虚拟仪器相关专题-硬件篇

虚拟仪器相关专题虚拟仪器相关专题研究生教程虚拟仪器 硬件篇硬件篇内容提要内容提要 虚拟仪器技术 自动测试系统 可重构测控系统第一部分第一部分 虚拟仪器技术虚拟仪器技术提纲提纲 电子仪器发展历程 虚拟仪器技术概述 虚拟仪器应用实例 实验室研究成果 电子仪器的发展历程电子仪器的发展历程模拟仪器数字仪器智能仪器个人仪器虚拟仪器2020世纪世纪7070年代年代2020世纪世纪8080年代年代2020世纪世纪5050年代年代2020世纪世纪6060年代年代诞生了第一代自动测试系统智能仪器结构框图智能仪器结构框图典型智能仪器典型智能仪器 动态信号分析仪动态信号分析仪功能固定信号发生器对照信号发生器对照(1)台式仪器(2)虚拟仪器软面板数字存储示波器对照数字存储示波器对照(1)台式仪器(2)虚拟仪器软面板数字多用表对照数字多用表对照(1)台式仪器(2)虚拟仪器软面板虚拟信号发生器虚拟信号发生器虚拟数字存储示波器虚拟数字存储示波器虚拟数字多用表虚拟数字多用表虚拟仪器技术虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。1 1、什么是虚拟仪器技术？、什么是虚拟仪器技术？NI定义：1986年，美国美国美国美国NINI公司（公司（公司（公司（National InstrumentsNational Instruments）提出了“软件即仪器软件即仪器软件即仪器软件即仪器”的口号，将日益普及的计算机技术与仪器仪表技术完美地结合起来，使用户在操作计算机时，如同在操作自己定义的仪器，方便灵活，不仅减少了单个传统仪器的成本，更是提高了用户的工作效率，从而为现代仪器测控技术掀起了崭新的一页。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式用户无法改变的模式用户无法改变的模式用户无法改变的模式，引起了测控领域的一场革命。（1）虚拟仪器面板（人机交互）软件化）虚拟仪器面板（人机交互）软件化传统仪器中，操作人员通过操作仪器物理面板上安装的各种开关、旋钮等来实现诸如电源的通断、通道选择、量程切换、放大倍数等参数的设置，并通过面板上的LED、CRT等来显示仪器状态和测量结果。虚拟仪器通过基于计算机平台的软件操作界面替代物理面板，操作人员通过鼠标或键盘操纵软件界面中的控件实现对仪器的控制。传统仪器面板虚拟的仪器面板虚拟仪器一词中“虚拟”有以下两方面含义（2）仪器功能的软件化）仪器功能的软件化 在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的：测量所需的各种激励信号可由软件产生波形数据，再通过D/A转换实现；系统硬件很难实现的一些强大数据处理功能，如FFT分析、小波分析、数字滤波、回归分析、统计分析等，可以由软件编程来实现。通过不同软件模块的组合，可以实现多种自动测试功能。仪器功能自定义基于相同的硬件设备实现不同仪器功能。也就是所谓的“软件即仪器”说法的由来。采集卡软件示波器频谱分析仪这句话说明了软件就是仪器，但并没有说仪器就是软件。它只是突出软件在虚拟仪器中的地位，因为虚拟仪器的功能基于一定硬件平台之上的用户自定义的软件。基于相同的硬件平台，开发不同的软件，可以实现不同的仪器功能。从这一点上来说，软件在虚拟仪器中占核心主导地位。但是，不同的应用，有不同的信号获取方法、不同的指标要求，除了共性之外，还存在个性差异。因此，虚拟仪器不仅离不开硬件，而且硬件的地位十分突出，它是整个仪器系统成败的关键。只不过，虚拟仪器技术使得软件和硬件联系的更加紧密，浑然一体。“Software is Instrument”的认识举个不太恰当的例子：硬件是躯体，软件是灵魂软件是灵魂软件是灵魂软件是灵魂。虚拟仪器的本质是一种创新的仪器设计思想，是计算机软件技术应用于仪器仪表领域的一次升华；虚拟不代表不存在，而是体现一种软件思想；虚拟仪器技术不同于计算机仿真技术，它需要有硬件的支持。