虚拟仪器概述部分设计课件42185.pptx
虚拟仪器一、概述二、虚拟仪器技术新进展及其应用三、虚拟仪器实验环境介绍(另)一、概述1.1、虚拟仪器的演化和发展历程 1.1.1 测量仪器发展阶段框图：从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。1.1.2 传统仪器构成特点 传统仪器包括模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器这几个大的方面。第一代：模拟仪器，这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针试仪表。如指针式万用表、晶体管电压表等。第二代：数字式仪表，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。第三代：智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，所以习惯上称为智能仪器。但是它的功能块全部都是以硬件（或固化的软件）形式存在的，无论是在开发还是应用中，都缺乏灵活性。传统仪器构成特点 一个独立的装置，有一机箱，有操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。一般由以下三大功能块组成：信号的采集和控制 信号的分析与处理 结果的表达与输出 功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在。这种框架式的结构，决定了传统的仪表只能由仪器厂家来定义、制造，用户无法改变的现实。1.1.3 虚拟仪器(Virtual Instrument)的出现 为解决以上各传统仪器出现的问题，总线式仪器与系统应运而生。这也确定了虚拟仪器、自动测试系统乃至整个测试领域的一个重要发展动向。一般认为，虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。虚拟仪器的出现 计算机技术和仪器技术结合：充分利用计算机丰富的软硬件资源，可以较大突破传统仪器在数据处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。还可以把仪器的三大功能全部放在计算机上实现。在计算机中插入数据采集卡，然后，用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号处理分析，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。后面详细介绍虚拟仪器的概念以及其特点。1.2、虚拟仪器的概念和特点1.2.1 虚拟仪器的概念：关于虚拟仪器国外专家一般有以下几种说法：（1）虚拟仪器是看起来并在感觉上与物理仪器相同的软件包；（2）虚拟仪器是由计算机、仪器硬件、固件和应用软件组成的测量装置；（3）虚拟仪器通常指利用个人计算机和有关的硬件与（或）软件使之具有传统独立仪器功能的组合。美国国家仪器公司(National Instruments Cor-poration,NI)这样定义，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统,是一种计算机操纵的模块化仪器系统。虚拟仪器主要由通用的计算机资源、应用软件和仪器硬件等构成。使用者利用应用软件将计算机资源和和仪器硬件结合起来,通过友好的图形界面来操作计算机,完成对测试信号的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪器中的硬件主要用于解决信号的调理、以及输入、输出问题。软件主要用于实现对数据的读取、分析和处理、显示以及对硬件的控制等功能,这些功能在传统电子仪器中往往通过硬件来实现。软件即是仪器 这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和IO部件来构建虚拟仪器。虚拟仪器的核心软件算法代替硬件电路；虚拟仪器=总线模块算法1.2.2 虚拟仪器的特点虚拟仪器有以下特点：(1)虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等特点。(2)在通用硬件平台搭建后,由软件来实现具体的功能,即软件在虚拟仪器中有重要的作用。(3)虚拟仪器的功能是是由用户根据实际需要通过软件来定义的,而不是事先由仪器厂商定义。(4)虚拟仪器的研制周期较传统仪器大为缩短。虚拟仪器的特点(5)虚拟仪器的性价比较高。(6)由于虚拟仪器技术是建立在计算机技术和数据采集技术基础上的,因而技术更新较快、成本较低、测试自动化程序较高,而且可与网络及其他设备互联。(7)虚拟仪器具有友好、灵活的人机界面,传统仪器的界面较呆板。