虚拟仪器技术(第一章)

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1、BUCT参考书目参考书目杨乐平：杨乐平：虚拟仪器技术概论虚拟仪器技术概论，电子工业出社，电子工业出社，20032003 张重雄：张重雄：虚拟仪器技术分析与设计虚拟仪器技术分析与设计，电子工业出版，电子工业出版 社，社，20072007 陈光禹：陈光禹：VXIVXI总线测试技术平台总线测试技术平台，成都电子科技大学，成都电子科技大学 出版社，出版社，19961996肖忠祥：肖忠祥：数据采集原理数据采集原理，西北工业大学出版社，西北工业大学出版社，200120011BUCT第一章第一章 绪论绪论1.1 自动测试技术自动测试技术测试和测量是人类认识自然、并对所认识的事物进行改造的一种手段。随着测试和

2、测量是人类认识自然、并对所认识的事物进行改造的一种手段。随着科学技术和大工业生产发展的需要，对测试技术和测试仪器系统提出了科学技术和大工业生产发展的需要，对测试技术和测试仪器系统提出了越来越高的要求，主要表现在：越来越高的要求，主要表现在：l 测试内容日益增加；测试内容日益增加；l 测试工作量急剧增加，功能逐渐深入；测试工作量急剧增加，功能逐渐深入；l 测试速度和测试精度要求越来越高。测试速度和测试精度要求越来越高。l 测试测量技术逐步从人工测试发展到自动测试的阶段。测试测量技术逐步从人工测试发展到自动测试的阶段。l 自动测试就是计算机按照预定程序对测试激励、采样和测量实施控制。自动测试就是计

3、算机按照预定程序对测试激励、采样和测量实施控制。 2BUCT第一章第一章 绪论绪论自动高效率获取客观世界定量信息，涉及多学科领域的综合技术自动高效率获取客观世界定量信息，涉及多学科领域的综合技术 获取客观世界定量信息，涉及多学科领域的获取客观世界定量信息，涉及多学科领域的 综合技术综合技术。 研究包括测量原理、测量方法、测量系统和研究包括测量原理、测量方法、测量系统和 数据处理等。数据处理等。1.1 自动测试技术自动测试技术1.1.1 1.1.1 自动测试技术自动测试技术自动测试技术自动测试技术3BUCT第一章第一章 绪论绪论 测量原理测量原理：测量所据的物理原理，新的测量原理的研：测量所据的

4、物理原理，新的测量原理的研 究与探索是测试技术发展的研究领域。究与探索是测试技术发展的研究领域。 测量方法：测量方法：依据测量原理完成测量的具体方式。直依据测量原理完成测量的具体方式。直 接、接、间接和组合三种方式。间接、组合测间接和组合三种方式。间接、组合测 量误差较大。量误差较大。 1.1.1 1.1.1 自动测试技术自动测试技术自动测试技术自动测试技术4BUCT第一章第一章 绪论绪论 测量系统测量系统：完成具体测量任务的各种仪器仪表组成的：完成具体测量任务的各种仪器仪表组成的 实际系统。数字式和模拟式两种。实际系统。数字式和模拟式两种。 数据处理数据处理：测量精度与数据处理密切相关。先进

5、快速：测量精度与数据处理密切相关。先进快速 高效的数据处理算法及数据采集、分析、高效的数据处理算法及数据采集、分析、 管理和显示为一体的数据处理系统和软件管理和显示为一体的数据处理系统和软件 是现代测试系统的重要发展方向。是现代测试系统的重要发展方向。1.1.1 1.1.1 自动测试技术自动测试技术自动测试技术自动测试技术5BUCT第一章第一章 绪论绪论 过程控制仪表过程控制仪表：各种传感器、变送器、调节器、控制：各种传感器、变送器、调节器、控制 器和调节阀等设备。基地气动式、电器和调节阀等设备。基地气动式、电 动单元组合式、动单元组合式、DCS系统、系统、FCS系系 统。统。 电子测量仪器电

