(精品)虚拟仪器概述.ppt

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1、河南科技大学电信学院自动化 林青松2011年12月虚拟仪器概述内容一、虚拟仪器概述二、LabVIEW简介一、虚拟仪器概述仪器的发展历史虚拟仪器定义虚拟仪器的构成元素与传统仪器比较体系结构三大组成硬件构成方案四大优势硬件性能应用领域软件开发平台NI公司的虚拟仪器产品仪器的发展历史v第一代仪器：模拟仪器：如指针式万用表，它们的基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。v第二代仪器：数字化仪器：数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果。v第三代仪器：智能仪器：智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理

2、能力，可取代部分脑力劳动。v第四代仪器：虚虚拟拟仪仪器器：虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。以前的计量方法v重量：杆秤v长度：尺子、步v体积：斗、石v时间：沙漏、一柱香第一代仪器：模拟仪器第一代仪器：模拟仪器v电压表头第一代仪器：模拟仪器v日本健伍VT-181E毫伏表第二代仪器：数字化仪器第二代仪器：数字化仪器vFLUKE F111数字电压表第三代仪器：智能仪器TE-TL系列智能温控仪 1、全输入型仪表，只需通过菜单选择，即可切换J K E S Pt100 Cu50等六种传感器输入信号。2、具备位式调节，二位PID调节，

3、连续PID调节等多种调节方式，专家自整定参数，可控制压力、流量、液位、湿度等。3、模块化输出支持继电器、可控硅无触点开关等。4、编程报警功能，支持绝对值上限、绝对值下限、偏差值上限、偏差值下限等多种报警功能。第三代仪器：智能仪器TE-BW智能三相功率表 1、测量三相有功功率或无功功率2、面板按键设定参数3、带RS485通讯接口带一定的分析、处理、通讯等功能第四代仪器：虚拟仪器虚拟仪器仪器技术革命v第一次仪器革命是由于数字电子技术的发展引起的，使仪器形态进入了数字化仪器时代；v第二次仪器革命是由于微处理器的大量应用引起的，使仪器形态进入了智能仪器时代；v第三次仪器革命，由通用计算机软硬件技术的进

4、步引起，使仪器形态进入第四个时期：虚拟仪器时代。什么是虚拟仪器？v传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。v虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件设备，功能完全由用户自定义。v每一个虚拟仪器系统都由两部分组成软件和硬件。虚拟仪器的定义v虚拟仪器是一种概念仪器，迄今为止，业界虚拟仪器是一种概念仪器，迄今为止，业界还没有一个明确的国际标准和定义。还没有一个明确的国际标准和定义。v所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。v“虚拟”的含义n虚拟的仪器面板n

5、由软件实现仪器的测量功能（软件就是仪器）。软件即是仪器软件即是仪器v这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。v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。v虚拟仪器的核心软件算法代替硬件电路；v虚拟仪器=总线模块算法仪器的构成元素仪器的构成元素数据采集数据采集信号处理信号处理结果表达结果表达与仪器控制与仪器控制硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（显示器与旋钮）硬件（显示器与旋钮）硬件（电子线路）硬件（电子线路）计算机软件（算法）计算机软件（算法）计算机硬件计算机硬件（显示器与虚拟旋钮）（显示器与虚拟旋钮）传统仪器传统仪器虚拟仪器虚拟仪器计

6、算机系统资源计算机系统资源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，节省费用传统仪器与虚拟仪器比较传统仪器实例传统仪器实例手动测试台试验基本布置示意图数字万用表FLUKE F189信号发生器泰克AFG3022 噪声信号发生器NC6103 毫伏表VT-181E数字示波器DPO4034 电源 朝阳+24

7、V、-24V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调理机箱前面板虚拟仪器调理电路调理电路底板+插板虚拟仪器开关切换（自研）电路图虚拟仪器功能实现1、信号切换开关量输出控制模拟电子开关2、设备上电开关量输出控制电磁继电器3、信号产生-D/A4、噪声信号产生D/A5、示波器A/D-屏幕显示6、数字表（测量电压）-A/D-屏幕显示7、毫伏表（测量噪声）-A/D-屏幕显示8、电源不能省虚拟仪器界面调试现场调试现场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传

8、统仪器厂商定义功能厂商定义功能虚拟仪器虚拟仪器用户定义功能用户定义功能虚拟仪器基于计算机的仪器虚拟仪器技术的三大组成部分 v1高效的软件高效的软件软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。NI公司LabVIEW。v2模块化的模块化的I/O硬件硬件 使用PCI、PXI、PCMCIA、USB、1394总线，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯 v3被测单元被测单元 GPIBSerialDAQ Unit Under TestVXIImage Ac

