《虚拟仪器系统》PPT课件

概述
三. 虚拟仪器的发展前景
第一阶段称为初级虚拟仪器。它是利用计算机来增强传统仪器的功能。 随着GPIB总线标准的确立，人们把传统仪器通过GPIB和RS-232C同计算机连 接，从而可以用计算机来控制仪器。随着计算机的普及，传统仪器的功能 通过这种方式得以较大扩展。
第二阶段称为开放式虚拟仪器。随着插入式数据处理卡的出现，如基于 台式计算机PCI总线的数据采集卡(DAQ)、基于笔记本计算机PCMCIA总线的 数据采集卡，特别是VXI及PXI总线的确立，使得虚拟仪器进入了开放式时 代。目前比较流行的开放式虚拟仪器的开发系统是NI公司的LabVIEW图形编 程系统。
无
8TTL触发线 2ECL触发线
扩展能力 结构规模
多接口卡 大
由系统或扩展机箱 可用插槽决定
使用MⅪ接口
小
中
使用MXI接口 中
虚拟仪器的结构
三. 虚拟仪器的软件结构
根据VPP系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构包括仪器I/O接口 软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。
1.I/O接口软件
I/O接口软件存在于仪器(即I/O接口设备)与仪器驱动程序之间，是一 个完成对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器与仪器驱动程序 提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础 与核心。在VPP系统规范中，详细规定了虚拟仪器的I/O接口软件的特点、 组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器I/O接口软件 定义为虚拟仪器软件结构 (VISA)软件。
虚拟仪器的结构
一.虚拟仪器的结构
虚拟仪器除了测控对象、信号调理器外，其内部主要由三大功能模块构 成：信号的采集与控制、信号分析与处理、结果的表达与输出。虚拟仪 器的结构图如图7.1所示。
图7.1 虚拟仪器结构图
虚拟仪器的结构
二. 虚拟仪器的硬件结构
虚拟仪器由硬件平台和应用软件两大部分构成。虚拟仪器的硬件系统一 般分为计算机硬件平台和测控功能硬件两部分。计算机硬件平台可以是 各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计 算机、工控机等。计算机用于管理虚拟仪器的硬件、软件资源，是虚拟 仪器的硬件支撑。测控功能硬件主要完成被测信号的放大、A/D转换和 采集。具体测量仪器硬件模块是指各种传感器、信号调理器、A/D转换 器(ADC)、D/A转换器(DAC)、数据采集器(Data AcQuisition，简称DAQ)， 同时包括外置测试设备。
(2) 基于图形化编程环境的平台。如NI公司的LabVIEW和HP公司的HPVEE 等。 图形化软件开发平台的提出使编程人员不再需要文本方式编程，因而 可以减轻系统开发人员的工作量，使其可将主要精力集中投入到系统设计 中，而不再是具体软件细节的推敲上。
虚拟仪器软件开发平台—LabVIEW简介
一.LabVIEW的特点与功能
概述
5. 更经济实惠
首先，虚拟仪器的前面板上的控件都是与实物相像“图标”，而不 是传统仪器上的“实物”，并且每个图标都对应着相应的软件程序， 用户可用计算机的鼠标“点击”来对其进行操作；另一方面，虚拟 仪器的检测功能是在PC计算机为核心组成的硬件平台上，通过软件 编程设计来实现仪器的检测功能，而且用户可以根据自己的测试需 要，通过软件模块的组合来实现各种不同的检测功能，从而大大缩 小了仪器硬件的成本。以前，我国主要依靠进口的如数字示波器， 频谱分析仪，逻辑分析仪等高档仪器价格非常昂贵，而现在就可以 只采购必要的通用仪器硬件，采用虚拟仪器技术很经济地构建这些 高档仪器系统。
bVIEW的特点
LabVIEW是英文Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench(实验室虚拟仪器工程平台)的首字母缩写，它是美国国家仪器 公司(National Instruments Corporation)推出的一个图形化的软件开发 环境。由于虚拟仪器的延伸和发展，使得LabVIEW的应用变得越来越广泛； 反过来，也是因为LabVIEW的成功，才使得虚拟仪器的概念在学术界和工 程界被广泛接受。LabVIEW作为一种软件工具语言，主要有基于PC-DAQ的虚拟仪器系统，基于通用 总线GPIB接口的虚拟仪器系统，基于VXI总线仪器实现虚拟仪器系统，基 于PXI总线仪器实现虚拟仪器四种标准体系结构。几种不同体系结构虚拟 仪器系统性能见表7-1。
