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1、虚拟仪器与Labview主要内容o虚拟仪器的基本概念o虚拟仪器的基本结构o虚拟仪器的特点o虚拟仪器硬件o虚拟仪器软件o基于Labview的数据采集o虚拟仪器的应用虚拟仪器的基本概念o对于整天与PC（个人计算机）打交道的人来说，在紧张、繁忙的工作一段时间后，通常会选择听一段轻松的音乐或观看一部DVD大片，其目的就是来缓解一下因紧张工作带来的压力和烦躁。因为商业化PC完全具备了这样的能力，我们为何不借此享受一番呢！我相信，绝大多数经常与PC打过交道的人，都曾会有过这样类似的经历。o仔细地想一想：能够获得这样悠闲地享受，我们所做的只不过是在PC的DVDROM中放入了一张CD或DVD光盘，PC就会为我
2、们提供视觉和听觉上的享受。虚拟仪器的基本概念o事实上，之所以能够得到这样的享受是我们利用了PC的某些硬件资源和媒体播放软件资源“虚拟”了一部CD或DVD播放机。还不只这些，如果在CDROM中放入不同的游戏光盘我们就可以玩电子游戏，这时PC又为我们“虚拟”了一部游戏机（效果可能不如Xbox或PS3，但也无需再次投资）。其实在PC机上可“虚拟”东西还很多，比如：“虚拟内存”、“虚拟光驱”等等。怎么又是“虚拟”的呀！是的，“虚拟播放机”、“虚拟游戏机”、“虚拟内存”、“虚拟光驱”与我们所讨论的“虚拟仪器”，从基本概念上看，“虚拟”的含义应该是一样的，只不过是实现的功能不同而已。通过这样简单描述，我相
3、信：对于什么是“虚拟仪器”我们应该有了一个基本上的共识。虚拟仪器的基本概念Line InMic InWave Out虚拟仪器的基本概念o所谓“虚拟仪器”，就是在通用计算机上，利用通用接口总线连接硬件数据采集或控制模块，通过软件编程控制硬件模块进行控制或测量，并利用软件实现仪器的测量和分析功能。o其实，“虚拟仪器”这个概念从字面上来简单理解就是：借助于计算机和数据采集模块通过软件设计，能够实现真实仪器的测量功能，但确不是一个实实在在的、有模有样的真实的测量仪器。这话看着似乎别扭，没错，但是这样的表述可能更清晰。o当虚拟仪器出现后，为了区别于虚拟仪器，人们将过去所使用的仪器（示波器、万用表、信号源
4、等）称为：传统仪器。虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的基本概念传统仪器传统仪器厂商定义功能厂商定义功能虚拟仪器虚拟仪器用户定义功能用户定义功能虚拟仪器的基本概念o虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（NationalInstrument）在1986年提出的，但其雏形可以追溯到1981年由美国西北仪器系统公司推出的AppleII为基础的数字存储示波器。这种仪器和个人计算机的概念相适应，当时被称为个人仪器。（PersonalInstrument）。o1986年，NI公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW，标志着虚拟仪器软件设计平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。虚拟仪器
5、的基本结构虚拟仪器的基本结构GPIBSerialDAQProcessorUnit Under TestVXIImage AcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware & Driver Software LabVIEW虚拟仪器系统的基本构成虚拟仪器系统的基本构成虚拟仪器的基本结构o虚拟仪器构成的三要素n商业化的PC、工控机及操作系统（比如：上面所说的PC机与操作系统）n应用软件（比如：上面所说的媒体播放软件）o应用软件是指：能够操作、控制PC硬件，实现“虚拟仪器”功能的各种应用软件包。n能够实现虚拟仪器功能的硬件（比如：上面所说的声
6、卡）o能够实现虚拟仪器功能的硬件是指：一些可实现仪器功能的特殊硬件模块（包括驱动软件在内）。虚拟仪器的基本结构虚拟仪器的内部功能划分虚拟仪器的内部功能划分虚拟仪器的特点项项 目目传统仪器传统仪器虚拟仪器虚拟仪器中心环节中心环节关键是硬件关键是软件开发维护费用开发维护费用开发与维护费用高开发与维护费用低技术更新周期技术更新周期技术更新周期长（慢5-10年）技术更新周期短（快1-2年）性能性能/ /价格比价格比价格昂贵价格低，并且可重用性与可配置性强仪器定义仪器定义厂商定义仪器功能用户定义仪器功能功能设定功能设定仪器的功能、规模均已固定系统功能和规模可通过软件修改和增减开放性开放性封闭的系统，与其
7、它设备连接受限基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网络及其它设备连接应用情况应用情况多为实验室拥有个人可以拥有一个实验室虚拟仪器的特点o性能高n虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。虚拟仪器的特点o扩展性强nNI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级
