计算机虚拟仪器技术(1)
虚拟仪器技术简介
虚拟仪器的发展方向
• 虚拟仪器的标准化、模块化、网络化。 • 网络技术应பைடு நூலகம்到虚拟仪器领域中是虚拟 仪器发展的大趋势。 • 21世纪的仪器应具有参与性。 • 21世纪的仪器应最大限度实现绿色化。
虚拟仪器的应用领域
• • • • • 应用于生产检测 应用于研究和分析 应用于过程控制和工业自动化 应用于机器监控 图象处理（机械视觉技术）
虚拟仪器的特点
（1）硬件标准化模块化，强调“软件即仪器”的 新概念。 （2）系统集成化，打破了传统仪器小而全的现状。 （3）仪器自定义，便于工作和管理。 （4）程序设计图形化（G语言），计算可视化。 （5）内嵌丰富的数据信号处理功能 （6） 基于计算机网络技术和接口技术，利用虚拟 仪器技术可方便地实现测量、控制过程的网络化。
本书的结构
• 第1-2章：Labview 入门，前面板和程序框图设计方法，这是 Labview编程最基本技能。 • 第3章：程序结构 • 第4章： 数组、簇、波形 • 第5章：图形控件和图形数据显示 • 第6章：Express VI • 第7章：字符串和数据文件 • 第8章：硬件内容：数据采集及信号调理 • 第9章：数据分析与处理 第10章：动态程序控制 • 第11-20章：专题内容： • 第11章：仪器控制、 • 第15章：频率测量 • 第19章：网络应用
模拟仪器->数字化仪器->智能仪器; 单台仪器->层叠式仪器系统阶段 从80年代进入虚拟仪器系统时代, 虚拟仪器技术是21世纪仪器的发展方向！ 虚拟仪器将在许多品种和领域内逐步取代 传统硬件仪器，使成千上万种传统仪器演 变为计算机软件！
The Software is The Instrument!
虚拟仪器的构成及分类
虚拟仪器技术
传统仪器:特定功能和仪器外观. 传统仪器:特定功能和仪器外观.
虚拟仪器(VI,Virtual Instrumentation):是一种以 虚拟仪器(VI, 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 硬件为基础, 计算机和测试模块的硬件为基础,以计算机软件为核 所构成的, 心所构成的,并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面 以及由计算机所完成的仪器功能, 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. 件来定义的计算机仪器.
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
如:虚拟示波器
Vi
输入电路
A/D
RAM
控制系统
PC机
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
虚拟数字电压表
基于虚拟仪器的 温度检测与控制
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《虚拟仪器技术》 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: 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 )虚拟仪器的硬件是通用的( 的测量功能硬件);
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
1990年代,虚拟仪器得到业界广泛认可和应用, 1990年代,虚拟仪器得到业界广泛认可和应用,相继 年代 推出了基于GPIB总线 总线( 推出了基于GPIB总线(General Purpose Interface Bus), -DAQ( Bus),PC-DAQ(Data Acquisition)和VXI总线 ),PC Acquisition) VXI总线 Instrumentation,1987年 (VMEbus eXtension for Instrumentation,1987年), PXI总线 PXI总线(PCI eXtension for Instrumentation,1997年) 总线( Instrumentation,1997年 等多种虚拟仪器系统. 等多种虚拟仪器系统. 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术. 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术. 底层驱动和上层应用软件融为一体. 底层驱动和上层应用软件融为一体. 虚拟仪器软件的标准化: VPP(VXI即插即用 即插即用, 虚拟仪器软件的标准化: VPP(VXI即插即用, VXIplug&play,1993年 VXIplug&play,1993年) 和VISA(Virtual VISA( Instrument Software Architecture, 虚拟仪器软件体系 Architecture, 结构). IVI( Instruments, 结构). IVI(Interchangeable Virtual Instruments, 可互换式虚拟仪器,1997年 可互换式虚拟仪器,1997年).
