第6讲虚拟仪器系统集成设计与开发__虚拟仪器系统总

主讲教师：袁刚博士重庆大学，光电工程学院电话：[phone]，传真：[phone]Email:[e-mail]:——虚拟仪器系统总体设计、硬件设计、软件设计第2页前述内容回顾•虚拟仪器概述•虚拟仪器软件开发平台•虚拟仪器的测试信号分析与处理技术•DAQ虚拟仪器硬件技术•虚拟仪器系统集成总线技术第3页本讲提要•虚拟仪器系统总体设计•DAQ虚拟仪器硬件设计•虚拟仪器软件设计第4页1.虚拟仪器系统总体设计•虚拟仪器是什么？–虚拟仪器的基本概念、定义•为什么设计虚拟仪器？–虚拟仪器的发展历程•设计虚拟仪器怎样做？–虚拟仪器的系统构成–虚拟仪器的系统的实现步骤•虚拟仪器有什么用？–虚拟仪器的特点–虚拟仪器的应用第5页1.虚拟仪器系统总体设计1.1虚拟仪器的基本概念、定义–以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，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，都可由用户软件来定义的计算机仪器。–虚拟仪器是一种思想，其内涵就是“以软代硬”，通过软件来实现仪器的部分或全部功能。–虚拟仪器的定义可以从三个方面进行进一步阐述：•虚拟仪器的硬件是通用的（略）。•虚拟仪器的面板是虚拟的（略）。•虚拟仪器的功能是由用户软件定义的（略）。第6页1.虚拟仪器系统总体设计1.2虚拟仪器的发展历程–机械式、磁电式指针仪表（略）–模拟仪器，以模拟电子技术和分立式电子元器件为基础，以电子管和晶体管模拟电子电路为主体所构成的模拟式电子测量仪器，测量、处理、显示对象均为模拟信号。–数字仪器，以模/数转换、数字逻辑技术为基础，以大规模集成电路为主体所构成的数字式仪器，对被测的模拟信号进行A/D转换后，传输、处理和存储的信号均为数字信号，测量结果为数字显示。数字化是智能仪器、个人仪器和虚拟仪器的基础，是计算机技术引入到测量仪器的前提。第7页1.虚拟仪器系统总体设计1.2虚拟仪器的发展历程–智能仪器，把一个微型计算机系统嵌入到数字式电子测量仪器中，构成独立式智能仪器。嵌入式的计算机系统可以是芯片级、模板级、系统级。智能仪器在结构上自成一体，具有仪器的外观，内部自身带有专用的微型计算机系统和GPIB接口，能独立进行测试工作。智能仪器由于引入计算机，功能强大、性能优异、使用灵活方便，是现阶段中高档电子仪器的主体。–PC基仪器/计算机仪器/个人仪器=虚拟仪器，把测试功能的硬件模块，做成一个I/O插卡插入到通用的个人计算机的总线扩展插槽中，再配置相应的测试第8页1.虚拟仪器系统总体设计1.2虚拟仪器的发展历程软件，使计算机完成测量仪器的功能，构成一个以PC为基础的个人计算机仪器，简称个人仪器（PC基仪器或计算机仪器）。个人仪器充分地利用了个人计算机的资源，原智能仪器所需的各部分都尽可能借用PC机资源，构成了一个外形完全与通用微型计算机一样的测量仪器。相对于独立式的智能仪器来说，大大地降低了成本，缩短了研制周期。然而用户在组建个人仪器系统时，不同厂家生产的仪器插卡难以集成，PC机环境无法满足仪器系统的触发、抗干扰、多通道等需要。因此，1987年提出来了适合个人仪器系统标准化的VXI总线系统。同第9页1.虚拟仪器系统总体设计1.2虚拟仪器的发展历程时，随着测试软件的发展，个人仪器系统的发展进入了一个新的阶段——虚拟仪器系统。第10页1.虚拟仪器系统总体设计1.3虚拟仪器的系统构成应用软件-虚拟面板应用软件-仪器功能仪器驱动软件、I/O接口操作系统通用计算机测试/测量/传感硬件设备虚拟仪器系统用户被测系统软件系统硬件系统第11页1.虚拟仪器系统总体设计第12页1.虚拟仪器系统总体设计1.3虚拟仪器的系统构成–虚拟仪器由硬件和软件两大部分组成，硬件是虚拟仪器的基础，软件是虚拟仪器的核心。–虚拟仪器硬件通常包括基础硬件平台和外围测试硬件设备。基础硬件平台采用各种类型的通用计算机。外围测试硬件设备可以选择GPIB系统、VXI系统、PXI系统、DAQ系统等。