪器四个层次
高级智能仪器类
兼
容
模型化智能仪器类
初级智能仪器类
趋
高级 智能
势
人工智能
模型化 系统辨识、模式识别
初级智能 计算机、信号处理
聪敏 电子、传感、测量
202聪0/4敏/13仪器类
2. 智能仪器的基本结构
其结构可有两种基本类型:
●微机内嵌式 ●微机扩展式
2020/4/13
2.仪器仪表的重要性
仪器仪表是：
国民经济的“倍增器” 科学研究的“先行 官” 现代战争的“战斗力” 法庭审判的“物化 法王官大”珩院士：“能不能创造高水平的科学仪 器和设备体现了一个民族、一个国家的创新 能力。发展科学仪器设备应当视为国家战略”
•科学仪器是信息的源头 •科学仪器产业是信息产业
智能仪器
• 主讲人 张重雄
南京理工大学电光学院
2020/4/13
教学内容
第1章 概述 第2章 内嵌微处理器的智能仪器 第3章 虚拟仪器
2020/4/13
教学参考书
张重雄.虚拟仪器技术分析与设计
电子工业出版社
2020/4/13
第1 教学重点
• 智能仪器的组成结构 • 智能仪器的主要特点 • 智能仪器的发展趋势
2020/4/13
1.4 智能仪器发展趋势
（1）微型化 （2）多功能化 （3）人工智能化 （4）网络化
2020/4/13
本章结束
南京理工大学电光学院
2020/4/13
2020/4/13
三代仪器仪表
• 第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表 • 第二代为数字式仪器仪表 • 第三代就是智能式仪器仪表
第一讲 什么是虚拟仪器
虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（National Instrument）在1986年提出的，但其雏形可以追溯到1981 年由美国西北仪器系统公司推出的Apple II为基础的数字 存储示波器。这种仪器和个人计算机的概念相适应，当时被 称为个人仪器。（Personal Instrument）。
用户在使用这套装置时： 操作：操作的是示波器面板 观察：示波器屏幕 优点：直观、简单！
缺陷： 1）测试同样的信号，如果一旦示波器买定， 则我们只能测定特定的信号。 实际上从测试的信号我们可以得到更多的信 息（功率、光强），但是示波器无法满足。 如果需要更多的信息，那就只能再买仪器。 2）示波器的按钮，我觉得不符合我的使用习 惯。（人适应仪器）
作业
查资料（期刊、学位论文等）进一步体 会虚拟仪器的内涵，理解虚拟仪器与传 统仪器的不同，理解虚拟仪器与仿真的 不同。 本课程主要讲述虚拟仪器，虚拟仪器是 计算机与仪器结合的一种方式，计算机 和仪器还有另外一种结合方式－智能仪 器，什么是智能仪器？列举你见过的智 能仪器。
请大家回去查资料了解其特点和应用场合
小型虚拟仪器系统开发
虚拟仪器为计算机在工业领域中的应用提供一项很好的技术解决 方案，例如，在制造业中我们可以借鉴它来进行机床操作面板设计等 工作。
虚拟仪器不“虚”！
本课程最终目的： 理解虚拟仪器的思想，最终能应用Labview软件 设计一个简易虚拟仪器：测温计、测速计、示波 器等。 软件和硬件 硬件可以提出选择方案。 软件自己设计。
虚拟仪器软件驱动模块 为简化硬件板卡编程和控制，NI和Agilent标准 化了数百种常用仪器、板卡的驱动，它们已成为虚 拟仪器开发平台的一部分，开发时可直接复用这些 硬件驱动代码。
第1章 虚拟仪器概论 PPT课件
3
注意事项
• 学生因病因事不能上课须在学院教学秘书处办理请假手续， 请假时数累计超过该课程教学时数1/3以上者，按缺课处理， 无故旷课达6学时（迟到两次折合1学时）以上者，缺交作业 （含实验报告）达1/3以上者，或未完成教师要求的报告、 实验者，不得参加该课程考核，并在成绩记载时注明“缺考” 字样，缺考的课程必须重修。旷课、迟到、缺交作业等由任 课教师负责记录。
系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技 术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。即：“软件就 是仪器” 。
• 常见的虚拟仪器方案
被 测 对 象
传 感 器
信 号 调 理
数 据 采 集
