虚拟仪器技术概述

1、虚拟仪器技术Technique of Virtual Instruments1课程内容虚拟仪器的概念（2学时） 虚拟仪器编程语言LabVIEW （8学时） 虚拟仪器的数据采集 （6学时） 基于虚拟仪器的信号分析与处理（6学时）基于LabVIEW的虚拟仪器设计实例（2学时） 虚拟仪器发展路线及研究方向2成绩评定（840）平时成绩（出勤、课题表现、作业） 20%实验30%随堂测验50%3成绩评定（8407301）平时成绩（出勤、课题表现、作业） 10%实验10%期末考试80%4第一讲虚拟仪器概述5主要内容虚拟仪器的概念虚拟仪器的发展阶段虚拟仪器的组成（*）虚拟仪器的特点（*）虚拟仪器的设计与实现步

2、骤（*）虚拟仪器发展路线及研究方向国内虚拟仪器研究现状6虚拟仪器的概念仪器概念的转变传统仪器厂商定义功能虚拟仪器用户定义功能7虚拟仪器的概念虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和/或硬件，使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用电子仪器，可以方便灵活地完成对被测试量的采集、分析、判断、显示及数据存储等。8虚拟仪器的概念在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有 “软件就是仪器” 的说法。 9虚拟仪器的概念虚拟仪器的“虚拟”含义：虚拟仪器的面板是虚拟的器

3、件（传统仪器面板的开关、按钮、显示器）。虚拟仪器的测控功能由软件编程实现10虚拟仪器的发展阶段第一阶段：基于计算机技术来提升传统仪器功能阶段（PC机+数据采集卡+开发软件）第二阶段：内在标准统一阶段（硬件标准化、软件标准化）第三阶段：虚拟仪器软件封装及组合阶段 11传统仪器虚拟仪器功能由仪表厂家定义功能由用户自定义功能确定，与其他设备的连接受到限制面向应用，可以方便地连接其他设备关键为硬件关键为软件价格昂贵价格便宜，可再利用封闭、功能固定、单一，不能更改以计算机为支撑，开放性好，功能灵活技术更新慢技术更新快开发和维护费用高硬件结构大大减少12虚拟仪器的组成硬件平台计算机：PC机、工作站；I/O

4、接口设备：PC-DAQ、GPIB仪器、串口仪器、VXI模块、PXI模块。软件平台专用工具：LabVIEW、VEE。13虚拟仪器的设计与实现步骤14虚拟仪器的设计与实现步骤15虚拟仪器的设计与实现步骤PCDAQ系统：是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用PCI或ISA计算机本身的总线。GPIB/VXI/PXI/串口系统：以GPIB/VXI /PXI/Serial 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。16工业标准结构总线(Industrial Standard Architecture - ISA)，1984年，实际上属于PC总线。8

5、/16位的非同步数据总线，工作频率8MHz，数据传输率为1Mbps(8位)或2Mbps(16位)。虽未被标准化组织正式定为标准，但在测试领域内以PC为基础的数据采集应用中长期占据着主导地位。ISA总线虽然扩展了对微处理器的支持能力，但仍存在许多不足之处，如I/O扩展能力差，边缘式印制插头(座)接触不良，耐振动、冲击能力差，对温湿度比较敏感而不适应工业现场工作等，在速度上已成为系统的瓶颈，已逐渐被PCI、CompactPCI总线所取代。 ISA总线17VXI (VMEbus eXtension for Instrumentation)总线是VME计算机总线在仪器领域中的扩展，由HP等公司于198

6、7年提出，1992年成为IEEE1155标准。在该系统中围绕机械、电气、控制方式、通信协议、电磁兼容、软面板、驱动程序、I/O控制乃至机箱、印制电路板的VXI总线产品相互兼容。VXI系统综合了计算机技术、GPIB技术、PC仪器技术、接口技术、VME总线和模块化结构技术的成果，VXI 2.0版本提供了64位扩展能力，数据传输率最高可达80Mbps。VXI系统最多可包含256个器件(装置)，可组成一个或多个子系统，每个子系统最多可包含13个插入式模块，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。VXI总线支持即插即用、人机界面良好、资源利用率高、容易实现系统集成，大大地缩短了研制

7、周期，且便于升级和扩展。不足的是VXI系统的成本相对较高。VXI总线18基于GPIB通信的VXI检测模块VXI嵌入式CPU检测模块19PCI、CompactPCI及PXI总线PCI (Peripheral Component Interconnect ，外围设备互连总线) 规定了微型机上的处理器 /存储器与外围控制部件、外围卡之间的互连机构的协议、电气、机械以及配置空间规范，是地址、数据多路复用的高性能32 位或64 位同步总线。Intel公司1993年提出，很快成为PC行业新的标准。最高工作频率33MHz，数据传输率为132Mbps(32位)和264Mbps(64位)，很好地解决了ISA总线

