虛擬儀器設計-概論

虛擬儀器設計

西安電子科技大學測控工程與儀器系主講教師：賀華教師聯絡方式：

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密碼:vixidian第一章概論儀器技術的相關概念丈量是人類認識客觀世界的最根本方法。丈量技術也是人類科學技術和改造客觀世界才干的重要標志。從廣義上講，丈量本身是一種實驗方法，也是經過實驗，對客觀事物獲得定量意義〔或叫信息〕的過程?，F實上，這種過程就是把待丈量直接或間接的與另一同類的知量進展比較，用知量作為計量單位，求得待丈量的過程，人們經過丈量可以建立對客觀事物屬性量度的認識，并可經過對丈量結果數據進展必要的歸納和演繹，從中找到客觀事物的演化規(guī)律，提出科學的實際?！罢闪渴强茖W提高的階梯〞“沒有丈量，就沒有科學〞丈量：檢測普通指現代自動化大消費中為確保產質量量對消費流程中某些物理量值和工藝質量進展的監(jiān)控性丈量過程。檢測技術就是要研討那些被監(jiān)測的非電物理對象如何變換成普通計量測試儀器所能丈量到的電量參數，并經過校準換算使之變?yōu)楸粶y對象應有的單位量值。在這一過程中工藝規(guī)范和質量規(guī)范的建立是非常重要的，沒有規(guī)范和規(guī)范的檢測是無意義的。檢測也可以指那些對廢質量量實行抽樣檢查而進展的丈量過程。

檢測：普通泛指消費和科學實驗中經常進展的滿足一定準確度要求的實驗性丈量過程?！皽y試〞與“丈量〞、“檢測〞在了解上稍有區(qū)別：

(1)測試可指那些實驗研討性質的丈量過程，這種丈量普通沒有建立正式的計量規(guī)范，我們只能用一些有意義的參數和方法去“測評〞被測對象的形狀、性能或才干。這種“測評〞是無法計量的，只能是實驗性質的，這種測評過程普通只能稱為測試。例如，我們對一個人才干的調查，只能用有某種公認水準的標題或工程來調查他，看他能否應對自若或高質量完成，這就是一種測試過程。測試：(2)測試也可指只著眼于定性而不重定量的丈量過程，例如，邏輯電路中對邏輯電平的丈量，我們只著重判別測試點邏輯電平的高低，邏輯形狀能否正確，而不去追求該電平的準確量值。這種只求定性，不求準確測定量的丈量過程也稱為測試過程。(3)測試也可以指實驗和丈量的全過程，這種過程即是定量的，也是定性的。在這種情況下，可以把測試了解為一種手段或過程，其目的在于鑒別被測對象的性質和特征。例如，普通對各種產品的鑒定任務就是一種既定量又定性的測試過程。

