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第 1 章 虚拟仪器概述

第 1 章 虚拟仪器概述. 本章概述 1.1 虚拟仪器的基本概念 1.2 虚拟仪器的形成和发展 1.3 虚拟仪器的系统结构 1.4 虚拟仪器的软件系统 1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成 1.6 虚拟仪器技术应用 本章总结. 1.1 虚拟仪器的基本概念. 1. 虚拟仪器的定义 传统仪器：特定功能和仪器外观。

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第 1 章 虚拟仪器概述

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Presentation Transcript

  1. 第1章 虚拟仪器概述 本章概述 1.1 虚拟仪器的基本概念 1.2 虚拟仪器的形成和发展 1.3 虚拟仪器的系统结构 1.4 虚拟仪器的软件系统 1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成 1.6 虚拟仪器技术应用 本章总结

  2. 1.1 虚拟仪器的基本概念 • 1. 虚拟仪器的定义 • 传统仪器：特定功能和仪器外观。 • 虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。

  3. 如：虚拟示波器

  4. 虚拟数字电压表 • 基于虚拟仪器的 温度检测与控制

  5. 2. 虚拟仪器的特点 • 从虚拟仪器的组成结构上来看： • （1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件）； • （2）良好的人机界面。虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通过“控件”虚拟出面板）； • （3）功能强。虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。

  6. （4）虚拟仪器之“虚拟”含义： • 虚拟仪器面板； • 软件实现仪器功能。如：基于高速数据采集硬件，通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。 • （5）因此，软件是虚拟仪器的核心，NI 提出“软件即仪器”（The software is the instrument）。

  7. 与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点： • （1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性）好； • 充分利用计算机丰富的软硬资源。 • 仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪器）。 • 仪器升级方便，性价比高（一机多用）。 • 基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟仪器”。 • （2）操作方便； • 通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面板。 • （3）硬件模块化、系列化； • 基于仪器总线技术，设计出模块化、系列化硬件。

  8. 虚拟仪器与传统仪器的比较：

  9. 1.2 虚拟仪器的形成和发展 • 1. 虚拟仪器形成的背景 • （1）电子测量仪器(Electronic Instruments)及自动测试系统(Automatic Test System, ATS)的发展

  10. （2）仪器与自动测试系统总线技术 • 总线（bus）：信号或信息传输的公共路径。 • 片内总线：微处理器芯片内连接内部各逻辑单元； • 片间总线：元件级总线（如典型的微机“三总线结构”）。还有串行总线，如：Motorola的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围接口）、Philips的I2C（Inter IC bus，片间总线）、NS的MicroWire（串行同步双工通信接口）等。 • 内总线：板级总线。如个人计算机的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI，及工业控制的STD、VME、CompatPCI，仪器与测量系统的CAMAC、VXI、PXI等。 • 外总线：外部通信总线。如RS-232/485、USB、IEEE1394、EPP、SCSI；现场总线CAN、LONworks、FF；仪器与测量系统的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等。

  11. 通过总线技术，可实现： • 模块化硬件设计； • 标准化； • 便于生产、维护（维修）、升级； • 较好的经济性。

  12. 仪器与自动测试系统几种常用总线的比较 • 摘自：Evaluating PXI and VXI Platforms for your Measurement and Automation Needs，NI

  13. （2）虚拟仪器是技术发展的结果 • 计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与系统的结构不断推陈出新，电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化，功能与性能得到不断提高。 • 计算机（PC机）处于核心地位，计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。 • 在上述的背景下，提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。 • 1986年，美国国家仪器公司（NI, National Instrument）提出了虚拟仪器（Virtual Instrumentation）的概念。

  14. 1990年代，虚拟仪器得到业界广泛认可和应用，相继推出了基于GPIB总线（General Purpose Interface Bus）、PC-DAQ（Data Acquisition）和VXI总线（VMEbus eXtension for Instrumentation，1987年）、PXI总线（PCI eXtension for Instrumentation，1997年）等多种虚拟仪器系统。 • 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术。 • 底层驱动和上层应用软件融为一体。 • 虚拟仪器软件的标准化： VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年） 和VISA（Virtual Instrument Software Architecture, 虚拟仪器软件体系结构）。 IVI（Interchangeable Virtual Instruments，可互换式虚拟仪器，1997年）。

  15. （3）虚拟仪器技术的发展与展望 虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物。多门学科多种技术的融合，如测试技术、计算机技术、软件技术、数字信号处理、总线与接口、网络与通信、传感技术、光电技术、微机械技术等。 • （1）新的总线技术的应用（如HS488，1394b等）。 • （2）速度不断提高。 • （3）智能化、模块化、集成化是硬件发展的主流。 • （4）软件技术。第一是软件标准化问题；第二是如何利用各种软件开发环境及工具，编制出符合标准的应用软件。 • （5）网络化仪器系统。 • （6）应用范围更加广泛。

  16. 1.3 虚拟仪器的系统结构 • 1. 虚拟仪器系统组成及各部分基本功能 • （1）虚拟仪器的系统构成 • 硬件和软件两大部分构成。 • 硬件是基础，软件是核心。

  17. （2）各部分基本功能 • 虚拟仪器的内部功能，可划分为信号采集与控制、数据分析与处理、结果表示与输出三大功能模块。 • 信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器驱动程序共同完成，而数据分析与处理、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。