9、quisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&Driver Software Measurement Studio LabVIEW虚拟仪器技术的三大组成部分虚拟仪器的硬件构成虚拟仪器的硬件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)基于通用接口总线基于通用接口总线GPIBGPIB接口的仪器系统接口的仪器系统 ：利用

10、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)利用利用VXIVXI总线仪器实现虚拟仪器系统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基于串行口或其它工业标

11、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。虚拟仪器技术的四大优势虚拟仪器技术的四大优势 性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以PC技术为主导的最新商业技术的优点，计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。扩展性强只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。开发时间少方便操作，并提供灵活性和高的开发效率，以较少的成本加速产品上市的时间。无缝

12、集成为I/O设备提供标准的接口，可轻松将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。与传统仪器相比，虚拟仪器硬件性能如何？虚拟仪器系统是基于软件的，所以如果只要是可以数字化的东西，您就可以对它进行测量。因此，测量硬件可在通过两根坐标轴进行评估，即分辨率（位）和频率。虚拟仪器硬件与传统仪器的比较NI公司的虚拟仪器硬件与传统仪器的比较虚拟仪器技术应用领域 测试和测量测试和测量 工业自动化工业自动化 声学测试 工厂自动化 ATE HMI 自动光学检验(AOI)实验室自动化 汽车测试 机械控制 生物医学研究 机器视觉 校准 石油和天然气处理 电子测试 制药生产 光纤校准 工业机器人 光学度量和测定

13、 过程自动化 研发 SCADA 半导体测试 统计流程控制 电讯通信测试 晶片传送手臂 振动测试 .虚拟仪器软件开发平台v文本式编程语言 Visual C+VB Labwindows/CVIv图形化编程语言 Labview 事实上的虚拟仪器软件开发平台 HP-VEE虚拟仪器开发软件虚拟仪器开发软件这就是我们选择美国NI公司的LabVIEW的原因关于NIv美国国家仪器公司（NI）是虚拟仪器技术的创始人与倡导者vNI为用户提供易于集成的软件如图形化开发环境NI LabVIEW，以及模块化硬件如用于数据采集或用于数据采集、仪器控制和机器视觉的PXI模块化仪器。 MHz带宽，PCI、PXI、USB和PC

14、MCIA总线接口 信号发生器：函数发生器与任意波形发生器，12和16位分辨率，高达400 MS/s采样率，PCI和PXI总线接口高速数字I/O：数字波形发生器/分析仪，最高100 MHz时钟速率，可编程的电压水平，PCI,PXI和PCMCIA总线接口。数字万用表(DMM)和LCR Meter：5位半和6位半数字万用表DMM，10-23位分辨率，高达1.8 MS/s采样率，PCI和PXI总线接口。RF(射频信号)测量设备：无线电信号采集、发生与分析，信号频率高达2.7 GHz(带20 MHz实时带宽)动态信号采集、发生和分析：24位测量精度，用于声音与振动信号采集与发生开关：高质量开关解决方案，

15、包括通用继电器、多路复用器以及距阵，用于PXI和SCXI平台上。NI模块化仪器软件产品vLabVIEW：图形化开发环境，以最低成本快速创建灵活的、易升级的测试测量与控制应用程序。vLabWindows/CVI：ANSI C应用程序开发环境vNI TestStand：测试执行管理软件vSignalExpress：连接设计与测试的交互式软件，用于快速采集、比较、自动化并存储测量结果。二、LabVIEW简介什么是LabVIEW?LabVIEW的优点LabVIEW的语言环境LabVIEW编程实例LabVIEW开发平台如何学习LabVIEW语言？LabVIEW 是什么？vLabVIEW 是一种图形化编程

16、语言，与C+和VB 或其它语言的功能一样。它是唯一被普遍接受的图形化编程语言。简单易学。v带有大量的内置功能，能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务v使用LabVIEW 能让您享受到强大的图形化编程语言所带来的灵活性，而无需忍受传统开发环境的复杂编程工作。LabVIEW 图形化编程语言前面板后面板LabVIEW的优点v直观的图形化环境实现了开发工作的高效率v集成了上千种仪器和测量设备驱动v通过编译使系统性能最优化v适用于流程图设计的开发环境v与其它应用程序的开放式连接直观的图形化环境实现了开发工作的高效率v在LabVIEW 图形化开发环境下，无需编写代码文本命令行即可获得强

