虛擬儀器概述

虛擬儀器概述第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二使用教材：《虛擬儀器技術(shù)分析與設計》編著張重雄電子工業(yè)出版社參考書籍：《虛擬儀器技術(shù)概論》編著楊樂平

電子工業(yè)出版社《LabVIEW程序設計與應用》編著楊樂平

電子工業(yè)出版社第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二1．1概述1.電子測量儀器的發(fā)展VXIChassisDAQBoardswithRTSIGUIIEEE488RackandStackSystemAnalogInstrumentationVirtualinsInInstrumentationFullyProgrammableSystem第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二電子測量儀器發(fā)展至今，大體可分為四代：

第一代模擬儀器

第三代智能儀器第二代數(shù)字化儀器第四代虛擬儀器第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向：一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。另一種是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。如：虛擬儀器。第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二

美國國家儀器公司(National

Instruments

Corp.簡稱NI)于1986年提出。概念：虛擬儀器是指在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶自己設計定義，具有虛擬的操作面板，測試功能由測試軟件來實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二（1）虛擬儀器面板；（2）由軟件編程來實現(xiàn)儀器的功能。第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二特別指出：

虛擬儀器實質(zhì)上是一種創(chuàng)新的儀器設計思想，而非一種具體的儀器。

SOFTWAREISINSTRUMENT第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二1、基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二工作原理：

通過數(shù)據(jù)采集卡將要測量的信號或數(shù)據(jù)采集并傳給計算機，然后由控制軟件進行分析處理，傳給用戶；同時，虛擬平臺通過人機界面獲取用戶指令，再通過數(shù)據(jù)采集卡傳給被控對象。第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二2、基于GPIB方式的虛擬儀器GPIBInterfaceGPIB電纜DMM第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)是由HP公司于1978年制定的總線標準，是傳統(tǒng)測試儀器在數(shù)字接口方面的延伸和擴展第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二3、基于VXI總線方式的虛擬儀器

主控計算機CPU儀器1儀器2RAM儀器3單CPU系統(tǒng)第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二虛擬儀器技術(shù)中最引人注目的應用是基于VXI總線（VMEbusExtensionforInstrumentation）平臺技術(shù)的自動測試儀器系統(tǒng)。由于VXI總線具有標準開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步準確、模塊可重復利用、眾多廠家支持等優(yōu)點得到廣泛應用。

第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二4、基于PXI總線方式的虛擬儀器第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二PXI（

PCIeXtensionsforInstrumentation）總線是NI公司在1997年9月1日推出的全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。它以CompactPCI為基礎，是PCI總線面向儀器領域的擴展。

第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二5、基于LXI總線方式的虛擬儀器第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二2004年9月，VXI科技公司和安捷倫公司共同推出一種適用于自動測試系統(tǒng)的新一代基于局域網(wǎng)（LAN）的模塊化測量儀器接口標準LXI（LAN-basedeXtensionsforInstrumentation），即LAN的儀器擴展。

第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二一．組成：應用軟件－儀器功能應用軟件－虛擬面板儀器驅(qū)動器軟件輸入/輸出接口軟件通用計算機外圍硬件設備軟件硬件被測系統(tǒng)用戶圖1-1虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二1．硬件（虛擬儀器工作的基礎）

通用計算機：

筆記本電腦、臺式計算機或工作站等。

外圍硬件設備：可以選擇GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集或其它系統(tǒng)。也可以選擇兩種或兩種以上構(gòu)成混合系統(tǒng)第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二硬件的主要功能：是獲取真實世界中的被測信號。

(采集、傳輸、存儲處理和輸入/輸出等)

按照測控功能硬件的不同，VI可分為GPIB、VXI、PXI、DAQ和LXI等標準體系結(jié)構(gòu)。第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二2．軟件（虛擬儀器技術(shù)最核心的思想）第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二輸入/輸出接口軟件（VISA）：對儀器內(nèi)存儲單元進行直接讀取數(shù)據(jù)、為儀器驅(qū)動器提供信息傳遞的底層軟件。儀器驅(qū)動器：儀器驅(qū)動程序是連接上層應用軟件和低層I/O軟件的紐帶和橋梁。儀器生產(chǎn)廠家在提供儀器模塊的同時提供儀器驅(qū)動程序第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二應用軟件：一般是在儀器硬件廠商提供的I/O接口軟件\儀器驅(qū)動程序基礎上進行應用軟件開發(fā)。任務：利用計算機強大的圖形功能實現(xiàn)虛擬儀器面板，給用戶提供操作儀器、顯示數(shù)據(jù)的人機接口，以及數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示和存儲等。分為：實現(xiàn)儀器功能（數(shù)據(jù)分析處理軟件）、

實現(xiàn)虛擬面板(儀器面板控制軟件)第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二?虛擬儀器應用軟件的編寫，大致可分為兩種方式

①通用編程軟件：主要有Microsoft公司的Visual

Basic與Visual

C++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder；

②專業(yè)圖形化編程軟件：如HP公司的VEE、

NI公司的LabVIEW

和Lab

windows/CVI等。

?軟件的功能：實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示，并將其集成為一起操作與運行的命令環(huán)境。第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同分為：數(shù)據(jù)采集插卡式（DAQ）、IEEE1394、RS232/RS422、并行接口、USB、GPIB、VXI、PXI、LXI。第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二一．特點豐富和增強了傳統(tǒng)儀器的功能。突出“軟件即儀器”的概念。儀器由用戶自己定義。開放的工業(yè)標準。

便于構(gòu)成復雜的測試系統(tǒng)。第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二1、儀器的構(gòu)成元素傳統(tǒng)儀器硬件(電子線路)硬件(顯示器與旋鈕)數(shù)據(jù)采集信號處理結(jié)果表達與儀器控制虛擬儀器硬件(電子線路)硬件(電子線路)計算機軟件(算法)計算機硬件

(顯示器與虛擬按鈕)計算機系統(tǒng)資源第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二2．VI與傳統(tǒng)儀器的比較VI傳統(tǒng)儀器軟件使得開發(fā)和維護費用降低開發(fā)與維護開銷高技術(shù)更新周期短（1－2年）技術(shù)更新周期長（5－10年）關(guān)鍵是軟件關(guān)鍵是硬件價格低、可復用與可重配置性強價格昂貴用戶定義儀器功能廠商定義儀器功能開放、靈活，可與計算機技術(shù)保持同步發(fā)展封閉、固定與網(wǎng)絡及其它周邊設備方便互聯(lián)的面向應用的儀器系統(tǒng)功能單一、互聯(lián)有限的獨立設備第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二二、虛擬儀器的應用第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期二自從NI于1986年提出虛擬儀器的概念至今，虛擬儀器的發(fā)展大約可分為三個階段：第一階段：利用計算機增強儀器的功能利用GPIB總線和RS-232總線同計算機連接起來，用戶就可以用計算機控制儀器。第二階段：開放式的儀器結(jié)構(gòu)一是插入式計算機數(shù)據(jù)處理卡；二是VXI儀器總線標準的確立第三階段：虛擬儀器框架得到廣泛認同和采用幾個虛擬儀器平臺已經(jīng)得到認可,并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標準工具第32頁，共34頁，2023年