虛擬儀器設(shè)計

第1章虛擬儀器概述本章概述1.1虛擬儀器的基本概念1.2虛擬儀器的形成和發(fā)展1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.5虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)集成1.6虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用本章總結(jié)第一頁，共三十五頁。1.1虛擬儀器的基本概念1.虛擬儀器的定義傳統(tǒng)儀器：特定功能和儀器外觀。虛擬儀器（VI，VirtualInstrumentation）：是一種以計算機和測試模塊的硬件為基礎(chǔ)、以計算機軟件為核心所構(gòu)成的，并且在計算機顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計算機所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來定義的計算機儀器。

第二頁，共三十五頁。如：虛擬示波器第三頁，共三十五頁。虛擬數(shù)字電壓表基于虛擬儀器的溫度檢測與控制第四頁，共三十五頁。2.虛擬儀器的特點從虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)上來看：（1）虛擬儀器的硬件是通用的（包括通用計算機硬件平臺和通用的測量功能硬件）；（2）良好的人機界面。虛擬儀器的面板（或稱軟面板）是虛擬的（通過“控件”虛擬出面板）；（3）功能強。虛擬儀器的功能是由用戶軟件定義的。第五頁，共三十五頁。（4）虛擬儀器之“虛擬”含義：虛擬儀器面板；軟件實現(xiàn)儀器功能。如：基于高速數(shù)據(jù)采集硬件，通過計算機軟件編程可實現(xiàn)“虛擬示波器”、“虛擬頻譜儀”、“虛擬交流數(shù)字電壓表”、“虛擬頻率計”、“虛擬相位計”等不同儀器。（5）因此，軟件是虛擬儀器的核心，NI提出“軟件即儀器”（Thesoftwareistheinstrument）。第六頁，共三十五頁。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)特點：（1）功能強、性價比高、開放性（可擴充性）好；充分利用計算機豐富的軟硬資源。儀器功能可通過軟件靈活設(shè)計（基于相同的硬件，通過軟件設(shè)計可實現(xiàn)不同的虛擬儀器）。儀器升級方便，性價比高（一機多用）?；谟嬎銠C網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器”。（2）操作方便；通過圖形用戶界面（GUI）操作虛擬儀器面板。（3）硬件模塊化、系列化；基于儀器總線技術(shù)，設(shè)計出模塊化、系列化硬件。第七頁，共三十五頁。比較內(nèi)容虛擬儀器傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構(gòu)成軟件和通用硬件。軟件是關(guān)鍵專用硬件系統(tǒng)開發(fā)周期開發(fā)時間短、技術(shù)要求低、系統(tǒng)通用性強開發(fā)時間長、技術(shù)要求高、系統(tǒng)功能較專一開發(fā)費用軟件使得開發(fā)和維護費用降至最低開發(fā)與維修開銷高技術(shù)更新周期短（1~2年）長（5~10年）價格價格低、可復(fù)用與可重配置性強價格昂貴功能可塑性用戶定義儀器功能，柔性廠商定義儀器功能，剛性系統(tǒng)開放性開放、靈活，與計算機技術(shù)同步發(fā)展封閉、固定構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)能力易與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互連功能單一的獨立設(shè)備人機交互無限的顯示選項、界面友好有限的顯示選項虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較：第八頁，共三十五頁。1.2虛擬儀器的形成和發(fā)展1.虛擬儀器形成的背景（1）電子測量儀器(ElectronicInstruments)及自動測試系統(tǒng)(AutomaticTestSystem,ATS)的發(fā)展第九頁，共三十五頁。（2）儀器與自動測試系統(tǒng)總線技術(shù)總線（bus）：信號或信息傳輸?shù)墓猜窂?。片?nèi)總線：微處理器芯片內(nèi)連接內(nèi)部各邏輯單元；片間總線：元件級總線（如典型的微機“三總線結(jié)構(gòu)”）。還有串行總線，如：Motorola的SPI（SerialPeripheralInterface，串行外圍接口）、Philips的I2C（InterICbus，片間總線）、NS的MicroWire（串行同步雙工通信接口）等。內(nèi)總線：板級總線。如個人計算機的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI，及工業(yè)控制的STD、VME、CompatPCI，儀器與測量系統(tǒng)的CAMAC、VXI、PXI等。外總線：外部通信總線。如RS-232/485、USB、IEEE1394、EPP、SCSI；現(xiàn)場總線CAN、LONworks、FF；儀器與測量系統(tǒng)的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等。第十頁，共三十五頁。通過總線技術(shù)，可實現(xiàn)：模塊化硬件設(shè)計；標(biāo)準(zhǔn)化；便于生產(chǎn)、維護（維修）、升級；較好的經(jīng)濟性。第十一頁，共三十五頁。儀器與自動測試系統(tǒng)幾種常用總線的比較摘自：EvaluatingPXIandVXIPlatformsforyourMeasurementandAutomationNeeds，NI第十二頁，共三十五頁。（2）虛擬儀器是技術(shù)發(fā)展的結(jié)果計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，及其在電子測量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，使新測試?yán)碚?、測試方法、測試技術(shù)不斷出現(xiàn)，儀器與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不斷推陳出新，電子測量儀器及自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了質(zhì)的變化，功能與性能得到不斷提高。