智能仪器-虚拟仪器

第九章智能仪器的新发展林君lin_jun@吉林大学仪器科学与电气工程学院虚拟仪器技术主要内容从智能仪器到虚拟仪器虚拟仪器的定义虚拟仪器的分类虚拟仪器的特点虚拟仪器的应用国内外虚拟仪器发展现状虚拟仪器开发相关资源自主研发的虚拟仪器实验平台9.1.1从智能仪器到虚拟仪器电子仪器的发展历程模拟仪器数字仪器智能仪器个人仪器虚拟仪器20世纪70年代20世纪80年代20世纪50年代20世纪60年代诞生了第一代自动测试系统VXIChassisDAQBoardswithRTSIFullyProgrammableSystemGUIIEEE488RackandStackSystemAnalogInstrumentationVirtualInstrumentation智能仪器结构框图回顾智能仪器动态信号分析仪器典型智能仪器－

动态信号分析仪功能固定从智能仪器到虚拟仪器--信号发生器(1)台式仪器(2)虚拟仪器软面板从智能仪器到虚拟仪器--示波器(1)台式仪器(2)虚拟仪器软面板从智能仪器到虚拟仪器--数字多用表(1)台式仪器(2)虚拟仪器软面板虚拟仪器虚拟信号发生器虚拟数字存储示波器虚拟数字多用表软件和硬件虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。9.1.2什么是虚拟仪器技术？NI定义：1986年，美国NI公司（NationalInstruments）提出了“软件即仪器”的口号，将日益普及的计算机技术与仪器仪表技术完美地结合起来，使用户在操作计算机时，如同在操作自己定义的仪器，方便灵活，不仅减少了单个传统仪器的成本，更是提高了用户的工作效率，从而为现代仪器测控技术掀起了崭新的一页。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，引起了测控领域的一场革命。

（1）虚拟仪器面板（人机交互）软件化传统仪器中，操作人员通过操作仪器物理面板上安装的各种开关、旋钮等来实现诸如电源的通断、通道选择、量程切换、放大倍数等参数的设置，并通过面板上的LED、CRT等来显示仪器状态和测量结果。虚拟仪器通过基于计算机平台的软件操作界面替代物理面板，操作人员通过鼠标或键盘操纵软件界面中的控件实现对仪器的控制。传统仪器面板虚拟的仪器面板虚拟仪器一词中“虚拟”有以下两方面含义在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现，测量所需的各种激励信号可由软件产生波形数据，再通过D/A转换实现；系统硬件很难实现的一些强大数据处理功能，如FFT分析、小波分析、数字滤波、回归分析、统计分析等，可以由软件编程来实现。通过不同软件模块的组合，可以实现多种自动测试功能。仪器功能自定义基于相同硬件设备实现不同仪器功能。也就是所谓“软件即仪器”说法由来采集卡＋软件＝示波器／频谱分析仪／……（2）仪器功能的软件化这句话说明了软件就是仪器，但并没有说仪器就是软件。它只是突出软件在虚拟仪器中的地位，因为虚拟仪器的功能基于一定硬件平台之上的用户自定义的软件。基于相同的硬件平台，开发不同的软件，可以实现不同的仪器功能。从这一点上来说，软件在虚拟仪器中占核心主导地位。但是，不同的应用，有不同的信号获取方法、不同的指标要求，除了共性之外，还存在个性差异。因此，虚拟仪器不仅离不开硬件，而且硬件的地位十分突出，它是整个仪器系统成败的关键。只不过，虚拟仪器技术使得软件和硬件联系的更加紧密，浑然一体。“SoftwareisInstrument”的认识虚拟仪器的本质是一种创新的仪器设计思想，是计算机软件技术应用于仪器仪表领域的一次升华；“虚拟”不代表不存在，而是体现一种软件思想；虚拟仪器技术不同于计算机仿真技术和虚拟现实(VR)技术，它需要有硬件的支持。特别强调：虚拟仪器测试系统高效的软件平台测试总线平台模块化IO硬件示波器板卡信号发生器板卡动态信号分析卡……NI的LabVIEW和LabWindows/CVIAgilent的VEE……GPIBVXIPXI，PXIE……9.1.3虚拟仪器的组成测试总线仪器总线计算机总线GPIBVXIPXILXIISARS-232PCIUSB1394实现软硬件接口的平台－测试总线测试总线平台硬件模块示波器类数字万用表类信号发生器类直流电源类开关、数字I/O类功率表类频谱分析仪类射频信号发生器类模块化IO硬件软件平台通用可视化软件平台C++Builder虚拟仪器软件平台DelphiVisualBasicVisualC++VPPAgilentVEELabWindows/CVILabVIEWLabScene软件开发平台VI框图程序每一个前面板都有一个框图程序与之相对应，它用G语言编写，由节点(Node)、端口和数据连线(Wire)组成。节点：类似硬件中的芯片，执行某些功能的单元，它有四类：功能函数、结构、代码及文本接口节点(CIN)、子VI(SubVI)。端口：类似硬件中的管脚，是数据在前后面板、节点之间传递的通道。数据连线：它是数据端口之间的数据通道，在线中数据是单向树状流动。虚拟仪器体系结构虚拟仪器体系结构测控对象信号调理模块化仪器仪器驱动应用程序硬件层I/O层驱动层应用层虚拟仪器有多种分类方法，既可以按应用领域分，也可以按测量功能分，但最常用的还是按照构成虚拟仪器的接口总线不同，分为：★串口虚拟仪器★并口虚拟仪器★PCI虚拟仪器★USB虚拟仪器★IEEE1394接口虚拟仪器★……★GPIB虚拟仪器★VXI虚拟仪器★PXI虚拟仪器★LXI虚拟仪器9.1.4虚拟仪器的分类GPIB系列测试总线系列模块化仪器系列模块化仪器9.1.5虚拟仪器的特点1．软件是核心根据系统设计要求，在选定系统控制用计算机以及一些标准化的仪器硬件模块或板卡后，软件部分就成为构建和使用虚拟仪器的关键所在。其中，仪器驱动的功能是实现与仪器硬件的接口和通信，应用软件则完成用户定义的测试和仪器功能，并提供人机交互界面。2．灵活性和可扩展性虚拟仪器打破了传统仪器由厂商定义功能和控制面板、用户无法改变的模式。仪器用户可以根据自己不断变化的需求，方便灵活地重组测量系统，系统的扩展、升级可随时进行，而且系统更新的周期短、见效快，能充分地满足用户在不同场合的应用需求。3．性价比高虚拟仪器可以将在传统仪器中一些由硬件完成的功能转为软件实现，减少了自动测试系统的硬件环节，降低了系统的开发成本和维护成本；虚拟仪器能够同时对多个参数进行实时高效的测量，信号传输大部分采用数字信号的形式，数据处理也主要依赖软件来实现，大大降低了环境干扰和系统误差的影响；用户可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，实现一机多用。4．良好的人机界面虚拟仪器的操控界面是采用图形化编程技术实现的一种虚拟面板。虚拟面板可以模拟传统仪器面板的设计风格，也可以由用户根据需要定制。测量结果通过计算机以曲线、图表等形式显示。5．与其它设备互联的能力虚拟仪器通常具备标准化总线或通信接口，具有与其它设备互联的能力。例如，虚拟仪器可以通过Internet实现互联，或者通过现场总线完成设备监控和管理等。虚

