[工学]第1章虚拟仪器概论

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1、1,信息学院 颜华 2008,虚拟仪器技术与应用,欢迎学习,2,课程介绍,“虚拟仪器技术与应用”三大任务任务之一：了解虚拟仪器基本概念任务之二：学会LabVIEW8.2基本编程技术任务之三：掌握虚拟仪器基本设计方法,3,教学参考书I,虚拟仪器技术分析与设计张重雄 编著 电子工业出版社,电子信息与电气学科规划教材,（23元）,4,教学参考书II,LabVIEW 8.20 程序设计从入门到精通陈锡辉，张银鸿 编著 清华大学出版社,（49元）,5,第 1 章,虚拟仪器概论,6,第1章 虚拟仪器概论,1.1虚拟仪器的基本概念 1.2虚拟仪器的组成 1.3虚拟仪器的特点与应用 1.4虚拟仪器技术发展趋势

2、 1.5虚拟仪器设计原则 1.6虚拟仪器的设计步骤 1.7虚拟仪器软面板设计技术,7,1.1 虚拟仪器的基本概念,Virtual Instrument，VI 什么是虚拟仪器?虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。,8,虚拟的含义,虚拟的仪器面板传统仪器面板上的器件都是实物，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图标，其操作对应着相应的软件程序，使用鼠标式键盘操作虚拟面板的控件。 虚拟仪器的测控功能传统的仪器特别是早期的仪器，它的功能是通过硬件来实现的，而虚拟仪器是通过软件编程来实现的。,9,仪器的发展历

3、史,第一代仪器：模拟仪器 第二代仪器：数字化仪器 第三代仪器：智能仪器 第四代仪器：虚拟仪器,10,虚拟仪器的出现,计算机技术和仪器技术结合 充分利用计算机丰富的软硬件资源，可以较大突破传统仪器在数据处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。还可以把仪器的三大功能全部放在计算机上实现。 构成虚拟仪器在计算机中插入数据采集卡，然后，用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号处理分析，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。,11,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,12,1.2 虚拟仪器的组成,虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。,虚拟仪器的

4、硬件结构,13,1.2.1虚拟仪器构成形式,基于数据采集卡的虚拟仪器 基于GPIB方式的虚拟仪器 基于VXI总线方式的虚拟仪器 基于PXI总线方式的虚拟仪器 基于LXI总线方式的虚拟仪器,14,在以PC 机为基础的虚拟仪器中，插入式数据采集卡DAQ (Data Acquisition)是虚拟仪器中最常用的接口形式之一。其功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输出给受控对象。,1.2.1.1基于数据采集卡的虚拟仪器,15,1.2.1.2基于GPIB方式的虚拟仪器,GPIB (General Purpose Interface Bus)是由HP公司于1978年制定的总线标准，是传统测试仪器在

5、数字接口方面的延伸和扩展。 GPIB总线为24芯电缆: 16条信号线 ( 8根双向8位数据线, 3根数据挂钩联络线, 5根接口管理控制线），8根地址线 ， 24芯簧片插头座。,16,GPIB插头,17,GPIB接口电路设计,计算机GPIB接口功能通过GPIB接口卡来实现,18,GPIB仪器系统,GPIB设备的串行连接,GPIB设备的星连接,19,典型GPIB 系统,20,1.2.1.3基于VXI总线方式的虚拟仪器,虚拟仪器技术中最引人注目的应用是基于VXI总线（VMEbus Extension for Instrumentation）平台技术的自动测试仪器系统。 VXI总线优点主要有： 标准开

6、放； 结构紧凑； 数据吞吐能力强； 定时和同步准确； 模块可重复利用； 众多厂家支持 。,VXI总线系统中，各种命令、数据、地址和其它消息都通过总线传递。 VXI总线系统的各种总线都印制在主机箱内的多层底板上，通过P1/J1、 P2/J2、 P3/J3连接器与各模块相连接。,21,VXI模块,VXI总线系统的最小物理单元是组件模块。它由带电子元器件和连接器的组件板、前面板和任选的屏蔽壳组成。从大小方面看，模块有A，B，C，D四种规格 。,22,VXI总线连接,典型VXI模块,23,VXI主机箱,背板,未屏蔽C 尺寸模块,双宽度带屏蔽的D尺寸模块,电源、冷却系统,VXI总线主机箱是组件模块的机械

7、载体。模块的互连载体是主机箱的背板，背板与模块之间通过总线连接器衔接。,24,VXI仪器系统,VXI总线系统的典型结构有：单CPU系统、多CPU系统、独立系统和分层结构仪器系统,25,VXI总线系统的典型结构,26,1.2.1.4基于PXI总线方式的虚拟仪器,PXI（ PCI eXtensions for Instrumentation）总线是N I公司在1997年9月1日推出的全新的开放性、模块化仪器总线规范。它以CompactPCI为基础，是PCI总线面向仪器领域的扩展。,27,制定PXI规范的目的是将通用PC的性能价格比优势应用到模块化仪器领域，形成一种高性价比的虚拟仪器测试平台。 PX

8、I和VXI分别源于PCI总线和VME总线，二者有很大的相似性。 PXI的优势在于模块体积更小、数据传输速率更高。但PXI在电磁兼容性、单机箱插槽数量、电源品种、电源功率、冷却能力等方面均不及VXI。,28,PXI仪器系统,NI的高性能PXI机箱和控制器,29,1.2.1.5基于LXI总线方式的虚拟仪器,2005年9月，VXI 科技公司和安捷伦公司共同推出新一代基于局域网（LAN）的模块化测量仪器平台标准LXI（LAN-based eXtensions for Instrumentation），即LAN的仪器扩展。随后，LXI标准特有的模块仪器和测量系统投入市场。 LXI总线规范融合了GPIB仪

