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虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第1页第第1 1章章 虚拟仪器概述虚拟仪器概述本章概述本章概述1.1 1.1 虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的基本概念1.2 1.2 虚拟仪器的形成和发展虚拟仪器的形成和发展 1.3 1.3 虚拟仪器的系统结构虚拟仪器的系统结构 1.4 1.4 虚拟仪器的软件系统虚拟仪器的软件系统 1.5 1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成虚拟仪器系统设计及系统集成 1.6 1.6 虚拟仪器技术应用虚拟仪器技术应用 本章总结本章总结虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第2页1.1 虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的基本概念u1.1.虚拟仪器的定义虚拟仪器的定义虚拟仪器的定义虚拟仪器的定义传统仪器：特定功能和仪器外观。传统仪器：特定功能和仪器外观。传统仪器：特定功能和仪器外观。传统仪器：特定功能和仪器外观。虚拟仪器（虚拟仪器（虚拟仪器（虚拟仪器（VIVI，Virtual InstrumentationVirtual Instrumentation）：是一种以）：是一种以）：是一种以）：是一种以计算机和测试模块的计算机和测试模块的计算机和测试模块的计算机和测试模块的硬件为基础硬件为基础硬件为基础硬件为基础、以计算机、以计算机、以计算机、以计算机软件为核软件为核软件为核软件为核心心心心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面所构成的，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，都可由用户软板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软板，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。件来定义的计算机仪器。件来定义的计算机仪器。件来定义的计算机仪器。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第3页如：虚如：虚如：虚如：虚拟拟示波器示波器示波器示波器虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第4页虚虚虚虚拟拟数字数字数字数字电压电压表表表表基于虚基于虚基于虚基于虚拟仪拟仪器的器的器的器的 温度温度温度温度检测检测与控制与控制与控制与控制虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第5页u2.2.虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点从虚拟仪器的组成结构上来看：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（）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包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件的测量功能硬件）；）；（2）良好的人机界面。虚拟仪器的面板（或称软面板）是）良好的人机界面。虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的虚拟的（通过（通过“控件控件”虚拟出面板）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。）功能强。虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第6页（4）虚）虚拟仪器之器之“虚虚拟”含含义：虚虚虚虚拟仪拟仪器面板；器面板；器面板；器面板；软软件件件件实现仪实现仪器功能。如：基于高速数据采集硬件，器功能。如：基于高速数据采集硬件，器功能。如：基于高速数据采集硬件，器功能。如：基于高速数据采集硬件，通通通通过计过计算机算机算机算机软软件件件件编编程可程可程可程可实现实现“虚虚虚虚拟拟示波器示波器示波器示波器”、“虚虚虚虚拟频谱仪拟频谱仪”、“虚虚虚虚拟拟交流数字交流数字交流数字交流数字电压电压表表表表”、“虚虚虚虚拟频拟频率率率率计计”、“虚虚虚虚拟拟相位相位相位相位计计”等不同等不同等不同等不同仪仪器。