虚拟仪器课件 概述

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1、虚拟仪器技术 Technique of Virtual Instruments 乔立岩 Email: MSN: Tel: 86413532/33 ext. 526 Office: 科学园2A栋526,2020/7/12,Contents,虚拟仪器概述（4学时） 虚拟仪器软件开发环境LabWindows/CVI（16学时） 仪器驱动程序设计（4学时） 实验（6学时）,2020/7/12,Backgrounds,计算机基础 C语言 数字信号处理 自动测试系统,2020/7/12,References,虚拟仪器软件开发环境LabWindows/ CVI 6.0编程指南机械工业出版社 LabWindo

2、ws/CVI开发入门和进阶北京航空航天大学出版社 虚拟仪器技术概论电子工业出版社 VXI总线即插即用规范哈尔滨工业大学出版社,2020/7/12,Arrangement,机房授课安排： 地点：G501 时间：第四九周的周一，78节 实验安排 地点：电机楼4楼 时间：10.14下午,2020/7/12,Checking,平时 30%（出勤、课堂报告） 上机 60%（三次，每次20%） 期末总结10%,2020/7/12,第一讲 虚拟仪器概述 Overview of Virtual Instruments,2020/7/12,第一讲 虚拟仪器概述,虚拟仪器的产生 a.传统仪器满足不了测试需求 现代

3、测控不仅仅要求单台仪器进行测量，要求多台仪器数据共享，测试结果实时分析处理； 仪器越来越复杂，仪器硬件存在冗余，使用率低，对使用者的要求提高 b.计算机技术的进步为新型仪器提供了基础 电子技术和计算机技术的进步改变了传统的设计思想，许多过去由硬件实现的功能可以由软件实现； 专业化的设计软件为高效、易用的仪器软件开发提供了工具,2020/7/12,2. 虚拟仪器的概念,a. 英国国家物理实验室（NPL）定义（http:/www.npl.co.uk） 虚拟仪器是在通用计算机（如PC机、Mac或工作站）中加上软件和/或硬件，并使用计算机屏幕提供仪器虚拟界面的可重用测量仪器。 b. NI公司的定义（）

4、 虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和或硬件，使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用电子仪器。 虚拟仪器是一种软件定义的系统，基于用户需求的软件定义了一般测量硬件的功能。 c. VXIplug&play规范定义（http:/www.vxipnp.org） 实现传统分立仪器功能的一组软件模块，也包括与其相关或必须的硬件资源。,2020/7/12,3. 虚拟仪器的发展历程,第一阶段：利用计算机增强传统仪器的功能 使用通讯总线（GPIB等）控制台式仪器,2020/7/12,第二阶段：开放式的仪器构成 出现了插卡式仪器和仪器总线(VXI&PXI)，计算机成为仪器的重要组成部分。

5、,2020/7/12,VXI机箱和模块 VXI: VME总线在仪器领域的扩展,2020/7/12,PXI机箱和模块 PXI: PCI总线在仪器领域的扩展,2020/7/12,第三阶段：虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用 虚拟仪器成为主流，几个虚拟仪器平台成为标准工具，产生了虚拟仪器软件标准。,2020/7/12,LXI LAN eXtensions for Instrumentationwww.lxistandard.org,2020/7/12,2020/7/12,LXI概述,产生背景 生命期 计算机背板 ISA、EISA、VME、PCI、Compact PCI 每隔几年就发生变化，但它们通常只

6、有很少，甚至没有后向兼容性。其仪器版本 VXI、PXI 也有着同样的缺点。 性能和成本 如 GPIB 和 MXI 这样的标准测试和测量（T&M）接口在速度上有所不足，也不像 LAN 和 USB 那样被广泛接纳。因此在计算机体系结构改变时，必须开发和购买新的 GPIB或 MXI 卡。,2020/7/12,参照规范 IEEE 802.3（以太网） TCP/IP Web 浏览器 XML IVI-COM 驱动程序 IEEE 1588 精密定时协议（PTP） 机械尺寸 标准19机柜模块化结构（1U4U高度 ，全宽或半宽） 信号线从前面板接入，电源线、触发和网线从后面板接入,2020/7/12,仪器扩展

7、冷却 触发 中断处理 机械接口 软件接口 电磁和射频干扰 网络路由和交换 发现 跨多装置的同步,2020/7/12,定义了三类仪器 C 类仪器 它包括对 LAN接口和协议的全部要求，LAN查询功能，IVI 驱动程序接口，仪器网页，以及推荐的电源、冷却、尺寸、指示灯和复位按钮。所有LXI 仪器必须达到 C 类要求。 B 类仪器 包括全部 C 类要求并加上IEEE 1588 时间同步。因此有可能实现位于网络任何位置 LXI 设备的亚微秒级同步。B 类还增加对等和一对多的 LAN 信息传送模式(B 类和 A 类要求，C 类允许。 A类仪器 包括C类和B类要求，并增加了使能相邻 LXI 仪器触发的硬件

