傳感器與檢測技術（第5版）課件 10.3 虛擬儀器

10.3虛擬儀器10.3.1概述10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成10.3.3軟件結(jié)構(gòu)10.3.4軟件開發(fā)平臺10.3.1概述儀器儀表技術的發(fā)展兩條主線：模擬儀表、數(shù)字化儀表智能儀表 單臺儀器、疊架式儀器系統(tǒng)虛擬儀器

傳統(tǒng)儀器一個獨立的裝置，有一機箱，有操作面板，信號輸入輸出端，還有開關、旋鈕等。檢測結(jié)果輸出的方式有指針式表頭、數(shù)字式和圖形等，可能還有打印輸出。一般由以下三大功能塊組成：信號的采集和控制、信號的分析與處理結(jié)果的表達與輸出。功能塊全部都是以硬件(或固化的軟件)的形式存在。這種框架式的結(jié)構(gòu)，決定了傳統(tǒng)的儀表只能由儀器廠家來定義、制造，用戶無法改變的現(xiàn)實。虛擬儀器的出現(xiàn)

計算機技術和儀器技術結(jié)合：

充分利用計算機豐富的軟硬件資源，可以較大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達、傳遞、存儲等方面的限制，達到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。還可以把儀器的三大功能全部放在計算機上實現(xiàn)。在計算機中插入數(shù)據(jù)采集卡，然后，用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進行信號處理分析，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，這就是虛擬儀器。虛擬儀器“軟件就是儀器”具有虛擬儀器面板的個人計算機儀器。組成：計算機、模塊化功能硬件和控制軟件。操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器的運行，完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀表的關鍵。操作者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。10.3虛擬儀器10.3.1概述10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成10.3.3軟件結(jié)構(gòu)10.3.4軟件開發(fā)平臺10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方法2.GPIB儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法3.VXI儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方法一個典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由四部分組成。2.GPIB儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法

