机电一体化系统设计第三章-虚拟仪器与Labviewppt课件

.,虚拟仪器与Labview,.,主要内容,虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的基本结构虚拟仪器的特点虚拟仪器硬件虚拟仪器软件基于Labview的数据采集虚拟仪器的应用,.,虚拟仪器的基本概念,对于整天与PC（个人计算机）打交道的人来说，在紧张、繁忙的工作一段时间后，通常会选择听一段轻松的音乐或观看一部DVD大片，其目的就是来缓解一下因紧张工作带来的压力和烦躁。因为商业化PC完全具备了这样的能力，我们为何不借此享受一番呢！我相信，绝大多数经常与PC打过交道的人，都曾会有过这样类似的经历。仔细地想一想：能够获得这样悠闲地享受，我们所做的只不过是在PC的DVDROM中放入了一张CD或DVD光盘，PC就会为我们提供视觉和听觉上的享受。,.,虚拟仪器的基本概念,事实上，之所以能够得到这样的享受是我们利用了PC的某些硬件资源和媒体播放软件资源“虚拟”了一部CD或DVD播放机。还不只这些，如果在CDROM中放入不同的游戏光盘我们就可以玩电子游戏，这时PC又为我们“虚拟”了一部游戏机（效果可能不如Xbox或PS3，但也无需再次投资）。其实在PC机上可“虚拟”东西还很多，比如：“虚拟内存”、“虚拟光驱”等等。怎么又是“虚拟”的呀！是的，“虚拟播放机”、“虚拟游戏机”、“虚拟内存”、“虚拟光驱”与我们所讨论的“虚拟仪器”，从基本概念上看，“虚拟”的含义应该是一样的，只不过是实现的功能不同而已。通过这样简单描述，我相信：对于什么是“虚拟仪器”我们应该有了一个基本上的共识。,.,虚拟仪器的基本概念,LineIn,MicIn,WaveOut,.,虚拟仪器的基本概念,所谓“虚拟仪器”，就是在通用计算机上，利用通用接口总线连接硬件数据采集或控制模块，通过软件编程控制硬件模块进行控制或测量，并利用软件实现仪器的测量和分析功能。其实，“虚拟仪器”这个概念从字面上来简单理解就是：借助于计算机和数据采集模块通过软件设计，能够实现真实仪器的测量功能，但确不是一个实实在在的、有模有样的真实的测量仪器。这话看着似乎别扭，没错，但是这样的表述可能更清晰。当虚拟仪器出现后，为了区别于虚拟仪器，人们将过去所使用的仪器（示波器、万用表、信号源等）称为：传统仪器。,.,虚拟仪器的基本概念,.,虚拟仪器的基本概念,传统仪器厂商定义功能,虚拟仪器用户定义功能,.,虚拟仪器的基本概念,虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（NationalInstrument）在1986年提出的，但其雏形可以追溯到1981年由美国西北仪器系统公司推出的AppleII为基础的数字存储示波器。这种仪器和个人计算机的概念相适应，当时被称为个人仪器。（PersonalInstrument）。1986年，NI公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW，标志着虚拟仪器软件设计平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。,.,虚拟仪器的基本结构,.,虚拟仪器的基本结构,GPIB,Serial,DAQ,ProcessorUnitUnderTest,VXI,ImageAcquisition,MotionControl,PXI,ApplicationSoftware,Hardware&DriverSoftware,LabVIEW,虚拟仪器系统的基本构成,.,虚拟仪器的基本结构,虚拟仪器构成的三要素商业化的PC、工控机及操作系统（比如：上面所说的PC机与操作系统）应用软件（比如：上面所说的媒体播放软件）应用软件是指：能够操作、控制PC硬件，实现“虚拟仪器”功能的各种应用软件包。能够实现虚拟仪器功能的硬件（比如：上面所说的声卡）能够实现虚拟仪器功能的硬件是指：一些可实现仪器功能的特殊硬件模块（包括驱动软件在内）。,.,虚拟仪器的基本结构,虚拟仪器的内部功能划分,.,虚拟仪器的特点,.,虚拟仪器的特点,性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。,.,虚拟仪器的特点,扩展性强NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。,.,虚拟仪器的特点,灵活性强在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。,.,虚拟仪器的特点,无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。,.,虚拟仪器硬件,虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。,.,虚拟仪器硬件,.,虚拟仪器硬件,基于USB总线的数据采集卡,Seed-2000PCI总线数据采集卡,.,虚拟仪器硬件,NI的DAQ及VXI产品,.,虚拟仪器硬件,PXI产品,.,虚拟仪器硬件,PXIModulesLinktoOtherStandards,MXI,GPIB,VXIorVME,PXISystem,Modules,Modules,CompactPCI,.,虚拟仪器软件,测试软件是虚拟仪器的核心。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试程序，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。