虚拟仪器的技术背景与基本概念

声明本课件供《虚拟仪器技术》、《自动测试技术》等相关课程教师授课使用与参考.教师可根据课程需要和实际情况在此课件基础上增删内容本课件版权属NI(中国)公司所有，供中国大陆地区高校教师无偿使用或在课程中引用，但使用或引用之前请联系NI(中国)公司高校市场部获得免费使用授权(联系方式zheng.xu@)本课件不得用于公开出版或其他商业用途.如需在公开出版物中引用其中部分内容,请与NI(中国)公司高校市场部联系获得授权虚拟仪器技术基础课程背景虚拟仪器技术最早于上世纪90年代由美国国家仪器（NationalInstruments）公司提出概念主要思想是利用模块化硬件，结合软件完成各种测试、测量和自动化应用使测控领域充分利用计算机技术发展,带来仪器技术的革新应用领域随着计算机、软件、以及电子技术的快速发展，虚拟仪器技术的应用早已突破最初的仪器控制和数据采集的范畴不仅可用于构建大型的自动化测试系统，还常常用于控制系统、嵌入式设计等应用包括电子电气、射频与通信、装备自动化、汽车、国防、航空航天、能源电力、生物医电、土木工程、环境工程等等虚拟仪器技术的内涵与外延各种硬件模块图形化编程环境或基于文本语言的开发环境自动化测试自动控制课程学习内容与目标虚拟仪器技术的基本概念、工作原理、关键技术和实际应用，全面了解测控技术领域前沿的技术发展与应用通过LabVIEW软件编程练习和结合硬件的数据采集实验，掌握图形化编程方式(G语言)与虚拟仪器平台的基本操作，培养实际动手能力通过分组课程设计

(Project)

建立起系统设计的概念，同时培养创新能力、独立思考与解决实际问题的能力课时安排周时课程内容方式1-2周虚拟仪器技术背景与基本概念课堂讲授3-8周LabVIEW程序设计与数据采集基本概念课堂讲授LabVIEW编程与数据采集练习实验室/课后作业9-16周虚拟仪器技术的应用与最新发展课堂讲授课程设计分组自主完成作业、实验、课程设计使用软件LabVIEW学生版(选课学生免费发放)需提交有清楚注释的LabVIEW源程序文件(.vi文件)使用硬件实验室基于NIELVIS多功能实验平台课后练习及课程设计基于NImyDAQ数据采集平台考核方式LabVIEW程序设计作业(30%)硬件数据采集实验(30%)课程设计(40%)参考资源参考书虚拟仪器设计基础教程LabVIEW2009中文版虚拟仪器从入门到精通网络参考资源GSD(LabVIEW图形化设计中文门户网站)(NI公司官方网站)第一讲

虚拟仪器的技术背景与基本概念背景:伴随摩尔定律的技术飞速发展晶体管数量每18个月提高1倍≈处理器性能每18个月提高1倍性能提升体积减小成本降低仪器技术与系统的发展趋势伴随着半导体技术、处理器技术、计算机总线技术、网络技术、软件技术等快速发展，仪器与测控系统出现了如下的一些发展趋势:

数字化

自动化

综合化

模块化

标准化

虚拟化

智能化

网络化1.数字化模拟量转换成数字量并进行处理，具有精确度高、稳定度高，速度快，便于数字处理计算和远传等特点ADCDAC处理器接口存储器数字化摩尔效应驱动ADC的革新数字化半导体的摩尔效应ADC类型：积分型ADC压频变换型ADCΣ-ΔADC逐次逼近型ADCADC向高速、低功耗、高分辨率等方向演进……数据采集硬件价格的降低16-BitADC价格12-BitADC价格NI数据采集硬件价格(折算成单通道价格)NIM系列数据采集卡GraphSource:NationalInstruments&aLeadingADCSupplierNIE系列数据采集卡以NI公司的数据采集板卡为例，性价比随时间不断提高数字化2.自动化程序控制代替手动操作，提高效率，减轻操作者劳动强度.自动化程度愈高，速度愈快自动化3.综合化利用一台多功能仪器代替多台单功能仪器系统，提高灵活性和可靠性，并降低成本，减小体积例如:相同的通用射频硬件结合不同软件程序实现多种无线协议测试以及射频参数测试等功能综合化WLANGSM/EDGEGPSWCDMAWiMAXZigBee4.模块化插卡或模块代替传统台式仪器，在系统应用时节省系统重复资源，减少体积和重量模块化促进模块化仪器发展的更多半导体技术内存芯片PCIe桥接芯片处理器FPGADSP电源管理模块化摩尔定律促使仪器体积的减小模块化16.8”7.0”21.9”5.1”4.0”8.5”总线的概念总线的概念目的:实现不同的仪器(分立仪器或模块化仪器)与计算机处理器之间的连接(传递控制命令与测量数据)接口控制器接口功能部分接口功能部分接口功能部分12n……总线模块化模块化仪器架构的出现软件共享的电源定时控制可编程的用户界面测量硬件开放总线PC处理器,OS模块化仪器系统模块2模块4模块3模块5模块6固件电源定时控制固定的用户界面测量子系统内部总线专用处理器,OS传统台式系统模块1便于保持已有投资同时便于利用最新半导体及PC技术模块化模块化仪器架构的出现软件共享的电源定时控制可编程的用户界面测量硬件开放总线PC处理器,OS模块化仪器系统模块2模块4模块3模块5模块6模块1运用最新的CPU及内存技术易于系统升级最新的总线技术通过模块化架构加载更高精度时钟借助最新的ADC,ASIC,DSP,定时芯片…更高效稳定的电源管理模块化便于保持已有投资同时便于利用最新半导体及PC技术5.标准化利用标准总线使仪器互联成系统或配备总线接口的仪器，相对独立仪器可减少系统集成时间，提高响应性和简便性.并行总线适合于本地/集中，串行总线适合远程/分布测试目前常见的仪器总线标准外部总线:多用于连接分立式仪器,包括Serial(如RS-232),GPIB,LAN/LXI,USB等内部总线:多用于连接模块化仪器,包括PCI/PCI

