虚拟仪器与网络测试技术_ch1.ppt

虚拟仪器与网络测试技术 luke0011 虚拟仪器与网络测试技术 虚拟仪器设计 十一五 国家级规划教材詹惠琴 古军 袁亮编高等教育出版社2008 第1章虚拟仪器概述 1 1虚拟仪器的基本概念 1 2虚拟仪器的形成和发展 1 3虚拟仪器的系统结构 1 4虚拟仪器的软件系统 1 5虚拟仪器技术应用 1 1虚拟仪器的基本概念 1虚拟仪器的定义 传统仪器 具有特定功能和仪器外观 虚拟仪器 一种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 并且在计算机屏幕上显示虚拟的仪器面板 可由用户软件来定义仪器功能的仪器 虚拟数字存储示波器 虚拟直流数字电压表 虚拟温度检测与控制系统 2虚拟仪器的特点 硬件是通用的面板是虚拟的 具有良好的人机界面功能是由用户软件定义的 功能强大 测量仪器的三个基本功能组成 采集和产生 控制和处理 显示和输出 硬件 电子线路 硬件 电子线路 硬件 显示器与旋钮 硬件 电子线路 计算机软件 算法 计算机硬件 显示器与虚拟旋钮 传统仪器 虚拟仪器 计算机系统资源 3传统仪器与虚拟仪器比较 1 2虚拟仪器的形成和发展 1虚拟仪器形成的背景 电子测量仪器 ElectronicInstruments 及自动测试系统 AutomaticTestSystem ATS 的发展结果 内置微处理器 具有自动测量和数据处理能力 功能以硬件 或固化的软件 形式存在 缺乏灵活性 将模拟信号测量转化为数字信号测量 并以数字方式输出最终结果 采用模拟电子技术实现 用指针显示结果 模拟仪器 数字仪器 智能仪器 I O插卡 个人计算机的扩展插槽 个人仪器 2虚拟仪器的提出 个人仪器和第三代测试系统的发展 形成了以VXI总线和PXI总线等为标准的通用模块化仪器系统计算机软件在仪器控制与通信 数据分析与处理 结果显示与输出等方面所起的重要作用1986年 美国国家仪器公司 NationalInstrumentNI 提出了虚拟仪器 VirtualInstrumentation 的概念虚拟仪器软件采用面向对象和可视化图形编程技术相继推出了基于GPIB总线 PC DAQ DataAcquisition 和VXI总线等多种虚拟仪器系统 虚拟仪器软件的标准化VPP和VISA 可交互仪器驱动器模型 IVI 3虚拟仪器的发展与展望 新的总线技术的应用 模块化 集成化是硬件发展的主流 软件技术 软件标准等问题 如何利用各种软件开发环境及工具 编制出符合标准的应用软件 网络化仪器系统 1 3虚拟仪器的系统结构 1虚拟仪器的系统构成和内部功能构成 系统构成 硬件 软件 硬件是基础 软件是核心 内部功能构成 信号采集与产生 数据分析与处理 结果表达与输出 信号采集与产生主要由虚拟仪器的通用硬件平台 并配合仪器驱动程序共同完成 而数据分析与处理 结果表达与输出则主要由用户应用软件完成 2虚拟仪器的通用硬件平台 通用硬件平台的基本功能 信号采集 模拟 数字输入 信号产生 模拟 数字输出 信号调理 如幅度放大 抗混滤波等 大容量数据存储 实时信号处理 总线与通信 核心功能 通用硬件平台的组成框图 说明 以实现A D及D A转换功能为核心 再配备适当的前端信号调理 数据存储 数字I O等功能 共同完成虚拟仪器的信号采集 产生和控制功能 通用硬件平台的构成形式 通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备 分立式或模块式仪器 主要有PC总线的数据采集模块 PC DAQ GPIB总线仪器 VXI总线仪器模块 PXI总线仪器模块 RS 232串口 USB接口仪器等类型 或多种类型的组合 3 基于VXl总线的虚拟仪器 内置PC总线 如ISA PCI 的通用数据采集卡DAQ 1 基于PC总线的虚拟仪器 2 基于GPIB通用接口总线的虚拟仪器 国际标准 IEEE488 1和IEEE488 2 技术成熟但其数据传输速度一般低于500Kb s 具有模块化 系列化 通用化 即插即用 及VXI仪器的互换性和互操作性但价格相对较高 适合于高端的测试领域 4 基于PXI总线的虚拟仪器 兼容PCI总线产品 集CompactPCI的高性能和VXI可靠性 性价比最好 1 4虚拟仪器的软件系统 1虚拟仪器的软件层次结构 