表7-1 几种不同体系结构虚拟仪器系统性能对比
体系结构特性
第三代是智能仪器。这种仪器内部有微处理器，可以进行自动检测，可 以代替人脑具有一定的数据处理能力，故称“智能”仪器，其主要功能模 块是硬件与固化的软件，对开发和应用仍不灵活。
概述
随着计算机硬件技术、软件技术、总线技术的高速发展，出现了全新概 念的第四代仪器——虚拟仪器(Virtual Instruments，简称VI)。1986 年美国的国家仪器公司(National Instruments Corporation，简称NI) 首先提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器完全采用新的检测理念、新的仪 器结构、新的检测方法和新的开发手段，使科学仪器的功能和作用也发 生了质的变化。虚拟仪器是电子测量技术与仪器领域中的一次技术飞跃。 虚拟仪器是当今计算机辅助测试(CAT)领域研究和应用的热点，它为工 程师和科学家提高生产率、测量精度及系统性能做出了很大的贡献。
概述
通常意义上说，虚拟仪器就是利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调 理，利用计算机软件来实现信号数据的运算、分析和处理，利用计算机显示 器来模拟传统仪器控制面板来输出检测结果，从而完成各种测试功能的一种 计算机仪器系统。一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上 功能强大的应用软件、低成本的硬件(例如插入式板卡)及驱动软件，它们在 一起共同完成传统仪器的功能。计算机在虚拟仪器中处于核心地位，而完成 仪器的各种功能和面板控件均由计算机软件完成，任何一个用户均可以在现 有硬件的条件下通过修改软件来改变仪器的功能，因此软件是虚拟仪器的关 键，国际上也有“软件即仪器”(The Software is the Instrument)之说。
(2) 功能强大的函数库。LabVIEW提供了用于输入/输出、控制、分 析和数据显示的数百个内置函数。这些函数可由用户直接调用，从而 大大提高了工作效率。
(3) 内置32位程序编译器。保证用户数据采集及测试方案能高效执 行。同时，利用LabVIEW可产生独立运行的可执行文件。
虚拟仪器软件开发平台—LabVIEW简介
虚拟仪器软件开发平台—LabVIEW简介
(1) 图形化编程环境。LabVIEW采用专为工程师和科学家而设计的直 观的图形化编程语言(Graphics Language)。它尽可能利用了技术人员 所熟悉的术语、图标和概念。在测试系统的开发过程中设计人员基本 上不写程序代码，取而代之的是图形化符号。因此可以方便迅速地建 立自己的虚拟仪器系统。
(4) 灵活的程序调试手段。可通过设置断点、单步运行、高亮执行及设 置探针等程序调试手段来检查程序设计中的错误。 (5) 开放式的开发平台，LabVIEW可通过ActiveX技术应用、动态数据交 换、调用库函数、代码接口节点等实现与其他应用程序的链接，使用户 在LabVIEW中能方便地使用其他软件开发编译的模块。 (6) 支持多种操作系统。LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、 Macintosh等多种版本。并且在不同平台上开发的应用程序可直接进行移 植。 (7) 强大的Internet功能，支持常用网络协议，易于构建基于计算机网 络的测试系统。 (8) 集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通 信的全部功能。
概述
3. 数据表达更方便
传统仪器大多需要人工进行记录数据，而虚拟仪器则利用计算机的显示、 存储、打印、网络传输等功能，可以方便地把检测结果实时地保存记录 下来，更可以直接进行数据分析、处理。
4. 开发费用更低，技术更新更快
传统仪器硬件是关键部分，开发维护费用很高，技术更新周期长；而虚 拟仪器的关键部分是软件，减少了大量仪器硬件的制作，就使得虚拟仪 器的研制周期比传统仪器大为缩短，即开发费用更低，技术更新更快。