拟

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统

仪

器关键是软件关键是硬件用户定义功能厂商定义功能软件的应用使得开发与维护费用降至最低开发与维护费用高开放、灵活，与计算机技术保持同步发展封闭、固定技术更新周期短（1-2年）技术更新周期长（5-10年）与网络及其它周边设备互联方便功能单一，互联能力有限价格低、可复用、可重配置性强价格昂贵虚拟仪器与传统仪器的比较工业自动化航空航天冶金地质教学科研虚拟仪器9.1.6虚拟仪器的应用钢丝探伤虚拟仪器系统检测钢丝的质量工程应用原油管道泄漏监测系统基于LabVIEW的中心计算机主界面系统的总体构成示意图工程应用数字化大坝监测系统利用NI公司提供的虚拟测试系统软硬件设备开发的大坝管理监测系统（大连理工大学）通过虚拟仪器平台监测大坝的应力变化以及三维变形来预测未来趋势，实现对大坝的评估。水利监测基于PXI总线的数字地震监测系统应用NI系统开发平台LabVIEW软件、PXI硬件设备、和相应检波器构建核电站数字地震监测系统。支持中国核电站的发展。(清华大学)监测界面地震监测低成本高效镇流器ATE平台基于工业计算机的测试系统实际应用流水线测试车间基于LabVIEW的测试软件界面电力应用PXI总线分布式远程测控系统远程监控航空机载附件的自动测试系统基于PXI总线航空综合测试系统PXI综合测试系统测试界面航空领域虚拟仪器技术在卫星测控中的应用基于PXI总线的虚拟测试系统基于虚拟仪器技术的自动测试平台卫星测控磁滞回线测试图特性测试界面纳米性材料动态特性测试系统使用NI的虚拟仪器技术和相关的软硬件平台实现纳米性材料动态特性测试使国内软磁材料的测量迅速得以改变材料领域利用NI公司的虚拟测试系统实现钢轨顶面短波不平顺在线自动检测系统，填补中国该技术领域空白。(清华大学)在线检测系统LabVIEW界面事后回放子系统前面板钢轨顶面短波不平顺检测系统铁路领域手机在线射频测试开发一套手机在线测试系统，可以完成手机电路板和整机的射频校准与收发质量(信令和非信令)测试。手机射频测试电信领域低成本产品在线测试与功能测试深圳振华微电子有限公司产品测试汽车速度传感器测试系统该系统主要应用于汽车速度传感器生产线，对生产过程中的产品进行检查，并判定产品的优劣.（北京中科泛华的案例）汽车检测晶体管直流特性测试面板晶体管直流特性实验仪仿真面板β-I之间的关系测试图基于NI公司虚拟测试系统实验教学平台教学领域(电子科技大学)基于NI提供的软硬件开发平台提升实验教学水平（清华大学）一阶RC电路测量结果二阶RLC电路测量结果电路动态过程状态图虚拟频率相位计虚拟频率相位计教学领域NIELVIS实验教学系统教学领域基于NI的ELVIS实验系统一句话:哪里有测试,哪里就会有虚拟仪器!9.1.7国内外虚拟仪器发展现状国外虚拟仪器产业已经发展的很成熟！卡式台式NI中国代理公司：中科泛华测控技术有限公司http://http://http://