,.,虚拟仪器软件,虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分：仪器面板控制软件数据分析处理软件仪器驱动软件通用I/O接口软件,.,虚拟仪器软件,用LabVIEW开发的虚拟仪器的软面板示例,.,虚拟仪器软件,虚拟数字示波器的软面板,.,虚拟仪器软件,软件平台LabVIEW美国的NI（NationalInstrument）公司开发。LabScene吉林大学智能仪器与测控技术研究所研制开发。其他：LabWindows，VEE等,.,虚拟仪器软件,仪器驱动仪器的驱动软件是专门控制某种仪器的软件。LabVIEW因为具有面板控制的概念，特别适合于创建仪器的驱动程序。软件的前面板部分可以模拟仪器的前面板操作。软件的框图部分可以传送前面板指定的命令参数到仪器以执行相应的操作。当建立了一个仪器的驱动程序后，就不必再记住仪器的控制命令，而只要从前面板输入简单数据即可。仅仅拥有控制单台仪器的软件，意义并不大。其真正意义在于可以把仪器驱动程序作为子程序调用，与其他子程序一道组成一个大控制程序，从而控制整个系统。,.,虚拟仪器软件,虚拟仪器系统的设计方案,第三步虚拟仪器系统的组建方案,第一步虚拟仪器系统的构成,第二步虚拟仪器系统软面板的设计标准,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,LabVIEW是实验室虚拟仪器平台（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）的简称,是NI公司的创新产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）构成的新概念。一个VI可以由更底层的多个VI组成。底层VI代表了最基本的计算、I/O操作与界面设计功能，各层VI有相同的结构形式，每个VI都有用户接口组件。虚拟仪器模型、图形界面和结构化数据流程图编程是LabVIEW的三大核心技术。,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,LabVIEW虚拟仪器的开发环境,.,基于Labview的数据采集,数据采集（DataAcQuisition，DAQ）是指从传感器和其它待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。一个完整的DAQ系统包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等。,.,基于Labview的数据采集,典型的基于PC的数据采集(DAQ)系统,.,数据采集系统的构成,传感器和变换器传感器感应物理信息并生成可测量的电信号。例如热电偶、电阻式测温计（RTD）、热敏电阻器和IC传感器可以把温度转变为ADC可测量的模拟信号。,.,数据采集系统的构成,信号调理从传感器得到的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的等等，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励、冷端补偿等,.,数据采集系统的构成,数据采集设备信号调理后的信号即可与数据采集设备连接了。通常情况下数据采集设备是一个数据采集卡，与计算机的连接可以采用多种方式。NI的数据采集设备支持的总线类型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Ethernet以及火线等各种总线。数据采集卡的功能包括模拟输入、模拟输出、数字I/O、触发采集和定时I/O。,.,数据采集系统的构成,PC与软件软件使PC与数据采集硬件形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统。软件分为驱动程序和上层应用程序。驱动程序可以直接对数据采集硬件的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中断、DMA和内存这样的计算机资源结合在一起。驱动程序隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供容易理解的接口。一般来说，硬件厂商在卖出硬件的同时也会提供驱动程序。上层应用程序用来完成数据的分析，存储和显示等。LabVIEW就是一个极佳的开发上层应用程序的开发平台。,.,虚拟仪器的应用,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,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，效率提升了100%,.,虚拟仪器的应用,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,.,虚拟仪器的应用,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。,.,虚拟仪器的应用,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。,.,虚拟仪器的应用,汽车BMW研发人员和德国MicroNova公司的工程师合作，选用了基于虚拟仪器技术的NIPXI平台。针对不同的信号类型和接口功能，使用图形化LabVIEW软件对板载FPGA的NI板卡作开发，并应用于BMW氢能7系发动机控制器的硬件测试。因为PXI平台的可扩展性和通用性，该平台已成功用于BMW其它不同系列发动机控制器的硬件在环测试。,.,虚拟仪器的应用,军事Mantech公司选用PXI作为用于美国空军F-15