器。器。器。（5）因此，）因此，软件是虚件是虚拟仪器的核心，器的核心，NI 提出提出“软件即件即仪器器”（The software is the instrument）。）。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第7页与与与与传统仪传统仪器相比，虚器相比，虚器相比，虚器相比，虚拟仪拟仪器技器技器技器技术术特点：特点：特点：特点：（1 1）功能）功能）功能）功能强强、性价比高、开放性（可、性价比高、开放性（可、性价比高、开放性（可、性价比高、开放性（可扩扩充性）好；充性）好；充性）好；充性）好；充分利用充分利用充分利用充分利用计计算机丰富的算机丰富的算机丰富的算机丰富的软软硬硬硬硬资资源。源。源。源。仪仪器功能可通器功能可通器功能可通器功能可通过软过软件灵活件灵活件灵活件灵活设计设计（基于相同的硬件，（基于相同的硬件，（基于相同的硬件，（基于相同的硬件，通通通通过软过软件件件件设计设计可可可可实现实现不同的虚不同的虚不同的虚不同的虚拟仪拟仪器）。器）。器）。器）。仪仪器升器升器升器升级级方便，性价比高（一机多用）。方便，性价比高（一机多用）。方便，性价比高（一机多用）。方便，性价比高（一机多用）。基于基于基于基于计计算机网算机网算机网算机网络络技技技技术术，可，可，可，可实现实现“网网网网络络化虚化虚化虚化虚拟仪拟仪器器器器”。（2 2）操作方便；）操作方便；）操作方便；）操作方便；通通通通过图过图形用形用形用形用户户界面（界面（界面（界面（GUIGUI）操作虚）操作虚）操作虚）操作虚拟仪拟仪器面板。器面板。器面板。器面板。（3 3）硬件模）硬件模）硬件模）硬件模块块化、系列化；化、系列化；化、系列化；化、系列化；基于基于基于基于仪仪器器器器总线总线技技技技术术，设计设计出模出模出模出模块块化、系列化硬件。化、系列化硬件。化、系列化硬件。化、系列化硬件。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第8页比较内容比较内容虚拟仪器 传统仪器传统仪器系统构成系统构成软件和通用硬件。软件是关键 专用硬件系统专用硬件系统开发周期开发周期开发时间短、技术要求低、系统通用性强开发时间长、技术要求开发时间长、技术要求高、系统功能较专高、系统功能较专一一开发费用开发费用软件使得开发和维护费用降至最低开发与维修开销高开发与维修开销高技术更新周期技术更新周期短（12年）长（长（510510年）年）价格价格价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵价格昂贵功能可塑性功能可塑性用户定义仪器功能，柔性厂商定义仪器功能，刚厂商定义仪器功能，刚性性系统开放性系统开放性开放、灵活，与计算机技术同步发展封闭、固定封闭、固定构成复杂系统能构成复杂系统能力力易与网络及其他周边设备互连功能单一的独立设备功能单一的独立设备人机交互人机交互无限的显示选项、界面友好有限的显示选项有限的显示选项虚拟仪器与传统仪器的比较：虚拟仪器与传统仪器的比较：虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第9页1.2 虚拟仪器的形成和发展虚拟仪器的形成和发展u1.1.虚拟仪器形成的背景虚拟仪器形成的背景虚拟仪器形成的背景虚拟仪器形成的背景u（1 1）电子测量仪器）电子测量仪器）电子测量仪器）电子测量仪器(Electronic Instruments)(Electronic Instruments)及及及及自动测自动测自动测自动测试系统试系统试系统试系统(Automatic Test System,ATS)(Automatic Test System,ATS)的发展的发展的发展的发展虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第10页u（2 2）仪仪器与自器与自器与自器与自动测试动测试系系系系统总线统总线技技技技术术总线总线（busbus）：信号或信息）：信号或信息）：信号或信息）：信号或信息传输传输的公共路径。的公共路径。的公共路径。的公共路径。片内片内片内片内总线总线：微：微：微：微处处理器芯片内理器芯片内理器芯片内理器芯片内连连接内部各接内部各接内部各接内部各逻辑单逻辑单元；元；元；元；片片片片间总线间总线：元件：元件：元件：元件级总线级总线（如典型的微机（如典型的微机（如典型的微机（如典型的微机“三三三三总线结总线结构构构构”）。）。）。）。