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1、虚拟仪器与网络测试技术,罗光坤 ,虚拟仪器与网络测试技术,电子科技大学自动化工程学院,虚拟仪器设计 “十一五”国家级规划教材 詹惠琴、古军、袁亮编 高等教育出版社2008,15:06,第1章 虚拟仪器概述,1.1 虚拟仪器的基本概念,1.2 虚拟仪器的形成和发展,1.3 虚拟仪器的系统结构,1.4 虚拟仪器的软件系统,1.5 虚拟仪器技术应用,15:06,1.1 虚拟仪器的基本概念,1 虚拟仪器的定义,传统仪器,具有特定功能和仪器外观,15:06,虚拟仪器,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，并且在计算机屏幕上显示虚拟的仪器面板，可由用户软件来定义仪器功能的仪器,虚
2、拟数字存储示波器,15:06,虚拟直流数字电压表,虚拟温度检测与控制系统,15:06,2 虚拟仪器的特点,硬件是通用的 面板是虚拟的，具有良好的人机界面 功能是由用户软件定义的，功能强大,测量仪器的三个基本功能组成,15:06,采集和产生,控制和处理,显示和输出,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,3 传统仪器与虚拟仪器比较,15:06,15:06,1.2 虚拟仪器的形成和发展,1 虚拟仪器形成的背景,电子测量仪器(Electronic Instruments)及自
3、动测试系统(Automatic Test System, ATS)的发展结果,15:06,内置微处理器，具有自动测量和数据处理能力，功能以硬件（或固化的软件）形式存在，缺乏灵活性。,将模拟信号测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果。,采用模拟电子技术实现，用指针显示结果。,模拟仪器,数字仪器,智能仪器,I/O插卡 个人计算机的扩展插槽,个人仪器,15:06,2 虚拟仪器的提出,个人仪器和第三代测试系统的发展，形成了以V总线和P总线等为标准的通用模块化仪器系统 计算机软件在仪器控制与通信、数据分析与处理、结果显示与输出等方面所起的重要作用 1986年，美国国家仪器公司（National
4、 Instrument NI）提出了虚拟仪器（Virtual Instrumentation）的概念 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化图形编程技术 相继推出了基于GPIB总线、PC-DAQ（Data Acquisition）和V总线等多种虚拟仪器系统。 虚拟仪器软件的标准化 VPP 和VISA，可交互仪器驱动器模型IVI,15:06,3 虚拟仪器的发展与展望,新的总线技术的应用,模块化、集成化是硬件发展的主流,软件技术,软件标准等问题,如何利用各种软件开发环境及工具，编制出符合标准的应用软件,网络化仪器系统,15:06,1.3 虚拟仪器的系统结构,1 虚拟仪器的系统构成和内部功能构成,系统构成
5、,硬件 + 软件：硬件是基础，软件是核心,15:06,内部功能构成,信号采集与产生 + 数据分析与处理 + 结果表达与输出,信号采集与产生主要由虚拟仪器的通用硬件台，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,15:06,2 虚拟仪器的通用硬件台,通用硬件台的基本功能,信号采集（模拟、数字输入）,信号产生（模拟、数字输出）,信号调理（如幅度放大、抗混滤波等）,大容量数据存储,实时信号处理,总线与通信,核心功能,15:06,通用硬件台的组成框图,说明,以实现A/D及D/A转换功能为核心，再配备适当的前端信号调理、数据存储、数字I/O等功能，共同完成虚拟仪
6、器的信号采集、产生和控制功能,15:06,通用硬件台的构成形式,通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备（分立式或模块式仪器）,主要有PC总线的数据采集模块（PC-DAQ）、GPIB总线仪器、V总线仪器模块、P总线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型，或多种类型的组合,15:06,(3) 基于VXl总线的虚拟仪器,内置PC总线（如ISA、PCI）的通用数据采集卡DAQ,(1) 基于PC总线的虚拟仪器,(2) 基于GPIB通用接口总线的虚拟仪器,国际标准（IEEE488.1和IEEE488.2），技术成熟但其数据传输速度一般低于500Kb/s,具有模块化、系列化、通用化、“即插即用”
7、及V仪器的互换性和互操作性但价格相对较高，适合于高端的测试领域,(4) 基于P总线的虚拟仪器,兼容PCI总线产品，集CompactPCI的高性能和V可靠性，性价比最好,15:06,1.4 虚拟仪器的软件系统,1 虚拟仪器的软件层次结构,三个层次部分：I/O接口软件 + 仪器驱动程序 + 应用软件,15:06,I/O接口层（VISA库）,I/O接口软件存在于仪器设备（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，并为仪器设备与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件。,VISA（Virtual Instrumentation Software Architectur
