1、虛擬儀器技術,Technique of Virtual Instruments,王書茂 教授,電 話:e-mail : ,1/41,課程內容,授課形式,課堂講解（16學時） 實驗（8學時）,第一章 虛擬儀器概述 第二章 虛擬儀器的數據采集系統(tǒng) 第三章 虛擬儀器軟件 第四章 抗干擾技術 第五章 網絡虛擬儀器,2/41,參考書目,虛擬儀器技術概論 楊樂平等，電子工業(yè)出版社 現代測試技術及虛擬儀器 曹玲芝 北京航空航天大學出版社 計算機測試系統(tǒng)原理與應用 周明光等 電子工業(yè)出版社,第一章 虛擬儀器概述,3/41,1.1 測試測量儀器的發(fā)展,測試測量儀器的發(fā)展經歷了以下四個

2、階段：,模擬儀器階段 18世紀末至20世紀初科學家發(fā)現描述物理現象的定律之后，發(fā)明了基于物理定律的模擬儀表，最典型的主要有針式萬用表、晶體管電壓表等，他們的基本結構是電磁機械式的，借助指針來顯示最終結果。,4/41,數字儀器階段 隨著晶體管與集成電路的出現，數字技術在測試測量儀器中成功的獲得應用。主要有數字電壓表、數字頻率計等，這類儀器將模擬信號測量轉化為數字信號的測量，并以數字形式顯示和輸出結果。,5/41,智能儀器階段 在數字式儀器中置入微處理器，將計算機技術與儀器技術緊密結合，從而部分取代人腦工作，這類儀器稱為智能儀器。智能儀器的功能模塊主要是硬件和固化的軟件。,路燈光電控制器,便攜式超

3、聲波流,6/41,虛擬儀器階段 隨著計算機與電子技術的飛速發(fā)展，軟件取代硬件成為儀器儀表行業(yè)迫切需要解決的問題，它能完成硬件無法完成的任務，標志著“軟件即儀器”時代的到來。,7/41,1.2 虛擬儀器的基本概念,虛擬儀器（VI，Virtual Instrument）指通過應用程序將計算機與功能化模塊結合起來，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像在操作自己定義、自己設計的一臺單個儀器一樣，完成對被測量的采集、控制、顯示、數據存儲等。,8/41,1.2.1、虛擬儀器的概念,實例-虛擬示波器,9/41,1.2.2 、虛擬儀器的特點,與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術有如下特點：,功能強、開放性

4、好； 儀器功能可通過軟件靈活設計； 儀器升級方便，性價比高； 基于計算機網絡技術，可實現“網絡化虛擬儀器”； 操作方便，通過圖形用戶界面（GUI）操作虛擬儀器面板； 硬件模塊化、系列化；,10/41,虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較,11/41,1.3 虛擬儀器的系統(tǒng)構成,1.3.1、虛擬儀器系統(tǒng)組成 硬件和軟件兩大部分構成 硬件是基礎，軟件是核心,虛擬儀器的構成框圖,12/41,虛擬儀器通用硬件平臺,13/41,根據接口硬件的不同，虛擬儀器的構成方式可以分為以下幾種類型。,PC-DAQ系統(tǒng) 以數據采集板、信號調理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。,GPIB系統(tǒng) 以GPIB標準總線儀

5、器與計算機為硬件平臺組成的虛擬儀器系統(tǒng)。,VXI系統(tǒng) 以VXI標準總線儀器模塊與計算機為硬件平臺組成的虛擬儀器系統(tǒng)，是VME總線在儀器領域的擴展。,PXI系統(tǒng) 以PXI標準總線儀器模塊與計算機為硬件平臺組成的虛擬儀器系統(tǒng)，是PCI在儀器領域的擴展。,串口系統(tǒng) 以Serial標準總線儀器與計算機為硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。,14/41,虛擬儀器的軟件結構,15/41,虛擬儀器的核心思想是利用計算機的硬件和軟件資源，使本來由硬件 或電路實現的技術軟件化和虛擬化?；谲浖谔摂M儀器系統(tǒng)中的重 要作用，從底層到頂層，虛擬儀器的軟件框架包括三部分：VISA庫、 I/O接口儀器驅動程序、應用軟件。,

6、VISA庫 VISA庫實質就是標準的I/O函數庫及其相關規(guī)范的總稱。一般稱這個I/O函數庫為VISA庫。它駐留與計算機系統(tǒng)之中，執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，用以實現對儀器的程控。,I/O接口儀器驅動程序 儀器驅動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合，是應用程序實現儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅動程序，儀器廠商將其以源碼的形式提供給用戶，用戶在應用程序中調用儀器驅動程序。,應用程序 應用程序包含兩個方面:實現虛擬面板功能的前面板軟件程序和定義測試功能的流程圖軟件程序。應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過直提供直觀、友好的操

7、作界面、豐富的數據分析與處理功能，來完成自動測試任務。,16/41,17/41,1.3.2 、各部分基本功能,與傳統(tǒng)的儀器一樣，虛擬儀器也可劃分為信號采集與控制、數據分析與處理、結果表示與輸出三大功能模塊。 信號采集與控制主要由虛擬儀器的通用硬件平臺，并配合儀器驅動程序共同完成，而數據分析與處理、結果表達與輸出則主要由用戶應用軟件完成。,18/41,1.3.3、常見虛擬儀器軟件開發(fā)平臺,19/41,通用的可視化軟件編程環(huán)境 Microsoft公司的Visual C+和Visual Basic等。 專用于虛擬儀器開發(fā)的軟件編程環(huán)境 圖形化編程環(huán)境：Agilent VEE、NI LabVIEW。

8、交互式編程環(huán)境：NI LabWindows/CVI。,其中，LabWindows/CVI集成化開發(fā)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員開發(fā)檢測、數據采集、過程監(jiān)控提供了理想的軟件開發(fā)環(huán)境。,Vasual C+,Visual Basic,20/41,LabView,Agilent VEE,21/41,LabWindows/CVI,22/41,1.4 虛擬儀器的發(fā)展,第一階段：利用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能，使用通訊總線（GPIB等）控制臺式儀器。,虛擬儀器的發(fā)展經歷了以下三個階段：,23/41,第二階段：開放式的儀器構成 出現了插卡式儀器（DAQ）

9、和儀器總線(VXI&PXI)，計算機成為儀器的重要組成部分,24/41,VXI機箱和模塊,25/41,PXI機箱,26/41,第三階段：虛擬儀器框架得到了廣泛認同和采用,基于虛擬儀器的新型工業(yè)測控系統(tǒng)架構,27/41,1.5 虛擬儀器的應用,虛擬儀器的應用從軍事逐漸向民用發(fā)展，特別是儀器、測量與控制、自動化等領域。,28/41,壓縮天然氣(CNG)實時監(jiān)控項目,29/41,壓縮天然氣罐車卸氣控制現場,30/41,壓縮天然氣儲氣罐參數檢測現場,31/41,CNG調壓站及其測控系統(tǒng),32/41,虛擬儀器測控系統(tǒng),33/41,虛擬儀器主界面設計,34/41,植保性能試驗,35/41,可靠性能試驗,36/41,灌溉性能試驗,37/41,噴霧角試驗,38/41,飛機起落架綜合測試系統(tǒng),39/41,1.6 虛擬儀器技術的展望,虛擬儀器技術是計算機技術與測試技術相結合的產物。多門學科多種技術相融合，如測試技術、計算機技術、軟件技術、數字信號處理、總線與接口、網絡與通信、傳感技術、光電技術、