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徐科
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,9.3 虚拟仪器,9.3.1 概述9.3.2 系统构成9.3.3 软件结构9.3.4 软件开发平台,9.3.1 概述,仪器仪表技术的发展两条主线：模拟仪表、数字化仪表 智能仪表单台仪器、叠架式仪器系统虚拟仪器,传统仪器,一个独立的装置，有一机箱，有操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。一般由以下三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理结果的表达与输出。功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在。这种框架式的结构，决定了传统的仪表只能由仪器厂家来定义、制造，用户无法改变的现实。,虚拟仪器的出现,计算机技术和仪器技术结合： 充分利用计算机丰富的软硬件资源，可以较大突破传统仪器在数据处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。还可以把仪器的三大功能全部放在计算机上实现。在计算机中插入数据采集卡，然后，用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号处理分析，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。,虚拟仪器 “软件就是仪器”,具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。组成：计算机、模块化功能硬件和控制软件。操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器的运行，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪表的关键。操作者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增减仪器系统的功能与规模。,9.3 虚拟仪器,9.3.1 概述9.3.2 系统构成9.3.3 软件结构9.3.4 软件开发平台,9.3.2 系统构成,9.3.2 系统构成,1. 数据采集系统的构成方法 2. GPIB仪器控制系统构成方法 3. VXI仪器控制系统构成方法,1.数据采集系统的构成方法,一个典型的数据采集系统由四部分组成。,2.GPIB仪器控制系统构成方法,GPIB技术是虚拟仪器发展的第一阶段。GPIB把可编程仪器与计算机紧密地联系起来，从此电子测量由独立的、手工操作的单台仪器向组成大规模自动测试系统的方向迈进。典型的GPIB测量系统构成：一台PC机、一块GPIB接口板卡和若干台GPIB仪器通过标准的GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口板可带多达14台仪器，电缆长度可达20米。,GPIB技术,可以用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试的误差。可以预先编制好测试程序，实现自动测试，提高了可靠性和效率。可以方便地将多台仪器组合起来，形成较大的自动测试系统，高效、灵活地完成各种不同规模的测试任务。可以很方便地扩展传统仪器的功能。因为仪器同计算机连在一起，仪器测量的结果送到计算机里，在计算机这边增加不同的分析处理算法，就相当于增加了仪器的功能。,3. VXI仪器控制系统构成方法,VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在仪器领域的扩展(VME Extension for Instrumentation)。优点：标准开放、结构紧凑、具有数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持，得到广泛的应用。应用：在组建大、中规模自动测试系统，以及对速度、精度要求较高的场合，有着其它系统无法比拟的优点。,VXI仪器系统不同的配置方法,(1) GPIB控制方案(2) 嵌入式计算机控制方案 (3) MXI总线控制方案,(1)GPIB控制方案,组件：插于通用计算机的GPIB接口板，位于VXI零槽的GPIBVXI/C模块，连接两者的GPIB电缆，一个VXI机箱以及若干个VXI仪器模块。GPIB控制方案的数据传输速率约为1Mbytes/s。如果使用HS488协议可使GPIB的数据传输速率提高到1.6Mbytes/s。其中，零槽模块起GPIB和VXI总线翻译器的作用。优点：可以利用熟悉的GPIB技术如同控制一台GPIB仪器一样来控制VXI仪器系统，且系统造价低。缺点：由于GPIB总线的数据传输速率远远低于VXI总线，形成整个系统的数据交换的瓶颈。,(2)嵌入式计算机控制方案,组件：一个VXI机箱，插于VXI零槽的嵌入式计算机模块，若干VXI仪器模块以及VXI软件开发平台。一个嵌入式计算机模块除具有VXI系统控制功能外，还具有一台通用PC机的全部功能。优点：所有的模块均插在VXI机箱的背板总线上，能实现高速的数据传送(40Mbytes/s左右)，且体积最紧凑，是实现VXI自动测试系统的最佳配置方案。缺点：配置方案的造价及升级费用均较高。,(3)MXI总线控制方案,组件：一个VXI机箱，插于通用计算机的VXI接口板，位于VXI零槽的VXIMXI模块，连接两者的MXI电缆，若干VXI仪器模块以及VXI软件开发平台。MXI是由美国国家仪器公司(National Instruments，简称NI)提出的一种多系统扩展接口总线，相当于把VXI机箱的背板总线拉到外部计算机上来，同时可实现多个VXI机箱间的32位数据交换。它可以直接把VXI内存空间映射到外部计算机上，因此在提高数据传输速率方面有很多的优势。PCI8000系列，总线传输速率可达23Mbytes/s，峰值传输速率可达33Mbytes/s。