–虚拟仪器软件包括操作系统、仪器驱动器和应用软件三个层次。操作系统式虚拟仪器软件系统的基础平台。仪器驱动器软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，是连接应用软件与外围硬件模块的桥梁。应用程序实现仪器功能和与用户的对话。第13页1.虚拟仪器系统总体设计1.4虚拟仪器的系统的实现–典型的虚拟仪器外围硬件测试设备构成形式•基于GPIB总线方式的虚拟仪器系统•基于VXI总线方式的虚拟仪器系统•基于PXI总线方式的虚拟仪器系统•基于数据采集卡的虚拟仪器（DAQ虚拟仪器）系统第14页1.虚拟仪器系统总体设计1.4虚拟仪器的系统的实现–基于GPIB总线方式的虚拟仪器系统GPIB总线即IEEE488.1和IEEE488.2，接口总线最早的仪器总线。多数分立式电子仪器都配有GPIB总线。利用GPIB总线可以方便地构建一个虚拟仪器系统。计算机GPIB卡GPIB连接线分立式仪器第15页1.虚拟仪器系统总体设计1.4虚拟仪器的系统的实现–基于GPIB总线方式的虚拟仪器系统其典型系统包括计算机、GPIB接口卡和若干台GPIB仪器，每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。当系统中的仪器需要增加、减少或更换时，只需要对计算机的控制软件进行相应的修改即可。•优点是充分利用分立式电子仪器的测量功能，实现更加复杂的、综合的测量和检测功能。•缺点是数据传输率低，不适宜于对系统速度要求较高的应用领域。第16页1.虚拟仪器系统总体设计1.4虚拟仪器的系统的实现–基于VXI总线方式的虚拟仪器系统VXI系统建立在VXI总线基础上，适合于高端的测试领域，主要由主机箱、控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件组成。•优点是最多可包含256个设备；具备即插即用特性；完善的机箱环境设计。•缺点是相对价格较高。计算机VXI机箱及模块第17页1.虚拟仪器系统总体设计1.4虚拟仪器的系统的实现–基于PXI总线方式的虚拟仪器系统•特点是整合了台式计算机的高速PCI总线和VXI总线中的先进仪器技术优势，如同步触发、板间总线、板载时钟等；兼容PCI总线产品，同时性能更高；对机箱内部器件工作环境做了严格的规定，可在恶劣工作环境下工作；比PCI扩展插槽更多；价格在VXI和PCI之间，是性价比最高的总线。计算机PXI机箱及模块第18页1.虚拟仪器系统总体设计1.4虚拟仪器的系统的实现–基于数据采集卡的虚拟仪器（DAQ虚拟仪器）系统基于PC总线的通用DAQ数据采集卡的虚拟仪器通常是人们的首选。一般采用基于PC总线的通用DAQ数据采集卡和PC机实现。主要的PC总线有ISA、PCI等。•优点是充分利用了计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；资源丰富，专业厂商提供了大量专业化DAQ模块可供选择；•缺点是缺乏标准化的触发线；不能满足大功率、高质量冷却和严格电磁屏蔽等要求；插槽有限，难以容纳大量的通道。第19页1.虚拟仪器系统总体设计1.4虚拟仪器的系统的实现步骤–分析问题和确定任务•调研论证-确定任务、指标、手段–系统总体设计•硬件和软件的功能分配-系统A/D通道方案的确定-微型计算机的配置-操作面板的设计-抗干扰设计–硬件和软件的设计•明确任务-绘制逻辑图、电路图-制作和调试电路•明确任务-按功能划分程序模块-绘制流程图-程序设计语言选择-编码-调试–系统联调•实验室内标准量测试•现场测试第20页1.虚拟仪器系统总体设计1.5虚拟仪器的特点（包括三个方面）–仪器功能方面：功能意义上而非物理意义上的仪器；集多种功能于一体；强大的分析、处理、存储能力，延伸出强大的功能。–用户界面方面：界面友好、个性；面板可分布式布置；能灵活调整和创新。–系统集成方面：可以多厂商多设备集成；模块化、系列化，易互换；容易组网。第21页1.