第1章 虚拟仪器概论

虚拟仪器技术TechniqueofVirtualInstruments,授课教师：史颖刚Email:syg9696Tel公室：9214西北农林科技大学电子系,2020/5/26,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,2020/5/26,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%。,2020/5/26,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。,2020/5/26,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,2020/5/26,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,LANs,Internet,总线,AT,2020/5/26,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。,2020/5/26,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。,2020/5/26,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,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,10,VirtualInstrumentation-ComputerBasedInstruments,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,11,虚拟仪器应用领域,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,12,应用举例,运动控制,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,13,应用举例,无损检测,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,14,虚拟仪器举例虚拟电压表,2020/5/26,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,2020/5/26,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”。,常见的虚拟仪器方案,2020/5/26,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。,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,18,常用虚拟仪器板卡,PXI,2020/5/26,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)。,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,20,常见的虚拟仪器软件平台,LabView,AgilentVEE,DASYLab,DirectView,ProcessControl,2020/5/26,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,2020/5/26,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,2020/5/26,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,2020/5/26,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。,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,25,VXI机箱和模块VXI:VME总线在仪器领域的扩展,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,26,PXI机箱和模块PXI:PCI总线在仪器领域的扩展,2020/5/26,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。,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,28,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,29,LXILANeXtensionsforInstrumentation,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,30,虚拟仪器的结构,2020/5/26,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,2020/5/26,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,2020/5/26,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,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,34,LabVIEW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。,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,35,LabVIEW应用程序（虚拟仪器VI）的构成：前面板框图图标/连接器,2020/5/26,西北农林科技大学电子系,36,前面板（frontpanel