虚拟仪器设计.pptx
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第12页
《虚拟仪器技术》
（2）虚拟仪器是技术发展的结果
➢ 计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子 技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用， 使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与 系统的结构不断推陈出新，电子测量仪器及自动测试系 统的结构也发生了质的变化，功能与性能得到不断提高。
长（5~10年） 价格昂贵
功能可塑性
用户定义仪器功能，柔性
厂商定义仪器功能，刚 性
系统开放性
开放、灵活，与计算机技术同步发展 封闭、固定
构成复杂系统能 力
易与网络及其他周边设备互连
功能单一的独立设备
人机交互
无限的显示选项、界面友好
有限的显示选项
第8页
《虚拟仪器技术》
1.2 虚拟仪器的形成和发展
1. 虚拟仪器形成的背景
✓ 片内总线：微处理器芯片内连接内部各逻辑单元；
✓ 片间总线：元件级总线（如典型的微机“三总线结 构”）。还有串行总线，如：Motorola的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围接口）、Philips的I2C （Inter IC bus，片间总线）、NS的MicroWire（串行 同步双工通信接口）等。
➢ （4）虚拟仪器之“虚拟”含义： ✓ 虚拟仪器面板； ✓ 软件实现仪器功能。如：基于高速数据采集硬件， 通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚 拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频 率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。
➢ （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）。
➢ 计算机（PC机）处于核心地位，计算机软件技术和仪器 与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。
➢ 在上述的背景下，提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。 ➢ 1986年，美国国家仪器公司（NI, National Instrument）
《虚拟仪器技术》
第1章 虚拟仪器概述
本章概述 1.1 虚拟仪器的基本概念 1.2 虚拟仪器的形成和发展 1.3 虚拟仪器的系统结构 1.4 虚拟仪器的软件系统 1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成 1.6 虚拟仪器技术应用 本章总结
第1页
《虚拟仪器技术》
1.1 虚拟仪器的基本概念
1. 虚拟仪器的定义
✓ 内总线：板级总线。如个人计算机的PC/XT、PC/AT、 ISA、EISA、MCA、PCI，及工业控制的STD、VME、 CompatPCI，仪器与测量系统的CAMAC、VXI、 PXI等。
✓ 外总线：外部通信总线。如RS-232/485、USB、 IEEE1394、EPP、SCSI；现场总线CAN、LONworks、 FF；仪器与测量系统的GPIB、CAMAC、HP-IL、 MXI等。
第10页
➢ 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。
《虚拟仪器技术》
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
采集 信号
调理、采集 硬件
测量 数据
软件 计算机
输出 数据
仪器面板、 鼠标、键盘
用户
激励信号
控制参数
数据命令
采集和产生
控制和处理
键入命令 显示和输出
➢ （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
《虚拟仪器技术》
Vi 输入电路
A/D
RAM
控制系统
《虚拟仪器技术》
PC机
第3页
➢ 虚拟数字电压表
➢ 基于虚拟仪器的 温度检测与控制
《虚拟仪器技术》
第4页
《虚拟仪器技术》
2. 虚拟仪器的特点
➢ 从虚拟仪器的组成结构上来看：
➢ （1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用 的测量功能硬件）；
被测 对象
第7页
《虚拟仪器技术》
虚拟仪器与传统仪器的比较：
比较内容
虚拟仪器
传统仪器
系统构成
软件和通用硬件。软件是关键
专用硬件系统
开发周期 开发费用
开发时间短、技术要求低、系统通用 性强
软件使得开发和维护费用降至最低
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
技术更新周期 价格
短（1~2年） 价格低、可复用与可重配置性强
第四代仪器系统 虚拟仪器
模拟式自动测试系统 第一代测试系统 第二代测试系统 第三代测试系统
数字化
标准化
模块化
扫描 测试系统
专用 测试系统
GPIB 仪器系统
模块化 仪器系统
及系统
软件仪器自定义 型
Hale Waihona Puke Baidu
特定设计专用型 台式仪器积木型 模块仪器集成型
第9页
《虚拟仪器技术》
（2）仪器与自动测试系统总线技术
➢ 总线（bus）：信号或信息传输的公共路径。
➢ 传统仪器：特定功能和仪器外观。
➢ 虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：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，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面 板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软 件来定义的计算机仪器。
第2页
➢ 如：虚拟示波器
（1）电子测量仪器(Electronic Instruments)及自动测 试系统(Automatic Test System, ATS)的发展
第一代电子仪器 第二代电子仪器 第三代电子仪器 第四代电子仪器
数字化
计算机化
模块化
模拟仪器
数字仪器
智能仪器
计算机嵌入到 仪器中
个人仪器
仪器模块嵌入 计算机中
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）。 ✓ 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。 ➢ （3）硬件模块化、系列化； ✓ 基于仪器总线技术，设计出模块化、系列化硬件。
《虚拟仪器技术》
（2）虚拟仪器是技术发展的结果
