虚拟仪器技术+chap1

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1、,第1章 虚拟仪器概述,本章概述 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 虚拟仪器系统设计及系统集成 1.6 虚拟仪器技术应用 本章总结,1.1 虚拟仪器的基本概念,1. 虚拟仪器的定义 传统仪器：特定功能和仪器外观。 虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：是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，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。,如：虚拟示波器,虚拟数字电压表 基于虚拟仪器的 温度检测与控制

2、,2. 虚拟仪器的特点 从虚拟仪器的组成结构上来看： （1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件）； （2）良好的人机界面。虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通过“控件”虚拟出面板）； （3）功能强。虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。,（4）虚拟仪器之“虚拟”含义： 虚拟仪器面板； 软件实现仪器功能。如：基于高速数据采集硬件，通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。 （5）因此，软件是虚拟仪器的核心，NI 提出“软件即仪器”（The software is the instrum

3、ent）。,与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点： （1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性）好； 充分利用计算机丰富的软硬资源。 仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪器）。 仪器升级方便，性价比高（一机多用）。 基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟仪器”。 （2）操作方便； 通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面板。 （3）硬件模块化、系列化； 基于仪器总线技术，设计出模块化、系列化硬件。,虚拟仪器与传统仪器的比较：,1.2 虚拟仪器的形成和发展,1. 虚拟仪器形成的背景 （1）电子测量仪器(Electronic Instruments)及自动测试系统(

4、Automatic Test System, ATS)的发展,（2）仪器与自动测试系统总线技术 总线（bus）：信号或信息传输的公共路径。 片内总线：微处理器芯片内连接内部各逻辑单元； 片间总线：元件级总线（如典型的微机“三总线结构”）。还有串行总线，如：Motorola的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围接口）、Philips的I2C（Inter IC bus，片间总线）、NS的MicroWire（串行同步双工通信接口）等。 内总线：板级总线。如个人计算机的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI，及工业控制的STD、VME、Compat

5、PCI，仪器与测量系统的CAMAC、VXI、PXI等。 外总线：外部通信总线。如RS-232/485、USB、IEEE1394、EPP、SCSI；现场总线CAN、LONworks、FF；仪器与测量系统的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等。,通过总线技术，可实现： 模块化硬件设计； 标准化； 便于生产、维护（维修）、升级； 较好的经济性。,仪器与自动测试系统几种常用总线的比较 摘自：Evaluating PXI and VXI Platforms for your Measurement and Automation Needs，NI,（2）虚拟仪器是技术发展的结果 计算机技术、软件技术

6、、总线技术、网络技术、微电子技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与系统的结构不断推陈出新，电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化，功能与性能得到不断提高。 计算机（PC机）处于核心地位，计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。 在上述的背景下，提出了全新概念的仪器虚拟仪器。 1986年，美国国家仪器公司（NI, National Instrument）提出了虚拟仪器（Virtual Instrumentation）的概念。,1990年代，虚拟仪器得到业界广泛认可和应用，相继推出了基于GPIB总线（Gener

7、al Purpose Interface Bus）、PC-DAQ（Data Acquisition）和VXI总线（VMEbus eXtension for Instrumentation，1987年）、PXI总线（PCI eXtension for Instrumentation，1997年）等多种虚拟仪器系统。 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术。 底层驱动和上层应用软件融为一体。 虚拟仪器软件的标准化： VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年） 和VISA（Virtual Instrument Software Architecture, 虚拟仪器软件体系结构）

8、。 IVI（Interchangeable Virtual Instruments，可互换式虚拟仪器，1997年）。,（3）虚拟仪器技术的发展与展望 虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物。多门学科多种技术的融合，如测试技术、计算机技术、软件技术、数字信号处理、总线与接口、网络与通信、传感技术、光电技术、微机械技术等。 （1）新的总线技术的应用（如HS488，1394b等）。 （2）速度不断提高。 （3）智能化、模块化、集成化是硬件发展的主流。 （4）软件技术。第一是软件标准化问题；第二是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。 （5）网络化仪器系统。 （6）应用范围