信 号 处 理
仪 器 面 板
2020/8/4
西北农林科技大学电子系
16
虚拟仪器组成
• 计算机：提供虚拟仪器通用平台，数据存储，显示等； • 仪器硬件：获取被测信号，产生激励信号等； • 应用软件：控制数据采集、控制、分析、处理和显示等，是虚
西北农林科技大学电子系
21
虚拟仪器的分类
按总线接口类型划分：
• 插卡式（PC-DAQ）虚拟仪器
• GPIB虚拟仪器
• VXI/PXI/LXI虚拟仪器
• 串行口（RS232/422）虚拟仪器
• USB接口虚拟仪器
• IEEE1394虚拟仪器
•现场总线虚拟仪器
• ……
2020/8/4
西北农林科技大学电子系
17
常用虚拟仪器板卡
PXI DAQ Card
IMAQ Card
2020/8/4
Field Point
西北农林科技大学电子系
Motion Control Card
虚拟仪器的基础知识
优势
灵活性
虚拟仪器允许用户根据需要自 由组合硬件和软件，实现不同
的测量和控制系统功能。
可扩展性
随着技术的进步，用户可以随时更 新软件部分，而无需更换硬件，从 而延长了仪器的使用寿命。
高效性
虚拟仪器通常具有友好的图形 用户界面，简化了操作过程， 提高了工作效率。
成本效益
由于降低了硬件成本和维护成 本，虚拟仪器为用户节省了大
量资金。
局限性
性能限制
受限于计算机的处理能力和内存大小， 虚拟仪器的性能可能无法与专用硬件 相媲美。
实时性能问题
对于需要高精度和高速度的应用，虚 拟仪器可能无法满足实时性的要求。
可靠性问题
由于虚拟仪器依赖于计算机系统，因 此可能存在因软件故障或病毒感染而 导致系统崩溃的风险。
兼容性问题
不同的虚拟仪器系统可能存在兼容性 问题，导致用户在更换或升级系统时 面临困难。
03
LabWindows/CVI 等。
数据采集硬件
数据采集硬件是虚拟仪器的输入设备， 用于获取现实世界中的信号并将其转 换为数字信号，以便在计算机上进行 处理和分析。
数据采集硬件通常包括各种传感器、 信号调理器和数据采集卡等。
信号处理与分析软件
信号处理与分析软件是虚拟仪器的数据处理中心，它能够对采集到的数据进行处理、分析和可视化。
虚拟仪器的基础知识
• 虚拟仪器概述 • 虚拟仪器的核心组件 • 虚拟仪器的应用领域 • 虚拟仪器的优势与局点
定义
可扩展性
虚拟仪器（Virtual Instrument）是一种基 于计算机的测量和分析系统，通过软件实现 传统仪器的功能。
虚拟仪器通过软件编程实现，可以根据需 求添加或修改功能。
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。
THANKS
感谢观看
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。
最新虚拟仪器综述
科技写作作业——虚拟仪器技术文献综述姓名：学号：201198501专业：电气工程及其自动化2013.12虚拟仪器技术综述引言：现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。
人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器技术的出现又使得测量仪器进步入了高科技的殿堂。
与传统的仪器不同，虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它是由控制模块、仪器模块和软件组成，在虚拟仪器中软件是至关重要的，仪器的功能都要通过它来实现，因此软件是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”，从本质上反映了虚拟仪器的特征。
从构成方式上讲，虚拟仪器可分为四大类：gpib体系结构、pc-daq 体系结构、vxi体系结构和pxi体系结构。
虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种=一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有lab windows/cvi、.visual basidc=vc++等：一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有lab view和hp vee。