9、器的高性能、VXI、PXI插卡式仪器的紧凑灵活和以太网的高速吞吐率。LXI的特点主要有：数据吞吐量高、模块化结构好、开放性强、即插即用等特点。,30,以LXI为主体的虚拟仪器网络结构,在以LXI为 主体的虚拟仪器网络结构中，GPIB、VXI、PXI、LXI共存于系统，通常仅是LAN的一个节点，这样不仅能够最大地发挥各自的功能和优势，而且可以相互进行数据的传输和资源的共享。,31,LXI模块化仪器的优势,集成更为方便，不需要专用的机箱和0槽计算机； 可以利用网络界面精心操作，不需要编程和其 他虚拟面板； 连接和使用更为方便，可以利用通用的软件进 行系统编程； 非常容易实现校准计量和故障诊断； 灵

10、活性强，可以作为系统仪器，也可以单独使 用。,32,1.2.2虚拟仪器的软件结构,“软件就是仪器”，当虚拟仪器的硬件平台建立起来之后，设计、开发、研究虚拟仪器的主要任务就是编制应用程序。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪表的关键。操作者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增减仪器系统的功能与规模。使计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，完成数据的输入、存储、综合分析和输出等功能。,33,虚拟仪器软件层次结构（软件框架）,34,输入/输出（I/O）接口软件I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作，为仪器

11、驱动程序提供信息传递的低层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础和核心。虚拟仪器系统I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范等在VPP（VXI Plug & Play)系统规范中有明确的规定，并被定义为VISA (Virtual Instrument Software Architecture)软件。,35,仪器驱动程序仪器驱动程序是连接上层应用软件和低层I/O软件的纽带和桥梁。仪器生产厂家在提供仪器模块的同时提供仪器驱动程序文件和DLL文件。 应用软件上层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分析处理软件。VPP规范要求应用软件具有良好的开放性和可扩展性。一般是在仪器硬件厂商提供

12、的I/O接口软件仪器驱动程序基础上进行应用软件开发。,36,虚拟仪器软件开发平台,基于文本式编程语言开发工具 VC+，VB，C+Build，LabWindows/CVI，Delphi等 基于图形化编程语言开发工具 LabVIEW（NI 公司）HP VEE （HP 公司）,Graphical Programming,37,虚拟仪器前面图,虚拟仪器程序框图,38,1 .2.3虚拟仪器系统,以PC-DAQ接口的虚拟仪器为例，虚拟仪器的整体结构如图,39,Hardware & Driver Software,GPIB,Serial,DAQ,VXI,Image Acquisition,Motion Co

13、ntrol,Measurement StudioLabVIEW,Typical VI Systems,40,1.3 虚拟仪器的特点与应用,41,虚拟仪器的优势,丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理。 仪器由用户自己定义。 开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。 便于构成复杂的测试系统。可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控、和诊断。可节约仪器购买和维护费用。,42,虚拟仪器的应用,航空 航天 教学 核工业 军工 通信测试 铁道

14、 .,43,虚拟仪器的实际应用,44,1.4 虚拟仪器技术发展趋势,自从NI于1986年提出虚拟仪器的概念至今，虚拟仪器的发展大约可分为三个阶段： 第一阶段：利用计算机增强仪器的功能利用GPIB总线和RS-232总线同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。 第二阶段：开放式的仪器结构仪器硬件的两大进步：一是插入式计算机数据采集卡；二是VXI仪器总线标准的确立。仪器的构成得以开放，消除了第一阶段由用户定义和由供应商定义仪器功能的区别。 第三阶段：虚拟仪器框架得到广泛认同和采用几个虚拟仪器平台已经得到认可,并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具,45,虚拟仪器技术不断发展的三个重要因素,计算机是发

15、展的动力 软件是主宰 高性能的A/D采集卡、条例放大器及传感器是关键,46,发展趋势,开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。 高性能计算机的发展推动着仪器发展，计算机具有仪器所需要的最先进及性能价格比最好的显示与存储能力，尤其是计算机总线技术的发展 虚拟仪器软件环境将朝着为广大用户提供简单易用的图形化开发环境，用于测试、测量与控制应用系统的开发，帮助工程师和科学家们实现更高的开发效率方向前进。 数据采集产品的性能的不断提高，为测试技术水平的提高提供了可靠保证。 随着网络技术的发展，”网络即仪器”将成为新的概念，网络化仪器必将在新世纪推动仪器界新的革命。,47,

16、1.5 虚拟仪器的设计原则,硬件设计基本原则 经济合理，在满足性能指标的前提下，尽可能降低价格。 安全可靠，要考虑环境温度、湿度、压力、粉尘、振动等因素对设备的影响，要有超量程和过载保护，要注意交流市电及电火花的隔离。要保证连接件的可靠接触。 有足够的抗干扰能力，例如强电与弱电之间的隔离措施、对电磁干扰的屏蔽、正确接地、高输入阻抗下的防止漏电等。,48,1.5 虚拟仪器的设计原则,软件设计的基本原则 结构合理，应采用模块化设计，便于程序的扩充、修改与维护。尽量利用子程序，使程序层次分明、易于阅读和理解，同时还可以简化程序，减少程序对内存的占用量。 操作性能好，即使用方便，采用各种图标或菜单实现人机对话，以提高工作效率和程序的易操作性。 具有一定的保护措施，应设计一定的检测程序，如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时查找故障部位。对应重要的参数要定时存储，以防掉电而丢失数据。 提高程序的执行速度 给出必要的程序说明,49,1.6虚拟仪器的设计步骤,1 分析问题和确定任务 2 系统总体设计 3 硬件和软件设计 4 系统联调,