6、子测量仪器：数字表、示波器、信号源、频谱仪等：数字表、示波器、信号源、频谱仪等 通用基础测量仪器，面向专门领域的通用基础测量仪器，面向专门领域的 仪器：通信、微波测量等专用仪器。仪器：通信、微波测量等专用仪器。 1.1.2 1.1.2 仪器仪器仪器仪器仪表仪表仪表仪表6BUCT第一章第一章 绪论绪论 总线仪器系统总线仪器系统：GPIB、VXI、PXI总线仪器系统。标总线仪器系统。标 准化、模块化、开放式系统结构的准化、模块化、开放式系统结构的 自动测试与虚拟仪器系统，充分利自动测试与虚拟仪器系统，充分利 用计算机技术，是现代仪器仪表的用计算机技术，是现代仪器仪表的 发展方向。发展方向。 1.1

7、.2 1.1.2 仪器仪器仪器仪器仪表仪表仪表仪表7BUCT第一章第一章 绪论绪论1.1.3 仪器仪表技术的发展仪器仪表技术的发展l模拟仪器模拟仪器（18世纪末至世纪末至20世纪初）解决了物理量的测量问世纪初）解决了物理量的测量问题。如伏特表、安培表、压力表以及电桥电位差计等磁电题。如伏特表、安培表、压力表以及电桥电位差计等磁电式仪表，后来出现了电子仪表如记录仪、电子示波器以及式仪表，后来出现了电子仪表如记录仪、电子示波器以及信号发生器等。信号发生器等。l数数字字仪仪器器：上上个个世世纪纪50至至60年年代代出出现现，和和晶晶体体管管和和集集成成电电路路有有关关，如如数数字字电电压压表表、数数

8、字字电电流流表表以以及及记记忆忆示示波波器器等等。可可以以将将模模拟拟信信号号的的测测量量转转变变成成对对数数字字信信号号的的测测量量，并并用用数数字形式显示和输出结果。字形式显示和输出结果。8BUCT第一章第一章 绪论绪论1.1.3 仪器仪表技术的发展仪器仪表技术的发展l智能仪器：智能仪器：是计算机技术和仪器仪表技术结合的产物，仪是计算机技术和仪器仪表技术结合的产物，仪 器具有数据存储、数据处理以及逻辑判断、自器具有数据存储、数据处理以及逻辑判断、自 动选程、自动补偿和仪器自检等功能，是以硬动选程、自动补偿和仪器自检等功能，是以硬 件为主的仪器。件为主的仪器。l虚拟仪器：虚拟仪器：（20世纪

9、世纪80年代）提出了软件即仪器的概年代）提出了软件即仪器的概 念，利用微机和测试仪器相结合取代原来由念，利用微机和测试仪器相结合取代原来由 硬件完成的功能并完成硬件不能完成的功硬件完成的功能并完成硬件不能完成的功 能，因此这种软件化仪器即被称为虚拟仪器。能，因此这种软件化仪器即被称为虚拟仪器。 是仪器技术和计算机软硬件技术和总线技是仪器技术和计算机软硬件技术和总线技 术紧密结合的产物。术紧密结合的产物。9BUCT第一章第一章 绪论绪论 微型化、智能化、网络化是仪器仪表开发的主导方微型化、智能化、网络化是仪器仪表开发的主导方 向；向； 注重系统集成和性能价格比；注重系统集成和性能价格比； 采用采

10、用EDA、CAM、DSP、 ASIC和计算机技术结合和计算机技术结合； 集成的多功能仪器平台，取代传统的各种功能仪器。集成的多功能仪器平台，取代传统的各种功能仪器。 1.1.4 1.1.4 仪器仪器仪器仪器仪表技术发展方向仪表技术发展方向仪表技术发展方向仪表技术发展方向10BUCT第一章第一章 绪论绪论 概念：概念：以计算机为核心的硬件平台上，由用以计算机为核心的硬件平台上，由用 户定义仪器的测户定义仪器的测 试功能、具有虚拟面试功能、具有虚拟面 板、其测试功能由测试软件实现板、其测试功能由测试软件实现 的一的一 种计算机仪器系统。种计算机仪器系统。 由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据