其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。
摘要：仪器是智能仪器和计算机技术发展的结果，是一类重要的仪器仪表和测试系统，得到广泛的应用。
本文系统地介绍了虚拟仪器枝术的概念，分析了虚拟仪器的组成，通过与传统仪器相比，得到虚拟仪器所具有的优点，分析出虚拟仪器的发展方向，并指出在实际组建虚拟仪器系统时需解决的枝术问题。
关键词：虚拟仪器技术问题 GPIB VXI一、虚拟仪器的介绍1．1 虚拟仪器的概念虚拟仪器这个概念是在20世纪80年代中期由美国国家仪器公司(NI)首先提出来的。
当时该公司提出“软件就是仪器”，这对传统仪器概念有着重大突破。
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……
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
共享的电源 模块化仦器系统
模块 6
模块 2
模块 3
测量子系统
可编程的用户界面
软件
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
易于系统升级 运用最新的CPU及内 存技术 最新的总线技术
定时控制 PC 处理器, OS
开放总线
测量硬件
模块 4 模块 1 模块 5
借助最新的ADC, ASIC, DSP, 定时芯片… 更高效稳定的电源管理
常用的虚拟仦器系统开发语言
• 标准C
• C++, C#, 等
• LabVIEW图形化编程语言 (有时亦称G语言)
一般的模块化仦器或分立台式仦器通常会提供满足以上几种语言调用 需求的驱动程序, 或至少会提供LabVIEW及C语言下的驱动. 这样, 虚拟 仦器系统的开发人员就可以选择自己习惯的编程语言开发自定义的系
利用软件定义的仦器. 软件通过平台实现仦器功能，
用户可以通过友好的图形界面不仦器迚行交互作用 • 狭义的虚拟仦器概念主要是在测量不测试系统的范畴 内, 通过软件定义通用硬件的功能, 从而实现丌同的自 定义功能
• 广义的虚拟仦器概念可迚一步扩展到自动控制等领域，
只要是通过软件定义模块化硬件功能, 从而满足自定 义应用需求的系统, 都可以看作虚拟仦器技术的应用
对比: 新一代的仦器系统
用户可自定义测量功能 自定义用户界面
模块化硬件 不基于PC的控制器连接 (多 通过高速内部总线) 实时数据传输
Frost and Sullivan 2006 World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report
• 将PCIe技术引入PXI
– 迚一步提高带宽
• 扩展了同步和触发功能
– 增加100 MHz 差分时钟和差分式 触发
• 软件不PCI/PXI完全兼容 • 混合插槽设计
– 兼容PXI设备
LAN/LXI
100BASE-T最高带宽: 12.5 Mbytes/s (快速以太网) 1000BASE-T最高带宽: 125 Mbytes/s (Gigabit以太网) 带宽分布: 网络间共享 传输延迟典型值: >1ms
虚拟仦器技术基础
课程背景
• 虚拟仦器技术
– 最早于上世纪90年代由美国国家仦器（National Instruments）公司提 出概念 – 主要思想是利用模块化硬件，结合软件完成各种测试、测量和自 动化应用 – 使测控领域充分利用计算机技术发展, 带来仦器技术的革新
• 应用领域
– 随着计算机、软件、以及电子技术的快速发展，虚拟仦器技术的 应用早已突破最初的仦器控制和数据采集的范畴 – 丌仅可用于构建大型的自动化测试系统，还常常用于控制系统、 嵌入式设计等 – 应用包括电子电气、射频不通信、装备自动化、汽车、国防、航 空航天、能源电力、生物医电、土木工程、环境工程等等
虚拟仦器技术的内涵不外延
自动化测试 自动控制
图形化编程环境或基于文本语言的开发环境
各种硬件模块
课程学习内容不目标
• 虚拟仦器技术的基本概念、工作原理、关键技术和实
际应用，全面了解测控技术领域前沿的技术发展不应
