1、,第1章 虛擬儀器概述,本章概述 1.1 虛擬儀器的基本概念 1.2 虛擬儀器的形成和發(fā)展 1.3 虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.4 虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 1.5 虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)集成 1.6 虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用 本章總結(jié),1.1 虛擬儀器的基本概念,1. 虛擬儀器的定義 傳統(tǒng)儀器：特定功能和儀器外觀。 虛擬儀器（VI，Virtual Instrumentation）：是一種以計算機和測試模塊的硬件為基礎(chǔ)、以計算機軟件為核心所構(gòu)成的，并且在計算機顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計算機所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來定義的計算機儀器。,如：虛擬示波器,虛擬數(shù)字電壓表 基于虛擬儀器的 溫度檢測與控制

2、,2. 虛擬儀器的特點 從虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)上來看： （1）虛擬儀器的硬件是通用的（包括通用計算機硬件平臺和通用的測量功能硬件）； （2）良好的人機界面。虛擬儀器的面板（或稱軟面板）是虛擬的（通過“控件”虛擬出面板）； （3）功能強。虛擬儀器的功能是由用戶軟件定義的。,（4）虛擬儀器之“虛擬”含義： 虛擬儀器面板； 軟件實現(xiàn)儀器功能。如：基于高速數(shù)據(jù)采集硬件，通過計算機軟件編程可實現(xiàn)“虛擬示波器”、“虛擬頻譜儀”、“虛擬交流數(shù)字電壓表”、“虛擬頻率計”、“虛擬相位計”等不同儀器。 （5）因此，軟件是虛擬儀器的核心，NI 提出“軟件即儀器”（The software is the instrum

3、ent）。,與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)特點： （1）功能強、性價比高、開放性（可擴充性）好； 充分利用計算機豐富的軟硬資源。 儀器功能可通過軟件靈活設(shè)計（基于相同的硬件，通過軟件設(shè)計可實現(xiàn)不同的虛擬儀器）。 儀器升級方便，性價比高（一機多用）。 基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器”。 （2）操作方便； 通過圖形用戶界面（GUI）操作虛擬儀器面板。 （3）硬件模塊化、系列化； 基于儀器總線技術(shù)，設(shè)計出模塊化、系列化硬件。,虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較：,1.2 虛擬儀器的形成和發(fā)展,1. 虛擬儀器形成的背景 （1）電子測量儀器(Electronic Instruments)及自動測試系統(tǒng)(

4、Automatic Test System, ATS)的發(fā)展,（2）儀器與自動測試系統(tǒng)總線技術(shù) 總線（bus）：信號或信息傳輸?shù)墓猜窂健?片內(nèi)總線：微處理器芯片內(nèi)連接內(nèi)部各邏輯單元； 片間總線：元件級總線（如典型的微機“三總線結(jié)構(gòu)”）。還有串行總線，如：Motorola的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍接口）、Philips的I2C（Inter IC bus，片間總線）、NS的MicroWire（串行同步雙工通信接口）等。 內(nèi)總線：板級總線。如個人計算機的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI，及工業(yè)控制的STD、VME、Compat

5、PCI，儀器與測量系統(tǒng)的CAMAC、VXI、PXI等。 外總線：外部通信總線。如RS-232/485、USB、IEEE1394、EPP、SCSI；現(xiàn)場總線CAN、LONworks、FF；儀器與測量系統(tǒng)的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等。,通過總線技術(shù)，可實現(xiàn)： 模塊化硬件設(shè)計； 標(biāo)準(zhǔn)化； 便于生產(chǎn)、維護（維修）、升級； 較好的經(jīng)濟性。,（2）虛擬儀器是技術(shù)發(fā)展的結(jié)果 計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，及其在電子測量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，使新測試?yán)碚摗y試方法、測試技術(shù)不斷出現(xiàn)，儀器與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不斷推陳出新，電子測量儀器及自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了質(zhì)的變化，

6、功能與性能得到不斷提高。 計算機（PC機）處于核心地位，計算機軟件技術(shù)和儀器與測試系統(tǒng)更緊密結(jié)合成了一個有機整體。 在上述的背景下，提出了全新概念的儀器虛擬儀器。 1986年，美國國家儀器公司（NI, National Instrument）提出了虛擬儀器（Virtual Instrumentation）的概念。,1990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，相繼推出了基于GPIB總線（General Purpose Interface Bus）、PC-DAQ（Data Acquisition）和VXI總線（VMEbus eXtension for Instrumentation，1987年）

7、、PXI總線（PCI eXtension for Instrumentation，1997年）等多種虛擬儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器軟件采用面向?qū)ο蠛涂梢暬幊碳夹g(shù)。 底層驅(qū)動和上層應(yīng)用軟件融為一體。 虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)化： VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年） 和VISA（Virtual Instrument Software Architecture, 虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)）。 IVI（Interchangeable Virtual Instruments，可互換式虛擬儀器，1997年）。,（3）虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與展望 虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)與測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。多

