第00章虚拟仪器概述剖析

《第00章虚拟仪器概述剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第00章虚拟仪器概述剖析（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、河南科技大学电信学院自动化 林青松 2013年3月,虚拟仪器概述,虚拟仪器概述,内容,一、虚拟仪器概述 二、LabVIEW简介,一、虚拟仪器概述,仪器的发展历史 虚拟仪器定义 虚拟仪器的构成元素 与传统仪器比较 体系结构 三大组成 硬件构成方案 四大优势 硬件性能 应用领域 软件开发台 NI公司的虚拟仪器产品,仪器的发展历史,第一代仪器：模拟仪器：如指针式万用表，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。 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。 第三代仪器：智能仪器：智能仪器

2、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。 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。,以前的计量方法,重量：杆秤 长度：尺子、步 体积：斗、石 时间：沙漏、一柱香,第一代仪器：模拟仪器,第一代仪器：模拟仪器,电压表头,第一代仪器：模拟仪器,日本健伍VT-181E毫伏表,第二代仪器：数字化仪器,第二代仪器：数字化仪器,FLUKE F111数字电压表,第三代仪器：智能仪器,TE-TL系列智能温控仪,1、全输入型仪表，只需通过菜单选择，即可切换J K E S Pt100 Cu50

3、等六种传感器输入信号。 2、具备位式调节，二位PID调节，连续PID调节等多种调节方式，专家自整定参数，可控制压力、流量、液位、湿度等。 3、模块化输出支持继电器、可控硅无触点开关等。 4、编程报警功能，支持绝对值上限、绝对值下限、偏差值上限、偏差值下限等多种报警功能。,第三代仪器：智能仪器,TE-BW智能三相功率表,1、测量三相有功功率或无功功率 2、面板按键设定参数 3、带RS485通讯接口,带一定的分析、处理、通讯等功能,第四代仪器：虚拟仪器,仪器技术革命,第一次仪器革命是由于数字电子技术的发展引起的，使仪器形态进入了数字化仪器时代； 第二次仪器革命是由于微处理器的大量应用引起的，使仪器

4、形态进入了智能仪器时代； 第三次仪器革命，由通用计算机软硬件技术的进步引起，使仪器形态进入第四个时期： 虚拟仪器时代。,什么是虚拟仪器？,传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。 虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件设备，功能完全由用户自定义。 每一个虚拟仪器系统都由两部分组成软件和硬件。,虚拟仪器的定义,虚拟仪器是一种概念仪器，迄今为止，业界还没有一个明确的国际标准和定义。 所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。 “虚拟”的含义 虚拟的仪器面板

5、 由软件实现仪器的测量功能（软件就是仪器） 。,软件即是仪器,这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。 从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和IO部件来构建虚拟仪器。 虚拟仪器的核心软件算法代替硬件电路； 虚拟仪器=总线模块算法,仪器的构成元素,数据采集,信号处理,硬件（电子线路）,硬件（电子线路）,硬件（显示器与旋钮）,硬件（电子线路）,计算机软件（算法）,计算机硬件 （显示器与虚拟旋钮）,传统仪器,虚拟仪器,计算机系统资源,传统仪器与虚拟仪器比较,传统仪器实例,传统仪器实例,手动测试台试验基本布置示意图,数字万用表FLUKE F189,信号发生器泰克AFG3022,噪声信号发生器NC6

6、103,毫伏表VT-181E,数字示波器DPO4034,电源 朝阳+24V、-24V,传统仪器-操作台面板,传统仪器-内部结构,传统仪器-内部结构,信号调理电路,虚拟仪器实例,虚拟仪器实例,一体化工作站AWS-8248,虚拟仪器数据采集卡PCI-6259,A/D D/A I/O,调理机箱前面板,虚拟仪器调理电路,调理电路底板+插板,虚拟仪器开关切换（自研）,电路图,虚拟仪器功能实现,1、信号切换开关量输出控制模拟电子开关 2、设备上电开关量输出控制电磁继电器 3、信号产生-D/A 4、噪声信号产生D/A 5、示波器A/D-屏幕显示 6、数字表（测量电压）-A/D-屏幕显示 7、毫伏表（测量噪声

7、）-A/D-屏幕显示 8、电源不能省,虚拟仪器界面,调试现场,虚拟仪器的架构,模块化 仪 器,软 件 算 法,仪器概念的转变,传统仪器 厂商定义功能,虚拟仪器 用户定义功能,虚拟仪器基于计算机的仪器,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设计或调用特定的程序模块，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LabVIEW 。 2模块化的I/O硬件 使用PCI、 P、PCMCIA、USB、1394总线，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯 3被测单元,GPI

8、B,Serial,DAQ,Unit Under Test,V,Image Acquisition,Motion Control,P,Application Software,Hardware & Driver Software,Measurement Studio LabVIEW,虚拟仪器技术的三大组成部分,虚拟仪器的硬件构成,虚拟仪器的硬件构成方案,(1)基于数据采集的虚拟仪器系统 ：借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)，将模拟、数字信号采集到计算机进行分析、处理、显示等，并可通过输出实现反馈控制。 (2)基于通用接口总线GPIB接口的

9、仪器系统 ：利用GPIB (General Purpose Interface Bus)技术，由计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。 (3)利用V总线仪器实现虚拟仪器系统 ：V(VMEbus Extension for Instrumentation)总线是一种高速计算机总线VME在仪器领域的扩展。由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、结构紧凑、使用方便灵活，已越来越受到重视。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。 (4)基于串行口或其它工业标准总线的系统：将带有RS-232总线接口的仪器作为I/