性能指标已接近嵌入式计算机。,MXI总线控制方案特点：,优点：综合了第一种方案使用外部计算机灵活方便、易于升级以及第二种方案高性能的优点，且造价适中。同时还可以在外部计算机上加插GPIB接口卡、数据采集卡，实现更大规模的系统集成。缺点：与内嵌式方案相比，体积偏大，数据传输速率偏低。,三种VXI控制方案比较,GPIB控制方案：适用于对总线控制的实时性要求不高，并需在系统中集成较多GPIB仪器的场合；嵌入控制方案：由于在系统的体积、控制速率和电磁兼容方面具有优势，因而在性能要求较高和投资较大的场合，如航天、军用等应用领域倍受青睐；MXI控制方式：具有较高的性能价格比，便于系统扩展和升级，适用于在各种实验室中实现科研系统以及对体积要求不高的场合使用。,9.3 虚拟仪器,9.3.1 概述9.3.2 系统构成9.3.3 软件结构9.3.4 软件开发平台,9.3.3 软件结构,1. 与设备无关的软件结构 2. 测试管理 3. 测试程序(虚拟仪器功能模块)层 4. 仪器驱动层 5. I/O接口,1.与设备无关的软件结构,软件主要分为4层结构：测试管理层、测试程序层、仪器驱动层I/O接口层。过去要自己制作这4个软件层，开发相当艰苦。虚拟仪器标准的出现:使这些软件层的设计均以“与设备无关”为特征，极大地改善了开发环境。虚拟仪器的本质是面向对象，由不同开发人员采用不同开发工具编写的测试程序可用方便地集成在一个系统中。,与设备无关特征,I/O接口软件与仪器驱动程序实现了工业标准化，且由仪器制造厂随仪器配套提供。标准测试开发工具包含了大量不同类型、预先编好的程序库，用于数据分析、显示、报表等。测试管理软件具有强大、灵活的性能来满足用户广泛的需求。虚拟仪器软件工具的一个重要特征：用户可以使用单一的、前后一致的开发工具完成测试程序的所有部分，包括用户应用程序、测试程序和仪器驱动程序等。,虚拟仪器软件结构,2. 测试管理,测试管理层是一个带有易于操作界面、用于管理和执行某一测试任务、与设备无关的测试管理环境。它为测试系统与操作者交互、被测器件分析、顺序测试、分支、循环等提供一个专门的测试运行程序，并以密码保护模式对不同部门的操作者提供多层登录访问。高层测试管理软件还能为用户提供企业范围内的联系，将用户的测试程序与其余部分集成在一起，包括生成测试记录和测试报告、数据库访问以及对结果实施SPC分析等。,测试管理层,测试管理层是一个与设备无关的软件，因而采用开发式的设计结构就会提供更多的性能和灵活性。 开发式测试管理系统的各项操作与界面以源代码的方式提供给用户，用户可以很方便地制订自己的操作方案。拥有这种灵活性，用户就可以自行设计开发基于标准化内核，而且能够满足不同要求的测试管理软件层，有效地缩短了设计周期和节约了开支、维护费用。,3.测试程序(虚拟仪器功能模块)层,针对某一产品而开发的功能测试模块是一个有其特殊性的独特的软件组件，但其大多数的基本元素，如数据采集与仪器控制、数据分析、结果表达等功能对所有的测试系统来说又都是通用的。正因为如此，目前国外出现了带有大量通用、与设备无关的功能模块库的集成化编程环境。虚拟仪器软件开发平台，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等均具有此项特性。在这些软件中，几乎所有用于测量、控制和通讯模块的程序代码均已编写完成，供用户即调即用。用户只需在开发平台上以图形方式调出相应的仪器功能模块和数据处理模块，进行连接组合，就可构成一个具体的仪器，节省用户大量的开发时间。,4. 仪器驱动层,对仪器硬件进行通讯和控制的软件层。过去，由用户编写，对每个仪器硬件编制特殊的驱动代码，是测试系统的开发周期变得很长。今天，仪器驱动程序都是按模块化、与设备无关的方式向用户释放，供用户迅速将仪器链入自己的测试系统。由于仪器驱动程序是以源代码的方式提供给用户，用户可以很容易地优化和增强这些驱动程序，使之满足它们的特殊要求。标准化的驱动程序还可以在不同的系统和配置中重复使用，节省了大量的开发费用。,5. I/O接口,测试系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件间连接的底层通讯协议。优秀的虚拟仪器软件都建立在一个标准化I/O接口软件组件的通用内核上，为用户提供一个一致的、跨计算机平台的应用编程接口(API)，使用户的测试系统能够自由灵活地选择不同的计算机平台和仪器硬件。,9.3 虚拟仪器,9.3.1 概述9.3.2 系统构成9.3.3 软件结构9.3.4 软件开发平台,9.3.4 软件开发平台,软件是虚拟仪器系统的关键。 采用面向对象的编程技术可以提高软件编程效率 可视编程语言环境Visual C, Visual BASIC NI公司推出LabVIEW 和LabWindows/CVI , HP公司推出了VEE， Tektronix公司推出了TekTMS,LabVIEW软件开发平台,LabVIEW是一种基于G语言的图形化开发语言，是一种面向仪器的图形化编程环境，用来进行数据采集和控制、数据分析和数据表达、测试和测量、实验室自动化以及过程监控。目的：简化程序的开发工作，以使用户能快速、简便地完成自己的工作。使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为VI。VI：程序前面板、框图程序和图标/连接器。,程序前面板,用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制，输出量被称为显示。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。,信号发生器前面板,频谱分析仪前面板,温度计前面板,框图程序,每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。构成：端口、节点、图框和连线。端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。,温度计显示框图程序,图标/连接器,图标/连接器是子VI
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