8、的瓶颈问题。真正的即插即用(PnP)功能，大大提高了系统的数据采集率。 20PCI、CompactPCI及PXI总线CompactPCI总线，1994年提出，是PCI总线的12种规范之一，也是PCI总线的增强和扩展，在电气上完全与PCI兼容，具有抗振颤和利于散热等，更适合于工业测控的应用。其数据宽度同PCI，最高传输速率可达528Mbps。PXI (PCI eXtensions for Instrumentation)总线，1997年，美国国家仪器公司(NI)发布的一种高性能低价位的开放性、模块化仪器总线。PXI在机械结构方面与CompactPCI总线的要求基本相同，对机箱和印制电路板的温度、

9、湿度、振动、冲击、电磁兼容性和通风散热的要求与VXI总线的要求相似。21PCI、CompactPCI及PXI总线在电气方面，PXI总线完全与CompactPCI总线兼容。PXI总线增加了系统参考时钟、触发器总线、星型触发器和局部总线等内容。PXI系统具有8个插槽(1个系统槽和7个仪器模块槽)，利用PCI-PCI桥技术扩展多台PXI系统，可以使扩展槽的数量在理论上最多能达到256个。PXI将Windows NT和Windows 95定义为其标准软件框架，并要求所有的仪器模块都必须带有按VISA规范编写的WIN32设备驱动程序，使PXI成为一种系统级规范，保证系统的易于集成与使用，从而进一步降低用

10、户的开发费用，在数据采集、工业自动化系统和图像处理等方面获得了广泛应用。22主板上的PCI 插槽23虚拟仪器的设计与实现步骤确定硬件软件编程I/O接口仪器驱动程序虚拟仪器的功能设计实现虚拟面板功能的软件程序设计24虚拟仪器技术发展路线总线技术PC机插卡RS232USBIEEE1394串行总线方式，构造普及型廉价测试设备；GPIB(IEEE488,1M)VXI(IEEE1155,40M)PXI(500M)总线方式，构造大型、高速、高精度集成测试系统。25RS-232CRS-232C(Recommended Standard)串行接口是计算机与外设之间以及计算机与测试系统之间最简单、最普遍的连接方

11、法。采用23线连接器，最高的单向数据传输率为20kbps，此时的最大传输距离为15米。适当降低速率，其最大传输距离可达60米。但它只是一对一的传输，仅用于简单或低速的系统，在实际应用中还有一定的市场。 RJ-45 connectors26通用串行总线USBUSB(Universal Serial Bus)是由美国多家公司在1995年提出的一种高性能串行总线规范。具有传输速率高、即插即用、热切换(带电插拔)和可利用总线传送电源等特点，能连接127个装置。其电缆只有一对信号线和一对电源线，最高传输速度为480Mbps，轻巧便宜，适用于传递文件数据和音响信号，新的PC机都已配上USB总线接口。27I

12、EEE 1394串行总线IEEE1394串行总线(又叫火线-FireWire)是由苹果公司于80年代提出的，1995年被IEEE接受，当时最高传输速率400Mbitps，传输距离72米，以后还要按800M、1.6G及3.2 Gbitps分段提高。两对信号线和一对电缆线，在无HUB时可用任何方式连接63个装置。而且支持即插即用、带电插拔。应用前景非常广阔的串行总线，和USB总线工作于不同的频率范围，可相互配合使用，适用于动画等视频信号的传输，可用于连接计算机的高速外部设备，也可用于连接数字电视、DVD等消费类电子设备以及作为测试仪器的数据传输总线。在测控系统中，它可作为机箱底板总线的备份总线，以

13、及用作计算机与高速数据采集系统互连总线。281394接口29GPIB(General Purpose Interface Bus)又称IEEE 488标准， IEC 652标准，是HP公司在70年代推出的台式仪器接口总线，因此也称HPIB(HP Interface Bus)。在微机中插入一块GPIB接口卡，通过24或25线电缆连接到仪器端的GPIB接口。当微机的总线变化时，例如采用ISA或PCI等不同总线，接口卡也随之变更，从而使GPIB系统能适应微机总线的快速变化。GPIB系统在PC出现的初期问世，其数据线只有8根，传输速率最高1Mbps，传输距离20米(加驱动器可达500米)。仍是仪器、仪

14、表及测控系统与计算机互连的主流并行总线。因为装有GPIB接口的台式仪器的品种和数量都明显超过VXI仪器，目前应用的VXI系统、PXI系统中与GPIB混合应用的比例很大。30ISA-GPIB接口卡GPIB线缆 PCI-GPIB通信接口卡 31虚拟仪器发展路线软件技术National Instrument：LabVIEW和Labwindows/CVI；HP公司：HP-VEE、HP-TIG；Tektronix：Ez-Test、Tek-TNSHEM Data：Snap-Master32虚拟仪器技术研究方向网络VIVI的标准化IVI基金会硬件的软件化CPLD、FPGA33虚拟仪器国内研究现状吉林大学吉林