还还有串行有串行有串行有串行总线总线，如：，如：，如：，如：MotorolaMotorola的的的的SPISPI（Serial Serial Peripheral InterfacePeripheral Interface，串行外，串行外，串行外，串行外围围接口）、接口）、接口）、接口）、PhilipsPhilips的的的的I I2 2C C（Inter IC busInter IC bus，片，片，片，片间总线间总线）、）、）、）、NSNS的的的的MicroWireMicroWire（串行同步双工通信接口）等。（串行同步双工通信接口）等。（串行同步双工通信接口）等。（串行同步双工通信接口）等。内内内内总线总线：板：板：板：板级总线级总线。如个人。如个人。如个人。如个人计计算机的算机的算机的算机的PC/XTPC/XT、PC/ATPC/AT、ISAISA、EISAEISA、MCAMCA、PCIPCI，及工，及工，及工，及工业业控制的控制的控制的控制的STDSTD、VMEVME、CompatPCICompatPCI，仪仪器与器与器与器与测测量系量系量系量系统统的的的的CAMACCAMAC、VXIVXI、PXIPXI等。等。等。等。外外外外总线总线：外部通信：外部通信：外部通信：外部通信总线总线。如。如。如。如RS-232/485RS-232/485、USBUSB、IEEE1394IEEE1394、EPPEPP、SCSISCSI；现场总线现场总线CANCAN、LONworksLONworks、FFFF；仪仪器与器与器与器与测测量系量系量系量系统统的的的的GPIBGPIB、CAMACCAMAC、HP-ILHP-IL、MXIMXI等。等。等。等。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第11页通通通通过总线过总线技技技技术术，可，可，可，可实现实现：模模模模块块化硬件化硬件化硬件化硬件设计设计；标标准化；准化；准化；准化；便于生便于生便于生便于生产产、维护维护（维维修）、升修）、升修）、升修）、升级级；较较好的好的好的好的经济经济性。性。性。性。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第12页仪仪器与自器与自器与自器与自动测试动测试系系系系统统几种常用几种常用几种常用几种常用总线总线的比的比的比的比较较摘自：摘自：摘自：摘自：Evaluating PXI and VXI Platforms for your Evaluating PXI and VXI Platforms for your Measurement and Automation NeedsMeasurement and Automation Needs，NI NI 虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第13页u（2 2）虚）虚）虚）虚拟仪拟仪器是技器是技器是技器是技术发术发展的展的展的展的结结果果果果计计算机技算机技算机技算机技术术、软软件技件技件技件技术术、总线总线技技技技术术、网、网、网、网络络技技技技术术、微、微、微、微电电子子子子技技技技术术的的的的发发展，及其在展，及其在展，及其在展，及其在电电子子子子测测量技量技量技量技术术与与与与仪仪器器器器领领域中的域中的域中的域中的应应用，用，用，用，使新使新使新使新测试测试理理理理论论、测试测试方法、方法、方法、方法、测试测试技技技技术术不断出不断出不断出不断出现现，仪仪器与器与器与器与系系系系统统的的的的结结构不断推构不断推构不断推构不断推陈陈出新，出新，出新，出新，电电子子子子测测量量量量仪仪器及自器及自器及自器及自动测试动测试系系系系统统的的的的结结构也构也构也构也发发生了生了生了生了质质的的的的变变化，功能与性能得到不断提高。化，功能与性能得到不断提高。化，功能与性能得到不断提高。化，功能与性能得到不断提高。计计算机（算机（算机（算机（PCPC机）机）机）机）处处于核心地位，于核心地位，于核心地位，于核心地位，计计算机算机算机算机软软件技件技件技件技术术和和和和仪仪器器器器与与与与测试测试系系系系统统更更更更紧紧密密密密结结合合合合成了一个有机整体。成了一个有机整体。成了一个有机整体。成了一个有机整体。在上述的背景下，提出了全新概念的在上述的背景下，提出了全新概念的在上述的背景下，提出了全新概念的在上述的背景下，提出了全新概念的仪仪器器器器虚虚虚虚拟仪拟仪器。器。器。器。19861986年，美国国家年，美国国家年，美国国家年，美国国家仪仪器公司（器公司（器公司（器公司（NI,National InstrumentNI,National Instrument）提出了虚提出了虚提出了虚提出了虚拟仪拟仪器（器（器（器（Virtual InstrumentationVirtual Instrumentation）的概念。）的概念。）的概念。）的概念。