(4)在消費流程和廢品鑒定中的檢測過程，從過程的作用和意義來講實踐上也是一種測試過程。一個典型的傳統(tǒng)測試系統(tǒng)常由實驗安裝、丈量部分、數據處置和輸出設備等幾部分組成。測試系統(tǒng)的組成：測試任務：根據不同的測試對象，選擇適當的傳感器，設計或選擇有效而準確的中間變換電路、丈量儀器和信號處置部件，以最方便、科學的方式把測試結果顯示出來?？茖W技術的迅速開展使消費效率愈來愈高，科學研討也愈來愈深化和復雜。在大規(guī)模的消費和科學研討中，要求測試的工程和研討的問題也愈來愈多和復雜，不但任務量大，而且要求高，還常伴隨著大量的數據處置和統(tǒng)計運算的任務。在這種情況下，靠人工或功能簡單的儀器測試曾經無法順應這種情勢的開展了，自然提出了測試技術的自動化問題。計算機技術、實時采樣技術、頻率合成技術的開展和成熟給自動檢驗技術奠定了良好的根底。近代檢測技術、傳感器技術、顯示技術、數據傳輸和處置技術以及大規(guī)模集成電路技術的開展，尤其是單片計算機技術和計算機科學的飛速開展和成就，為測試技術的自動化提供了必要的技術條件和手段。測試技術的自動化儀器的開展歷史第一代儀器：模擬儀器第二代儀器：數字化儀器第三代儀器：智能儀器第四代儀器：虛擬儀器儀器的開展歷史第一代儀器：模擬儀器如指針式萬用表，它們的根本特征是采用模擬電子技術實現，采用指針顯示結果。第二代儀器：數字化儀器數字化儀器目前相當普及，如數字電壓表、頻率計等。這類儀器將模擬信號的丈量轉化為數字信號的丈量，并以數字方式輸出最終結果。儀器的開展歷史第三代儀器：智能儀器智能儀器內置微處置器，能進展自動丈量，具有一定的數據處置才干，可取代部分腦力勞動。它的全部功能全部都是以硬件〔或固化的軟件〕的方式存在，無論是開發(fā)還是運用，都缺乏靈敏性。第四代儀器：虛擬儀器虛擬儀器是現代計算機技術和丈量技術相結合的產物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次宏大變革，是未來儀器開展的一個重要方向。儀器技術革命第一次儀器革命是由于數字電子技術的開展引起的，使儀器形狀進入了數字化儀器時代；第二次儀器革命是由于微處置器的大量運用引起的，使儀器形狀進入了智能儀器時代；目前，儀器領域正在進展第三次儀器革命，這次革命是由通用計算機硬軟件技術的提高引起的，這次儀器革命將使儀器形狀進入第四個時期：虛擬儀器時代。儀器的構成元素數據采集信號處置結果表達與儀器控制硬件〔電子線路〕硬件〔電子線路〕硬件〔顯示器與旋鈕〕硬件〔電子線路〕計算機軟件〔算法〕計算機硬件〔顯示器與虛擬旋鈕〕傳統(tǒng)儀器虛擬儀器計算機系統(tǒng)資源傳統(tǒng)儀器廠商定義功能虛擬儀器用戶定義功能儀器概念的轉變VirtualInstrumentation--ComputerBasedInstruments習慣把具有自動化、智能化、可編程化等功能的測試系統(tǒng)稱為自動測試系統(tǒng)，也稱作現代測試系統(tǒng)。它的主要表現方式有：1、智能儀器2、自動測試系統(tǒng)3、虛擬儀器自動測試系統(tǒng)定義：1、智能儀器

所謂智能儀器是用以描畫新的一代丈量儀器．這類儀器儀表中含有微處置器、單片計算機或體積很小的微型機，有時亦稱為內含微處置器的儀器或基于微型機的儀器。這類儀器，由于功能豐富又很乖巧，國外書刊中常簡稱為智能儀器。智能儀器的特點〔1〕具有自動校準的功能；〔2〕具有強大的數據處置才干；〔3〕具有量程自動切換的功能；〔4〕具有操作面板和顯示器；〔5〕具有修正誤差的才干；〔6〕有簡單的報警功能。自動校準功能普通儀器在運用前都要進展刻度校準。在運用中，隨著儀表溫度升高，元件的參數往往會發(fā)生變化，還有諸如電網干擾、噪聲等要素的影響，原來校準好的形狀會遭到破壞，導致前后丈量的數據不一致。智能儀器不僅可以自動校準．還可以在丈量過程中定期校準。這樣丈量的一致性條件校好，減小了誤差。電壓輸入自動校正智能儀器的普通構造：一、在物理構造上，微型計算機內含于丈量儀器。微處置器及其支持部件是整個測試電路的一個組成部分，但是，從計算機的觀念來看，測試電路與鍵盤、GPIB接口、顯示器等部件一樣，僅是計算機的一種外圍設備。二、智能儀器的管理程序也稱監(jiān)控程序，分析、接受、執(zhí)行來自鍵盤或接口的命令，完成測試和數據處置等義務。軟件存于ROM或EPROM。軟件是智能儀器的靈魂。智能儀器的根本組成智能儀器任務過程1、微處置器接納來自鍵盤或GPIB接口命令，解釋并執(zhí)行這些命令；2、微處置器經過接口發(fā)出各種控制信息給測試電路，以規(guī)定功能、啟動丈量、改動任務方式等，3、當測試電路完成一次丈量后，微處置器讀取丈量數據，進展必要的加工、計算、變換等處置，最后以各種方式輸出。2、自動測試系統(tǒng)