GPIB技術是虛擬儀器發(fā)展的第一階段。GPIB把可編程儀器與計算機緊密地聯(lián)系起來，從此電子測量由獨立的、手工操作的單臺儀器向組成大規(guī)模自動測試系統(tǒng)的方向邁進。典型的GPIB測量系統(tǒng)構(gòu)成：一臺PC機、一塊GPIB接口板卡和若干臺GPIB儀器通過標準的GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口板可帶多達14臺儀器，電纜長度可達20米。GPIB技術可以用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測試的誤差。可以預先編制好測試程序，實現(xiàn)自動測試，提高了可靠性和效率?？梢苑奖愕貙⒍嗯_儀器組合起來，形成較大的自動測試系統(tǒng)，高效、靈活地完成各種不同規(guī)模的測試任務?？梢院芊奖愕財U展傳統(tǒng)儀器的功能。因為儀器同計算機連在一起，儀器測量的結(jié)果送到計算機里，在計算機這邊增加不同的分析處理算法，就相當于增加了儀器的功能。3.VXI儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法VXI總線是一種高速計算機總線—VME總線在儀器領域的擴展(VMEExtensionforInstrumentation)。優(yōu)點：標準開放、結(jié)構(gòu)緊湊、具有數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持，得到廣泛的應用。應用：在組建大、中規(guī)模自動測試系統(tǒng)，以及對速度、精度要求較高的場合，有著其它系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點。VXI儀器系統(tǒng)不同的配置方法(1)GPIB控制方案(2)嵌入式計算機控制方案(3)MXI總線控制方案(1)GPIB控制方案組件：插于通用計算機的GPIB接口板，位于VXI零槽的GPIB—VXI/C模塊，連接兩者的GPIB電纜，一個VXI機箱以及若干個VXI儀器模塊。GPIB控制方案的數(shù)據(jù)傳輸速率約為1Mbytes/s。如果使用HS488協(xié)議可使GPIB的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到1.6Mbytes/s。其中，零槽模塊起GPIB和VXI總線翻譯器的作用。優(yōu)點：可以利用熟悉的GPIB技術如同控制一臺GPIB儀器一樣來控制VXI儀器系統(tǒng)，且系統(tǒng)造價低。缺點：由于GPIB總線的數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠低于VXI總線，形成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換的瓶頸。(2)嵌入式計算機控制方案組件：一個VXI機箱，插于VXI零槽的嵌入式計算機模塊，若干VXI儀器模塊以及VXI軟件開發(fā)平臺。一個嵌入式計算機模塊除具有VXI系統(tǒng)控制功能外，還具有一臺通用PC機的全部功能。優(yōu)點：所有的模塊均插在VXI機箱的背板總線上，能實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳送(40Mbytes/s左右)，且體積最緊湊，是實現(xiàn)VXI自動測試系統(tǒng)的最佳配置方案。缺點：配置方案的造價及升級費用均較高。(3)MXI總線控制方案組件：一個VXI機箱，插于通用計算機的VXI接口板，位于VXI零槽的VXI—MXI模塊，連接兩者的MXI電纜，若干VXI儀器模塊以及VXI軟件開發(fā)平臺。MXI是由美國國家儀器公司(NationalInstruments，簡稱NI)提出的一種多系統(tǒng)擴展接口總線，相當于把VXI機箱的背板總線拉到外部計算機上來，同時可實現(xiàn)多個VXI機箱間的32位數(shù)據(jù)交換。它可以直接把VXI內(nèi)存空間映射到外部計算機上，因此在提高數(shù)據(jù)傳輸速率方面有很多的優(yōu)勢。PCI—8000系列，總線傳輸速率可達23Mbytes/s，峰值傳輸速率可達33Mbytes/s。性能指標已接近嵌入式計算機。MXI總線控制方案特點：優(yōu)點：綜合了第一種方案使用外部計算機靈活方便、易于升級以及第二種方案高性能的優(yōu)點，且造價適中。同時還可以在外部計算機上加插GPIB接口卡、數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)更大規(guī)模的系統(tǒng)集成。缺點：與內(nèi)嵌式方案相比，體積偏大，數(shù)據(jù)傳輸速率偏低。三種VXI控制方案比較GPIB控制方案：適用于對總線控制的實時性要求不高，并需在系統(tǒng)中集成較多GPIB儀器的場合；嵌入控制方案：由于在系統(tǒng)的體積、控制速率和電磁兼容方面具有優(yōu)勢，因而在性能要求較高和投資較大的場合，如航天、軍用等應用領域倍受青睞；MXI控制方式：具有較高的性能價格比，便于系統(tǒng)擴展和升級，適用于在各種實驗室中實現(xiàn)科研系統(tǒng)以及對體積要求不高的場合使用。10.3虛擬儀器10.3.1概述10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成10.3.3軟件結(jié)構(gòu)10.3.4軟件開發(fā)平臺10.3.3軟件結(jié)構(gòu)1.與設備無關的軟件結(jié)構(gòu)2.測試管理3.測試程序(虛擬儀器功能模塊)層4.儀器驅(qū)動層5.I/O接口1.與設備無關的軟件結(jié)構(gòu)軟件主要分為4層結(jié)構(gòu)：測試管理層、測試程序?qū)?、儀器驅(qū)動層I/O接口層。過去要自己制作這4個軟件層，開發(fā)相當艱苦。虛擬儀器標準的出現(xiàn):使這些軟件層的設計均以“與設備無關”為特征，極大地改善了開發(fā)環(huán)境。虛擬儀器的本質(zhì)是面向?qū)ο?，由不同開發(fā)人員采用不同開發(fā)工具編寫的測試程序可用方便地集成在一個系統(tǒng)中。與設備無關特征I/O接口軟件與儀器驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)標準化，且由儀器制造廠隨儀器配套提供。標準測試開發(fā)工具包含了大量不同類型、預先編好的程序庫，用于數(shù)據(jù)分析、顯示、報表等。測試管理軟件具有強大、靈活的性能來滿足用戶廣泛的需求。虛擬儀器軟件工具的一個重要特征：用戶可以使用單一的、前后一致的開發(fā)工具完成測試程序的所有部分，包括用戶應用程序、測試程序和儀器驅(qū)動程序等。虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)2.測試管理

