第九章 智能儀器的新發(fā)展虛擬儀器技術(shù)

1、第九章 智能儀器的新發(fā)展虛擬儀器技術(shù),主要內(nèi)容,從智能儀器到虛擬儀器 虛擬儀器的定義 虛擬儀器的分類 虛擬儀器的特點(diǎn) 虛擬儀器的應(yīng)用 國內(nèi)外虛擬儀器發(fā)展現(xiàn)狀 虛擬儀器開發(fā)相關(guān)資源 自主研發(fā)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺,1、從智能儀器到虛擬儀器,智能儀器結(jié)構(gòu)框圖,回顧智能儀器,動態(tài)信號分析儀器,典型智能儀器 動態(tài)信號分析儀,功能固定,信號發(fā)生器,(1)臺式儀器,(2)虛擬儀器軟面板,示波器,(1)臺式儀器,(2)虛擬儀器軟面板,數(shù)字多用表,(1)臺式儀器,(2)虛擬儀器軟面板,虛擬儀器,虛擬信號發(fā)生器,虛擬數(shù)字存儲示波器,虛擬數(shù)字多用表,軟件 和硬件,虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的

2、軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用 。,2、什么是虛擬儀器技術(shù)？,NI定義：,1986年，美國NI公司（National Instruments）提出了“軟件即儀器”的口號，將日益普及的計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器儀表技術(shù)完美地結(jié)合起來，使用戶在操作計(jì)算機(jī)時，如同在操作自己定義的儀器，方便靈活，不僅減少了單個傳統(tǒng)儀器的成本，更是提高了用戶的工作效率，從而為現(xiàn)代儀器測控技術(shù)掀起了嶄新的一頁。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，引起了測控領(lǐng)域的一場革命。,（1）虛擬儀器面板（人機(jī)交互）軟件化 傳統(tǒng)儀器中，操作人員通過操作儀器物理面板上安裝的各種開關(guān)、旋鈕等來實(shí)現(xiàn)諸如電源的

3、通斷、通道選擇、量程切換、放大倍數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，并通過面板上的LED、CRT等來顯示儀器狀態(tài)和測量結(jié)果。 虛擬儀器通過基于計(jì)算機(jī)平臺的軟件操作界面替代物理面板，操作人員通過鼠標(biāo)或鍵盤操縱軟件界面中的控件實(shí)現(xiàn)對儀器的控制。,傳統(tǒng)儀器面板,虛擬的儀器面板,虛擬儀器一詞中“虛擬”有以下兩方面含義,（2）儀器功能的軟件化 在虛擬儀器系統(tǒng)中，儀器功能是由軟件編程來實(shí)現(xiàn)，測量所需的各種激勵信號可由軟件產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)，再通過D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)硬件很難實(shí)現(xiàn)的一些強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能，如FFT分析、小波分析、數(shù)字濾波、回歸分析、統(tǒng)計(jì)分析等，可以由軟件編程來實(shí)現(xiàn)。通過不同軟件模塊的組合，可以實(shí)現(xiàn)多種自動測試功能。,采

4、集卡軟件示波器頻譜分析儀,這句話說明了軟件就是儀器，但并沒有說儀器就是軟件。它只是突出軟件在虛擬儀器中的地位，因?yàn)樘摂M儀器的功能基于一定硬件平臺之上的用戶自定義的軟件。基于相同的硬件平臺，開發(fā)不同的軟件，可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能。從這一點(diǎn)上來說，軟件在虛擬儀器中占核心主導(dǎo)地位。但是，不同的應(yīng)用，有不同的信號獲取方法、不同的指標(biāo)要求，除了共性之外，還存在個性差異。因此，虛擬儀器不僅離不開硬件，而且硬件的地位十分突出，它是整個儀器系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。只不過，虛擬儀器技術(shù)使得軟件和硬件聯(lián)系的更加緊密，渾然一體。,“Software is Instrument” 的認(rèn)識,舉個不太恰當(dāng)?shù)睦樱河布擒|體，軟件