传统仪器与虚拟仪器比较数据采集信号处理结果表达与仪器控制硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（显示器与旋钮）硬件（电子线路）计算机软件（算法）计算机硬件（显示器与虚拟旋钮）传统仪器虚拟仪器计算机系统资源传统仪器与虚拟仪器比较传统仪器 虚拟仪器仪器定义 厂家 用户功能设定功能特定，与其它设备连接受到限制。面向应用的系统结构，可方便地与网络设备、外设和其它设备连接。关键环节 硬件 软件开放性封闭式系统，功能固定，不能改变。基于计算机技术的开放式系统，灵活的软件功能模块。性能价格比 低 高，可重复使用。技术更新速度慢（周期510年）快（周期12年）开发维护 开发维护费用高 软件结构，节省费用传统仪器实例：数字万用表FLUKE F189毫伏表VT-181E数字示波器DPO4034 传统仪器-操作台面板传统仪器-内部结构传统仪器-内部结构信号调理电路虚拟仪器实例：一体化工作站AWS-8248 虚拟仪器数据采集卡PCI-6259A/DD/AI/O虚拟仪器调理电路调理电路底板+插板1.2.3 虚拟仪器的构成 虚拟仪器系统主要由计算机、硬件板卡、软件及附件组成，用户可以根据要求,灵活地构建自己的测试仪器(系统)，下面是其典型结构：虚拟仪器的结构层次虚拟仪器的基本结构GPIBSerialDAQProcessorUnit Under TestVXIImage AcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&Driver Software LabVIEW虚拟仪器系统的基本构成虚拟仪器的架构模块化仪器软件算法仪器概念的转变传统仪器厂商定义功能虚拟仪器用户定义功能1.2.3 虚拟仪器的构成 虚拟仪器的硬件系统：虚拟仪器是基于计算机的测量设备,其硬件由计算机及I/O接口设备组成，如下图。I/O接口设备主要完成输入信号的采集、放大、模/数转换及数/模转换和信号输出控制等。不同的总线有其相应的I/O接口硬件设备。虚拟仪器的硬件主要有以下几种构成方案：虚拟仪器的硬件构成方案(1)基于数据采集的虚拟仪器系统：借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)，将模拟、数字信号采集到计算机进行分析、处理、显示等，并可通过输出实现反馈控制。(2)基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统：利用GPIB(General Purpose Interface Bus)技术，由计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。(3)利用VXI总线仪器实现虚拟仪器系统：VXI(VMEbus Extension for Instrumentation)总线是一种高速计算机总线VME在仪器领域的扩展。由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、结构紧凑、使用方便灵活，已越来越受到重视。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。(4)基于串行口或其它工业标准总线的系统：将带有RS-232总线接口的仪器作为I/O接口设备通过RS-232串口总线与PC计算机组成虚拟仪器系统，目前仍然是虚拟仪器的构成方式之一。当今，PC计算机已更多地采用了USB总线和IEEE1394总线。虚拟仪器的软件系统：根据仪器的三大功能,设计仪器必须解决好人机接口和机机接口问题,因此虚拟仪器软件又由两大部分构成,即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。(1)应用程序：实现虚拟面板功能的软件程序；定义测试功能的流程图软件程序。(2)I/O接口仪器驱动程序：完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。虚拟仪器可以在相同的硬件平台下，通过不同测试功能软件模块的组合，实现功能完全不同的各种仪器，即虚拟仪器的测量功能是由软件编程来实现的。软件是虚拟仪器的核心，体现了测试技术与计算机技术深层次的结合。开发虚拟仪器必须选用合适的软件开发平台，目前的虚拟仪器软件开发平台有如下两类：基于文本编程语言开发工具：如VC+,VB,C+Build,Lab Windows/CVI及Delphi等。基于图像化编程语言开发工具：如LabVIEW(NI公司)，HP VEE(HP公司)。后面重点介绍LabVIEW。二、虚拟仪器技术新进展及其应用2.1、虚拟仪器技术新进展 虚拟仪器技术的进展分为四个大方面：总线技术方面 数据采集、数字信号处理及传感器技术方面 测量技术方面 软件技术方面虚拟仪器的发展ProcessorUnit Under TestPXI虚拟仪器的演变2.1.1 虚拟仪器在总线技术方面的进展 目前，仪器接口总线和计算机技术结合越来越紧，用于虚拟仪器和测试系统的有 GPIB总线、VXI 总线技术、PXI 总线技术、IEEE1394 总线和 USB 等等。