一個自動測試系統(tǒng)，普通由四部分組成：第一是微機或微處置器，它是整個系統(tǒng)的中心；第二是被控制的丈量儀器或設備，稱為可程控儀器；第三是接口；第四是軟件。自動測試系統(tǒng)根本構成(一)微機(或微處置器)這是整個系統(tǒng)的中心。在軟件控制下，微機控制夠個自動測試系統(tǒng)正常運轉，并對丈量數據進展某種方式的處置，如計算、變換、數據處置、誤差分析等；最后將丈量結果經過打印機、顯示器、磁盤磁卡或電表、數碼顯示等方式輸出。(二)可程控儀器或設備在自動測試過程中，丈量儀器或設備的任務，如丈量功能、任務頻段、輸出電平、量程等的選擇和調理都是由微機所發(fā)控制指令的控制下完成的。這種能接受程序控制并據之改動內部電路任務形狀，以及完成特定義務的丈量儀器稱為儀器的可程序控制，簡稱可程控，或稱程控儀器。顯然程控儀器是組成自動測試系統(tǒng)的根本部分。(三)接口一個自動測試系統(tǒng)中，各儀器和設備之間的接口的總體稱為該自動測試系統(tǒng)的接口系統(tǒng)。顯然，接口系統(tǒng)是自動測試系統(tǒng)到達自動測試目的，使自動測試系統(tǒng)各儀器和設備之間進展有效通訊的重要環(huán)節(jié)。60年代中期以前，接口是公用的和非規(guī)范化的，即是專門為某一自動測試系統(tǒng)而設計制造的，設計和制造不具有反復性。接口的主要義務是在以下方面提供儀器與計算機銜接需求的兼容。機械兼容對接口的最簡單的要求是提供機械兼容，就是要有適當的銜接器和它們之間的連線。電磁兼容接口的第二種作用是使計算機和探器之間有適配的電器特性即在邏輯電平方面要相符合。數據兼容一旦接口已使計算機和儀器實現了機械和電器兼?zhèn)渌鼈兙湍芙涍^數據線交換電信號信息，但需求某種格式翻譯，有種種編程才干的計算機通常能執(zhí)行這種功能，思索到速度，往往把這個義務交給接口完成。自動測試技術源于70年代，開展至今．大致可分為三代，其系統(tǒng)組成構造也有較大的不同。第一代自動測試系統(tǒng)〔50年代-70年代初〕第一代自動測試系統(tǒng)多為公用系統(tǒng)，通常是針對某項詳細義務而設計的。如數據自動采集和自動分析，只能用于大量的要求反復、快速、高可靠和對人員安康有害又難于接近的測試場所。其構造特點是采用比較簡單的定時器或掃描器作為控制器，其接口也是公用的。因此，第一代測試系統(tǒng)通用性比較差。自動測試系統(tǒng)開展歷程第二代自動測試系統(tǒng)〔70年代初出現〕第二代自動測試系統(tǒng)典型方塊圖如下圖。與第一代自動測試系統(tǒng)的主要不同在于：采用了規(guī)范化的通用可程控丈量儀器接口總線(IEEE488)及可程序控制的儀器和測控計算機(控制器)，從而使得自動測試系統(tǒng)的設計、運用和組裝都比較容易。第三代自動測試系統(tǒng)第二代自動測試系統(tǒng)雖然比人工測試顯示出前所未有的優(yōu)越性，但是在這些系統(tǒng)中，電子計算機并沒有充分發(fā)揚作用，系統(tǒng)中仍是運用傳統(tǒng)的測試設備(只不過是配備了新的規(guī)范接口)，整個系統(tǒng)的任務過程根本上還是對傳統(tǒng)人工測試的模擬。于是出現了虛擬儀器。虛擬儀器〔VirtualInstrument,簡稱VI〕是計算機技術同儀器技術深層次結合產生的全新概念的儀器，是對傳統(tǒng)儀器概念的艱苦突破，是儀器領域內的一次革命。虛擬儀器是繼第一代儀器——模擬式儀表、第二代儀器——分立元件式儀表、第三代儀器——數字式儀表、第四代儀器——智能化儀器之后的新一代儀器。虛擬儀器所謂的虛擬儀器，就是在以通用計算機為中心的硬件平臺上，由用戶設計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統(tǒng)?！疤摂M〞的含義虛擬的儀器面板由軟件實現儀器的丈量功能〔軟件就是儀器〕虛擬儀器的定義虛擬儀器技術降低了市場門欄長期以來，我國儀器行業(yè)作出了宏大的努力，但一直沒有才干與國外競爭。思索其中緣由，國外先進國家在長期的儀器開展中，構成了以知識產權為中心的技術壁壘，這個我們很難突破。也就是說，儀器市場準入門欄太高。虛擬儀器技術采用通用計算機平臺，用軟件算法替代硬件實現儀器功能，這使得我們可以繞過復雜的工藝問題和傳統(tǒng)儀器的知識產權，進入一個全新的市場，與國外公司在一個全新的領域，展開競爭。我國儀器行業(yè)應抓住如今的大好時機，大力開展虛擬儀器。就可以迅速縮短我們與興隆國家的差距。興隆國家的市場退出本錢較高，我們及時進入市場，能構成后發(fā)比較優(yōu)勢。興隆國家已構成一套儀器工業(yè)體系和銷售效力網絡，在開展虛擬儀器方面，他們只能采用漸變的方式，逐漸實現傳統(tǒng)儀器退出市場，假設退出太快，就會呵斥宏大的退出本錢。我們作為開展中國家，在傳統(tǒng)儀器領域未能構成比較優(yōu)勢。假設我們集中力量，迅速進入下一代虛擬儀器市場，我們不存在退出本錢的問題，可以迅速構成后發(fā)比較優(yōu)勢。略過傳統(tǒng)儀器的開展階段，迅速進入下一代儀器開展階段，呵斥儀器技術的跨躍式開展態(tài)勢?？