➢ 计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子 技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用， 使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与 系统的结构不断推陈出新，电子测量仪器及自动测试系 统的结构也发生了质的变化，功能与性能得到不断提高。
长（5~10年） 价格昂贵
功能可塑性
用户定义仪器功能，柔性
厂商定义仪器功能，刚 性
系统开放性
开放、灵活，与计算机技术同步发展 封闭、固定
构成复杂系统能 力
易与网络及其他周边设备互连
功能单一的独立设备
人机交互
无限的显示选项、界面友好
有限的显示选项
第8页
《虚拟仪器技术》
1.2 虚拟仪器的形成和发展
1. 虚拟仪器形成的背景
✓ 片内总线：微处理器芯片内连接内部各逻辑单元；
✓ 片间总线：元件级总线（如典型的微机“三总线结 构”）。还有串行总线，如：Motorola的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围接口）、Philips的I2C （Inter IC bus，片间总线）、NS的MicroWire（串行 同步双工通信接口）等。
➢ （4）虚拟仪器之“虚拟”含义： ✓ 虚拟仪器面板； ✓ 软件实现仪器功能。如：基于高速数据采集硬件， 通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚 拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频 率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。
➢ （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）。
➢ 计算机（PC机）处于核心地位，计算机软件技术和仪器 与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。
➢ 在上述的背景下，提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。 ➢ 1986年，美国国家仪器公司（NI, National Instrument）
《虚拟仪器技术》
第1章 虚拟仪器概述
本章概述 1.1 虚拟仪器的基本概念 1.2 虚拟仪器的形成和发展 1.3 虚拟仪器的系统结构 1.4 虚拟仪器的软件系统 1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成 1.6 虚拟仪器技术应用 本章总结
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《虚拟仪器技术》
1.1 虚拟仪器的基本概念
1. 虚拟仪器的定义
✓ 内总线：板级总线。如个人计算机的PC/XT、PC/AT、 ISA、EISA、MCA、PCI，及工业控制的STD、VME、 CompatPCI，仪器与测量系统的CAMAC、VXI、 PXI等。
✓ 外总线：外部通信总线。如RS-232/485、USB、 IEEE1394、EPP、SCSI；现场总线CAN、LONworks、 FF；仪器与测量系统的GPIB、CAMAC、HP-IL、 MXI等。
第10页
➢ 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。
《虚拟仪器技术》
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
采集 信号
调理、采集 硬件
测量 数据
软件 计算机
输出 数据
仪器面板、 鼠标、键盘
用户
激励信号
控制参数
数据命令
采集和产生
控制和处理
键入命令 显示和输出
➢ （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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《虚拟仪器技术》
Vi 输入电路
A/D
RAM
控制系统
《虚拟仪器技术》
PC机
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➢ 虚拟数字电压表
➢ 基于虚拟仪器的 温度检测与控制
《虚拟仪器技术》
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《虚拟仪器技术》
2. 虚拟仪器的特点
➢ 从虚拟仪器的组成结构上来看：
➢ （1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用 的测量功能硬件）；
被测 对象
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《虚拟仪器技术》
虚拟仪器与传统仪器的比较：
比较内容
虚拟仪器
传统仪器
系统构成
软件和通用硬件。软件是关键
专用硬件系统
开发周期 开发费用
开发时间短、技术要求低、系统通用 性强
软件使得开发和维护费用降至最低
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
技术更新周期 价格
短（1~2年） 价格低、可复用与可重配置性强
第四代仪器系统 虚拟仪器
模拟式自动测试系统 第一代测试系统 第二代测试系统 第三代测试系统
数字化
标准化
模块化
扫描 测试系统
专用 测试系统
GPIB 仪器系统
模块化 仪器系统
及系统
软件仪器自定义 型
Hale Waihona Puke Baidu
特定设计专用型 台式仪器积木型 模块仪器集成型
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《虚拟仪器技术》
（2）仪器与自动测试系统总线技术
➢ 总线（bus）：信号或信息传输的公共路径。
➢ 传统仪器：特定功能和仪器外观。
➢ 虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：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，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面 板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软 件来定义的计算机仪器。
第2页
➢ 如：虚拟示波器
（1）电子测量仪器(Electronic Instruments)及自动测 试系统(Automatic Test System, ATS)的发展
第一代电子仪器 第二代电子仪器 第三代电子仪器 第四代电子仪器
数字化
计算机化
模块化
模拟仪器
数字仪器
智能仪器
计算机嵌入到 仪器中
个人仪器
仪器模块嵌入 计算机中
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）。 ✓ 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。 ➢ （3）硬件模块化、系列化； ✓ 基于仪器总线技术，设计出模块化、系列化硬件。