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第14页19901990年代，虚年代，虚年代，虚年代，虚拟仪拟仪器得到器得到器得到器得到业业界广泛界广泛界广泛界广泛认认可和可和可和可和应应用，相用，相用，相用，相继继推出了基于推出了基于推出了基于推出了基于GPIBGPIB总线总线（General Purpose Interface General Purpose Interface BusBus）、）、）、）、PC-DAQPC-DAQ（Data AcquisitionData Acquisition）和）和）和）和VXIVXI总线总线（VMEbus eXtension for InstrumentationVMEbus eXtension for Instrumentation，19871987年）、年）、年）、年）、PXIPXI总线总线（PCI eXtension for InstrumentationPCI eXtension for Instrumentation，19971997年）年）年）年）等多种虚等多种虚等多种虚等多种虚拟仪拟仪器系器系器系器系统统。虚虚虚虚拟仪拟仪器器器器软软件采用面向件采用面向件采用面向件采用面向对对象和可象和可象和可象和可视视化化化化编编程技程技程技程技术术。底底底底层驱动层驱动和上和上和上和上层应层应用用用用软软件融件融件融件融为为一体。一体。一体。一体。虚虚虚虚拟仪拟仪器器器器软软件的件的件的件的标标准化：准化：准化：准化：VPPVPP（VXIVXI即插即用，即插即用，即插即用，即插即用，VXIplug&playVXIplug&play，19931993年）年）年）年）和和和和VISAVISA（Virtual Virtual Instrument Software AInstrument Software Architecturerchitecture,虚虚虚虚拟仪拟仪器器器器软软件体系件体系件体系件体系结结构）。构）。构）。构）。IVIIVI（Interchangeable Virtual InstrumentsInterchangeable Virtual Instruments，可互可互可互可互换换式虚式虚式虚式虚拟仪拟仪器，器，器，器，19971997年）。年）。年）。年）。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第15页u（3 3）虚）虚）虚）虚拟仪拟仪器技器技器技器技术术的的的的发发展与展望展与展望展与展望展与展望虚虚虚虚拟仪拟仪器技器技器技器技术术是是是是计计算机技算机技算机技算机技术术与与与与测试测试技技技技术术相相相相结结合的合的合的合的产产物。多物。多物。多物。多门门学科多种技学科多种技学科多种技学科多种技术术的融合，如的融合，如的融合，如的融合，如测试测试技技技技术术、计计算机技算机技算机技算机技术术、软软件技件技件技件技术术、数字信号、数字信号、数字信号、数字信号处处理、理、理、理、总线总线与接口、网与接口、网与接口、网与接口、网络络与通信、与通信、与通信、与通信、传传感技感技感技感技术术、光、光、光、光电电技技技技术术、微机械技、微机械技、微机械技、微机械技术术等。等。等。等。（1 1）新的）新的）新的）新的总线总线技技技技术术的的的的应应用（如用（如用（如用（如HS488HS488，1394b1394b等）。等）。等）。等）。（2 2）速度不断提高。）速度不断提高。）速度不断提高。）速度不断提高。（3 3）智能化、模）智能化、模）智能化、模）智能化、模块块化、集成化是硬件化、集成化是硬件化、集成化是硬件化、集成化是硬件发发展的主流。展的主流。展的主流。展的主流。（4 4）软软件技件技件技件技术术。第一是。第一是。第一是。第一是软软件件件件标标准化准化准化准化问题问题；第二是如何；第二是如何；第二是如何；第二是如何利用各种利用各种利用各种利用各种软软件开件开件开件开发环发环境及工具，境及工具，境及工具，境及工具，编编制出符合制出符合制出符合制出符合标标准的准的准的准的应应用用用用软软件。件。件。件。（5 5）网）网）网）网络络化化化化仪仪器系器系器系器系统统。（6 6）应应用范用范用范用范围围更加广泛。更加广泛。更加广泛。更加广泛。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第16页1.3 虚拟仪器的系统结构虚拟仪器的系统结构u1.1.虚虚虚虚拟仪拟仪器系器系器系器系统组统组成及各部分基本功能成及各部分基本功能成及各部分基本功能成及各部分基本功能（1 1）虚）虚）虚）虚拟仪拟仪器的系器的系器的系器的系统统构成构成构成构成硬件和硬件和硬件和硬件和软软件两大部分构成。件两大部分构成。件两大部分构成。件两大部分构成。硬件是基硬件是基硬件是基硬件是基础础，软软件是核心。件是核心。件是核心。件是核心。