虚拟仪器系统总体设计1.6虚拟仪器的应用测试测量工业自动化声学测试非电检测工业自动化食品加工汽车测试生物医学研究控制工程机器视觉计量校准电子测量石油和天然气工程制药生产光纤校准光学度量和测定工业机器人过程自动化研发调试半导体测试SCADA统计流程控制通信测试振动测试晶片传送手臂机械制造第22页2.DAQ虚拟仪器硬件设计•DAQ虚拟仪器硬件是什么？–DAQ虚拟仪器硬件的组成•为什么这样组成？–DAQ虚拟仪器系统中各模块的功能•各模块的设计怎样做？–DAQ虚拟仪器系统中各模块的原理和实现第23页2.DAQ虚拟仪器硬件设计2.1DAQ虚拟仪器硬件的组成–DAQ虚拟仪器又称PC-DAQ仪器系统，由一台PC机和基于标准总线的采集卡构成，如下图所示。以微型计算机为平台，将硬件和软件结合起来，实现特定的仪器测量功能，实质上是一种具有测试功能的微机应用系统。第24页2.DAQ虚拟仪器硬件设计第25页2.DAQ虚拟仪器硬件设计2.2DAQ虚拟仪器系统中各模块的功能–传感器、变换器：将非电的物理量如光、温度、压力或声音转变为可测量的电信号；–信号调理：连接到DAQ设备的硬件，改善准确性或减小噪音、使信号适合于测量。最常用的信号调理包括放大、线性化、隔离和滤波；–数据采集、转换：通过模拟开关、采样/保持和A/D转换获取数据，将模拟量转换成数字量；–计算机接口：计算机是数据采集系统的核心，对整个系统进行控制，完成测量和控制应用程序的设计和编程。第26页2.DAQ虚拟仪器硬件设计2.3DAQ虚拟仪器系统中各模块的原理和实现2.3.1传感和信号变换（四种方式）–通过敏感元件拾取被测信号（环境特殊而无现成传感器可用时）–通过传感器拾取被测信号–通过（被测装置或设备）接口直接拾取被测信号–通过测量仪表拾取被测信号第27页2.DAQ虚拟仪器硬件设计常见物理现象、物理量敏感单元、传感器或测量方法热、温度热电偶、热敏电阻、光纤温度传感器…光CCD、PSD、光敏电阻、光敏二极管…声电容式、动圈式、压电式传声器…应变应变片…位移电位器式、电容式、光栅式、激光测距…力应变式测力计、压磁式、压电式…加速度压电加速度传感器、电容加速度传感器…转矩应变片…第28页2.DAQ虚拟仪器硬件设计2.3.2信号调理（主要功能）•微弱信号都要进行放大，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配，以提高分辨率和信噪比。放大•实现多路复用。多路开关•使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免造成计算机损坏和影响读数。隔离•从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器和抗混叠滤波器，避免频率混叠。滤波•为某些传感器提供所需的激励信号，以电流源和电压源的形式给传感器提供激励。激励•对传感器输出信号进行线性化，以补偿误差。但目前的趋势是用软件来解决。线性化第29页2.DAQ虚拟仪器硬件设计调理功能《测控电路》中对应的内容信号放大稳零放大电路、高共模抑制比放大电路、集成测量放大电路信号隔离通用隔离放大电路、程控增益隔离放大电路多路开关模拟开关电路低通滤波、抗混叠滤波RC有源滤波器电路、集成有源滤波器激励任意函数电路、功率放大电路线性化线性化电路第30页2.DAQ虚拟仪器硬件设计2.3.3数据采集和转换–A/D转换器（技术指标）•分辨率和量化误差•转换精度–偏移误差–满刻度误差–非线性误差–微分非线性误差•转换速率•满刻度范围第31页2.DAQ虚拟仪器硬件设计2.3.3数据采集和转换–数据存储与数据传输技术•ADC与CPU直接数据传输–程序控制的数据传输方式–DMA控制的数据传输方式•基于高速数据缓存技术的数据传输方式–基于双口RAM的高速数据缓存方式–基于FIFO的高速数据缓存方式第32页2.DAQ虚拟仪器硬件设计2.3.4计算机接口–总线定义•定义：总线是连接有若干设备并进行信号传送的一条信号线或一组信号线；•功能：信号传输（通信）•特点：公用、标准•在测控中的应用：承担各分系统或各单元模块间