15、大学图形化虚拟仪器开发平台研究项目日前通过省级鉴定，专家认为此项目在国内处领先地位，部分技术达到国际先进水平。 此前，虚拟仪器开发平台技术主要被美国垄断。我国引进一套开发软件需要5000美元，引进一套虚拟仪器硬件设备需10万元人民币。而吉大开发的产品价格低，兼容性好，建设同样的虚拟仪器研究实验室能够节约近2/3的资金。34虚拟仪器国内研究现状重庆大学秦树人教授主持研发的“一体化虚拟仪器”是一种不同于欧美虚拟仪器的新技术，将支撑平台由通用的计算机改为嵌入式CPU系统，与通用虚拟仪器系统相比，一体化虚拟仪器可以实现系统的整体校正，达到很可靠的高精度，具有更强的防止电磁干扰能力。 35重庆大学研究成

16、果虚拟仪器国内研究现状机型动态测试仪器齿轮传动链动态精度测量仪器36现代测控系统实例电子枪扭曲与弯曲度智能测量仪37第二讲LabVIEW概述38主要内容LabVIEW简介LabVIEW程序的基本构成LabVIEW的模板LabVIEW文档和帮助创建一个VI子VI数据流编程简单数据类型及操作39LabVIEW简介LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司(National Instrument Company)推出的一种基于G语言(Graphics Language，图形化编程语言

17、) 的虚拟仪器软件开发工具。40LabVIEW简介LabVIEW的特点图形化的编程方式LabVIEW设计的虚拟仪器可脱离LabVIEW开发环境32位的编译器强大的Internet功能41LabVIEW程序的基本构成前面板：功能等效于传统测试仪器的面板。框图：功能等效于传统测试仪器功能部件。前面板工具栏：Run、Run Continuously、Abort Execution框图工具栏：Highlight Execution、Step single step例子：创建一个空白的VI42简单实例NewVI from TemplateGenerate and Display前面板：波形指示器、按钮

18、工具栏使用（右键Visible Items Label）后面板：Simulate Signal (Express VI及特点)（加亮执行）自己创建一个空白VI（波形显示、循环、延时）43前面板图形用户界面内容：数值显示框、滑动杆、滚动条、旋钮 对象的常用属性 ：标签：前面板和程序框图对象的标识标题：用于进一步描述对象 44框图定义VI功能的G代码程序框图：是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。节点：类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。 LabVIEW有二种节点类型-函数节点和子VI节点。端点：是只有一路输入/输出，且方向固定的节点。LabVIEW有三类端点-前面板对象端点、全局与局部

19、变量端点和常量端点。 45框图图框：是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示，如循环控制、条件分支控制和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方式。 连线: 是端口间的数据通道，数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动。 46LabVIEW的模板工具模板(Tools): 提供各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。控件模板(Controls):用来给前面板添加各种输出显示对象和输入控制对象的。函数模板(Functions):提供VI的框图，所需的各种“功能函数”(包括各种数学运算函数、信号分析函数、仪器驱动函数等等) 。47LabVIEW的模板工具模板 自动工具选择

20、：可根据鼠标指针下对象的类型和位置的不同而自动选择合适的工具48LabVIEW的模板控件模板49LabVIEW的模板函数模板50LabVIEW的文档和帮助上下文帮助（Context Help）：鼠标移到某些对象上， Context Help窗口就会给出基本的帮助信息。LabVIEW帮助51创建一个VINewBlank VI前面板添加2个Numeric Control，1个Numeric Indicator框图添加加法及除法函数，实现Result=(A+B)/2除法函数右键，Create constant，输入252创建子VI定义：可以被其它VI调用的VI。编辑子VI图标：前面板或框图窗口的右上

21、角图标右键Edit Icon定义子VI连接器：定义了子VI和主调程序之间的参数形式和接口。实现方法：前面板图标Show Connector Pattern，选择不同的模式；实现前面板控件与连接器的端子关联关系（选中端子，再选择控件）。53调用子VI创建子VI（Average）实例：图标(a+b)/2，建立连接器调用子VI：框图模板，FunctionsAll Functions Select a VI（给出调用实例）54数据流编程任何一个函数、子VI或者其它程序节点必须获得所有输入数据之后才能运行，这些函数，子VI或者其它程序节点必须完全运行完毕之后，才能在输出端子上输出数据。实例：Average.vi（加亮）55简单数据类型数值型：浮点数、整数和复数操作：数值类型控件、指示器Representation单精度浮点数32位单精度浮点复数64位双精度浮点数64位双精度浮点复数128位扩展精度浮点数128位扩展精度浮点复数256位带符号字节整数8位无符号字节整数8位带符号字整数16位无符号字整数16位带符号长整数32位无符号长整数32位56简单数据类型数值型数值型 数据类型的LabVIEW对象有两种，一种是前面板的数值控制器和指示器；另一种是框图上的数值常量。说明：不同的显示控制对于框图的编程没有区别。例子：Num Indi