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第17页（2 2）各部分基本功能）各部分基本功能）各部分基本功能）各部分基本功能虚虚虚虚拟仪拟仪器的内部功能，可划分器的内部功能，可划分器的内部功能，可划分器的内部功能，可划分为为信号采集与控制、信号采集与控制、信号采集与控制、信号采集与控制、数据分析与数据分析与数据分析与数据分析与处处理、理、理、理、结结果表示与果表示与果表示与果表示与输输出三大功能模出三大功能模出三大功能模出三大功能模块块。信号采集与控制主要由虚信号采集与控制主要由虚信号采集与控制主要由虚信号采集与控制主要由虚拟仪拟仪器的通用硬件平台，器的通用硬件平台，器的通用硬件平台，器的通用硬件平台，并配合并配合并配合并配合仪仪器器器器驱动驱动程序共同完成，而数据分析与程序共同完成，而数据分析与程序共同完成，而数据分析与程序共同完成，而数据分析与处处理、理、理、理、结结果表达与果表达与果表达与果表达与输输出出出出则则主要由用主要由用主要由用主要由用户应户应用用用用软软件完成。件完成。件完成。件完成。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第18页u2.2.虚虚虚虚拟仪拟仪器的通用硬件平台器的通用硬件平台器的通用硬件平台器的通用硬件平台（1 1）通用硬件平台的基本功能）通用硬件平台的基本功能）通用硬件平台的基本功能）通用硬件平台的基本功能信号采集（模信号采集（模信号采集（模信号采集（模拟拟、数字、数字、数字、数字输输入）；入）；入）；入）；信号信号信号信号产产生（模生（模生（模生（模拟拟、数字、数字、数字、数字输输出）；出）；出）；出）；信号信号信号信号调调理（信号幅度、理（信号幅度、理（信号幅度、理（信号幅度、频频率、率、率、率、驱动驱动、隔离等）；、隔离等）；、隔离等）；、隔离等）；定定定定时时与与与与计计数；数；数；数；大容量数据存大容量数据存大容量数据存大容量数据存储储。实时实时信号信号信号信号处处理。理。理。理。总线总线与通信。与通信。与通信。与通信。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第19页（2 2）通用硬件平台的组成）通用硬件平台的组成）通用硬件平台的组成）通用硬件平台的组成虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第20页u3.3.虚拟仪器通用硬件平台的构成形式虚拟仪器通用硬件平台的构成形式虚拟仪器通用硬件平台的构成形式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），主要有或模块式仪器），主要有PC总线的数据采集模块（总线的数据采集模块（PC-DAQ）、）、GPIB总线仪器、总线仪器、VXI总线仪器模块、总线仪器模块、PXI总线总线仪器模块、仪器模块、RS-232串口、串口、USB接口仪器等类型，或多种接口仪器等类型，或多种类型的组合。类型的组合。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第21页（1 1）基于）基于）基于）基于PCPC总线总线的虚的虚的虚的虚拟仪拟仪器器器器内置内置内置内置PCPC总线总线（如（如（如（如ISAISA、PCIPCI、PC/104PC/104）的通用数据采）的通用数据采）的通用数据采）的通用数据采集卡集卡集卡集卡 （DAQDAQ，Data AcQuisitionData AcQuisition）。）。）。）。（2 2）基于）基于）基于）基于GPIBGPIB通用接口通用接口通用接口通用接口总线总线的虚的虚的虚的虚拟仪拟仪器器器器国国国国际标际标准（准（准（准（IEEE488.1IEEE488.1和和和和IEEE488.2IEEE488.2），技），技），技），技术术成熟；成熟；成熟；成熟；但其数据但其数据但其数据但其数据传输传输速度一般低于速度一般低于速度一般低于速度一般低于500Kb/s500Kb/s，对测试对测试速度要求速度要求速度要求速度要求很高的很高的很高的很高的场场合不太适用。合不太适用。合不太适用。合不太适用。（3 3）基于）基于）基于）基于VXlVXl总线总线的虚的虚的虚的虚拟仪拟仪器器器器具有模具有模具有模具有模块块化、系列化、通用化、化、系列化、通用化、化、系列化、通用化、化、系列化、通用化、“即插即用即插即用即插即用即插即用”及及及及VXIVXI仪仪器的互器的互器的互器的互换换性和互操作性。性和互操作性。性和互操作性。性和互操作性。但价格相但价格相但价格相但价格相对较对较高，适合于高端的高，适合于高端的高，适合于高端的高，适合于高端的测试领测试领域。域。域。域。