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。
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
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。
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）；(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;（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）。
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。
1. 虚拟仪器系统组成及各部分基本功能虚拟仪器的系统构成硬件和软件两大部分构成。
硬件是基础，软件是核心。
各部分基本功能虚拟仪器的内部功能，可划分为信号调理与采集、数据分析和处理、参数设置和结果表达三大功能模块。
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、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。
第二章LabVIEW 概述LabVIEW的特点-图形化的仪器编程环境提供显示和控制对象，如表头、旋钮、图表等。
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。
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➢ 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》
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✓ （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。
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《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。
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➢ 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》
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《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1
班级:工艺3092班姓名:黄威学号:1307093104虚拟仪器课程设计一:虚拟仪器概述及其特点虚拟仪器（Virtual Instrument——VI）——计算机化的测量仪器；是计算机与相关面向仪器的软、硬件产品的有机结合。
使用者通过友好的图形界面即虚拟仪器的前面板操作计算机，就像在操控自己定义、设计的测量仪器一样，并可以方便地组合、更新和扩展它，从而更快捷、更经济、更灵活地解决各个领域的测量和自动控制等应用问题。
由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成，共同完成传统仪器的功能1-1 虚拟仪器的主要特点：1.尽可能采用通用的硬件，各种虚拟仪器之间的差异主要是软件。
2.充分发挥计算机的能力，具有强大的数据分析和处理功能，可以创造出功能更多、更强的测量或测控仪器及系统。
3.用户可根据自己的实际需求，很便利地自主构建新的虚拟仪器。
虚拟仪器的特点总概括为:▪丰富和增强了传统仪器的功能▪突出“软件即仪器”的概念▪仪器由用户自己定义▪开放的工业表准▪便于构成复杂的测试系统，经济性好▪1-2虚拟仪器在各领域中的应用由于虚拟仪器技术的强有力支持，科学家和工程师们可以方便地建立适合自己需要的测控系统，再也不必将自己封闭在固定传统仪器的狭窄天地中。
在电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域中都有极为广泛的应用。
在电子和通信工程中，虚拟仪器可用于电子测量和信号分析；在自动化检测领域内，虚拟仪器可用于数据采集和控制；在航天航空学科里，虚拟仪器可用于监测和分析火箭或卫星传递来的复杂数据，已被美国航天航空局（NASA）用于火星探险；在基础学科的研究中，虚拟仪器可用于设计实验系统，例如用于生化领域中监测薄膜分子的相互作用，以及医学领域中研究嗅觉和视觉。
虚拟仪器诞生以来的爆炸性发展令人惊叹，许多最新的大规模高精尖工程中都有它的用武之地。
太空光谱有限公司（Spectrum Astro, Inc.）的Roger Jellum 和Tom Arnold开发的AstroRT，是一种基于LabVIEW的数据采集和控制系统，用于航天器的制造测试和轨道姿态控制，可收集、处理和分配从航天器传来的遥感探测信息。
计算机虚拟仪器技术的概念
计算机虚拟仪器技术的概念一、引言计算机虚拟仪器技术是一种基于计算机硬件平台，结合特定软件，实现测量、数据处理、分析、存储及结果显示等功能的技术。
它广泛应用于各种科研、生产、维修等领域，极大地提高了测试和测量的效率及精确度。
二、基于计算机的硬件平台计算机虚拟仪器技术的硬件基础是计算机硬件平台，包括台式机、笔记本、平板等，这些硬件平台为虚拟仪器的实现提供了基础计算能力。
三、图形化用户界面虚拟仪器的用户界面通常采用图形化方式，这种方式直观、易于理解，用户可以通过鼠标、键盘等输入设备对仪器进行操作和控制。
四、软件驱动的仪器虚拟仪器的核心是软件，它负责实现仪器的各种功能。
通过软件，用户可以设定仪器的工作模式、测量范围、数据处理方式等。
五、数据采集与分析虚拟仪器能够实现数据采集与分析。
它可以接收来自传感器或其他设备的数据，进行存储和分析。
通过软件，用户可以对采集到的数据进行处理和分析。
六、可自定义的仪器功能虚拟仪器的另一个重要特性是可自定义。
用户可以根据自己的需求，编写或修改软件，使仪器具备特定的功能。
这使得虚拟仪器具有极高的灵活性。
七、网络化测量与远程控制借助网络技术，虚拟仪器可以实现远程测量和控制。
用户可以在不同的地点对仪器进行操作，或者将测量数据发送到其他设备上进行处理。