畿S式開展方式也是開展中國家趕超興隆國家的根本方式。虛擬儀器的架構模塊化儀器軟件算法1．虛擬儀器的內部功能丈量儀器的內部功能可劃分為：輸入信號的丈量、轉換、數據分析處置及丈量結果的顯示四個部分。虛擬儀器也不例外，但是實現上述功能的方式不同，下面按三個部分來表達?！?〕信號采集與控制功能虛擬儀器是由計算機和儀器硬件組成的硬件平臺，實現對信號的采集、丈量/轉換與控制的。硬件平臺由兩部分組成：1、計算機可以是筆記本計算機、PC機或任務站；2、儀器硬件：可以是插入式數據采集板〔含信號調理電路、A／D轉換器、數字I／O、定時器、D／A轉換器等〕，或者是帶規(guī)范總線接口的儀器，如GPIB儀器、VXI儀器、RS－232儀器等)。(2)數據分析處置功能虛擬儀器充分利用了計算機的存儲、運算功能，并經過軟件實現對輸入信號數據的分析處置。處置內容包括進展數字信號處置＼數字濾波統(tǒng)計處置、數值計算與分析等。虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器以及以微處置器為中心的智能儀器有更強大的數據分析處置功能。(3)丈量結果的表達虛擬儀器充分利用計算機資源如內存、顯示器等，對丈量結果數據的表達與輸出有多種方式，這也是傳統(tǒng)儀器遠不能及的。例如，虛擬儀器可以實現：經過總線網絡進展數據傳輸；經過磁盤、光盤硬拷貝輸出；經過文件存于硬盤內存中；計算機屏幕顯示。VI構成要素虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、運用軟件和儀器硬件三大要素構成的。計算機與儀器硬件又稱為VI的通用儀器硬件平臺。軟件技術是虛擬儀器的中心技術。常用的儀器用開發(fā)軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。這些軟件已相當完善，而且還在晉級、提高。以LabVIEW為例，這是基于圖形化編程言語G的開發(fā)環(huán)境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI儀器及數據采集卡等硬件的系統(tǒng)構成，而且，具有很強的分析處置才干。VI系統(tǒng)有多種構成方式：PC—DAQ丈量系統(tǒng)：是以數據采集卡、信號調理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。GPIB系統(tǒng)：是以GPIB規(guī)范總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)：是以VXI規(guī)范總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。串口系統(tǒng)：是以Serial規(guī)范總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)?，F場總線系統(tǒng)：是以Fieldbus規(guī)范總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。VI構成方式被測信號GPIB儀器串口儀器VXI模塊PXI模塊PC-DAQ計算機I/O接口設備虛擬儀器的構成方式無論上述哪種VI系統(tǒng)，都是經過運用軟件將儀器硬件與各類計算機相結合，其中PC-DAQ測試系統(tǒng)是構成VI的根本方式。由于，實踐上數據采集系統(tǒng)DAS是構成各種規(guī)范總線儀器的根底，故虛擬儀器是基于“信息的數據采集(ADC)-信號的分析與處置(DSP)-輸出(DAC)及顯示〞的構造方式建立通用儀器硬件平臺。在這個通用儀器硬件平臺上，調用不同的丈量軟件就構成了不同功能的儀器。PXI模塊VXI模塊虛擬儀器軟件平臺Labview/Labwindows/CVI現實上的虛擬儀器軟件平臺HP-VEEVBVC++其它1、編程設計圖形化軟件模塊提供圖形化編程環(huán)境，經過調用控件、庫函數原碼模塊進展儀器面板設計和數據分析處置。2、儀器驅動程序〔InstrumentDrivers)與用戶接口開發(fā)工具〔UserInterfaceDevelopment)規(guī)范軟件模塊。LabView軟件組成虛似儀器和傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)和維護費用低開發(fā)和維護費用高技術是更新周期短〔0.5~1年〕技術更新周期長〔5~10年〕軟件是關鍵硬件是關鍵價錢低價錢昂貴開放靈敏與計算機同步，可反復用和重配置固定可用網絡聯絡周邊各儀器只可連有限的設備自動、智能化、遠間隔傳輸功能單一，操作不便虛擬儀器的分類:從技術開展的角度來看，虛擬儀器走的是兩條技術道路：一條是向高速、高精度、大型自動測試設備〔ATE〕方向開展，即GPIB〔1975〕→VXI〔1987〕→PXI〔1997〕的開展道路；另一條是向高性能、低本錢、普及型系統(tǒng)方向開展，即PC插卡〔1987〕→并口式〔1995〕→串口USB〔1999〕的技術道路。