5、是靈魂。,虛擬儀器的本質(zhì)是一種創(chuàng)新的儀器設(shè)計(jì)思想，是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)應(yīng)用于儀器儀表領(lǐng)域的一次升華；虛擬不代表不存在，而是體現(xiàn)一種軟件思想；虛擬儀器技術(shù)不同于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，它需要有硬件的支持。,特別強(qiáng)調(diào)：,虛擬儀器測試系統(tǒng),高效的 軟件平臺,測試總線平臺,模塊化IO硬件,示波器板卡 信號發(fā)生器板卡 動態(tài)信號分析卡 ,NI的LabVIEW和 LabWindows/CVI Agilent的VEE ,GPIB VXI PXI，PXIE ,3、虛擬儀器的組成,測試總線,儀器總線,計(jì)算機(jī)總線,GPIB,VXI,PXI,LXI,ISA,RS-232,PCI,USB,1394,實(shí)現(xiàn)軟硬件接口的平臺 測試總線,

6、測試總線平臺,硬件模塊,示 波 器 類,數(shù) 字 萬 用 表 類,信 號 發(fā) 生 器 類,直 流 電 源 類,開 關(guān) 、 數(shù) 字 I/O 類,功 率 表 類,頻 譜 分 析 儀 類,射 頻 信 號 發(fā) 生 器 類,模塊化IO硬件,軟件平臺,通用可視化軟件平臺,C+ Builder,虛擬儀器軟件平臺,Delphi,Visual Basic,Visual C+,VPP,Agilent VEE,LabWindows/CVI,LabVIEW,LabScene,軟件開發(fā)平臺,虛擬儀器體系結(jié)構(gòu),虛擬儀器有多種分類方法，既可以按應(yīng)用領(lǐng)域分，也可以按測量功能分，但最常用的還是按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同，分為

7、：, 串口虛擬儀器 并口虛擬儀器 PCI虛擬儀器 USB虛擬儀器 IEEE 1394接口虛擬儀器 GPIB虛擬儀器 VXI虛擬儀器 PXI虛擬儀器 LXI虛擬儀器,4、虛擬儀器的分類,系列測試總線,系列模塊化儀器,系列模塊化儀器,5、虛擬儀器的特點(diǎn),1軟件是核心。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在選定系統(tǒng)控制用計(jì)算機(jī)以及一些標(biāo)準(zhǔn)化的儀器硬件 模塊或板卡后，軟件部分就成為構(gòu)建和使用虛擬儀器的關(guān)鍵所在。其中，儀器 驅(qū)動的功能是實(shí)現(xiàn)與儀器硬件的接口和通信，應(yīng)用軟件則完成用戶定義的測試 和儀器功能，并提供人機(jī)交互界面。 2靈活性和可擴(kuò)展性。 虛擬儀器打破了傳統(tǒng)儀器由廠商定義功能和控制面板、用戶無法改變的模 式。儀

8、器用戶可以根據(jù)自己不斷變化的需求，方便靈活地重組測量系統(tǒng)，系統(tǒng) 的擴(kuò)展、升級可隨時進(jìn)行，而且系統(tǒng)更新的周期短、見效快，能充分地滿足用 戶在不同場合的應(yīng)用需求。 3性價(jià)比高。 虛擬儀器可以將在傳統(tǒng)儀器中一些由硬件完成的功能轉(zhuǎn)為軟件實(shí)現(xiàn)，減少 了自動測試系統(tǒng)的硬件環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護(hù)成本；虛擬儀器能 夠同時對多個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時高效的測量，信號傳輸大部分采用數(shù)字信號的形式 ，數(shù)據(jù)處理也主要依賴軟件來實(shí)現(xiàn)，大大降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響； 用戶可以隨時根據(jù)需要調(diào)整虛擬儀器的功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。,4良好的人機(jī)界面。 虛擬儀器的操控界面是采用圖形化編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種虛擬面板。虛擬 面板可以模

9、擬傳統(tǒng)儀器面板的設(shè)計(jì)風(fēng)格，也可以由用戶根據(jù)需要定制。測量 結(jié)果通過計(jì)算機(jī)以曲線、圖表等形式顯示。 5與其它設(shè)備互聯(lián)的能力。 虛擬儀器通常具備標(biāo)準(zhǔn)化總線或通信接口，具有與其它設(shè)備互聯(lián)的能力。 例如，虛擬儀器可以通過Internet實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，或者通過現(xiàn)場總線完成設(shè)備監(jiān)控 和管理等。,虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較,6、虛擬儀器的應(yīng)用,鋼絲探傷虛擬儀器系統(tǒng),檢測鋼絲的質(zhì)量,工程應(yīng)用,原油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng),基于LabVIEW的中心計(jì)算機(jī)主界面,系統(tǒng)的總體構(gòu)成示意圖,工程應(yīng)用,數(shù)字化大壩監(jiān)測系統(tǒng),利用NI公司提供的虛擬測試系統(tǒng)軟硬件設(shè)備開發(fā)的大壩管理監(jiān)測系統(tǒng)（大連理工大學(xué)）,通過虛擬儀器平臺監(jiān)測 大壩的應(yīng)力變