八、模块化与扩展性虚拟仪器通常采用模块化的设计方式，这种方式使得它们可以根据需要进行扩展或缩减。
用户可以根据实际需求，添加或删除功能模块。
总结：计算机虚拟仪器技术是一种灵活且功能强大的测量技术。
通过利用计算机硬件平台和特定软件，它能够实现各种测量任务。
同时，由于其可自定义的特性，用户可以根据自己的需求对仪器进行定制。
此外，网络化测量和远程控制功能使其在实际应用中具有更大的便利性。
模块化的设计方式则使得虚拟仪器可以根据需要进行扩展或缩减。
总的来说，计算机虚拟仪器技术是一种广泛应用于各种科研、生产、维修等领域的先进技术。
虚拟仪器VirtualInstrument1虚拟仪器的基本概念
VI中的错误。
连续运行 单击此按钮可使VI程序连续地重复执行。 按钮
停止运行 单击此按钮可停止运行VI。 按钮 暂停按钮
单击此按钮可暂停VI执行，再次单击此 按钮，VI又继续执行。
高亮显示 执行按钮
单击此按钮，可动态显示VI执行时数据 的流动。
单步步入 单击此按钮，按节点顺序单步执行程序， 每单击一次，程序执行一步。如果节点 按钮
参考号标示，这个子选板包括各类参考号。
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装饰件 用于对前面板进行装饰的各种图形对象。
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从文件 调用存储在文件中的控件。 系统选 择控件 用户 控制 把控件放在\National Instruments\LabVIEW 8.5\user目录中时， 将出现在这个子选板中。
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NI数据采集设备
为一个子程序或结构，则进入子程序或 结构内部执行单步运行方式 。
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
什么是虚拟仪器技术？
什么是虚拟仪器技术？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。
灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。
这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。
只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。
虚拟仪器技术的三大组成部分：1．高效的软件软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。
使用正确的软件工具并通过调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。
NI公司提供的行业标准的图形化编程软件——NI LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的数据处理能力，并将分析结果有效地显示给用户。
此外，NI还提供了许多其它交互式的测量工具和系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、基于ANSI-C语言的LabWindows/CVI、支持微软Visual Studio的Measurement Studio等等，这些软件均可满足客户对高性能应用的需求。
拥有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。
2．模块化的I/O硬件面对如今日益复杂的测试测量应用，NI提供了全方位的软硬件解决方案。
无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是IEEE 1394总线，NI都能提供相应的模块化硬件产品，产品种类从数据采集及信号调理、模块化仪器、机器视觉、运动控制、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。
NI高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种灵活独特的应用需求。
虚拟仪器
虚拟仪器应用程序 （软面板、各种功能模块）数据采集通信接口 Nhomakorabea信号处理
操作系统 VISA库 DAQ I/O库
虚 硬件（显示器与旋钮） 拟 仪 器 软 结果表达 件 结 构 与仪器控制
虚拟仪器
硬件（电子线路）
仪器接口
计算机软件（算法）
计算机
仪器接口 仪器接口
计算机硬件
仪器接口
虚拟仪器 （显示器与虚拟旋钮） 硬件结构
2. LabVIEW LabVIEW 是实验室虚拟仪器平台（Laboratory Virtual instru-ment Engeneering Workbench） 的简称, 也是目前应用最广、发展最快、功能最 强的图形化软件开发集成环境。 LabVIEW的产生来源于NI公司的创始人特鲁查 德博士的创新设想：能否为财务人员设计的电子 表格软件一样，为广大测试工程师和科技人员开 发一个基于数据流图来设计程序的工具软件。经 过几年的研究，在20世纪80年代中期，首次提出 测试软件由多层虚拟
• 虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）构成的新 概念。一个VI可以由更底层的多个VI组成。底层 VI代表了最基本的计算、I/O操作与界面设计功能， 各层VI有相同的结构形式，每个VI都有用户接口 组件。
虚拟仪器模型、图形界面和结构化数据流程图 编程是LabVIEW的三大核心技术。1990年，结构化 数据流程图和虚拟仪器面板获得两项美国专利。 作为编写程序的语言，除了编程方式不同， LabVIEW具备编程语言的所有特点，因此被称为G 语言。
软件就是仪器
——虚拟仪器技术
一、什么是虚拟仪器
所谓“虚拟仪器”，就是在通用计算机上，用 借助于计算机和数据采集模块通过软件设计能 通用接口总线连接硬件数据采集或控制模块，通 够实现真实仪器的测量功能，但确不是一个实在 过软件编程控制硬件模块进行控制或测量，并利 在的、有模有样的真实的测量仪器。 用软件实现仪器的测量和分析功能。
计算机虚拟仪器技术
9、催生虚拟仪器的土壤
芯片
硬件 软件 网络 LANs 总线 AT
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Internet