8、e）库，实质是标准的I/O函数库及其相关规范总称。,仪器驱动层,连接上层应用程序与底层I/O接口仪器的纽带和桥梁。是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合,应用软件层,直接面对用户操作，提供直观、友好的操作界面、丰富的数据分析与处理功能，完成自动测试任务,15:06,通用的可视化编程环境,Microsoft公司的Visual C+和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C+ Builder等,2 虚拟仪器的软件开发台,专用于虚拟仪器开发的软件编程环境,图形化编程（G语言）环境： NI LabVIEW 、 Agilent VEE 文本编程环境：NI LabWindow
9、s/CVI 其中，LabVIEW是目前最流行、应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。非常适于仪器、测量与控制领域的虚拟仪器软件开发,15:06,其它,NI公司还推出了LabVIEW Toolkits 工具箱，应用领域如：,高级分析函数：小波、联合时频分析 特定应用的分析：声音和振动、阶次分析、频谱 现成即用的数据管理用于测试文件 数据记录、警报、安全机制和机器视觉 报告的生成和连接：SQL、ODBC、Microsoft Excel,15:06,Advanced Signal Processing Toolkit NI Sound and Vibration Toolkit Database
10、 Connectivity Toolkit Adaptive Filter Toolkit Digital Filter Design Toolkit System Identification Toolkit Math Interface Toolkit Simulation Interface Toolkit Report Generation Toolkit NI LabVIEW Internet Toolkit,15:06,3 虚拟仪器系统的设计过程,15:06,测试需求分析,分析被测参数的形式（电量还是非电量、数字量还是模拟 量）、范围（幅度、频率）和数量（通道数），激励信号的形式和
11、范围要求 性能指标（测量精度、速度）要求 功能（用户接口界面、数据分析与处理、存储与显示、外部通信接口等）要求,系统总体方案设计,根据测试任务要求，确定测试方法 系统组成结构设计,15:06,系统硬件设计,自制或购买 硬件系统集成,系统软件设计,选择软件开发环境 底层驱动设计 上层应用软件设计（用户界面设计、测量数据分析与处理、算法设计、测量结果表达）,软硬件集成与调试,功能测试 指标测试 系统优化,15:06,1.5 虚拟仪器技术应用,从军用到民用，虚拟仪器无处不在。85%的世界500强制造型企业已经选择了虚拟仪器技术，NI提供的1000多款软硬件产品应用遍布电子、机械、通信、生物医药、科研
12、、教育等各个行业领域。,15:06,虚拟仪器的应用领域,15:06,(1) 消费电子 微软公司使用LabVIEW 和P 模块化仪器开发了Xbox 和Xbox 360 手柄的多功能验证提升了100%。,15:06,(2)结构监测为了对东海大桥进行实时可靠的健康监测，上海巨一公司使用NI的P台和动态采集（DSA）设备实现了全桥14个工作站的上千个通道的需求，并通过GPS时间信号和 P背板实现了精确的同步采集标准。,15:06,(3) RF与通信测试上海聚星仪器公司使用NI LabVIEW和基于P的矢量信号分析仪开发了业界性价比最高的GPS多星接收机测试。基于软件的优势使得系统可以同时仿真多颗卫星的
13、信号，使接收机的功能测试更为有效。,15:06,(4)声音与振动基于NI LabVIEW图形化开发环境配合P模块化硬件台，波音公司实现了一个数量高达600的麦克风阵列。该麦克风阵列可以同步地将飞机飞过区域时的噪音采集、回溯并对庞大的噪声数据进行处理，然后绘制不同噪声等级的示意图，准确地确定噪声来源。,15:06,15:06,15:06,15:06,15:06,教材和参考资料,教材:詹惠琴、古军、袁亮编，虚拟仪器设计，高等教育出版社 杨高科，LabVIEW虚拟仪器项目开发与管理，机械工业出版社 陈树学、刘萱等编著，LabVIEW 宝典，电子工业出版社 阮奇桢，我和LabVIEW一个NI工程师的十年编程经验，北京航空航天大学出版社。 古天祥、王厚军等，电子测量原理，机械工业出版社，2004.9 袁渊、古军、古天祥、习友宝等著，虚拟仪器基础教程，电子科技大学出版社，2002年4月,15:06,作业,虚拟仪器的通用硬件台的组成和基本功能是什么？,什么是虚拟仪器？它的特点是什么？与传统仪器的区别是什么？,15:06,
