第1章 虚拟仪器概论

虚拟仪器技术TechniqueofVirtualInstruments授课教师：史颖刚Email:[e-mail]:15829092129办公室：9214西北农林科技大学电子系2020/6/23西北农林科技大学电子系2背景知识1.计算机基础2.检测技术3.数字信号处理4.电工电子技术5.微机原理6.自动测试系统7.计算机控制技术2020/6/23西北农林科技大学电子系3考核办法(暂定)•作业20%；•试验30%；•期末考试50%。2020/6/23西北农林科技大学电子系4注意事项•学生因病因事不能上课须在学院教学秘书处办理请假手续，请假时数累计超过该课程教学时数1/3以上者，按缺课处理，无故旷课达6学时（迟到两次折合1学时）以上者，缺交作业（含实验报告）达1/3以上者，或未完成教师要求的报告、实验者，不得参加该课程考核，并在成绩记载时注明“缺考”字样，缺考的课程必须重修。旷课、迟到、缺交作业等由任课教师负责记录。2020/6/23西北农林科技大学电子系5•多门课程知识的综合运用；理论与实际相结合，是测量方案设计、数据采集、实际信号分析处理、调试、编程语言等相关知识的综合运用。本课程特点——多学科知识综合虚拟仪器设计机械力学车船物理化学计算机软硬件信号处理电工电子技术测量技术传感器技术网络技术2020/6/23西北农林科技大学电子系6催生虚拟仪器的土壤芯片硬件软件网络LANsInternet总线AT2020/6/23西北农林科技大学电子系7绪论虚拟仪器基础虚拟仪器(VirtualInstruments)技术是检测技术与计算机和通信技术有机结合的产物，由美国国家仪器(NationalInstruments)公司首先提出。虚拟仪器是指在通用计算机上添加软件和一些硬件模块构成一套根据个人需求来获取数据，分析数据和输出可视化数据的系统。它利用PC软件功能实现信号的运算、分析、处理。2020/6/23西北农林科技大学电子系8虚拟仪器产生背景•传统仪器满足不了测试需求单台仪器测量，多台仪器数据共享，实时分析处理数据；仪器越来越复杂，仪器硬件存在冗余，使用率低，对使用者的要求提高。•计算机技术的进步为新型仪器提供了基础电子技术和计算机技术的进步改变了传统的设计思想，许多过去由硬件实现的功能可以由软件实现；专业化的设计软件为高效、易用的仪器软件开发提供了工具。2020/6/23西北农林科技大学电子系9虚拟仪器特点——设计与创新•传统仪器用户自己可据需求确定功能有较大设计、优化空间更灵活，可满足自己需求功能由生产厂家完全确定；需要另外仪器功能，就要更新、购置新的仪器。•虚拟仪器2020/6/23西北农林科技大学电子系10VirtualInstrumentation--ComputerBasedInstruments2020/6/23西北农林科技大学电子系11虚拟仪器应用领域声学测试工厂生产线自动化测控军工设备测试食品质量监测设备的自动测试ATE电工电子实验平台构建自动光学检验实验室管理自动化汽车性能测试机械测控生物医学信号测量机器视觉计量校准石油和天然气信号处理电子测试制药生产质量监控光纤校准工业机器人光学度量和测定过程自动化功率测量与谐波分析SCADA系统半导体器件性能测试统计流程控制电子通信测试晶片传送手臂振动测试电机特性参数检测2020/6/23西北农林科技大学电子系12应用举例•运动控制2020/6/23西北农林科技大学电子系13应用举例•无损检测2020/6/23西北农林科技大学电子系14虚拟仪器举例——虚拟电压表2020/6/23西北农林科技大学电子系15虚拟仪器举例——虚拟谐波分析仪2020/6/23西北农林科技大学电子系16虚拟仪器概念•虚拟仪器：以通用的计算机硬件及操作系统为依托，在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。即：“软件就是仪器”。被测对象传感器信号调理数据采集信号处理仪器面板•常见的虚拟仪器方案2020/6/23西北农林科技大学电子系17虚拟仪器组成•计算机：提供虚拟仪器通用平台，数据存储，显示等；•仪器硬件：获取被测信号，产生激励信号等；•应用软件：控制数据采集、控制、分析、处理和显示等，是虚拟仪器的关键；虚拟仪器技术主要特点：尽可能采用通用的硬件，各种虚拟仪器之间的差异主要是软件。充分发挥计算机的能力，具有强大的数据分析和处理功能，可以创造出功能更多、更强的测量或测控仪器及系统。用户可根据自己的实际需求，很便利地自主构建新的虚拟仪器。2020/6/23西北农林科技大学电子系18常用虚拟仪器板卡DAQCardIMAQCardMotionControlCardFieldPointPXI2020/6/23西北农林科技大学电子系19虚拟仪器软件驱动模块为简化硬件板卡编程和控制，提高代码复用程序。