计算机技术的进步
计算机虚拟仪器技术
10、基于虚拟仪器的新型工业测控系统架构
数据采集
自动化 软件
串行口 PLC
公司 Intranet or Internet
个人计算机或 工作站
过程
现场总线
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2020/12/8
计算机虚拟仪器技术
80 0
计算机虚拟仪器技术
设计样例：
-50
50
数字电压表
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x=120 y=70 Fillbar x,y,140,120,10904646 Arc x+70,y+100-15,80,45,135,14 Fillcircle x+70,y+90,4,14 Line x+70,y+100-10,x+14,y+27,14 Line x+70,y+100-10,x+127,y+27,14 Line x+70,y+5,x+70,y+15,14 Textout x+30,y+70,15,"-50" Textout x+90,y+70,15,"50" Textout x+35,y+100,15,"数字电压表" Line x,y,x+140,y,15 Line x,y,x,y+120,15 Line x+140,y,x+140,y+120,8 Line x,y+120,x+140,y+120,8 Line x+70,y+100-10,x+100,y+20,12 Line x+71,y+100-10,x+100,y+20,12 Line x+69,y+100-10,x+100,y+20,12
虚拟仪器概述(1)
传统仪器:厂商定义
2020/8/16
虚拟仪器:用户定义
程序解决方案
PXI DAQ VXI IMAQ GPIB Motion
硬件板卡
2020/8/16
ห้องสมุดไป่ตู้
软件驱动模块
软件
信号调理
数据采集卡
测
GPIB 接口仪器
GPIB接口卡
控
串行口仪器/PLC
对 VXI 仪器
象
现场总线（Fieldbus）设备
虚拟仪器概述(1)
2020/8/16
引子
所有的测量仪器主要功能可由①数据采 集②数据测试和分析③结果输出显示等 三大部分组成，其中数据分析和结果输 出完全可由基于计算机的软件系统来完 成，因此只要另外提供一定的数据采集 硬件，就可构成由计算机组成的测量仪 器。
2020/8/16
1.1 虚拟仪器的概念
是计算机技术、数据通信技术和测量技术相结合 的产物，它几乎克服了传统硬件化仪器的所有缺点， 是测试仪器的发展方向。
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(2) 虚拟仪器的发展现状
国外：20世纪80年代以来，NI公司研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器 ，其代表产品LabVIEW图形编程系统已广泛使用。随后HP公司也推出了 HPVEE编程系统。后来世界上又陆续百家公司如Tektronix公司、Racal公 司也相继推出了各自的产品。 1988年，全球只有5家制造商推出的30余种产品；1994年，已有90余家近 1000多种产品问世。
2020/8/16
VI 软件使得开发与维护费用降至最低
技术更新周期短(1～2年) 关键是软件
价格低、可复用与可重配置性强 用户定义仪器功能
开放、灵活，计算机技术同步发展 与网络及其它周边设备互联
《计算机虚拟仪器技术》实验指导书
《计算机虚拟仪器技术》实验指导书机械与电气工程学院舒华胡晓编2010年秋季2007级信息工程专业1班用广州大学2010年目录实验1 熟悉LabVIEW编程环境 .......................................................................................... - 1 - 实验1-1............................................................................................................................... - 1 - 实验1-2............................................................................................................................... - 4 - 实验2 控件与程序框图应用................................................................................................. - 5 - 实验2-1............................................................................................................................... - 5 - 实验2-2............................................................................................................................... - 6 - 实验3 子VI程序设计 .......................................................................................................... - 8 - 实验3-1............................................................................................................................... - 8 - 实验3-2............................................................................................................................. - 