計算機（PC機）處于核心地位，計算機軟件技術(shù)和儀器與測試系統(tǒng)更緊密結(jié)合成了一個有機整體。在上述的背景下，提出了全新概念的儀器——虛擬儀器。1986年，美國國家儀器公司（NI,NationalInstrument）提出了虛擬儀器（VirtualInstrumentation）的概念。第十三頁，共三十五頁。1990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，相繼推出了基于GPIB總線（GeneralPurposeInterfaceBus）、PC-DAQ（DataAcquisition）和VXI總線（VMEbuseXtensionforInstrumentation，1987年）、PXI總線（PCIeXtensionforInstrumentation，1997年）等多種虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器軟件采用面向?qū)ο蠛涂梢暬幊碳夹g(shù)。底層驅(qū)動和上層應(yīng)用軟件融為一體。虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)化：VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年）和VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture,虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)）。IVI（InterchangeableVirtualInstruments，可互換式虛擬儀器，1997年）。第十四頁，共三十五頁。（3）虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與展望虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)與測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。多門學(xué)科多種技術(shù)的融合，如測試技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)字信號處理、總線與接口、網(wǎng)絡(luò)與通信、傳感技術(shù)、光電技術(shù)、微機械技術(shù)等。（1）新的總線技術(shù)的應(yīng)用（如HS488，1394b等）。（2）速度不斷提高。（3）智能化、模塊化、集成化是硬件發(fā)展的主流。（4）軟件技術(shù)。第一是軟件標(biāo)準(zhǔn)化問題；第二是如何利用各種軟件開發(fā)環(huán)境及工具，編制出符合標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件。（5）網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng)。（6）應(yīng)用范圍更加廣泛。第十五頁，共三十五頁。1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.虛擬儀器系統(tǒng)組成及各部分基本功能（1）虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。第十六頁，共三十五頁。（2）各部分基本功能虛擬儀器的內(nèi)部功能，可劃分為信號采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表示與輸出三大功能模塊。信號采集與控制主要由虛擬儀器的通用硬件平臺，并配合儀器驅(qū)動程序共同完成，而數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出則主要由用戶應(yīng)用軟件完成。第十七頁，共三十五頁。2.虛擬儀器的通用硬件平臺（1）通用硬件平臺的基本功能信號采集（模擬、數(shù)字輸入）；信號產(chǎn)生（模擬、數(shù)字輸出）；信號調(diào)理（信號幅度、頻率、驅(qū)動、隔離等）；定時與計數(shù)；大容量數(shù)據(jù)存儲。實時信號處理?？偩€與通信。第十八頁，共三十五頁。（2）通用硬件平臺的組成第十九頁，共三十五頁。3.虛擬儀器通用硬件平臺的構(gòu)成形式通常為帶有某種標(biāo)準(zhǔn)總線接口的各種測試設(shè)備（分立式或模塊式儀器），主要有PC總線的數(shù)據(jù)采集模塊（PC-DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線儀器模塊、RS-232串口、USB接口儀器等類型，或多種類型的組合。第二十頁，共三十五頁。（1）基于PC總線的虛擬儀器內(nèi)置PC總線（如ISA、PCI、PC/104）的通用數(shù)據(jù)采集卡（DAQ，DataAcQuisition）。（2）基于GPIB通用接口總線的虛擬儀器國際標(biāo)準(zhǔn)（IEEE488.1和IEEE488.2），技術(shù)成熟；但其數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于500Kb/s，對測試速度要求很高的場合不太適用。（3）基于VXl總線的虛擬儀器具有模塊化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI儀器的互換性和互操作性。但價格相對較高，適合于高端的測試領(lǐng)域。（4）基于PXI總線的虛擬儀器兼容PCI總線產(chǎn)品。集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性價比最好。第二十一頁，共三十五頁。1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括I/O接口軟件、儀器驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件三部分。第二十二頁，共三十五頁。（1）I/O接口軟件（VISA庫）I/O接口軟件存在于儀器設(shè)備（即I/O接口設(shè)備）與儀器驅(qū)動程序之間，是一個完成對儀器寄存器進行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器設(shè)備與儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞的底層軟件。