NI和Agilent已标准化了数百种常用仪器、板卡的驱动，屏蔽了直接控制这些硬件的复杂性，开发时可直接复用这些硬件驱动代码。并出台了可互换虚拟仪器驱动程序设计软件接口标准(InterchangeableVirtualInstrument)。用户界面软件驱动2020/6/23西北农林科技大学电子系20常见的虚拟仪器软件平台LabViewAgilentVEEDASYLabDirectViewProcessControl2020/6/23西北农林科技大学电子系21虚拟仪器内部功能划分•数据采集•数据分析•结果表达2020/6/23西北农林科技大学电子系22虚拟仪器的分类按总线接口类型划分：•插卡式（PC-DAQ）虚拟仪器•GPIB虚拟仪器•VXI/PXI/LXI虚拟仪器•串行口（RS232/422）虚拟仪器•USB接口虚拟仪器•IEEE1394虚拟仪器•现场总线虚拟仪器•……2020/6/23西北农林科技大学电子系23虚拟仪器的发展历程第一阶段：利用微机增强传统仪器的功能使用通讯总线（GPIB等）控制台式仪器2020/6/23西北农林科技大学电子系24第二阶段：开放式的仪器构成插卡式仪器和仪器总线（VXI总线），计算机成为仪器的重要组成部分。2020/6/23西北农林科技大学电子系25VXI机箱和模块VXI:VME总线在仪器领域的扩展2020/6/23西北农林科技大学电子系26PXI机箱和模块PXI:PCI总线在仪器领域的扩展2020/6/23西北农林科技大学电子系27第三阶段：虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用，虚拟仪器成为主流，几个虚拟仪器平台成为标准工具，产生了虚拟仪器软件标准。2020/6/23西北农林科技大学电子系282020/6/23西北农林科技大学电子系29LXI—LANeXtensionsforInstrumentation2020/6/23西北农林科技大学电子系30虚拟仪器的结构2020/6/23西北农林科技大学电子系31术语表VI:VirtualInstrument虚拟仪器GPIB:GeneralPurposeInterfaceBus通用接口总线VXI:VMEExtensionsforInstrumentationVME在仪器的扩展VPP:VXIPlug&PlayVXI即插即用PXI:PCIExtensionsforInstrumentationPCI在仪器的扩展DAQ:DataAcquire数据采集GUI:GraphicalUserInterface图形用户界面IDE:IntegratedDevelopmentEnvironment集成开发环境VISA:VirtualInstrumentSoftwareArchitecture虚拟仪器软件结构IVI:InterchangeableVirtualInstruments可互换虚拟仪器SCPI:StandardCommandsforProgrammableInstruments程控仪器标准命令2020/6/23西北农林科技大学电子系32虚拟仪器实例:15岁的失明者IshaanRostogi驾驶由弗吉尼亚理工大学采用NI技术设计的世界首辆盲人驾驶车2020/6/23西北农林科技大学电子系33课程内容•数据采集与总线技术•LabVIEW编程语言•虚拟仪器综合设计2020/6/23西北农林科技大学电子系34LabVIEW简介•LabVIEW（LabortoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）美国NI公司(NationalInstrumentsCorporation)开发的软件平台，将计算机的数据分析和显示能力与仪器驱动器融合，为用户设计虚拟仪器提供了软件工具和开发环境。•LabVIEW和C及C++一样，是一种程序开发语言，区别在于它是图形化编程语言——G语言（graphicallanguage），采用流程图形式开发应用程序。它自带的函数库可用于数据采集、串行设备的控制、数据分析和显示等。2020/6/23西北农林科技大学电子系35LabVIEW应用程序（虚拟仪器VI）的构成：•前面板•框图•图标/连接器2020/6/23西北农林科技大学电子系36前面板（frontpanel）：波形Graph指示器stop布尔控制器前面板波形Graph指示器stop布尔控制器前面板2020/6/23西北农林科技大学电子系37框图（框图面板；后面板）2020/6/23西北农林科技大学电子系382020/6/23西北农林科技大学电子系392020/6/23西北农林科技大学电子系40如何学好LabVIEW•多学习实例•大胆尝试，尝试编写自己的程序“Ihear…Iforget.Isee…Iremember.Ido…Iunderstand.”