17、大的开发工具。v在LabVIEW 中，您只需要拖放已经开发好的图形控件，就可以轻松快捷地开发出应用程序的用户界面。v然后，再通过组合框图模块来实现系统的各种函数功能。vLabVIEW 图形化语言的直觉性特征使学生们可以将注意力集中在被教授的理论知识，而不是基于文本的工程软件应用开发的编程细节上,能用比使用传统文本编程环境少得多的时间，开发出复杂的应用程序来。集成了上千种仪器和测量设备驱动vLabVIEW 能与测量硬件无缝连接，因此您可以快速的使用和配置各种测量设备，从任何的独立测量设备、到插入式数据采集设备、运动控制器、图像采集系统、实时系统、分布式控制和可编程逻辑控制器（PLC）等。vLab

18、VIEW 还支持来自几百家仪器供应商的2000 多种仪器驱动库。通过编译使系统性能最优化v在许多应用中，执行速度是关键。利用一个内置编译器使之生成优化的代码，您的LabVIEW 应用程序可将程序速度提高到与编译C 语言程序相当的程度。v运用LabVIEW，您能在多种平台上开发出满足最高性能要求的系统，包括：Windows，Linux，UNIX,或实时操作系统。v项目开发完成后，经编译可生成可执行文件(exe)。适用于流程图设计的开发环境vLabVIEW 针对一些应用提供了专门功能，如仿真、测量、控制和自动化应用等，这将加速系统的开发进程。v无论是内置的分析功能还是与各种I/O 设备接口，Lab

19、VIEW 为工程师和科学家提供快速建立测试和测量，数据采集，嵌入式应用，科学研究和过程监控系统所需要的各种功能。与其它应用程序的开放式连接v利用LabVIEW，您可以通过因特网，ActiveX,DLL，共享库，SQL,TCP/IP,XML,OPC,无线通讯或其它方式和不同的应用程序建立连接。vLabVIEW 的开放式连接特性使您能够建立灵活的开放式应用，并与公司内其它应用程序进行通讯。vLabVIEW 还支持Matlab M 脚本及与一些常用程序的直接连接。LabVIEW的发展历程LabVIEW 图形化编程语言 可以编译的图形化编程语言环境 提高开发效率 LabVIEW 语言环境 数据流 模块

20、化数据数据LabVIEW 编程实例用随机数发生函数产生一个随机数，并在Chart上面实时显示用While循环控制程序连续运行每个循环中延时300毫秒产生一个新随机数随机数产生并显示随机数产生并显示随机数产生并显示扩展1-添加延时控件通过控件用户可以随时改变延时的时间通过控件用户可以随时改变延时的时间扩展2 数据存盘将随机数存盘。记录在一个文本文件中将随机数存盘。记录在一个文本文件中开开发发者者套套件件附加工具包附加工具包RT实时实时DSC记录监控记录监控图像图像LabVIEW 开发系统开发系统LabVIEW 开发平台 机器视觉与图像处理 Vision观察距离测量模式识别颜色匹配斑点分析和变形处

21、理 Vision Builder交互式开发辅助工具 Optical character recognition 字符识别机器视觉与图像处理模块机器视觉与图像处理模块 简单易用MAX配置LabVIEWVIs 强大的功能 简易集成数据采集图像 单轴与多轴 伺服与步进电机运动控制对OLE DB,ODBC数据库insert,select数据Microsoft Access,SQL Server,Oracle等建立，删除表格以XML格式保存记录执行SQL查询执行stored procedures对transactions的管理数据库连接工具包生成Microsoft Word,Excel报告文字,表格,图

22、表,图片格式字体,颜色,文字对齐等利用模版 E-mail报告运行宏(Macro)Office 报告生成工具包报告生成工具包联合时频分析高精度频谱分析小波分析和滤波器族设计数字滤波器设计信号处理工具包生成可执行文件(EXE)或动态链接库(DLL)把应用程序生成安装盘与LabVIEW环境融合在一起节省费用LabVIEW专业版附带，完全版需另购应用程序生成器如何学LabVIEW？LabVIEWLabVIEW是图形化的编程语言，很容易上手，是图形化的编程语言，很容易上手，但要真正精通它是要花很多力气的。但要真正精通它是要花很多力气的。1 1、一边看书，一边上机练习、一边看书，一边上机练习2 2、用、用Help-Find ExampleHelp-Find Example看看LabVIEWLabVIEW自带的大量例子自带的大量例子3 3、NINI网站网站 代理中科泛华http:/ 5、BBS BBS 论坛论坛6 6、利用、利用internetinternet搜索资料搜索资料7 7、其它、其它LabVIEWLabVIEW书籍书籍近几年的工作1近几年的工作2