8、触发总线。该触发总线类似于VXI 的背板总线: 这是8 路的低电压差分总线，对相邻仪器能达到5ns/m 的定时精度。预期合成仪器将是符合A 类标准的仪器。,2020/7/12,优点 系统I/O使用当前绝大多数PC中已有的PC 标准LAN。 系统中的仪器数量只受机架尺寸和可用路由器端口数的限制。每一设备都有独有的IP地址，它可以手动或自动设置。 能为各测试系统容易地建立专网，把一组仪器分配到子网中。 仪器可靠近或远离控制器 实际上能放置在公司intranet 或Internet 上的任何地方。 IT 世界久经证明的安全工具和技术也可用于保证设备和数据安全。 基于浏览器的接口简化系统配置和查错 任

9、何安捷伦仪器都带有交互式的设置、控制和监视网页。 IEEE 1588 PTP 使能本地和远地的仪器实现精密定时和同步(B类和A 类仪器)。 IVI 驱动程序可在流行的测试软件开发环境中使用。,2020/7/12,4. 虚拟仪器软件标准,VXIplug Virtual Instrument Software Architecture (VISA) Interchangeable Virtual Instruments (IVI) A Broad-Based Environment for Test (ABBET) IEEE1226 早期的仪器命令标准： Standard Commands for

10、 Programmable Instrument (SCPI) IEEE488.2,2020/7/12,5. 虚拟仪器的组成,按照虚拟仪器的组成划分，它可以分为计算机、应用软件和仪器硬件三个部分。 计算机：提供虚拟仪器通用平台，数据存储，显示等 仪器硬件：获取被测信号，产生激励信号等 应用软件：控制数据采集、控制、分析、处理和显示等，是虚拟仪器的关键,2020/7/12,按照虚拟仪器的功能划分，可以分为 数据采集 数据分析 结果表达,虚拟仪器的内部功能划分,2020/7/12,6. 虚拟仪器的分类,可以按应用领域分类，也可以按测量功能分类，最常用是按总线接口类型划分： 插卡式（DAQ）虚拟仪器

11、 串行口（RS232/422）虚拟仪器 USB接口虚拟仪器 IEEE1394虚拟仪器 GPIB虚拟仪器 VXI虚拟仪器 PXI虚拟仪器 LXI虚拟仪器 ,2020/7/12,7. 虚拟仪器的结构,2020/7/12,8.虚拟仪器使用通用计算机的资源和开发环境,a. 计算机资源： 标准I/O硬件（如串行口，PCI/ISA扩展槽或其它硬件标准） 用户界面，特别是图形用户界面（GUI） 通用软件执行平台，如操作系统和各种动态连接库 和其它计算机和设备连网，用于分布式测控 互联网，为用户提供远程测量和监控功能,2020/7/12,b.软件开发环境： 通用软件开发环境，包括各种版本的C/C+（包括Vis

12、ual C+、Borland C+ Builder等），Visual Basic，Delphi，Java，Visual S等 测控专用软件开发环境，LabVIEW、LabWindows/CVI、Agilent VEE等 其它测控软件工具（如NI公司的ComponentWorks、HIQ、SPC Toolkit、SQL Toolkit等，Agilent公司的T&M Programmers Toolkit等，以及其他厂商的ActiveX控件等）,2020/7/12,9. 与传统仪器比较,2020/7/12,10. 虚拟仪器的特点,（1）用户定义仪器功能 （2）软件是关键 （3）测试精度高、功能强大

13、 （4）开放式系统 （5）价格低、技术更新快 （6）便于组件自动测试系统,2020/7/12,11. 虚拟仪器设计的关键,（1）虚拟仪器软硬件标准的研究 （2）硬件接口的设计 （3）仪器驱动程序和应用软件设计 （4）设计过程中使用货架产品（COTS）提高设计效率,2020/7/12,12. 虚拟仪器的发展趋势,（1）和计算机的结合更加紧密，集成化程度更高 （2）仪器接口更加灵活，新型总线接口应用-USB等 （3）网络化趋势-LXI （4）组件化趋势-硬件和软件 （5）合成仪器将大量出现,2020/7/12,术语缩写,VI Virtual Instrument 虚拟仪器 GPIB General

14、 Purpose Interface Bus 通用接口总线(1972) VXI VME eXtensions for Instrumentation VME在仪器的扩展(1987) PXI PCI eXtensions for Instrumentation PCI在仪器的扩展(1997) LXI LAN eXtensions for Instrumentation 网络在仪器的扩展(2005) SCPI Standard Commands for Programmable Instruments 程控仪器标准命令(1990) VPP VXI Plug&Play VXI即插即用(1993) VISA Virtual Instrument Software Architecture 虚拟仪器软件结构(1993) IVI Interchangeable Virtual Instruments 可互换虚拟仪器(1998) DAQ Data Acquire 数据采集 GUI Graphical User Interface 图形用户界面 IDE Integrated Development Environment 集成开发环境 API Application Programming Interface 应用编程接口,