虚拟仪器概述作业完整版

虚拟仪器概述学号：090611127姓名：马逢莉目录一、引言二、虚拟仪器的概念1.虚拟仪器的基本概念2.虚拟仪器的构成3.虚拟仪器发展概况4.虚拟仪器与传统仪器相比所具有的优越性三、虚拟仪器的硬件四、虚拟仪器的软件1.概述bVIEW 简介2．1 LabVIEW软件介绍2．2 LabVIEW应用程序的构成2．3 LabVIEW的基本模块2．4 程序调试技术五、虚拟仪器的发展及应用六、小结引言仪器是人类认识世界的基本工具，也是信息社会人们获取信息的主要手段之一。

随着信息时代和网络时代的来临，传统仪器已不能满足科技以及社会生产的需要。

仪器已不再是简单的机械或电子设备，而是融合了机械、电子、光学、计算机、材料化学、物理学、化学、生物学、系统工程等学科和先进制造技术的一门综合性技术。

由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子工业测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断涌现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念。

虚拟仪器就是其中的一种，虚拟仪器是基于通用PC建立的可编程仪器及仪器系统，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

在虚拟仪器中，硬件仅仅是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个仪器的关键。

用户可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。

现在虚拟仪器已得到了广泛应用，并成为当前国内外测试技术领域十分关注的技术热点。

一.虚拟仪器的概念虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）是现代计算机技术和仪器技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术。

1.虚拟仪器的基本概念虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者操作这台计算机，就像是在使用一台专门设计的电子仪器[7]。

它突破了传统仪器的特点，将传统仪器由硬件实现的数据分析功能与显示功能，改由功能强大的计算机及其显示器来完成，并配置以相应的I/O 接口设备进行数据采集，再编制不同测试功能的软件对获得的信号数据进行分析处理及显示，就可以构成一套完整的测试系统，并具备数据处理的功能和友好的人机界面。

同时，仪器的功能和面板可以由用户根据需要自行定义或扩展，而不是由厂家事先定义且固定不变[4]。

这样，用户不必购买多台不同功能的仪器，不必购买昂贵的集多功能于一身的传统仪器，也不必不断的购买新的仪器。

而且因为有网络的存在，可以应用网络实现仪器共享或远程控制。

2.虚拟仪器的构成虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。

硬件是指获得测试数据的各种硬件I/O 接口设备，大致可分为4 类：DAQ、GPIB、VXI、PXI，因此组成了4 种虚拟仪器体系结构。

无论哪种结构，都是将硬件仪器嵌入到笔记本电脑、台式计算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的[3]。

因而，虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展步伐完全同步。

由于虚拟仪器更注重软件的应用和开发，所以虚拟仪器使用更方便，更新更快捷，修改更容易，并且功能比一般仪器系统更强大。

只要具备必备的硬件，在加上丰富而且日新月异的软件系统，虚拟仪器将不断完善和进步，会逐渐融入现代生活生产中。

3.虚拟仪器发展概况虚拟仪器就是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。

虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步产生了不可估量的影响。

虚拟仪器广泛应用于电子测量、化学工业、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。

目前，虚拟仪器在那些发达国家中设计、生产、使用已经十分普及。

在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，已成为各大学理工科学生的一门必修课程，而在我国虚拟仪器的设计、生产、使用正在起步。

国内专家预测，未来的几年内，我国将有50％的仪器为虚拟仪器。

届时，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。

随着微型计算机的发展，各种有关软件不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。

4.虚拟仪器与传统仪器相比所具有的优越性传统台式仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有固定的输入输出接口和仪器操作面板，每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。

从一般的仪器设计模型看，一种仪器无非是由数据采集、分析处理、人机交互和显示等几部分功能模块组成的整体。

因此，我们可以设想在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件设计实现仪器的全部功能，这就是虚拟仪器设计的核心—软件就是仪器。

这样我们可以在数据采集卡的基础上添加少量的硬件设备或者直接在原有数据采集卡的基础上开发虚拟仪器。

与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。

一方面，目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，另外，在传统的计算机控制系统中，一块数据采集卡的作用通常是固定不变的。

例如AD转换器、DA转换器和UO 连接器等。

如果把计算机控制系统运用于虚拟仪器中，则可以实现一卡多用，甚至用户可以根据自身的特殊需要构建特定的虚拟仪器，且无需增加任何硬件设备，传统仪器就无法做到这一点。

二.虚拟仪器硬件从虚拟仪器的定义来说，它更多地强调软件在仪器中的应用，但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过硬件来实现。

目前，虚拟仪器的类型主要取决于仪器所采用的接口总线类型。

从仪器与计算机采用的总线连接方式的不同，可分为内插卡式和外接机箱式两大类。

内插卡式就是将各种数据采集卡插入计算机扩展槽，再加上必要的连接电缆或探头，就可形成一个仪器。

外接机箱式采用背板总线结构，所有仪器都连接在总线上或采用外总线方式，用外部主控计算机来实现控制。

这种类型的虚拟仪器以VXI仪器为典型代表。

无论哪种虚拟仪器，都离不开数据采集硬件的支持。

三.软件体系1.概述虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。

基于软件在VI系统中的重要作用，NI提出了"软件就是仪器（The software is the instrument）"的口号。

VPP系统联盟提出了系统框架、驱动程序、VISA、软面板、部件知识库等一系列VPP软件标准，推动了软件标准化的进程。

虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。

VISA（Virtual Instrumentation software Architecture）虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。

一般称这个I/O函数库为VISA 库。

它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。

它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。

它是应用程序实现仪器控制的桥梁。

每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。

应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。

虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式：①用通用编程软件进行编写。

主要有Microsoft公司的Visual Basic与Visual C++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder；②用专业图形化编程软件进行开发。

如HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW 和Lab windows/CVI等。

bVIEW 简介2．1 LabVIEW软件介绍LabVIEW是一种图形化编程语言，它广泛地被工业界，学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW集成了与满足GPI B、VXI、RS-232和RS-458协议的硬件及数据采集卡式通讯的全部功能。

它还内置了便于应用TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数。

这是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的标准的库函数。

这是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的程序语言，又称为G语言，使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的流程图。

它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师熟悉的术语、图标和概念。

因此LabVIEW是一个面向最终用户的工具。

它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

使用它进行原理研究、设计、测试系统时，可以大大提高工作效率。

2．2 LabVIEW应用程序的构成所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）、以及图标/连结器（icon/connetor）三部分。

前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。

流程图提供VI的图形化源程序。

在流程图中对VI编程。

控制和操纵宣言在前面板上的输入和输出功能。

流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。

如果将VI与标准仪器相比罗，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。

在许多情况下，使用VI可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。

图标/连接器VI具有层次化和结构化的特征。

一个VI可以作为子程序，这里称为子VI（subVI），被其它他VI调用。

图标与连接器在这里相当于图形化的参数。

2．3 LabVIEW的基本模块像许多Windows应用程序一样，当进入LabVIEW编程环境后，首先出现在屏幕上的是两个无标题（untitled）窗口，一个是前面板窗口，用于编辑和显示虚拟仪器的前面板对象，另一个是框图程序窗口，用于编辑和显示流程图。

同时在屏幕上方显示工具按钮，由于两个窗口除框图程序窗口增加了4个用于程序调试的工具按钮外，工具条是一样的，但应特别注意它提供的操作模板，包括工具模板、控制模板和函数模板。