GPIB仪器总线已经风行多年，由于它只是8位并行仪器总线，传输速率和传输距离有限，已经跟不上当今大规模自动测试系统的需求。但是采用GPIB总线的仪器或插件仍然大量存在，一直在应用，因此GPIB总线仍然是组建中等水平自动测试系统所采用的总线。从事虚拟仪器开发的厂家也很注意USB通用串行总线和IEEE 1394通用高速串行总线虚拟仪器的开发，一是因为虚拟仪器系统主控常采用PC机，而当今PC机已经更多地采用USB总线和IEEE 1394总线；二是因为USB总线已经得到广泛的支持。微软从Windows 98开始全面支持USB1.1总线，Windows XP支持USB2.0，Sun公司和Digital公司也已经支持USB。但是USB总线只限于用在较简单的测试系统中。当今用虚拟仪器组建自动测试系统更有前途的是采用IEEE 1394串行总线，这是因为这种高速串行总线，能够以100、200或400 Mb/s的速率传送数据，显然会成为虚拟仪器发展最有前途的总线。前几年国际上虚拟仪器所用IEEE 1394总线的传送速度的最高记录已经达到100 Mb/s。近几年也有很大的发展能达到更快速度。2.1.2 虚拟仪器在数据采集、数字信号处理及传感器技术方面的进展 数据采集技术：数据采集卡（DAQ）发展迅速，A/D,D/A 转换技术、仪器放大器、抗混淆滤波器和信号波形处理技术的不断改进；数字信号处理技术：数字信号处理（DSP）芯片使高速的数据流处理进行优化和数学计算，增强了采集系统的功能，降低成本，使其具有独立控制和实时处理的优点；传感器技术：智能传感器的出现使传感器具有更强大的功能，计算机技术、网络通讯技术的飞速发展使传统的现场模拟信号通信方式转为现场级的全数字信号通信方式,即传感器现场级的数字化信号通信方式，出现了基于以太网的传感器即网络化传感器技术。2.1.3 虚拟仪器在测量技术方面的进步 近些年来，非电量的电测技术和自动测试技术迅速发展，成为最活跃的测量技术分支。随着科学技术的发展，测试、数据采集、控制三者之间的界限已模糊不清，测量、维护、诊断、修理、数据处理/管理一体化的需求日趋迫切，对测试的现场化、远地化、网络化需求不断升温。随着要表征的系统的日益复杂，测量反映在对被测对象的描述和表示上，也根据实际的需要从传统的数值加带方向的误差值，扩展为还可以由自然语言以及高度抽象的文字或符号来表征。电测量技术和自动控制技术结合得越来越紧密，不仅测量为控制提供更准确的信息，控制也不断为测量的发展注入新的活力。2.1.4 虚拟仪器在软件技术方面的发展 操作系统：目前，具有图形用户界面的 32 位操作系统 Windows 2000 和 Windows XP 已成为 PC 机的主流操作系统。它们是真正的多任务系统，且采用了多线程技术。使用多线程来执行程序，可防止基于 PC 的测试应用软件与 DAQ 或标准接口的独立仪器通信时产生拥塞现象。另外可以将用户界面显示和数据采集分配在不同的线程上，降低数据采集与用户界面显示之间的干扰，使每个线程独立地以最快的速度运行，充分提高系统的测试速度。通过按时间占用的多少确定线程的优先级，同时可以提高系统的响应速度。开发平台：(1)实现了仪器控制与数据采集的完全图像化编程,设计者无需编写任何文本形式的代码。(2)提供了大量的面向测控领域应用的库函数,如面向数据采集的DAQ库函数、内置GPIB、VXI、串口等数据采集驱动程序;面向分析的高级分析库,可进行信号处理、统计、曲线拟合以及复杂的分析工作;面向显示的大量仪器面板,如按钮、滑尺、二维和三维图形等。(3)提供了大量与外部代码或应用软件进行连接的机制。(4)具有强大的网络连接功能,支持常用网络协议,便于用户开发各种网络测控、远程虚拟仪器系统。(5)LabVIEW应用程序具有可移植性,适用于多种操作系统 驱动程序 1999 年 NI 公司提出了可互换虚拟仪器标准 IVI(Interchangeable virtual instruments)。它使仪器在测试系统中可以互换而无需修改软件，这样就解决了消除测试冗余、提高测试系统中同类仪器的可互换性等问题；在更换硬件时，软件不需做太大的修改，大大地简化了仪器驱动器的开发，改进了仪器驱动程序的编写质量。而且 IVI 仪器驱动器与接口总线无关，只与仪器的测试功能有关，这给许多应用领域和工业部门带来了实惠，增强了代码的可重用性。ActiveX、C/S 结构、多媒体技术 ActiveX 是测试行业的一项关键技术。ActiveX 是一种封装模块，与编程语言无关，能被许多不同语言所调用。采用这种技术可以在测试系统中调用各种有用的应用程序，如电子表格 Excel 和数学工具 MATLAB 以提高系统的性能。另外，ActiveX 还能够通过 Internet 网实现远距离控制。用 C/S 结构模型设计虚拟仪器，不仅可使不同测试子系统之间共享系统资源，并行地进行测试工作，而且可以根据测试系统的实际需要，任意增删测试子系统的数目，而无需对测试系统软件的源代码进行修改。多媒体技术的发展，也将对虚拟仪器技术的发展产生影响。