11、分析、由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、 过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一 种由计算机操纵的模块化系统。种由计算机操纵的模块化系统。 1.2 虚拟仪器虚拟仪器1.2.11.2.1 虚拟仪器概念虚拟仪器概念虚拟仪器概念虚拟仪器概念11BUCT第一章第一章 绪论绪论1.2.11.2.1 虚拟仪器概念虚拟仪器概念虚拟仪器概念虚拟仪器概念测试测试功能功能增加增加硬件硬件12BUCT第一章第一章 绪论绪论1.2.11.2.1 虚拟仪器概念虚拟仪器概念虚拟仪器概念虚拟仪器概念13BUCT第一章第一章 绪论绪论 充分利用计算机技术

12、，传统仪器的部分硬件被计充分利用计算机技术，传统仪器的部分硬件被计 算机硬件取代，结合测试软件实现测试算机硬件取代，结合测试软件实现测试。 虚拟仪器的面板是虚拟的，由计算机技术实现。虚拟仪器的面板是虚拟的，由计算机技术实现。 虚拟仪器的测量功能由测试驱动软件实现，软件虚拟仪器的测量功能由测试驱动软件实现，软件 就是仪器。就是仪器。1.2.21.2.2 虚拟仪器实质虚拟仪器实质虚拟仪器实质虚拟仪器实质14BUCT第一章第一章 绪论绪论1.2.21.2.2 虚拟仪器实质虚拟仪器实质虚拟仪器实质虚拟仪器实质传统仪器传统仪器数据数据采集采集数据处数据处理与分析理与分析数据数据显示显示数据数据传输传输计

13、算机硬件计算机硬件虚虚 拟拟 仪仪 器器15BUCT第一章第一章 绪论绪论1.2.21.2.2 虚拟仪器实质虚拟仪器实质虚拟仪器实质虚拟仪器实质虚拟仪器相对传统仪器的优势虚拟仪器相对传统仪器的优势 传统仪器功能由仪器厂商定义，虚拟仪器功能由用户自己定义。传统仪器功能由仪器厂商定义，虚拟仪器功能由用户自己定义。 传统仪器与其它仪器设备的连接受限制，而虚拟仪器则是面向传统仪器与其它仪器设备的连接受限制，而虚拟仪器则是面向 应用的系统结构，可方便地与网络、外设及其它应用连接。应用的系统结构，可方便地与网络、外设及其它应用连接。 传统仪器图像界面小，人工读数，信息量少，虚拟仪器则展现图传统仪器图像界面

14、小，人工读数，信息量少，虚拟仪器则展现图 像界面，由计算机直接读数、分析处理像界面，由计算机直接读数、分析处理 硬件是传统仪器的关键部分，而虚拟仪器硬件仅是为了解决信号硬件是传统仪器的关键部分，而虚拟仪器硬件仅是为了解决信号 的输入输出，软件才是整个仪器的关键部分，其测试功能均由软的输入输出，软件才是整个仪器的关键部分，其测试功能均由软 件来实现。件来实现。16BUCT第一章第一章 绪论绪论虚拟仪器相对传统仪器的优势虚拟仪器相对传统仪器的优势 传统仪器系统封闭，功能固定，虚拟仪器则是基于计算机技术的开传统仪器系统封闭，功能固定，虚拟仪器则是基于计算机技术的开 放灵活的功能模块，可构成多种仪器。