10、化以及三 維變形來預(yù)測未來趨勢 ，實(shí)現(xiàn)對大壩的評估。,水利監(jiān)測,基于PXI總線的數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng),應(yīng)用NI系統(tǒng)開發(fā)平臺LabVIEW軟件、PXI硬件設(shè)備、和相應(yīng)檢波器構(gòu)建核電站數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)。支持中國核電站的發(fā)展。(清華大學(xué)),監(jiān)測界面,地震監(jiān)測,低成本高效鎮(zhèn)流器ATE平臺,基于工業(yè)計(jì)算機(jī)的測試系統(tǒng),實(shí)際應(yīng)用流水線測試車間,基于LabVIEW的測試軟件界面,電力應(yīng)用,PXI總線分布式遠(yuǎn)程測控系統(tǒng),遠(yuǎn)程監(jiān)控,航空機(jī)載附件的自動測試系統(tǒng),基于PXI總線航空綜合測試系統(tǒng),PXI綜合測試系統(tǒng),測試界面,航空領(lǐng)域,虛擬儀器技術(shù)在衛(wèi)星測控中的應(yīng)用,基于PXI總線的虛擬測試系統(tǒng),基于虛擬儀器技術(shù)的自動測試

11、平臺,衛(wèi)星測控,磁滯回線測試圖,特性測試界面,納米性材料動態(tài)特性測試系統(tǒng),使用NI的虛擬儀器技術(shù)和相關(guān)的軟硬件平臺實(shí)現(xiàn)納米性 材料動態(tài)特性測試使國內(nèi)軟磁材料的測量迅速得以改變,材料領(lǐng)域,利用NI公司的虛擬測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼軌頂面短波不平順在線自 動檢測系統(tǒng)，填補(bǔ)中國該技術(shù)領(lǐng)域空白。(清華大學(xué)),在線檢測系統(tǒng)LabVIEW界面,事后回放子系統(tǒng)前面板,鋼軌頂面短波不平順檢測系統(tǒng),鐵路領(lǐng)域,手機(jī)在線射頻測試,開發(fā)一套手機(jī)在線測試系統(tǒng)，可以完成手機(jī)電路板和整機(jī) 的射頻校準(zhǔn)與收發(fā)質(zhì)量(信令和非信令)測試。,手機(jī)射頻測試,電信領(lǐng)域,低成本產(chǎn)品在線測試與功能測試,深圳振華微電子有限公司,產(chǎn)品測試,汽車速度傳感器

12、測試系統(tǒng),該系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車速度傳感器生產(chǎn)線，對生產(chǎn)過程中的 產(chǎn)品進(jìn)行檢查，并判定產(chǎn)品的優(yōu)劣. （北京中科泛華的案例）,汽車檢測,晶體管直流特性測試面板,晶體管直流特性實(shí)驗(yàn)儀仿真面板,-I之間的關(guān)系測試圖,基于NI公司虛擬測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,教學(xué)領(lǐng)域,(電子科技大學(xué)),基于NI提供的軟硬件開發(fā)平臺 提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平（清華大學(xué)）,一階RC電路測量結(jié)果,二階RLC電路測量結(jié)果,電路動態(tài)過程狀態(tài)圖,虛擬頻率相位計(jì),虛擬頻率相位計(jì),教學(xué)領(lǐng)域,NI ELVIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),教學(xué)領(lǐng)域,基于NI的ELVIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),一句話:哪里有測試,哪里就會有虛擬儀器!,7、國內(nèi)外虛擬儀器發(fā)展現(xiàn)狀,國外虛擬儀器產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展的很成熟！,卡式,臺式,NI中國代理公司：中科泛華測控技術(shù)有限公司,http:/ ,http:/www.casic-,8、虛擬儀器開發(fā)相關(guān)資源,虛擬儀器書籍,