可以用动画技术直观、逼真地动态监控系统状态和测量结果，可用语音技术实现自动报告测试结果和报警。2.2、虚拟仪器技术的应用 虚拟仪器无处不在。85%的世界500强制造型企业已经选择了虚拟仪器技术，NI提供的1000多款软硬件产品应用遍布电子、机械、通信、生物医药、科研、教育等各个行业领域。(1)消费电子微软公司使用LabVIEW 和PXI 模块化仪器开发了Xbox 和Xbox 360 手柄的多功能验证提升了100%。(2)结构监测 为了对东海大桥进行实时可靠的健康监测，上海巨一公司使用NI的PXI平台和动态采集（DSA）设备实现了全桥14个工作站的上千个通道的需求，并通过GPS时间信号和 PXI背板实现了精确的同步采集标准。(3)RF与通信测试 上海聚星仪器公司使用NI LabVIEW和基于PXI的矢量信号分析仪开发了业界性价比最高的GPS多星接收机测试。基于软件的优势使得系统可以同时仿真多颗卫星的信号，使接收机的功能测试更为有效。(4)声音与振动 基于NI LabVIEW图形化开发环境配合PXI模块化硬件平台，波音公司实现了一个数量高达600的麦克风阵列。该麦克风阵列可以同步地将飞机飞过区域时的噪音采集、回溯并对庞大的噪声数据进行处理，然后绘制不同噪声等级的示意图，准确地确定噪声来源。(5)汽车 BMW研发人员和德国MicroNova公司的工程师合作，选用了基于虚拟仪器技术的NI PXI平台。针对不同的信号类型和接口功能，使用图形化 LabVIEW软件对板载FPGA的NI板卡作开发，并应用于BMW氢能7系发动机控制器的硬件在环测试。因为PXI平台的可扩展性和通用性，该平台已成功用于 BMW其它不同系列发动机控制器的硬件在环测试。(6)军事 Mantech 公司选用 PXI 作为用于美国空军 F-15E 和 F-16C/D 高级战斗机的测试系统LANTRIN的一部分，成功 将测试系统的体积从7个机架减小到3个机架，体积减小了50%以上，这其中很大部分要归功 PXI仪器的整合能力。(7)航空航天 在 NI LabVIEW 平台下，NASA（美国航空航天局）完美地建立了对下一代詹姆士韦伯太空望远镜中“微快门”技术的测试所必须的太空仿真环境。由于能够很好的控制温度、压力条件，还可以把太阳产生的热扰动因素也考虑在内。利用LabVIEW FPGA及运动控制技术，可以达到对“微快门”复杂的开关阵列进行灵活、可靠的控制，再结合NI图像采集与处理技术得出判断结果。(8)基于GSM/GPS的工程机械远程监控 能与上位机通信，接收并实现上位机的指令，实现有关数据的GSM短信收发和GPS经纬度等信息采集的功能。2.3、虚拟仪器的发展趋势 2.3.1 网络化 网络化虚拟仪器是虚拟仪器技术和网络技术相结合的产物。基于分布式测控系统，因而具备以下功能：(1)支持远程测控；(2)支持分布式应用；(3)支持异地域数据存取；(4)支持异地服务请求与访问。其中的基本功能单元，其主要任务是：数据采集和处理；测试数据交换；测控过程监控、故障诊断；测试信息存储。另外一部分通信网络包括测试服务器、浏览服务器、中央管理计算机和网关等：负责对各测控基本功能单元进行任务分配、对采集的数据进行计算、处理和分析、存储、系统故障诊和报警和提供浏览服务等。典型的网络化虚拟仪器系统组成如下图所示：2.3.2 向几何参量和机械参量等难点领域拓展 应用虚拟仪器进行几何量和机械参量测量的难度要高于电参量的测量，这是因为传感器和被测工件需要按照测量基准保持严格的相对位置关系，这种虚拟仪器不同其它参量的测量，它一般需要专用的定位机构和传动机构。例如，在开发类似三坐标测量机的虚拟仪器进行几何轮廓参数的高精度测量时，专用的高精度传感器、高精度的定位机构和传动机构不可缺少。2.3.3 基于Linux操作系统的虚拟仪器 目前主流的虚拟仪器主要是基于Windows操作系统。该系统主要面向大众用户，尽管普及面较广，但基于Windows操作系统的应用程序占用内存大，系统稳定性不理想，常出现“死机”现象。在工业现场应用场合，多任务并行是经常要解决的问题，然而基于Windows操作系统的应用程序并不能真正实现实时多任务并行处理，但是基于Linux操作系统的应用程序却更容易满足上述要求，这是因为：(1)Linux是真正的多任务的操作系统，可以同时执行几个程序。多任务操作系统就是可以运行多个应用程序(或进程)的系统。(2)Linux操作系统是一个多用户操作系统.与通常的windows系统相比，Linux允许多个用户同时登陆,充分利用操作系统的资源。(3)在Linux平台上几乎能使用所有流行的开发软件，如C+、FORTRAN、JAVA等。(4)可以合理分配内存。Linux会尽量把不同的内存作buffer(缓冲区)来使用，因此RAM的大小决定运行速度。每个程序都有自己的主内存区，系统处理主内存区是采取保护的方式，可以辟免因为一个程序的执行失败而引起整个系统瘫痪。因此基于Linux操作系统的虚拟仪器更容易满足多任务并行处理及现场检测和控制要求。三、虚拟仪器实验环境介绍