15、放灵活的功能模块，可构成多种仪器。 传统仪器扩展性差，数据无法编辑，虚拟仪器数据可编辑、存储和传统仪器扩展性差，数据无法编辑，虚拟仪器数据可编辑、存储和 打印。打印。 信号每经过一次硬件处理都会引起误差，虚拟仪器则减少了硬件的信号每经过一次硬件处理都会引起误差，虚拟仪器则减少了硬件的 使用，减少了测量误差。使用，减少了测量误差。 传统仪器价格高，技术更新慢，开发和维护费用高；虚拟仪器价格传统仪器价格高，技术更新慢，开发和维护费用高；虚拟仪器价格 低，而且可重复利用，技术更新快，基于软件的体系结构大大节省低，而且可重复利用，技术更新快，基于软件的体系结构大大节省 了开发和维护费用。了开发和维护费

16、用。17BUCT第一章第一章 绪论绪论 由硬件和软件两部分组成。由硬件和软件两部分组成。 硬件获取测试对象的被测信号硬件获取测试对象的被测信号。 测试软件控制实现数据采集、分析、处理、显示测试软件控制实现数据采集、分析、处理、显示 等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环 境。软件开发平台为支撑。仪器驱动、接口软件境。软件开发平台为支撑。仪器驱动、接口软件 和应用程序和应用程序1.2.31.2.3 虚拟仪器组成虚拟仪器组成虚拟仪器组成虚拟仪器组成18BUCT第一章第一章 绪论绪论1.2.31.2.3 虚拟仪器组成虚拟仪器组成虚拟仪器组成虚拟仪器组成S

17、ignal ProcessingDigital FilteringStatisticsArray OperationsGraphical User interfaceHardcopy OutputFile I/O数据采集数据采集和控制和控制分析分析显示显示信号信号Plug-In DAQ BoardsIEEE 488 (GPIB)RS-23219BUCT第一章第一章 绪论绪论1.2.31.2.3 虚拟仪器组成虚拟仪器组成虚拟仪器组成虚拟仪器组成虚虚拟拟仪仪器器软软件件平平台台SUN工作站的工作站的Solaris、HP工作站的工作站的HP-UX、PC机的机的MS-DOS和和Windows操作系统操

18、作系统Visual BASIC Visual C+ LabWindows/CVILabVIEW HP VEE开发环境开发环境文本语言文本语言图形语言图形语言20BUCT第一章第一章 绪论绪论1.2.31.2.3 虚拟仪器组成虚拟仪器组成虚拟仪器组成虚拟仪器组成21BUCT第一章第一章 绪论绪论 按虚拟仪器硬件接口分类：按虚拟仪器硬件接口分类： 数据采集插卡式数据采集插卡式（PC-DAQ）虚拟仪器。虚拟仪器。 RS232/RS422、并行接口、并行接口、USB、IEEE1394等虚等虚 拟仪器。拟仪器。 GPIB、VXI、PXI等虚拟仪器，采用标准程控命令等虚拟仪器，采用标准程控命令1.2.41

19、.2.4 虚拟仪器分类虚拟仪器分类虚拟仪器分类虚拟仪器分类22BUCT第一章第一章 绪论绪论1.2.41.2.4 虚拟仪器分类虚拟仪器分类虚拟仪器分类虚拟仪器分类23BUCT第一章第一章 绪论绪论1.2.41.2.4 虚拟仪器分类虚拟仪器分类虚拟仪器分类虚拟仪器分类PC-DAQGPIB仪器串口仪器VXI模块PXI模块被测信号计算机24BUCT第一章第一章 绪论绪论1.2.41.2.4 虚拟仪器分类虚拟仪器分类虚拟仪器分类虚拟仪器分类应用程序应用程序虚拟仪器前面板虚拟仪器前面板LabVIEWLabVIEW子模板子模板电量传感器电量传感器非电量传感器非电量传感器其它传感器其它传感器信信号号处处理理

