虚拟仪器设计-绪论

1虚拟仪器设计基础天津职业技术师范大学测控教研室21虚拟仪器的概念、特点与分类2虚拟仪器的硬件组成与软件平台3虚拟仪器的特点及应用4本课程的学习要求内容提要绪论3什么是虚拟仪器？返回本章首页4操作者希望计算机看上去与一台仪器一样虚拟仪器的概念PROCESSORBUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAYANDCONTROL488PORT礟MathMEMORY礟ROMPROCESSORBUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAYANDCONTROL488PORT礟MathMEMORY礟ROMControlPanelFlowPressureAlarmConditionsSTOPTemperature传统仪器厂商定义功能虚拟仪器用户定义功能虚拟仪器的概念:所谓虚拟仪器(VirtualInstrument,简称VI)是指以通用计算机为核心的硬件平台，配以相应测试功能的硬件作为输入/输出的接口，利用仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板和相应的功能，然后通过鼠标或键盘操作的仪器。软件是构成虚拟仪器的核心。这里的“虚拟”有两层含义：●虚拟的仪器面板；●由软件实现仪器的功能（软件就是仪器）虚拟仪器的概念软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用开发软件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等，其中以LabVIEW应用最为广泛。8例如：把计算机作为测量仪器来使用—测量液体的温度9虚拟仪器与传统仪器的比较返回本节传统仪器虚拟仪器功能由生产厂商定义功能由用户定义与其它设备的连接有限可方便地与网络外设连接开发维护费用高基于软件体系，开发维护费用低技术更新周期长（5～10年）技术更新周期短(0.5-1年)硬件是关键软件是关键价格较高价格较低固定开放、灵活，可重新配置使用无法自己编程硬件，二次开发差可自己编程硬件，二次开发强有限的显示选项无限的显示选项部分具有时间记录和测试说明完整的时间记录和测试说明测试部分自动化自动化的测试过程10hp的虚拟现实实验仪器之一11hp的虚拟现实实验仪器之二12存储示波器+任意波发生器13数字多用表+任意波发生器14字发生器数字示波器多用表EWB中的虚拟仪器15十六通道逻辑分析仪分类一个完整的虚拟仪器系统被测量PC机/虚拟仪器软件(信号处理、显示)驱程及硬件配置管理软件数据采集卡接口信号调理传感器GPIB接口其它硬件接口PCI接口PXI接口COM口/PLCVXI接口一些实际的虚拟仪器系统虚拟仪器的硬件平台组成硬件平台主要有两部分：计算机和I/O接口设备。计算机计算机一般为一台PC机或者工作站，是硬件平台的核心I/O接口设备I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大及模/数转换。不同的总线有其相应的I/O接口硬件设备利用PC机总线的数据采集卡/板（简称DAQ）GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器、PXI总线虚拟仪器五种主要构成方式－以接口方式分类PC-DAQ系统：是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。它采用PCI或ISA计算机本身的总线，故将数据采集卡/板(DAQ)插入计算机的空槽中即可。GPIB系统：以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。典型的GPIB测试系统由一台计算机、一块GPIB接口板和几台GPIB仪器组成。GPIB接口板插入计算机的插槽中，建立起计算机与具有GPIB接口的仪器设备之间的通信桥梁。VXI系统：以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。VXI总线是一种高速计算机总线在仪器领域的扩展。它具有标准开发、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器商支持等优点，应用越来越广。尤其在组建大中规模自动测量控制系统，以及对速度、精度要求非常高的场合，有其他仪器无法比拟的优点。此外，VXI总线的组建方案其功能最为强大、组建的系统最为稳定，但VXI总线在实现强大功能的同时，价格也是十分昂贵的。PXI系统：以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。PXI(PCIbuseXtentionsforInstrumentation)总线是基于PCI总线的虚拟仪器系统构架，是NI公司于1997年推出的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。PXI在主流PCI计算技术和控制器的基础上采用流行的奔腾MMX处理器，带有标准GPIB接口、并／串口、以太网络接口及显示器接口，为用户组建速度高、成本低、结构紧凑的测试系统提供了可行性。串口系统：以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。无论上述哪种虚拟仪器系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。其中，PC-DAQ测量系统是构成虚拟仪器的最基本的方式。24虚拟仪器的软件开发环境NI公司的LabVIEW是目前开发虚拟仪器的最佳软件平台。其主要特点是：系统提供多种测试、控制和数据分析功能图标编程就是设计和定义流程图，连接功能图标继承了传统语言的结构化、模块化等优点提供多种工具和对象实现面板设计、数据可视化，简化系统开发，缩短开发周期利用网络技术将不同测控任务的仪器和设备可连接成一个分布式虚拟仪器系统，避免系统功能重复造成的浪费返回本节什么是LabVIEW?LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向。