虛擬儀器的開展隨著微機的開展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：第一類：PC總線——插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與公用的軟件如LabVIEW相結合。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率缺乏，機箱內部的噪聲電平較高，插槽數目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺陷。另外，ISA總線的虛擬儀器曾經淘汰，PCI總線的虛擬儀器價錢比較昂貴。第二類：并行口式虛擬儀器最新開展的一系列可銜接到計算機并行口的測試安裝，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N丈量測試儀器的功能，可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、恣意波形發(fā)生器、頻率計、數字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數據記錄儀、數據采集器。它們的最大益處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價錢低廉、用途廣泛，特別適宜于研發(fā)部門和各種教學實驗室運用。第三類：GBIB總線方式的虛擬儀器GPIB總線(GeneralPurposeInterfaceBus),即IEEE488通用接口總線,是HP公司在70年代推出的臺式儀器接口總線,因此又叫HPIB(HPInterfaceBus)。該規(guī)范總線在儀器、儀表及測控領域得到了最為廣泛的運用。這種系統(tǒng)是在微機中插入一塊GPIB接口卡,經過24或25線電纜銜接到儀器端的GPIB接口。當微機的總線變化時,例如采用ISA或PCI等不同總線,接口卡也隨之變卦,其他部分可堅持不變,從而使GPIB系統(tǒng)能順應微機總線的快速變化。由于GPIB系統(tǒng)在PC出現的初期問世,所以有一定的局限性。如其數據線只需8根,用位并行、字節(jié)串行的方式傳輸數據,傳輸速度最高1ＭＢy/ｓ,傳輸間隔20ｍ(加驅動器能達500ｍ)。第三類GPIB總線方式虛擬儀器第四類：VXI總線方式虛擬儀器VXI總線(VMEbusextensionforinstrumentation)。該總線是VME計算機總線在儀器領域中的擴展,其中VME總線是一種工業(yè)微機的總線規(guī)范,主要用于微機和數字系統(tǒng)領域。優(yōu)點：ＶＸＩ系統(tǒng)具有小型