10 - 实验4 程序结构（1）......................................................................................................... - 13 - 实验4-1............................................................................................................................. - 13 - 实验4-2............................................................................................................................. - 14 - 实验4-3............................................................................................................................. - 15 - 实验5 程序结构（2）......................................................................................................... - 17 - 实验5-1............................................................................................................................. - 17 - 实验5-2............................................................................................................................. - 18 - 实验6 数据的图形显示....................................................................................................... - 20 - 实验6-1............................................................................................................................. - 20 - 实验6-2............................................................................................................................. - 21 - 实验6-3............................................................................................................................. - 22 - 实验6-4............................................................................................................................. - 23 - 实验7 非连线的数据传递方式........................................................................................... - 25 - 实验8 文件操作................................................................................................................... - 28 - 实验9 网络通讯................................................................................................................... - 32 -实验1 熟悉LabVIEW编程环境实验1-1目的：创建一个VI程序，完成两个数加、减、乘、除法的运算功能。
虚拟仪器技术
什么是虚拟技术?
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.
上世纪80年代,美国国家仪器公司NI (National Instruments)提出"软件 即是仪器"的概念,推出了LabVIEW直观 的流程图编程风格的软件开发和运行平台, 引发了测控技术领域的一场重大变革 .
首先,在网关服务器上采用Labview 构建控制温度的控制设备虚拟仪器和相应 的VI服务程序,之后对虚拟仪器进行web Server配置,最后利用Labview内嵌的 Web Publishing Tools Tools将服务器的程序发 布到Web上,产生客户端的运行程序.这 样,用户就可以通过浏览器运行应用服务, 实现远程监控家庭电气设备的温度状况.
结合嵌入式Internet技术与基于web的虚拟仪器技术的基础上,在 智能家庭研究中提出的一简单模型设计
基于Web的虚拟仪器技术智能家庭应用
系统基本组成
在该系统中,用户终端和嵌入式网关Web服 务器之间的连接建立在TCP/IP协议基础上,并 应用Http协议通过网页发布信息.网关利用USB 接口连接虚拟仪器的数据采集系统和信号调理系 统,读取家电设备上的温度传感器的感应信息, 并对信息进行分析判断.
在PC和工业控制计算机中插入基于PC 总线(ISA,PCI)的数采板卡构成硬件系 统.编写Windows系统平台的驱动程序和 软面板实现软件功能,成为业界的主要解 决方案.
但是在恶劣环境下测试任务的实践过程 中,我们发现基于PC或工控机的虚拟仪器 暴露出很多问题,如:体积大.不便于携 行;插卡式结构.接触易松动,不紧固; 以机械硬盘为主要存储介质,抗震性能差 等等.