（4 4）基于）基于）基于）基于PXIPXI总线总线的虚的虚的虚的虚拟仪拟仪器器器器兼容兼容兼容兼容PCIPCI总线产总线产品。品。品。品。集集集集CompactPCICompactPCI的高性能和的高性能和的高性能和的高性能和VXIVXI可靠性，性价比最好。可靠性，性价比最好。可靠性，性价比最好。可靠性，性价比最好。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第22页1.4 虚拟仪器的软件系统虚拟仪器的软件系统u1.1.虚拟仪器的软件结构虚拟仪器的软件结构虚拟仪器的软件结构虚拟仪器的软件结构虚拟仪器系统的软件结构包括虚拟仪器系统的软件结构包括虚拟仪器系统的软件结构包括虚拟仪器系统的软件结构包括I/OI/O接口软件、仪器驱接口软件、仪器驱接口软件、仪器驱接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。动程序和应用软件三部分。动程序和应用软件三部分。动程序和应用软件三部分。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第23页（1 1）I/OI/O接口接口接口接口软软件（件（件（件（VISAVISA库库）I/OI/O接口接口接口接口软软件存在于件存在于件存在于件存在于仪仪器器器器设备设备（即（即（即（即I/OI/O接口接口接口接口设备设备）与）与）与）与仪仪器器器器驱动驱动程序之程序之程序之程序之间间，是一个完成，是一个完成，是一个完成，是一个完成对仪对仪器寄存器器寄存器器寄存器器寄存器进进行行行行直接存取数据操作，并直接存取数据操作，并直接存取数据操作，并直接存取数据操作，并为仪为仪器器器器设备设备与与与与仪仪器器器器驱动驱动程序程序程序程序提供信息提供信息提供信息提供信息传递传递的底的底的底的底层软层软件。件。件。件。VPPVPP规规范了虚范了虚范了虚范了虚拟仪拟仪器的器的器的器的I/OI/O接口接口接口接口软软件的特点、件的特点、件的特点、件的特点、组组成、成、成、成、内部内部内部内部结结构与构与构与构与实现规实现规范，并将符合范，并将符合范，并将符合范，并将符合VPPVPP规规范的虚范的虚范的虚范的虚拟仪拟仪器器器器I/OI/O接口接口接口接口软软件定件定件定件定义为义为VISAVISA（虚（虚（虚（虚拟仪拟仪器器器器软软件件件件结结构）构）构）构）软软件。件。件。件。VISAVISA库库，实质实质就是就是就是就是标标准的准的准的准的I/OI/O函数函数函数函数库库及其相关及其相关及其相关及其相关规规范范范范的的的的总总称。称。称。称。VISAVISA函数函数函数函数库驻库驻留于留于留于留于计计算机系算机系算机系算机系统统中，是中，是中，是中，是计计算机与算机与算机与算机与仪仪器之器之器之器之间间的的的的标标准准准准软软件通信接口，用以件通信接口，用以件通信接口，用以件通信接口，用以实现对仪实现对仪器的控器的控器的控器的控制。制。制。制。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第24页（2 2）仪仪器器器器驱动驱动程序程序程序程序连连接上接上接上接上层应层应用程序与底用程序与底用程序与底用程序与底层层I/OI/O接口接口接口接口仪仪器的器的器的器的纽带纽带和和和和桥桥梁。是完成梁。是完成梁。是完成梁。是完成对对某一特定某一特定某一特定某一特定仪仪器的控制与通信的器的控制与通信的器的控制与通信的器的控制与通信的软软件程件程件程件程序集合。序集合。序集合。序集合。仪仪器厂商提供有相器厂商提供有相器厂商提供有相器厂商提供有相应仪应仪器的器的器的器的驱动驱动程序（原代程序（原代程序（原代程序（原代码码），），），），为为用用用用户户提供提供提供提供对仪对仪器操作的器操作的器操作的器操作的较较抽象的操作函数集。抽象的操作函数集。抽象的操作函数集。抽象的操作函数集。（3 3）程控）程控）程控）程控仪仪器器器器标标准命令准命令准命令准命令SCPISCPISCPISCPI（Standard Commands for Programmable Standard Commands for Programmable InstrumentsInstruments，可程控，可程控，可程控，可程控仪仪器器器器标标准命令）。准命令）。准命令）。准命令）。面向面向面向面向测试测试功能而非功能而非功能而非功能而非仪仪器。器。器。器。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第25页（4 4）应应用用用用软软件件件件建立在建立在建立在建立在仪仪器器器器驱动驱动程序之上，直接面程序之上，直接面程序之上，直接面程序之上，直接面对对用用用用户户操作。操作。操作。操作。