特别强调：、虚拟仪器的组成、虚拟仪器的组成三大组成部分：三大组成部分：u 高效的软件高效的软件软件是虚拟仪器中最重要的部分，现常用的虚拟仪器软件平台有：NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI以及Agilent公司的VEE。u模块化的模块化的I/O硬件硬件基于各类总线技术的模块化I/O硬件是虚拟仪器的基础。u用于集成的软硬件平台用于集成的软硬件平台标准的软硬件平台是虚拟仪器系统集成的基础。目前，常用的标准平台有GPIB、VXI及PXI平台等。虚拟仪器测试系统虚拟仪器测试系统软件平台软硬件平台模块化仪器测试总线仪器总线计算机总线GPIBVXIPXILXIISARS-232PCIUSB1394实现软硬件接口的平台实现软硬件接口的平台 测试总线测试总线硬件模块示波器类数字万用表类信号发生器类直流电源类开关、数字I/O类功率表类频谱分析仪类射频信号发生器类模块化硬件模块化硬件软件平台通用可视化软件平台C+Builder虚拟仪器软件平台DelphiVisual BasicVisual C+VPPAgilent VEELabWindows/CVILabVIEWLabScene软件开发平台软件开发平台NI公司虚拟仪器体系结构公司虚拟仪器体系结构测控对象信号调理模块化仪器仪器驱动应用程序虚拟仪器体系结构虚拟仪器体系结构硬件层I/O层驱动层应用层3 3、虚拟仪器的分类、虚拟仪器的分类虚拟仪器有多种分类方法，既可以按应用领域分，也可以按测量功能分，但最常用的还是按照构成虚拟仪器的接口总线不同，分为：串口虚拟仪器 并口虚拟仪器 PCI虚拟仪器 USB虚拟仪器 IEEE 1394接口虚拟仪器 GPIB虚拟仪器 VXI虚拟仪器 PXI虚拟仪器 LXI虚拟仪器GPIB系列测试总线系列测试总线系列模块化仪器系列模块化仪器系列模块化仪器系列模块化仪器4 4、虚拟仪器的特点、虚拟仪器的特点1软件是核心。软件是核心。根据系统设计要求，在选定系统控制用计算机以及一些标准化的仪器硬件模块或板卡后，软件部分就成为构建和使用虚拟仪器的关键所在。其中，仪器驱动的功能是实现与仪器硬件的接口和通信，应用软件则完成用户定义的测试和仪器功能，并提供人机交互界面。2灵活性和可扩展性。灵活性和可扩展性。虚拟仪器打破了传统仪器由厂商定义功能和控制面板、用户无法改变的模式。仪器用户可以根据自己不断变化的需求，方便灵活地重组测量系统，系统的扩展、升级可随时进行，而且系统更新的周期短、见效快，能充分地满足用户在不同场合的应用需求。3性价比高。性价比高。虚拟仪器可以将在传统仪器中一些由硬件完成的功能转为软件实现，减少了自动测试系统的硬件环节，降低了系统的开发成本和维护成本；虚拟仪器能够同时对多个参数进行实时高效的测量，信号传输大部分采用数字信号的形式，数据处理也主要依赖软件来实现，大大降低了环境干扰和系统误差的影响；用户可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，实现一机多用。4良好的人机界面。良好的人机界面。虚拟仪器的操控界面是采用图形化编程技术实现的一种虚拟面板。虚拟面板可以模拟传统仪器面板的设计风格，也可以由用户根据需要定制。测量结果通过计算机以曲线、图表等形式显示。5与其它设备互联的能力。与其它设备互联的能力。虚拟仪器通常具备标准化总线或通信接口，具有与其它设备互联的能力。例如，虚拟仪器可以通过Internet实现互联，或者通过现场总线完成设备监控和管理等。虚虚 拟拟 仪仪 器器传传 统统 仪仪 器器关键是软件关键是硬件用户定义功能厂商定义功能软件的应用使得开发与维护费用降至最低开发与维护费用高开放、灵活，与计算机技术保持同步发展封闭、固定技术更新周期短（12年）技术更新周期长（510年）与网络及其它周边设备互联方便功能单一，互联能力有限价格低、可复用、可重配置性强价格昂贵虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器的比较、虚拟仪器的应用、虚拟仪器的应用工业自动化航空航天冶金地质教学科研虚拟仪器钢丝探伤虚拟仪器系统检测钢丝的质量工程应用工程应用工程应用工程应用原油管道泄漏监测系统基于LabVIEW的中心计算机主界面系统的总体构成示意图水利监测水利监测数字化大坝监测系统利用NI公司提供的虚拟测试系统软硬件设备开发的大坝管理监测系统（大连理工大学）通过虚拟仪器平台监测大坝的应力变化以及三维变形来预测未来趋势，实现对大坝的评估。