三个层次部分 I O接口软件 仪器驱动程序 应用软件 I O接口层 VISA库 I O接口软件存在于仪器设备 即I O接口设备 与仪器驱动程序之间 是一个完成对仪器寄存器进行直接存取数据操作 并为仪器设备与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件 VISA VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture 库 实质是标准的I O函数库及其相关规范总称 仪器驱动层 连接上层应用程序与底层I O接口仪器的纽带和桥梁 是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合 应用软件层 直接面对用户操作 提供直观 友好的操作界面 丰富的数据分析与处理功能 完成自动测试任务 通用的可视化编程环境 Microsoft公司的VisualC 和VisualBasic Inprise公司的Delphi和C Builder等 2虚拟仪器的软件开发平台 专用于虚拟仪器开发的软件编程环境 图形化编程 G语言 环境 NILabVIEW AgilentVEE文本编程环境 NILabWindows CVI其中 LabVIEW是目前最流行 应用最广 发展最快 功能最强的图形化软件 非常适于仪器 测量与控制领域的虚拟仪器软件开发 其它 NI公司还推出了LabVIEWToolkits工具箱 应用领域如 高级分析函数 小波 联合时频分析特定应用的分析 声音和振动 阶次分析 频谱现成即用的数据管理用于测试文件数据记录 警报 安全机制和机器视觉报告的生成和连接 SQL ODBC MicrosoftExcel AdvancedSignalProcessingToolkitNISoundandVibrationToolkitDatabaseConnectivityToolkitAdaptiveFilterToolkitDigitalFilterDesignToolkitSystemIdentificationToolkitMathInterfaceToolkitSimulationInterfaceToolkitReportGenerationToolkitNILabVIEWInternetToolkit 3虚拟仪器系统的设计过程 测试需求分析 分析被测参数的形式 电量还是非电量 数字量还是模拟量 范围 幅度 频率 和数量 通道数 激励信号的形式和范围要求性能指标 测量精度 速度 要求功能 用户接口界面 数据分析与处理 存储与显示 外部通信接口等 要求 系统总体方案设计 根据测试任务要求 确定测试方法系统组成结构设计 系统硬件设计 自制或购买硬件系统集成 系统软件设计 选择软件开发环境底层驱动设计上层应用软件设计 用户界面设计 测量数据分析与处理 算法设计 测量结果表达 软硬件集成与调试 功能测试指标测试系统优化 1 5虚拟仪器技术应用 从军用到民用 虚拟仪器无处不在 85 的世界500强制造型企业已经选择了虚拟仪器技术 NI提供的1000多款软硬件产品应用遍布电子 机械 通信 生物医药 科研 教育等各个行业领域 虚拟仪器的应用领域 1 消费电子微软公司使用LabVIEW和PXI模块化仪器开发了Xbox和Xbox360手柄的多功能验证提升了100 2 结构监测为了对东海大桥进行实时可靠的健康监测 上海巨一公司使用NI的PXI平台和动态采集 DSA 设备实现了全桥14个工作站的上千个通道的需求 并通过GPS时间信号和PXI背板实现了精确的同步采集标准 3 RF与通信测试上海聚星仪器公司使用NILabVIEW和基于PXI的矢量信号分析仪开发了业界性价比最高的GPS多星接收机测试 基于软件的优势使得系统可以同时仿真多颗卫星的信号 使接收机的功能测试更为有效 4 声音与振动基于NILabVIEW图形化开发环境配合PXI模块化硬件平台 波音公司实现了一个数量高达600的麦克风阵列 该麦克风阵列可以同步地将飞机飞过区域时的噪音采集 回溯并对庞大的噪声数据进行处理 然后绘制不同噪声等级的示意图 准确地确定噪声来源 教材和参考资料 教材 詹惠琴 古军 袁亮编 虚拟仪器设计 高等教育出版社杨高科 LabVIEW虚拟仪器项目开发与管理 机械工业出版社陈树学 刘萱等编著