測試管理層是一個帶有易于操作界面、用于管理和執(zhí)行某一測試任務、與設備無關的測試管理環(huán)境。它為測試系統(tǒng)與操作者交互、被測器件分析、順序測試、分支、循環(huán)等提供一個專門的測試運行程序，并以密碼保護模式對不同部門的操作者提供多層登錄訪問。高層測試管理軟件還能為用戶提供企業(yè)范圍內(nèi)的聯(lián)系，將用戶的測試程序與其余部分集成在一起，包括生成測試記錄和測試報告、數(shù)據(jù)庫訪問以及對結(jié)果實施SPC分析等。測試管理層

測試管理層是一個與設備無關的軟件，因而采用開發(fā)式的設計結(jié)構(gòu)就會提供更多的性能和靈活性。

開發(fā)式測試管理系統(tǒng)的各項操作與界面以源代碼的方式提供給用戶，用戶可以很方便地制訂自己的操作方案。擁有這種靈活性，用戶就可以自行設計開發(fā)基于標準化內(nèi)核，而且能夠滿足不同要求的測試管理軟件層，有效地縮短了設計周期和節(jié)約了開支、維護費用。3.測試程序(虛擬儀器功能模塊)層針對某一產(chǎn)品而開發(fā)的功能測試模塊是一個有其特殊性的獨特的軟件組件，但其大多數(shù)的基本元素，如數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果表達等功能對所有的測試系統(tǒng)來說又都是通用的。正因為如此，目前國外出現(xiàn)了帶有大量通用、與設備無關的功能模塊庫的集成化編程環(huán)境。虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等均具有此項特性。在這些軟件中，幾乎所有用于測量、控制和通訊模塊的程序代碼均已編寫完成，供用戶即調(diào)即用。用戶只需在開發(fā)平臺上以圖形方式調(diào)出相應的儀器功能模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，進行連接組合，就可構(gòu)成一個具體的儀器，節(jié)省用戶大量的開發(fā)時間。4.儀器驅(qū)動層對儀器硬件進行通訊和控制的軟件層。過去，由用戶編寫，對每個儀器硬件編制特殊的驅(qū)動代碼，是測試系統(tǒng)的開發(fā)周期變得很長。今天，儀器驅(qū)動程序都是按模塊化、與設備無關的方式向用戶釋放，供用戶迅速將儀器鏈入自己的測試系統(tǒng)。由于儀器驅(qū)動程序是以源代碼的方式提供給用戶，用戶可以很容易地優(yōu)化和增強這些驅(qū)動程序，使之滿足它們的特殊要求。標準化的驅(qū)動程序還可以在不同的系統(tǒng)和配置中重復使用，節(jié)省了大量的開發(fā)費用。5.I/O接口測試系統(tǒng)軟件的基礎，用于處理計算機與儀器硬件間連接的底層通訊協(xié)議。優(yōu)秀的虛擬儀器軟件都建立在一個標準化I/O接口軟件組件的通用內(nèi)核上，為用戶提供一個一致的、跨計算機平臺的應用編程接口(API)，使用戶的測試系統(tǒng)能夠自由靈活地選擇不同的計算機平臺和儀器硬件。10.3虛擬儀器10.3.1概述10.3.2系統(tǒng)構(gòu)成10.3.3軟件結(jié)構(gòu)10.3.4軟件開發(fā)平臺10.3.4軟件開發(fā)平臺軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關鍵。

采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g可以提高軟件編程效率可視編程語言環(huán)境VisualC,VisualBASICNI公司推出LabVIEW和LabWindows/CVI,HP公司推出了VEE，

Tektronix公司推出了TekTMSLabVIEW軟件開發(fā)平臺LabVIEW是一種基于G語言的圖形化開發(fā)語言，是一種面向儀器的圖形化編程環(huán)境，用來進行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達、測試和測量、實驗室自動化以及過程監(jiān)控。目的：簡化程序的開發(fā)工作，以使用戶能快速、簡便地完成自己的工作。使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VI。VI：程序前面板、框圖程序和圖標/連接器。程序前面板用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制，輸出量被稱為顯示?？刂坪惋@示是以各種圖標形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。信號發(fā)生器前面板頻譜分析儀前面板溫度計前面板框圖程序每一個程序前面板都對應著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。構(gòu)成：端口、節(jié)點、圖框和連線。端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。溫度計顯示框圖程序圖標/連接器圖標/連接器是子VI