8、門學(xué)科多種技術(shù)的融合，如測試技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)字信號處理、總線與接口、網(wǎng)絡(luò)與通信、傳感技術(shù)、光電技術(shù)、微機械技術(shù)等。 （1）新的總線技術(shù)的應(yīng)用（如HS488，1394b等）。 （2）速度不斷提高。 （3）智能化、模塊化、集成化是硬件發(fā)展的主流。 （4）軟件技術(shù)。第一是軟件標(biāo)準(zhǔn)化問題；第二是如何利用各種軟件開發(fā)環(huán)境及工具，編制出符合標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件。 （5）網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng)。 （6）應(yīng)用范圍更加廣泛。,1.3 虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1. 虛擬儀器系統(tǒng)組成及各部分基本功能 （1）虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成 硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。 硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。,（2）各部分基本功能 虛擬儀器的內(nèi)部功能，

9、可劃分為信號采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)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(qū)動程序共同完成，而數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達與輸出則主要由用戶應(yīng)用軟件完成。,2. 虛擬儀器的通用硬件平臺 （1）通用硬件平臺的基本功能 信號采集（模擬、數(shù)字輸入）； 信號產(chǎn)生（模擬、數(shù)字輸出）； 信號調(diào)理（信號幅度、頻率、驅(qū)動、隔離等）； 定時與計數(shù)； 大容量數(shù)據(jù)存儲。 實時信號處理。 總線與通信。,（2）通用硬件平臺的組成,1.4 虛擬儀器的軟件系統(tǒng),1. 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括I/O接口軟件、儀器驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件三部分。,（1）I/O接口軟

10、件（VISA庫） I/O接口軟件存在于儀器設(shè)備（即I/O接口設(shè)備）與儀器驅(qū)動程序之間，是一個完成對儀器寄存器進行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器設(shè)備與儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞的底層軟件。 VPP規(guī)范了虛擬儀器的I/O接口軟件的特點、組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)規(guī)范，并將符合VPP規(guī)范的虛擬儀器I/O接口軟件定義為VISA（虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)）軟件。 VISA庫，實質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。 VISA函數(shù)庫駐留于計算機系統(tǒng)中，是計算機與儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)軟件通信接口，用以實現(xiàn)對儀器的控制。,（2）儀器驅(qū)動程序 連接上層應(yīng)用程序與底層I/O接口儀器的紐帶和橋梁。是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件

11、程序集合。 儀器廠商提供有相應(yīng)儀器的驅(qū)動程序（原代碼），為用戶提供對儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。 （3）程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments，可程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令）。 面向測試功能而非儀器。,（4）應(yīng)用軟件 建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對用戶操作。 提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理（時域、頻域、數(shù)字濾波等）功能，完成自動測試任務(wù)。 通常，包括測試管理軟件和測試功能軟件兩部分。,2. 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 （1）虛擬儀器軟件框架結(jié)構(gòu),（2）通用的可視化軟件編程環(huán)境 Microsoft公司的

12、Visual C+和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C+ Builder等。 （3）專用于虛擬儀器開發(fā)的軟件編程環(huán)境 圖形化編程（G語言）環(huán)境：Agilent VEE、NI LabVIEW； 文本編程環(huán)境：NI LabWindows/CVI。 其中，LabVIEW是目前最流行、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件。 非常適于儀器、測量與控制領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)。,NI公司還推出了用于數(shù)據(jù)采集、自動測試、工業(yè)控制與自動化等領(lǐng)域的多種設(shè)備驅(qū)動軟件和應(yīng)用軟件，如： LabVIEW的實時應(yīng)用版本LabVIEW RT； 工業(yè)自動化軟件BridgeVIEW； 工業(yè)組態(tài)軟件

13、Lookout； 基于Excel的測量與自動化軟件Measure； 即時可用的虛擬儀器平臺VirtualBench； 生理數(shù)據(jù)采集與分析軟件Biobench； 測試執(zhí)行與管理軟件TestStand； 還包括NI-488.2、NI-VISA、NI-VXI、NI-DAQ、NI-IMAQ、NI-CAN、NI-FBUS等設(shè)備驅(qū)動軟件； 以及各種LabVIEW和LabWindows/CVI的增值軟件工具包。,1.5 虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)集成,1. 虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計過程 主要包括測試需求分析、系統(tǒng)總體方案設(shè)計、系統(tǒng)硬件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)集成及系統(tǒng)調(diào)試等。,（1）測試需求分析 分析被測參數(shù)的形式（電量還是非電量、數(shù)字量還是模擬量）、范圍（幅度、頻率）和數(shù)量（通道數(shù)），激勵信號的形式和范圍要求； 性能指標(biāo)（測量精度、速度）要求； 功能（用戶接口界面、數(shù)據(jù)分析與處理、存儲與顯示、外部通信接口等）要求。 （