20、电电路路数数据据采采集集卡卡设设备备驱驱动动程程序序LabVIEWLabVIEW开发平台开发平台计算机计算机典型示例典型示例-DAQ-DAQ虚拟仪器虚拟仪器25BUCT第一章第一章 绪论绪论 丰富和增强了传统仪器的功能；丰富和增强了传统仪器的功能； 传统仪器与其它设备仪器的连接受限，而虚拟仪器可以方传统仪器与其它设备仪器的连接受限，而虚拟仪器可以方 便的与网络、外设和其它应用连接；便的与网络、外设和其它应用连接； 突出了突出了“软件就是仪器软件就是仪器”的新概念；的新概念； 传统仪器图像界面小，信息量少，人工读数，虚拟仪器则有传统仪器图像界面小，信息量少，人工读数，虚拟仪器则有 很好的图像界面

21、，由计算机直接读数、分析和处理。很好的图像界面，由计算机直接读数、分析和处理。1.2.51.2.5 虚拟仪器特点虚拟仪器特点虚拟仪器特点虚拟仪器特点26BUCT第一章第一章 绪论绪论 仪器由用户自己定义；仪器由用户自己定义； 开放的工业标准；开放的工业标准； 减少了信号的测量误差减少了信号的测量误差 便于构成复杂的测试系统，经济性好。便于构成复杂的测试系统，经济性好。 虚拟仪器具有功能软件化、功能软件模块化、模块控件化、仪虚拟仪器具有功能软件化、功能软件模块化、模块控件化、仪器控件模块化、硬件接口标准化、系统集成化、程序设计图形器控件模块化、硬件接口标准化、系统集成化、程序设计图形化、计算可视

22、化、硬件接口软件驱动化的特点。化、计算可视化、硬件接口软件驱动化的特点。 1.2.51.2.5 虚拟仪器特点虚拟仪器特点虚拟仪器特点虚拟仪器特点27BUCT第一章第一章 绪论绪论l是测控、测量仪器技术、计算机软硬件技术、总线技术、是测控、测量仪器技术、计算机软硬件技术、总线技术、信号处理、电子学以及自动控制技术等的交叉融合。信号处理、电子学以及自动控制技术等的交叉融合。l需要具备微机原理及应用、电工与电子技术、过程控制和需要具备微机原理及应用、电工与电子技术、过程控制和信号处理等课程的知识。信号处理等课程的知识。1.2.61.2.6 虚拟仪器所涉及的相关领域和学科虚拟仪器所涉及的相关领域和学科

23、28BUCT第一章第一章 绪论绪论 计算机技术与仪器技术的有机结合，应用前景十分计算机技术与仪器技术的有机结合，应用前景十分 广泛；广泛； 国民经济各领域（航空、航天、核工业、军工、通国民经济各领域（航空、航天、核工业、军工、通 信测试、铁道、教学等）信测试、铁道、教学等）； 科学研究；科学研究； 新仪器产业的形成。新仪器产业的形成。1.2.71.2.7 虚拟仪器应用虚拟仪器应用虚拟仪器应用虚拟仪器应用29BUCT第一章第一章 绪论绪论美军武器维修维护自动测试系统美军武器维修维护自动测试系统美美国国军军方方陆陆军军I F T E海海 军军CASS空空军军CATS30BUCT第一章第一章 绪论绪

24、论VXIVXI总线兵器多参数总线兵器多参数虚拟仪器测试系统虚拟仪器测试系统枪炮膛压枪炮膛压 弹丸速度弹丸速度冲击波冲击波加速度加速度 应力应力 振动振动 温度温度超压超压 温度温度目标探测目标探测火力控制火力控制工况监测工况监测故障诊断故障诊断车车载载舰舰载载机机载载31BUCT第一章第一章 绪论绪论汽车工业多参数综合测试汽车工业多参数综合测试32BUCT第一章第一章 绪论绪论工业测控系统工业测控系统33BUCT第一章第一章 绪论绪论图象处理图象处理34BUCT第一章第一章 绪论绪论运动测试运动测试35BUCT第一章第一章 绪论绪论气象雷达维修检测系统气象雷达维修检测系统36BUCT北京化工大学北京化工大学 信息科学与技术学院信息科学与技术学院北京化工大学测控技术研究所北京化工大学测控技术研究所37