地球物理地球物理基于PXI总线的数字地震监测系统应用NI系统开发平台LabVIEW软件、PXI硬件设备、和相应检波器构建核电站数字地震监测系统。支持中国核电站的发展。(清华大学)监测界面电力应用电力应用低成本高效镇流器ATE平台基于工业计算机的测试系统实际应用流水线测试车间基于LabVIEW的测试软件界面PXI总线分布式远程测控系统远程测控远程测控航空领域航空领域航空机载附件的自动测试系统基于PXI总线航空综合测试系统框图PXI综合测试系统测试界面基于虚拟测试系统进行航空附件修理测试 卫星测控卫星测控虚拟仪器技术在卫星测控中的应用基于PXI总线的虚拟测试系统基于虚拟仪器技术的自动测试平台磁滞回线测试图特性测试界面材料领域材料领域纳米性材料动态特性测试系统使用NI的虚拟仪器技术和相关的软硬件平台实现纳米性材料动态特性测试使国内软磁材料的测量迅速得以改变铁道领域铁道领域利用NI公司的虚拟测试系统实现钢轨顶面短波不平顺在线自动检测系统，填补中国该技术领域空白。(清华大学)在线检测系统LabVIEW界面事后回放子系统前面板钢轨顶面短波不平顺检测系统电信领域电信领域手机在线射频测试开发一套手机在线测试系统，可以完成手机电路板和整机的射频校准与收发质量(信令和非信令)测试。手机射频测试产品测试产品测试低成本产品在线测试与功能测试深圳振华微电子有限公司汽车检测汽车检测汽车速度传感器测试系统该系统主要应用于汽车速度传感器生产线，对生产过程中的产品进行检查，并判定产品的优劣.（北京中科泛华的案例）教学领域教学领域晶体管直流特性测试面板晶体管直流特性实验仪仿真面板-I之间的关系测试图基于NI公司的虚拟测试系统构建的实验教学平台(电子科技大学)教学领域教学领域基于NI提供的软硬件开发平台可以提升实验教学水平（清华大学）一阶RC电路测量结果二阶RLC电路测量结果电路动态过程状态图虚拟频率相位计虚拟频率相位计NI ELVIS实验教学系统教学领域教学领域一句话一句话:哪里有测试哪里有测试,哪里就会有虚拟仪器哪里就会有虚拟仪器!、吉林大学虚拟测试系统介绍吉林大学虚拟测试系统介绍CCULCRSCOPEWeb ServerDAQ吉林大学虚拟测试系统吉林大学虚拟测试系统吉林大学虚拟测试系统吉林大学虚拟测试系统Web ControllerWave Generator吉林大学虚拟测试系统目前适用于教学实验，可以作为高等学校教学实验的一个解决方案。我们的目标是：我们的目标是：真正实现“一台电脑一台电脑+一套硬件系统一套硬件系统=多个实验室多个实验室”的构想。而且，这样的系统不仅仅是虚拟仪器对传统仪器的简单替代，更主要的是实现传统仪器所无法实现的功能。NI ELVIS实验系统 工业及其他领域测试测量解决方案图形化虚拟仪器软件开发平台 LabScene目前虚拟测试系统涉及的几类总线目前虚拟测试系统涉及的几类总线PCI局部总线USB总线以太网总线串并行总线基于基于PCIPCI总线数据采集卡的开发总线数据采集卡的开发凌特公司PCI数据采集卡中科大PCI数据采集卡PCI局部总线具有传输速度高、即插即用、兼容性强、不受处理器限制等特点。因此在测试测量领域得到了广泛的应用。特别近几年计算机技术、嵌入式技术在仪器领域的大量应用，PCI总线技术的开发应用备受关注，是业界的讨论的热点问题。项目组开发了基于PCI数据采集卡并应用于工程实际 PCI总线，132MB DMA数据传输 垂直分辨率：16位 8通道模拟输入 2MHz采样率 3级增益可调 扩展8位I/O WDM驱动程序模拟开关信号预处理高速