提供直提供直提供直提供直观观、友好的操作界面、丰富的数据分析与、友好的操作界面、丰富的数据分析与、友好的操作界面、丰富的数据分析与、友好的操作界面、丰富的数据分析与处处理（理（理（理（时时域、域、域、域、频频域、数字域、数字域、数字域、数字滤滤波等）功能，完成自波等）功能，完成自波等）功能，完成自波等）功能，完成自动测动测试试任任任任务务。通常，包括通常，包括通常，包括通常，包括测试测试管理管理管理管理软软件和件和件和件和测试测试功能功能功能功能软软件两部分。件两部分。件两部分。件两部分。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第26页u2.2.虚拟仪器软件虚拟仪器软件虚拟仪器软件虚拟仪器软件开发平台开发平台开发平台开发平台（1 1）虚拟仪器软）虚拟仪器软）虚拟仪器软）虚拟仪器软件框架结构件框架结构件框架结构件框架结构虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第27页（2 2）通用的可）通用的可）通用的可）通用的可视视化化化化软软件件件件编编程程程程环环境境境境MicrosoftMicrosoft公司的公司的公司的公司的Visual C+Visual C+和和和和Visual BasicVisual Basic、InpriseInprise公司的公司的公司的公司的DelphiDelphi和和和和C+BuilderC+Builder等。等。等。等。（3 3）专专用于虚用于虚用于虚用于虚拟仪拟仪器开器开器开器开发发的的的的软软件件件件编编程程程程环环境境境境图图形化形化形化形化编编程（程（程（程（GG语语言）言）言）言）环环境：境：境：境：Agilent VEEAgilent VEE、NI NI LabVIEWLabVIEW；文本文本文本文本编编程程程程环环境：境：境：境：NI LabWindows/CVINI LabWindows/CVI。其中，其中，其中，其中，LabVIEWLabVIEW是目前最流行、是目前最流行、是目前最流行、是目前最流行、应应用最广、用最广、用最广、用最广、发发展展展展最快、功能最最快、功能最最快、功能最最快、功能最强强的的的的图图形化形化形化形化软软件。件。件。件。非常适于非常适于非常适于非常适于仪仪器、器、器、器、测测量与控制量与控制量与控制量与控制领领域的虚域的虚域的虚域的虚拟仪拟仪器器器器软软件开件开件开件开发发。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第28页虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第29页NINI公司公司公司公司还还推出了用于数据采集、自推出了用于数据采集、自推出了用于数据采集、自推出了用于数据采集、自动测试动测试、工、工、工、工业业控控控控制与自制与自制与自制与自动动化等化等化等化等领领域的多种域的多种域的多种域的多种设备驱动软设备驱动软件和件和件和件和应应用用用用软软件，件，件，件，如：如：如：如：n nLabVIEWLabVIEW的的的的实时应实时应用版本用版本用版本用版本LabVIEW RTLabVIEW RT；n n工工工工业业自自自自动动化化化化软软件件件件BridgeVIEWBridgeVIEW；n n工工工工业组态软业组态软件件件件LookoutLookout；n n基于基于基于基于ExcelExcel的的的的测测量与自量与自量与自量与自动动化化化化软软件件件件MeasureMeasure；n n即即即即时时可用的虚可用的虚可用的虚可用的虚拟仪拟仪器平台器平台器平台器平台VirtualBenchVirtualBench；n n生理数据采集与分析生理数据采集与分析生理数据采集与分析生理数据采集与分析软软件件件件BiobenchBiobench；n n测试执测试执行与管理行与管理行与管理行与管理软软件件件件TestStandTestStand；n n还还包括包括包括包括NI-488.2NI-488.2、NI-VISANI-VISA、NI-VXINI-VXI、NI-DAQNI-DAQ、NI-NI-IMAQIMAQ、NI-CANNI-CAN、NI-FBUSNI-FBUS等等等等设备驱动软设备驱动软件；件；件；件；n n以及各种以及各种以及各种以及各种LabVIEWLabVIEW和和和和LabWindows/CVILabWindows/CVI的增的增的增的增值软值软件工具件工具件工具件工具包。包。包。包。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第30页1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成虚拟仪器系统设计及系统集成u1.1.虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器系统的设计系统的设计系统的设计系统的设计过程过程过程过程主要包括测主要包括测主要包括测主要包括测试需求分析、试需求分析、试需求分析、试需求分析、系统总体方系统总体方系统总体方系统总体方案设计、系案设计、系案设计、系案设计、系统硬件设计、统硬件设计、统硬件设计、统硬件设计、系统软件设系统软件设系统软件设系统软件设计、系统集计、系统集计、系统集计、系统集成及系统调成及系统调成及系统调成及系统调试等。试等。试等。试等。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第31页（1 1）测试测试需求分析需求分析需求分析需求分析分析被分析被分析被分析被测测参数的形式（参数的形式（参数的形式（参数的形式（电电量量量量还还是非是非是非是非电电量、数字量量、数字量量、数字量量、数字量还还是模是模是模是模拟拟量）、范量）、范量）、范量）、范围围（幅度、（幅度、（幅度、（幅度、频频率）和数量（通道数）率）和数量（通道数）率）和数量（通道数）率）和数量（通道数），激励信号的形式和范，激励信号的形式和范，激励信号的形式和范，激励信号的形式和范围围要求；要求；要求；要求；性能指性能指性能指性能指标标（测测量精度、速度）要求；量精度、速度）要求；量精度、速度）要求；量精度、速度）要求；功能（用功能（用功能（用功能（用户户接口界面、数据分析与接口界面、数据分析与接口界面、数据分析与接口界面、数据分析与处处理、存理、存理、存理、存储储与与与与显显示、外部通信接口等）要求。示、外部通信接口等）要求。示、外部通信接口等）要求。示、外部通信接口等）要求。（2 2）系）系）系）系统总统总体方案体方案体方案体方案设计设计根据根据根据根据测试测试任任任任务务要求，确定要求，确定要求，确定要求，确定测试测试方法；方法；方法；方法；系系系系统组统组成成成成结结构构构构设计设计。（3 3）系）系）系）系统统硬件硬件硬件硬件设计设计自制或自制或自制或自制或购买购买；硬件系硬件系硬件系硬件系统统集成。集成。集成。集成。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第32页（4 4）系）系）系）系统软统软件件件件设计设计选择软选择软件开件开件开件开发环发环境；境；境；境；底底底底层驱动设计层驱动设计；上上上上层应层应用用用用软软件件件件设计设计（用（用（用（用户户界面界面界面界面设计设计、测测量数据分析量数据分析量数据分析量数据分析与与与与处处理、算法理、算法理、算法理、算法设计设计、测测量量量量结结果表达）。果表达）。果表达）。果表达）。（5 5）软软硬件集成与硬件集成与硬件集成与硬件集成与调试调试功能功能功能功能测试测试；指指指指标测试标测试；系系系系统优统优化。化。化。化。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第33页1.6 虚拟仪器技术应用虚拟仪器技术应用u1.1.应用广泛应用广泛应用广泛应用广泛从军事到民用；从军事到民用；从军事到民用；从军事到民用；特别是仪器、测量与控制、自动化等领域。特别是仪器、测量与控制、自动化等领域。特别是仪器、测量与控制、自动化等领域。特别是仪器、测量与控制、自动化等领域。测试测量测试测量工业自动化工业自动化声学测试声学测试设备测试设备测试工业自动化工业自动化食品加工食品加工汽车测试汽车测试生物医学研究生物医学研究控制工程控制工程机器视觉机器视觉 计量校准计量校准电子与非电子测试电子与非电子测试石油和天然气工程石油和天然气工程制药生产制药生产光纤校准光纤校准光学度量和测定光学度量和测定工业机器人工业机器人过程自动化过程自动化研发调试研发调试半导体测试半导体测试SCADASCADA统计流程控制统计流程控制通信测试通信测试振动测试振动测试晶片传送手臂晶片传送手臂机械制造机械制造虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第34页u本章参考文献本章参考文献本章参考文献本章参考文献1 NI1 NI公司网站：公司网站：公司网站：公司网站：2 2 赵赵会兵，虚会兵，虚会兵，虚会兵，虚拟仪拟仪器技器技器技器技术规术规范与系范与系范与系范与系统统集成，清集成，清集成，清集成，清华华大学出版社、大学出版社、大学出版社、大学出版社、北方交通大学出版社，北方交通大学出版社，北方交通大学出版社，北方交通大学出版社，2003.82003.83 3 古天祥、王厚古天祥、王厚古天祥、王厚古天祥、王厚军军等，等，等，等，电电子子子子测测量原理，机械工量原理，机械工量原理，机械工量原理，机械工业业出版社，出版社，出版社，出版社，2004.92004.94 4 陈长龄陈长龄、田、