3. 应用软件
虚拟仪器的结构
应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，提供给用户一 个界面友好、满足用户功能要求的应用程序。
应用软件开发环境目前有多种选择，具体的选择因人而异，一般取决于 开发人员的喜好，目前，可供开发人员选择的虚拟仪器系统应用软件开发 环境主要包括两种：
(1) 基于传统的文本语言式的平台。主要有NI公司的LabWindows/CVI， Microsoft公司的Visual C++、Visual Basic，Borland公司的Delphi等。
虚拟仪器软件开发平台—LabVIEW简介
2. LabVIEW的功能 LabVIEW的基本程序单位是一个虚拟仪器程序，简称为VI(Virtual Instrument)。LabVIEW通过图形编程的方法，建立一系列的VI来完成用 户指定的测试任务。简单的测试任务可由一个VI完成；而复杂的测试任 务，则可按照模块化的设计思想，把一项复杂的测试任务分解成一系列 的子任务，首先建立子任务的VI。然后把这些VI组合起来建成顶层的虚 拟仪器，该顶层VI就成为一个包括众多功能的子虚拟仪器的集合。利用 LabVIEW可以完成以下功能：
概述
2. 检测效果更好，精度更高
利用传统仪器进行检测任务时，人工干预较多，检测的速度、精度、稳 定性、可靠性等要求往往难以保证，而虚拟仪器基于计算机总线和模块 化仪器总线技术，硬件实现了模块化、系列化，同时利用计算机及软件 将多种检测功能集成于一体的方法不仅缩短了检测时间，而且也提高了 检测的精度。嵌入式数据处理器建立的一些功能性数学模型，使测试数 据不会随时间发生变化，这样就保证了检测结果的稳定性和可重复性。
概述
二.虚拟仪器的特点
1. 能自由定义，仪器开放灵活
如前所述，传统仪器的功能是由厂方定义的，对用户来说是封闭的、 固定的，不方便进行扩展；而虚拟仪器的功能不是事先由厂家决定， 而是由用户根据自己的检测需要用软件来定义的，从而使得整个仪器 的功能以及操作面板就更具个性化；另外，虚拟仪器基于计算机网络 技术和接口技术，比传统仪器更方便与其他仪器设备、网络等连接， 易于构成自动检测系统，易于实现测量、控制过程的智能化、网络化， 从而使检测系统更开放、更灵活。
概述
第三阶段称为虚拟仪器框架。由我国自主提出的“框架协议”开发系统， 利用面向对象技术封装出虚拟仪器的功能库、控件库、开发系统、帮助 模块、成品模块等，用户利用这一系统几乎可以“零编程”地开发出虚 拟仪器。 第四阶段称为网络化虚拟仪器。随着远程(异地)、复杂、大范围的测控 任务的需求越来越大，网络化虚拟仪器就应运而生了，所谓“仪器流技 术”。以PC机和工作站为基础，通过Internet网进行远程测控，不仅可 以充分利用仪器资源、降低检测成本，也可以提高测控系统的功能，拓 展其应用的范围。
虚拟仪器的结构
2. 仪器驱动程序
每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户 提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器 的操作是通过仪器驱动程序来实现的；仪器驱动程序对于仪器的操作与管 理，又是通过I/O软件所提供的统一基础与格式的函数库(VISA)的调用来实 现的。对于应用程序设计人员来说，一旦有了仪器驱动程序，即便不了解 仪器内部操作过程，也可进行虚拟仪器系统的设计工作。虚拟仪器驱动程 序是连接上层应用程序与底层I/O接口软件的纽带和桥梁。
GPIB
PC-DAQ
VXI
PXI
传输宽度
8位
8，16，32，64位 8，16，32，64位 8，16，32，64位
吞吐率
1Mb/s(3线) 8Mb/s(HS488)
(l～2)Mb/s(ISA) 132Mb/s(PCI)
40Mb/s 80Mb/s(VME64)
(132～264)MB/s
定时与控制能力 无
第7章 虚拟仪器系统
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概 一. 虚拟仪器的概念
述
第一代仪器是模拟式仪器仪表。它们的主要结构是基于电磁机械式机构， 其测量结果是依靠指针显示，也称为模拟指针仪表，如模拟万用表、模拟 函数发生器、指针式电压表等。
第二代是数字化仪器。它们将模拟信号转化为数字信号，以数字形式输 出与显示出结果。如数字万用表、数字存储示波器、数字电压表等。