VPP規(guī)范了虛擬儀器的I/O接口軟件的特點、組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)規(guī)范，并將符合VPP規(guī)范的虛擬儀器I/O接口軟件定義為VISA（虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)）軟件。VISA庫，實質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA函數(shù)庫駐留于計算機系統(tǒng)中，是計算機與儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)軟件通信接口，用以實現(xiàn)對儀器的控制。第二十三頁，共三十五頁。（2）儀器驅(qū)動程序連接上層應(yīng)用程序與底層I/O接口儀器的紐帶和橋梁。是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合。儀器廠商提供有相應(yīng)儀器的驅(qū)動程序（原代碼），為用戶提供對儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。（3）程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPISCPI（StandardCommandsforProgrammableInstruments，可程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令）。面向測試功能而非儀器。第二十四頁，共三十五頁。（4）應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對用戶操作。提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理（時域、頻域、數(shù)字濾波等）功能，完成自動測試任務(wù)。通常，包括測試管理軟件和測試功能軟件兩部分。第二十五頁，共三十五頁。2.虛擬儀器軟件開發(fā)平臺（1）虛擬儀器軟件框架結(jié)構(gòu)第二十六頁，共三十五頁。（2）通用的可視化軟件編程環(huán)境Microsoft公司的VisualC++和VisualBasic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等。（3）專用于虛擬儀器開發(fā)的軟件編程環(huán)境圖形化編程（G語言）環(huán)境：AgilentVEE、NILabVIEW；文本編程環(huán)境：NILabWindows/CVI。其中，LabVIEW是目前最流行、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件。非常適于儀器、測量與控制領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)。第二十七頁，共三十五頁。第二十八頁，共三十五頁。NI公司還推出了用于數(shù)據(jù)采集、自動測試、工業(yè)控制與自動化等領(lǐng)域的多種設(shè)備驅(qū)動軟件和應(yīng)用軟件，如：LabVIEW的實時應(yīng)用版本LabVIEWRT；工業(yè)自動化軟件BridgeVIEW；工業(yè)組態(tài)軟件Lookout；基于Excel的測量與自動化軟件Measure；即時可用的虛擬儀器平臺VirtualBench；生理數(shù)據(jù)采集與分析軟件Biobench；測試執(zhí)行與管理軟件TestStand；還包括NI-488.2、NI-VISA、NI-VXI、NI-DAQ、NI-IMAQ、NI-CAN、NI-FBUS等設(shè)備驅(qū)動軟件；以及各種LabVIEW和LabWindows/CVI的增值軟件工具包。第二十九頁，共三十五頁。1.5虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)集成1.虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計過程主要包括測試需求分析、系統(tǒng)總體方案設(shè)計、系統(tǒng)硬件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)集成及系統(tǒng)調(diào)試等。第三十頁，共三十五頁。（1）測試需求分析分析被測參數(shù)的形式（電量還是非電量、數(shù)字量還是模擬量）、范圍（幅度、頻率）和數(shù)量（通道數(shù)），激勵信號的形式和范圍要求；性能指標(biāo)（測量精度、速度）要求；功能（用戶接口界面、數(shù)據(jù)分析與處理、存儲與顯示、外部通信接口等）要求。（2）系統(tǒng)總體方案設(shè)計根據(jù)測試任務(wù)要求，確定測試方法；系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)設(shè)計。（3）系統(tǒng)硬件設(shè)計自制或購買；硬件系統(tǒng)集成。第三十一頁，共三十五頁。（4）系統(tǒng)軟件設(shè)計選擇軟件開發(fā)環(huán)境；底層驅(qū)動設(shè)計；上層應(yīng)用軟件設(shè)計（用戶界面設(shè)計、測量數(shù)據(jù)分析與處理、算法設(shè)計、測量結(jié)果表達(dá)）。（5）軟硬件集成與調(diào)試功能測試；指標(biāo)測試；系統(tǒng)優(yōu)化。第三十二頁，共三十五頁。1.6虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用1.應(yīng)用廣泛從軍事到民用；特別是儀器、測量與控制、自動化等領(lǐng)域。測試測量工業(yè)自動化聲學(xué)測試設(shè)備測試工業(yè)自動化食品加工汽車測試生物醫(yī)學(xué)研究控制工程機器視覺計量校準(zhǔn)電子與非電子測試石油和天然氣工程制藥生產(chǎn)光纖校準(zhǔn)光學(xué)度量和測定工業(yè)機器人過程自動化研發(fā)調(diào)試半導(dǎo)體測試SCADA統(tǒng)計流程控制通信測試振動測試晶片傳送手臂機械制造第三十三頁，共三十五頁。第三十四頁，共三十五頁。內(nèi)容總結(jié)第1章虛擬儀器概述。傳