10、O接口设备通过RS-232串口总线与PC计算机组成虚拟仪器系统，目前仍然是虚拟仪器的构成方式之一。当今，PC计算机已更多地采用了USB总线和IEEE1394总线。,虚拟仪器技术的四大优势,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PC技术为主导的最新商业技术的优点，计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 扩展性强 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。 开发时间少 方便操作，并提供灵活性和高的开发效率，以较少的成本加速产品上市的时间。 无缝集成 为I/O设备提供标准的接口，可轻松将多个测量设备集成到单

11、个系统，减少了任务的复杂性。,与传统仪器相比，虚拟仪器硬件性能如何？,虚拟仪器系统是基于软件的，所以如果只要是可以数字化的东西，您就可以对它进行测量。因此，测量硬件可在通过两根坐标轴进行评估，即分辨率（位）和频率。,虚拟仪器硬件与传统仪器的比较,NI公司的虚拟仪器硬件与传统仪器的比较,虚拟仪器技术应用领域,虚拟仪器软件开发台,文本式编程语言 Visual C+ VB Labwindows/CVI 图形化编程语言 Labview 事实上的虚拟仪器软件开发台 HP-VEE,虚拟仪器开发软件,这就是我们选择美国NI公司的LabVIEW的原因,Source: Survey of 400 US read

12、ers from T&M World, EDN, Design News, and R&D magazines, March 2002,关于NI,美国国家仪器公司（NI）是虚拟仪器技术的创始人与倡导者 NI为用户提供易于集成的软件如图形化开发环境NI LabVIEW，以及模块化硬件如用于数据采集或用于数据采集、仪器控制和机器视觉的P模块化仪器。 ,NI模块化仪器产品,高速数字化仪：高速数字化仪，数据采集卡和示波器，8到21位分辨率，高达150 MHz带宽，PCI、P、USB和PCMCIA总线接口 信号发生器：函数发生器与任意波形发生器，12和16位分辨率，高达400 MS/s采样率，PCI和P

13、总线接口 高速数字I/O ：数字波形发生器/分析仪，最高100 MHz时钟速率，可编程的电压水，PCI, P和PCMCIA总线接口。 数字万用表(DMM)和LCR Meter：5位半和6位半数字万用表DMM，10-23位分辨率，高达1.8 MS/s采样率，PCI和P总线接口。 RF(射频信号)测量设备：无线电信号采集、发生与分析，信号频率高达2.7 GHz(带20 MHz实时带宽) 动态信号采集、发生和分析：24位测量精度，用于声音与振动信号采集与发生 开关：高质量开关解决方案，包括通用继电器、多路复用器以及距阵，用于P和SC台上。,NI模块化仪器软件产品,LabVIEW：图形化开发环境，以最

14、低成本快速创建灵活的、易升级的测试测量与控制应用程序。 LabWindows/CVI：ANSI C应用程序开发环境 NI TestStand：测试执行管理软件 SignalExpress：连接设计与测试的交互式软件，用于快速采集、比较、自动化并存储测量结果。,二、LabVIEW简介,什么是LabVIEW? LabVIEW的优点 LabVIEW的语言环境 LabVIEW编程实例 LabVIEW开发台 如何学习LabVIEW语言？,LabVIEW 是什么？,LabVIEW 是一种图形化编程语言，与C+和VB 或其它语言的功能一样。它是唯一被普遍接受的图形化编程语言。简单易学。 带有大量的内置功能，

15、能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务 使用LabVIEW 能让您享受到强大的图形化编程语言所带来的灵活性，而无需忍受传统开发环境的复杂编程工作。,LabVIEW 图形化编程语言,前面板,后面板,LabVIEW的优点,直观的图形化环境实现了开发工作的高效率 集成了上千种仪器和测量设备驱动 通过编译使系统性能最优化 适用于流程图设计的开发环境 与其它应用程序的开放式连接,直观的图形化环境实现了开发工作的高效率,在LabVIEW 图形化开发环境下，无需编写代码文本命令行即可获得强大的开发工具。 在LabVIEW 中，您只需要拖放已经开发好的图形控件，就可以轻松快捷地开发出应用程

16、序的用户界面。 然后，再通过组合框图模块来实现系统的各种函数功能。 LabVIEW 图形化语言的直觉性特征使学生们可以将注意力集中在被教授的理论知识，而不是基于文本的工程软件应用开发的编程细节上,能用比使用传统文本编程环境少得多的时间，开发出复杂的应用程序来。,集成了上千种仪器和测量设备驱动,LabVIEW 能与测量硬件无缝连接，因此您可以快速的使用和配置各种测量设备，从任何的独立测量设备、到插入式数据采集设备、运动控制器、图像采集系统、实时系统、分布式控制和可编程逻辑控制器（PLC）等。 LabVIEW 还支持来自几百家仪器供应商的2000 多种仪器驱动库。,通过编译使系统性能最优化,在许多应用中，执行速度是关键。利用一个内置编译器使之生成优化的代码，您的LabVIEW 应用程序可将程序速度提高到与编译C 语言程序相当的程度。 运用LabVIEW，您能在多种台上开发出满足最高性能要求的系统，包括： Windows ，