虚拟仪器可分为五种类型
在计算机辅助教学（CAI）广泛应用的今天，基于计算机技术的虚拟仪器系统也随之出现，它是传统仪器与计算机技术高度的结合，随着计算机集成电路技术的发展。
对测试技术与测试设备的要求也越来越高，虚拟仪器的普及势在必行。
目前虚拟仪器主要有两种，一种是纯软件的虚拟仪器（即仿真技术）；另一种是软件硬件相结合的虚拟仪器VI（Virtual Instruction）1 虚拟仪器的内涵虚拟仪器又称个人计算机仪器，由个人计算机、仪器硬件和应用软件组成。
其基本设计思想是利用当前广泛使用的个人计算机来管理、组织仪器系统，进而逐步代替传统仪器完成某些功能。
如数据的采集、分析、显示、存储及波形产生等，最终达到取代传统电子仪器的目的。
1.1 仿真技术。
在仿真技术中，根据仿真对象的不同，可分为两类，一类是对电子电路的分析仿真工具-EDA技术；另一类是应用于通信、信号处理和控制方面的仿真工具-MATLAB。
①EDA技术。
一套完整的EDA软件是多个设计工具系统集成化的结果，它包含计算机辅助设计CAD、计算机辅助分析CAA和计算机辅助制造CAM等。
市场中的EDA软件主要有Pspice、Mutisim、Wewb和Protel四种。
它们的仿真功能用的是同一个仿真引擎-伯克利分校的Pspice仿真引擎。
②MATLAB软件。
主要工具箱有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统识别、最优化、分析与综合、模糊逻辑、小波分析、样条、通信和统计等。
这两种仿真技术都只需要一台计算机和相应的软件，而无需任何硬件的支持，也就是说这种虚拟仪器是纯软件性质的，无论电路、系统本身还是分析工具都是由软件实现的。
1.2 虚拟仪器可分为五种类型。
①PC总线-插卡型虚拟仪器。
这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用软件LabVIEW相结合，通过三种编程语言Visual C++、Visual Basic和Labview/cvi构成测试系统。
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。
工程测试技术 工程测试案例分析
15.2kb/s@15m 10Mb/s@120m
USB1.0 USB2.0 IEEE1394
12Mb/s@30m 480Mb/s@30m 400Mb/s@72m
6.1 计算机虚拟仪器技术
6. 虚拟仪器的两条发展道路
(a) 适合大型高精度集成系统
GPIB
VXI
PXI
1978
1987
1997
(b) 适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景
• 串口系统：以RS232标准串行总线仪器、计算机和虚拟仪器软 件构成的测试系统。
6.1 计算机虚拟仪器技术 (1) 基于PC-DAQ 数据采集卡的虚拟仪器系统
通过Ａ/Ｄ转换将模拟信号转化成数字信号，送入计算机进行分析、处理、 显示等； 再通过Ｄ/Ａ转换把数字控制量转化成模拟控制量，送到执行器，从而实 现反馈控制。 根据需要还可加入信号调理和实时数字信号处理技术 (Digital Signal Processing， DSP)等硬件模块。
VXI (VME Bus Extension for Instrument)总 线是一种高速计算机总线 ， 即 VME(Versa Module Eurocard)总线在仪器领域的扩展。
其物理结构包括VXI背板、VXI主控制器和 VXI板卡等组成。
VXI和PXI都具有标准开放、结构紧凑、数 据吞吐能力强，定时和同步精确，模块可重 复利用，对速度、精度要求不高，众多仪器 厂商支持等优点，很快得到了广泛的应用。
8. 常见的虚拟仪器软件平台
LabView
Agilent VEE
DASYLab
DirectView
ProcessControl
6.1 计算机虚拟仪器技术
LabView
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。
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。
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计算机虚拟仪器技术(1)
ห้องสมุดไป่ตู้
该简单的样例程序就可以插入任何ActiveX控件(COM组件)，如 下图所示：
Windows日期控件
设计完成的容器程序
LabView选钮控件
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2)虚拟仪器控件设计(COM组件)
MFC ActiveX
计算机虚拟仪器技术(1)
重载绘图方法部分
3.仪器定义和功能的转变
传统仪器:厂商定义
虚拟仪器:用户定义
用户定义虚拟仪器的优点：
• 用户定义 • 低费用 • 灵活 • 可再用性 • 可重新配置
计算机虚拟仪器技术(1)
4.虚拟仪器的组成 程序解决方案
PXI DAQ VXI IMAQ GPIB Motion
硬件板卡
软件驱动模块
软件
PXI : PCI Extensions for Instrumentation DAQ(数据采集)
VXI :VMEbus Extension for Instrumentation IMAQ(图像采集)
GPIB: General Purpose Interface Bus
计算机虚拟仪器技术(1)
5、常用虚拟仪器板卡
DAQ Card