9、更加广泛。,1.3 虚拟仪器的系统结构,1. 虚拟仪器系统组成及各部分基本功能 （1）虚拟仪器的系统构成 硬件和软件两大部分构成。 硬件是基础，软件是核心。,（2）各部分基本功能 虚拟仪器的内部功能，可划分为信号采集与控制、数据分析与处理、结果表示与输出三大功能模块。 信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，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。,2. 虚拟仪器的通用硬件平台 （1）通用硬件平台的基本功能 信号采集（模拟、数字输入）； 信号产生（模拟、数字输出）； 信号调理（信号幅度、频率、驱动、隔离等）； 定时与计数； 大容量数据存储。 实

10、时信号处理。 总线与通信。,（2）通用硬件平台的组成,3. 虚拟仪器通用硬件平台的构成形式 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、VXI总线仪器模块、PXI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。,（1）基于PC总线的虚拟仪器 内置PC总线（如ISA、PCI、PC/104）的通用数据采集卡 （DAQ，Data AcQuisition）。 （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500K

11、b/s，对测试速度要求很高的场合不太适用。 （3）基于VXl总线的虚拟仪器 具有模块化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI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PXI总线的虚拟仪器 兼容PCI总线产品。 集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性价比最好。,1.4 虚拟仪器的软件系统,1. 虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器系统的软件结构包括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（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

12、动程序提供信息传递的底层软件。 VPP规范了虚拟仪器的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VISA（虚拟仪器软件结构）软件。 VISA库，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。 VISA函数库驻留于计算机系统中，是计算机与仪器之间的标准软件通信接口，用以实现对仪器的控制。,（2）仪器驱动程序 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。 仪器厂商提供有相应仪器的驱动程序（原代码），为用户提供对仪器操作的较抽象的操作函数集。 （3）程控仪器标准命令SCPI SCPI（Stan

13、dard Commands for Programmable Instruments，可程控仪器标准命令）。 面向测试功能而非仪器。,（4）应用软件 建立在仪器驱动程序之上，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（时域、频域、数字滤波等）功能，完成自动测试任务。 通常，包括测试管理软件和测试功能软件两部分。,2. 虚拟仪器软件开发平台 （1）虚拟仪器软件框架结构,（2）通用的可视化软件编程环境 Microsoft公司的Visual C+和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C+ Builder等。 （3）专用于虚拟仪器开发的软件编程环境 图形

14、化编程（G语言）环境：Agilent VEE、NI LabVIEW； 文本编程环境：NI LabWindows/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。,NI公司还推出了用于数据采集、自动测试、工业控制与自动化等领域的多种设备驱动软件和应用软件，如： LabVIEW的实时应用版本LabVIEW RT； 工业自动化软件BridgeVIEW； 工业组态软件Lookout； 基于Excel的测量与自动化软件Measure； 即时可用的虚拟仪器平台VirtualBench； 生理数据采集与分析软件Biobe

15、nch； 测试执行与管理软件TestStand； 还包括NI-488.2、NI-VISA、NI-VXI、NI-DAQ、NI-IMAQ、NI-CAN、NI-FBUS等设备驱动软件； 以及各种LabVIEW和LabWindows/CVI的增值软件工具包。,1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成,1. 虚拟仪器系统的设计过程 主要包括测试需求分析、系统总体方案设计、系统硬件设计、系统软件设计、系统集成及系统调试等。,（1）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），激励信号的形式和范围要求； 性能指标（测量精度、速度）要求； 功能（用户接口界

16、面、数据分析与处理、存储与显示、外部通信接口等）要求。 （2）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。 （3）系统硬件设计 自制或购买； 硬件系统集成。,（4）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）。 （5）软硬件集成与调试 功能测试； 指标测试； 系统优化。,1.6 虚拟仪器技术应用,1. 应用广泛 从军事到民用； 特别是仪器、测量与控制、自动化等领域。,本章参考文献 1 NI公司网站： 2 赵会兵，虚拟仪器技术规范与系统集成，清华大学出版社、北方交通大学出版社，2003.8 3 古天祥、王厚军等，电子测量原理，机械工业出版社，2004.9 4 陈长龄、田书林等，自动测试及接口技术，机械工业出版社，2005.2,