  18. 2. 虚拟仪器的通用硬件平台 • （1）通用硬件平台的基本功能 • 信号采集（模拟、数字输入）； • 信号产生（模拟、数字输出）； • 信号调理（信号幅度、频率、驱动、隔离等）； • 定时与计数； • 大容量数据存储。 • 实时信号处理。 • 总线与通信。

  19. （2）通用硬件平台的组成

  20. 3. 虚拟仪器通用硬件平台的构成形式 • 通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备（分立式或模块式仪器），主要有PC总线的数据采集模块（PC-DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型，或多种类型的组合。

  21. （1）基于PC总线的虚拟仪器 • 内置PC总线（如ISA、PCI、PC/104）的通用数据采集卡 （DAQ，Data AcQuisition）。 • （2）基于GPIB通用接口总线的虚拟仪器 • 国际标准（IEEE488.1和IEEE488.2），技术成熟； • 但其数据传输速度一般低于500Kb/s，对测试速度要求很高的场合不太适用。 • （3）基于VXl总线的虚拟仪器 • 具有模块化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI仪器的互换性和互操作性。 • 但价格相对较高，适合于高端的测试领域。 • （4）基于PXI总线的虚拟仪器 • 兼容PCI总线产品。 • 集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性价比最好。

  22. 1.4 虚拟仪器的软件系统 • 1. 虚拟仪器的软件结构 • 虚拟仪器系统的软件结构包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。

  23. （1）I/O接口软件（VISA库） • I/O接口软件存在于仪器设备（即I/O接口设备）与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器设备与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件。 • VPP规范了虚拟仪器的I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器I/O接口软件定义为VISA（虚拟仪器软件结构）软件。 • VISA库，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。 • VISA函数库驻留于计算机系统中，是计算机与仪器之间的标准软件通信接口，用以实现对仪器的控制。

  24. （2）仪器驱动程序 • 连接上层应用程序与底层I/O接口仪器的纽带和桥梁。是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合。 • 仪器厂商提供有相应仪器的驱动程序（原代码），为用户提供对仪器操作的较抽象的操作函数集。 • （3）程控仪器标准命令SCPI • SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments，可程控仪器标准命令）。 • 面向测试功能而非仪器。

  25. （4）应用软件 • 建立在仪器驱动程序之上，直接面对用户操作。 • 提供直观、友好的操作界面、丰富的数据分析与处理（时域、频域、数字滤波等）功能，完成自动测试任务。 • 通常，包括测试管理软件和测试功能软件两部分。

  26. 2. 虚拟仪器软件开发平台 • （1）虚拟仪器软件框架结构

  27. （2）通用的可视化软件编程环境 • Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C++ Builder等。 • （3）专用于虚拟仪器开发的软件编程环境 • 图形化编程（G语言）环境：Agilent VEE、NI LabVIEW； • 文本编程环境：NI LabWindows/CVI。 • 其中，LabVIEW是目前最流行、应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。 • 非常适于仪器、测量与控制领域的虚拟仪器软件开发。

  28. NI公司还推出了用于数据采集、自动测试、工业控制与自动化等领域的多种设备驱动软件和应用软件，如：NI公司还推出了用于数据采集、自动测试、工业控制与自动化等领域的多种设备驱动软件和应用软件，如： • LabVIEW的实时应用版本LabVIEW RT； • 工业自动化软件BridgeVIEW； • 工业组态软件Lookout； • 基于Excel的测量与自动化软件Measure； • 即时可用的虚拟仪器平台VirtualBench； • 生理数据采集与分析软件Biobench； • 测试执行与管理软件TestStand； • 还包括NI-488.2、NI-VISA、NI-VXI、NI-DAQ、NI-IMAQ、NI-CAN、NI-FBUS等设备驱动软件； • 以及各种LabVIEW和LabWindows/CVI的增值软件工具包。

  29. 1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成 • 1. 虚拟仪器系统的设计过程 • 主要包括测试需求分析、系统总体方案设计、系统硬件设计、系统软件设计、系统集成及系统调试等。

  30. （1）测试需求分析 • 分析被测参数的形式（电量还是非电量、数字量还是模拟量）、范围（幅度、频率）和数量（通道数），激励信号的形式和范围要求； • 性能指标（测量精度、速度）要求； • 功能（用户接口界面、数据分析与处理、存储与显示、外部通信接口等）要求。 • （2）系统总体方案设计 • 根据测试任务要求，确定测试方法； • 系统组成结构设计。 • （3）系统硬件设计 • 自制或购买； • 硬件系统集成。

  31. （4）系统软件设计 • 选择软件开发环境； • 底层驱动设计； • 上层应用软件设计（用户界面设计、测量数据分析与处理、算法设计、测量结果表达）。 • （5）软硬件集成与调试 • 功能测试； • 指标测试； • 系统优化。

  32. 1.6 虚拟仪器技术应用 • 1. 应用广泛 • 从军事到民用； • 特别是仪器、测量与控制、自动化等领域。

  33. 本章参考文献 [1] NI公司网站：www.ni.com [2] 赵会兵，虚拟仪器技术规范与系统集成，清华大学出版社、北方交通大学出版社，2003.8 [3] 古天祥、王厚军等，电子测量原理，机械工业出版社，2004.9 [4] 陈长龄、田书林等，自动测试及接口技术，机械工业出版社，2005.2

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