Motion Control Card
IMAQ Card
Field Point
图象
分布式 I/O 动作
计算机虚拟仪器技术(1)
11、虚拟仪器技术的优点
VI 软件使得开发与维护费用降至最低
技术更新周期短(1～2年) 关键是软件
价格低、可复用与可重配置性强 用户定义仪器功能
开放、灵活，计算机技术同步发展 与网络及其它周边设备互联
传统仪器 开发与维护开销高 技术更新周期长(5～10年)
DirectView
ProcessControl
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LabView
计算机虚拟仪器技术(1)
计算机虚拟仪器技术(1)
计算机虚拟仪器技术(1)
计算机虚拟仪器技术(1)
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华中科技开发的虚拟仪器平台
计算机虚拟仪器技术(1)
8、小型虚拟仪器系统开发
计算机虚拟仪器技术(1)
2020/12/8
计算机虚拟仪器技术(1)
1. 虚拟仪器定义
虚拟仪器 是在计算机上 显示传统仪器 面板，它将硬 件电路完成的 信号调理和处 理功能由计算 机程序完成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的 一大特征。
计算机虚拟仪器技术(1)
2.虚拟仪器技术的发展过程
计算机虚拟仪器技术(1)
计算机虚拟仪器技术(1)
9、催生虚拟仪器的土壤
芯片
硬件 软件 网络 LANs 总线 AT
Internet
计算机技术的进步
计算机虚拟仪器技术(1)
10、基于虚拟仪器的新型工业测控系统架构
数据采集
自动化 软件
串行口 PLC
公司 Intranet or Internet
个人计算机或 工作站
过程
现场总线
医药
– Johnson & Johnson, Proctor & Gamble
计算机虚拟仪器技术(1)
动手做： 用“个人测试实验室”设 计一个简易声级计。
计算机虚拟仪器技术(1)
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/12/8
计算机虚拟仪器技术(1)
计算机虚拟仪器技术(1)
6、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。
用户界面
软件驱动
计算机虚拟仪器技术(1)
IVI 结构： Applications Program IVI Class Driver
关键是硬件 价格昂贵
厂商定义仪器功能 封闭、固定
功能单一的独立设备
计算机虚拟仪器技术(1)
12、虚拟仪器技术的主要应用领域
测试和测量
通讯 – AT&T, Alcatel, Ericsson
计算机 – IBM, Apple, Dell
半导体 – Motorola, TI, ThomsonCSF
汽车 – Ford, Chrysler, Nissan, Toyota
电子 – Sony, Siemens
工业自动化
石油化工
– Shell, Mobil Research 纺织
– Instron, Dupont, Eli Lilly, Albany International
制造
– Ericcson, Duracell 食品加工
– Sara Lee, Ben & Jerry抯, Shiner
设计完成的控件
计算机虚拟仪器技术(1)
3)虚拟仪器图形控件设计简介
绘图过程分解：
80
0
计算机虚拟仪器技术(1)
设计样例：
-50
50
数字电压表
x=120 y=70 Fillbar x,y,140,120,10904646 Arc x+70,y+100-15,80,45,135,14 Fillcircle x+70,y+90,4,14 Line x+70,y+100-10,x+14,y+27,14 Line x+70,y+100-10,x+127,y+27,14 Line x+70,y+5,x+70,y+15,14 Textout x+30,y+70,15,"-50" Textout x+90,y+70,15,"50" Textout x+35,y+100,15,"数字电压表" Line x,y,x+140,y,15 Line x,y,x,y+120,15 Line x+140,y,x+140,y+120,8 Line x,y+120,x+140,y+120,8 Line x+70,y+100-10,x+100,y+20,12 Line x+71,y+100-10,x+100,y+20,12 Line x+69,y+100-10,x+100,y+20,12
Plug&Play
IVI Instrument Specific Driver
VISA(Virtual Instrument System Architecture)
PC Plugin
GPIB
PXI
VXI
计算机虚拟仪器技术(1)
7、常见的虚拟仪器软件平台
LabView
Agilent VEE
DASYLab
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，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。
目的：LabView，VEE过于庞大，不适合在现场使用，缺乏面向某一 特定领域的专用控件。
计算机虚拟仪器技术(1)
1) 虚拟仪器主体程序设计(COM容器)
MFC Exe
Support ActiveX Control