什么是LabVIEW?LabVIEW程序被称为VI（VirtualInstrument），即虚拟仪器。LabVIEW的核心概念就是“软件即是仪器”，即虚拟仪器的概念。LabVIEW还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。28图形化编程技术LabVIEW是一种图形化编程语言（G语言），其源代码看起来象一种程序流图；流图中的每一个节点执行某一种功能；流图中节点之间通过连线联系起来；执行的顺序是由数据从一个节点到下一节点的流动顺序，即数据流决定的。29VI的组成部件：1.前面板；2.方块图前面板为用户接口方块图为源代码LabVIEW可以做什么?LabVIEW在测试、测量和自动化等领域具有最大的优势，因为LabVIEW提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储。用户可以在数分钟内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。它被广泛地应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域。LabVIEW可以做什么?LabVIEW不仅可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以被用来开发大型的分布式数据采集与控制系统。在美国LawrenceLivermore国家实验室，一个花费2000万美金的极为复杂的飞秒激光切割系统就是基于LabVIEW开发的。在北京正负电子对撞机二期工程北京谱仪慢控制系统中，大约有30种物理量共7000多点的现场数据点需要实时采集控制和分析记录等。LabVIEW工具包一览NILabVIEW核心软件-NILabVIEW专业版开发系统(本地化版本)-NILabVIEW控制设计与仿真模块-NILabVIEWMathScriptRT模块-NILabVIEW系统辨识工具包-NILabVIEW数字滤波器设计工具包-NI调制工具包33LabVIEW工具包一览-NILabVIEWSignalExpress-NI视觉开发模块-NI视觉采集软件-NILabWindows™/CVI完整版开发系统-NIMeasurementStudio企业版-NIDIAdem专业版34LabVIEW工具包一览NILabVIEWFPGA模块-NILabVIEWReal-Time模块(ETS)-NI实时(Real-Time)执行跟踪工具包-NILabVIEW状态图模块-NILabVIEW嵌入式模块-NILabVIEWMobile模块-NILabVIEWPID和模糊逻辑工具包-用于NILabVIEW的模块NISoftMotion-NI运动助手35LabVIEW工具包一览NILabVIEWFPGA模块NI声音和振动测量套件NI频谱测量工具包NILabVIEW高级信号处理工具包36LabVIEW的发展历程如何学好LabVIEW1、多学习实例，教材以及LabVIEW都提供了大量的实例。2、大胆尝试，尝试编写自己的程序。“Ihear…Iforget.Isee…Iremember.Ido…Iunderstand.”39虚拟仪器的特点和应用虚拟仪器的特点性能高扩展性强开发时间少以及出色的集成功能返回本节40虚拟仪器的应用虚拟仪器适应了现代测试系统网络化、智能化发展趋势，应用方式多种多样，应用前景广泛工业自动化仪器制造实验室方面返回本节41虚拟仪器的应用航空航天教学核工业军工通信测试铁道。。。。。。用户案例返回本节42本校2008年学生毕业设计432009年学生毕业设计44利用LabVIEW开发丰富的课件资源UCBerkeley通信原理45利用LabVIEW开发丰富的课件资源控制理论中南大学嵌入式系统清华大学46在科研上的应用基于虚拟仪器的原油管道泄漏监测系统基于虚拟仪器的电梯导轨多参数测量系统基于虚拟仪器的气敏元件智能测试系统基于虚拟仪器的自动传输检测生产线虚拟仪器技术在线检测控制滴灌管生产线。。。。。。47美国国家仪器公司的虚拟仪器举例20MHZ数字示波器40MHZ任意波发生器FFT分析仪51/2数字多用表484950515253545556小结虚拟仪器是仪器发展的方向虚拟仪器两大基本要素是硬件和软件。硬件的主要功能是获取真实世界中的测量信号；软件的作用是控制数据采集、分析、处理、显示等功能，并将集成为仪器操作与运行的命令环境。本门课程以虚拟仪器软件开发平台为线介绍虚拟仪器设计的技术问题和解决方案。返回本节57课程安排共32学时授课24学时实验8学时返回本节58参考书黄松岭等著，虚拟仪器设计基础教程，清华大学出版社，2008年10月第一版雷振山，LabVIEW7Express实用技术教程，中国铁道出版社，2004年4月第一版赵会兵编著，虚拟仪器技术规范与系统集成，清华大学出版社，北方交通大学出版社，2003年第一版陈锡辉张银鸿，LabVIEW8.20程序设计从入门到精通，清华大学出版社，2007年7月第一版LabVIEW用户手册，NI，可提供电子版返回本节59成绩出勤及平时表现(40%)上机编程(30%)设计试验(30%)返回本节60返回本节62虚拟仪器倡导者•建立于1976年•总部在美国的奥斯丁•在44个国家设有直属分支机构，600家系统联盟商•中国:研发,区域咨询,技术支持,市场$0$50$100$150$200$250$300$350$400$450$500$550$600$650'77'79'81'83'85'87'89'91'93'95'97'99'01'030564NI客户的分布•超过25,000个客户分布在多达80个国家•财富500强中90％的制造型企业65NI院校计划•世界范围内超过30个院校团队•超过$3M的支助和捐赠(2005)•NI基金会•NI著作支助项目•超过110个国家•超过5000所大学•涉及所有的工程和科学学科NIHQ