8、即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。虚拟仪器的特点o灵活性强n在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。虚拟仪器的特点o无缝集成n虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的
9、虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。虚拟仪器硬件o虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。n计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。n按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。虚拟仪器硬件虚拟仪器硬
10、件基基于于USBUSB总总线线的的数数据采集卡据采集卡Seed-2000PCISeed-2000PCI总线总线数据采集卡数据采集卡虚拟仪器硬件oNI的DAQ及VXI产品虚拟仪器硬件oPXI产品虚拟仪器硬件oPXIModulesLinktoOtherStandardsMXIMXIGPIBGPIBVXI or VMEPXI SystemPXI SystemModulesModulesModulesModulesCompactCompactP PCICI虚拟仪器软件o测试软件是虚拟仪器的核心。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中
11、的重要位置。oNI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试程序，来实现当代科学技术复杂的测试任务。o在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器软件o虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分：n仪器面板控制软件n数据分析处理软件n仪器驱动软件n通用I/O接口软件虚拟仪器软件用用LabVIEWLabVIEW开发的虚拟仪器的软面板示例开发的虚拟仪器的
12、软面板示例 虚拟仪器软件虚拟数字示波器的软面板虚拟数字示波器的软面板虚拟仪器软件o软件平台nLabVIEWo美国的NI（NationalInstrument）公司开发。nLabSceneo吉林大学智能仪器与测控技术研究所研制开发。n其他：LabWindows，VEE等虚拟仪器软件o仪器驱动n仪器的驱动软件是专门控制某种仪器的软件。LabVIEW因为具有面板控制的概念，特别适合于创建仪器的驱动程序。n软件的前面板部分可以模拟仪器的前面板操作。软件的框图部分可以传送前面板指定的命令参数到仪器以执行相应的操作。当建立了一个仪器的驱动程序后，就不必再记住仪器的控制命令，而只要从前面板输入简单数据即可。
13、n仅仅拥有控制单台仪器的软件，意义并不大。其真正意义在于可以把仪器驱动程序作为子程序调用，与其他子程序一道组成一个大控制程序，从而控制整个系统。虚拟仪器软件虚虚拟拟仪仪器器系系统统的的设设计计方方案案第三步第三步 虚拟仪器系统的组建方案虚拟仪器系统的组建方案 第一步第一步 虚拟仪器系统的构成虚拟仪器系统的构成 第二步第二步 虚拟仪器系统软面板的设计标准虚拟仪器系统软面板的设计标准 LabVIEW虚拟仪器的开发环境oLabVIEW是实验室虚拟仪器平台（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）的简称,是NI公司的创新产品，也是目前应用最广、发
14、展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。o虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）构成的新概念。一个VI可以由更底层的多个VI组成。底层VI代表了最基本的计算、I/O操作与界面设计功能，各层VI有相同的结构形式，每个VI都有用户接口组件。o虚拟仪器模型、图形界面和结构化数据流程图编程是LabVIEW的三大核心技术。LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW
15、虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境LabVIEW虚拟仪器的开发环境基于Labview的数据采集o数据采集（DataAcQuisition，DAQ）是指从传感器和其它待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程。o数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。o一个完整的DAQ系统包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等。基于Labview的数据采集o典型的基于PC的数据采集(DAQ)系统数据采集系统的构成o传感器和变换器传感器和变换器n
16、传感器感应物理信息并生成可测量的电信号。n例如热电偶、电阻式测温计（RTD）、热敏电阻器和IC传感器可以把温度转变为ADC可测量的模拟信号。数据采集系统的构成o信号调理信号调理n从传感器得到的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的等等，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。n信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励、冷端补偿等数据采集系统的构成o数据采集设备数据采集设备n信号调理后的信号即可与数据采集设备连接了。通常情况下数据采集设备是一个数据采集卡，与计算机的连接可以采用多种方式。nNI的数据采集设备支持的总线类型包括PCI、PCIExpress、PXI、
17、PCMCIA、USB、Ethernet以及火线等各种总线。n数据采集卡的功能包括模拟输入、模拟输出、数字I/O、触发采集和定时I/O。数据采集系统的构成oPC与软件与软件n软件使PC与数据采集硬件形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统。n软件分为驱动程序和上层应用程序。p驱驱动动程程序序可可以以直直接接对对数数据据采采集集硬硬件件的的寄寄存存器器编编程程，管管理理数数据据采采集集硬硬件件的的操操作作并并把把它它和和处处理理器器中中断断、DMA和和内内存存这这样样的的计计算算机机资资源源结结合合在在一一起起。驱驱动动程程序序隐隐藏藏了了复复杂杂的的硬硬件件底底层层编编程程细细节节，为为用用户户
18、提提供供容容易易理理解解的的接接口口。一一般般来来说说，硬硬件件厂厂商商在在卖卖出出硬硬件件的同时也会提供驱动程序。的同时也会提供驱动程序。p上上层层应应用用程程序序用用来来完完成成数数据据的的分分析析，存存储储和和显显示示等等。LabVIEW就就是是一一个个极极佳佳的的开开发发上上层层应应用用程程序序的的开开发平台。发平台。虚拟仪器的应用o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、教育等各个行业领域。虚拟仪器的应用o消费电子n微软公司使用LabVIEW和PXI模块化仪器开发了Xbox和Xb
19、ox360手柄的多功能验证，效率提升了100%虚拟仪器的应用o结构监测n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PXI平台和动态采集（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PXI背板实现了精确的同步采集标准虚拟仪器的应用oRF与通信测试n上海聚星仪器公司使用NILabVIEW和基于PXI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信号，使接收机的功能测试更为有效。虚拟仪器的应用o声音与振动n基于NILabVIEW图形化开发环境配合PXI模块化硬件平台，波音公司实现了一个数量高达
20、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。虚拟仪器的应用o汽车nBMW研发人员和德国MicroNova公司的工程师合作，选用了基于虚拟仪器技术的NIPXI平台。针对不同的信号类型和接口功能，使用图形化LabVIEW软件对板载FPGA的NI板卡作开发，并应用于BMW氢能7系发动机控制器的硬件测试。因为PXI平台的可扩展性和通用性，该平台已成功用于BMW其它不同系列发动机控制器的硬件在环测试。虚拟仪器的应用o军事nMantech公司选用PXI作为用于美国空军F-15E和F-16C/D高级战斗机的测试系统LANTRIN的一部分，成功将测试系统的体积从7个机架减小到3个机架，体积减小了50%以上，这其中很大部分要归功PXI仪器的整合能力。虚拟仪器的应用o航空航天n在NILabVIEW平台下，NASA（美国航空航天局）完美地建立了对下一代詹姆士韦伯太空望远镜中“微快门”技术的测试所必须的太空仿真环境。由于能够很好的控制温度、压力条件，还可以把太阳产生的热扰动因素也考虑在内。虚拟仪器的应用o基于GSM/GPS的工程机械远程监控n能与上位机通信，接收并实现上位机的指令，实现有关数据的GSM短信收发和GPS经纬度等信息采集的功能。