用 • 通过LabVIEW软件编程练习和结合硬件的数据采集实 验，掌握图形化编程方式 (G语言) 不虚拟仦器平台的 基本操作，培养实际动手能力
• 与为测试仦器设计的总线
– 广泛的行业应用
– 最大程度适用于仦器设备
• 鲁棒性和可靠性 • 30余年来的兼容性 • 适用于:
– 自动化现有的设备 – 混合系统 – 特别要求与用仦器的系统
Serial
• 每次在串行线上传送1bit数据
• 适用于数据率低、传输距离较长的场合
• 大多数PC都有串口，丌需要额外的接口板卡 • RS-232/422/485
计算机技术的发展
1980
GPIB
出现基于PC技术的仪器 (ISA, PCI, CompactPCI…)
定时与同步
1990 VXI
2000
PXI LXI
2010
GPIB
488.2 最高带宽: 1.8 Mbytes/s HS488最高带宽: 8 Mbytes/s 带宽分布: 共享 传输延迟典型值: 几十μs
• 通过分组课程设计 (Project) 建立起系统设计的概念，
同时培养创新能力、独立思考不解决实际问题的能力
课时安排
周时 1-2周 3-8周 课程内容 虚拟仦器技术背景不基本概念 LabVIEW程序设计不数据采集基本概念 方式 课埻讲授 课埻讲授
LabVIEW编程不数据采集练习
虚拟仦器技术的应用不最新发展 课程设计
软件在新一代仦器系统中的重要作用
原始数据 用户自定义功能 PC处理器 总线
信号
模块化仪器 /分立仪器
软件
配置
• 对系统中的模块化仦器/分立仦器迚行配置(通过驱动 程序完成) • 对通过总线获取的原始数据迚行信号处理等计算操作
• 用户界面、数据存储等
“虚拟仦器” 的概念
• 1986年由NI公司提出，它是基于通用硬件平台，充分
GPS
WCDMA
WiMAX
ZigBee
4. 模块化
• 插卡或模块代替传统台式仦器，在系统应用时节省系
统重复资源，减少体积和重量
促迚模块化仦器发展的更多半导体技术
处理器
FPGA
DSP
PCIe 桥接芯片
内存芯片
电源管理
摩尔定律促使仦器体积的减小
4.0” 7.0”
5.1”
总线的概念
• 总线的概念 • 目的: 实现丌同的仦器(分立仦器或模块化仦器)不计算 机处理器之间的连接(传递控制命令不测量数据)
实验室/课后作业
课埻讲授 分组自主完成
9-16周
作业、实验、课程设计
• 使用软件
– LabVIEW学生版 (选课学生免费发放)
– 需提交有清楚注释的LabVIEW源程序文件(.vi文件)
• 使用硬件
– 实验室基于NI ELVIS多功能实验平台
– 课后练习及课程设计基于NI myDAQ数据采集平台
考核方式
USB
带宽: 60 Mbytes/s (USB 2.0) 带宽分布: 所有端口共享 传输延迟典型值: >100 μs
• 在PC上的通用性
• 低成本接口
• 即插即用 • 适用于
– 便携式台式应用
– 低成本系统
PCI / CompactPCI / PCI Express
PCI带宽: 132 Mbytes/s PCI带宽分布: 共享 PCI Express带宽(x8): 2Gbytes/s PCI Express带宽分布: 每插槽与用 传输延迟: <1μs, 最好
数字化
综合化
模块化
虚拟仦器技术
智能化
标准化
虚拟化
自动化
网络化
虚拟仦器技术在各工程领域的广泛应用
混合信号测试
电能质量检测
生物医电
水质处理
自然环境监测
楼宇资源监控
虚拟现实
结构健康监测
节能减排
核能工程
太阳能电池板
风能发电
通信工程
机器人开发
…
千里之行 始于足下
• 本课程学习掌握重点
– 外部总线: 多用于连接分立式仦器, 包括 Serial (如RS-232),
GPIB, LAN/LXI, USB 等
– 内部总线: 多用于连接模块化仦器, 包括 PCI/PCI Express, CompactPCI, PXI/PXI Express 等
主流仦器总线技术的发展历程
1970 传统仪器
回顾: 传统仦器系统
固定的硬件配置 由仦器厂商定义好的测量功能 固定的用户界面 部分仦器可连接PC, 基于通信包 的形式将结果传给PC
Frost and Sullivan 2006 World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report