Express,CompactPCI,PXI/PXIExpress等标准化主流仪器总线技术的发展历程传统仪器出现基于PC技术的仪器

(ISA,PCI,CompactPCI…)VXIPXILXIGPIB19701980199020002010计算机技术的发展定时与同步标准化GPIB专为测试仪器设计的总线广泛的行业应用最大程度适用于仪器设备鲁棒性和可靠性30余年来的兼容性适用于:自动化现有的设备混合系统特别要求专用仪器的系统标准化488.2

最高带宽:1.8Mbytes/sHS488最高带宽:8Mbytes/s带宽分布:共享传输延迟典型值:几十μsSerial每次在串行线上传送1bit数据适用于数据率低、传输距离较长的场合大多数PC都有串口，不需要额外的接口板卡RS-232/422/485标准化USB在PC上的通用性低成本接口即插即用适用于便携式台式应用低成本系统标准化带宽:60Mbytes/s(USB2.0)带宽分布:所有端口共享传输延迟典型值:>100μsPCI/CompactPCI/PCIExpress最佳的带宽和延迟在PC上的通用性为系统带来较低的成本适用于:高性能系统数据量要求大的系统集成数种仪器标准化PCI带宽:132Mbytes/sPCI带宽分布:共享PCIExpress带宽(x8):2Gbytes/sPCIExpress带宽分布:每插槽专用传输延迟:<1μs,最好VME/VXI较早的军用/航空系统内部总线专用仪器设备适用于:维护现有的ATE系统构架标准化VXI最高带宽:40Mbytes/s带宽分布:共享传输延迟:<1μsPXI标准化PXI带宽:132Mbytes/sPXI带宽分布:共享传输延迟:<1μs,最好继承PCI技术的优势增加同步和触发总线针对尖端应用的可靠性和坚固性设计适用于:高性能系统数据量要求大的系统集成数种仪器PXIExpressPXIExpress带宽(x8):2Gbytes/sPXIExpress带宽分布:每插槽专用传输延迟:<1μs,最好将PCIe技术引入PXI进一步提高带宽扩展了同步和触发功能增加100MHz差分时钟和差分式触发软件与PCI/PXI完全兼容混合插槽设计兼容PXI设备LAN/LXI在PC上的通用性远程功能低成本接口LXI为独立的LAN仪器增加可选的触发功能需要为1588和有线的触发总线同步配备专用硬件适用于:分布式系统远程监控标准化100BASE-T最高带宽:12.5Mbytes/s(快速以太网)1000BASE-T最高带宽:125Mbytes/s(Gigabit以太网)带宽分布:网络间共享传输延迟典型值:>1ms6.虚拟化基于通用硬件平台，充分利用软件定义的仪器设备，例如用软件实现的软面板代替传统的仪器操作面板.提高硬资源重用性和结构灵活性，降低成本、功耗、故障率等虚拟化回顾:传统仪器系统FrostandSullivan2006WorldSyntheticInstrumentationTestEquipmentReport

固定的硬件配置由仪器厂商定义好的测量功能固定的用户界面部分仪器可连接PC,基于通信包的形式将结果传给PC虚拟化对比:新一代的仪器系统虚拟化FrostandSullivan2006WorldSyntheticInstrumentationTestEquipmentReport

用户可自定义测量功能自定义用户界面模块化硬件与基于PC的控制器连接(多通过高速内部总线)实时数据传输软件在新一代仪器系统中的重要作用对系统中的模块化仪器/分立仪器进行配置(通过驱动程序完成)对通过总线获取的原始数据进行信号处理等计算操作用户界面、数据存储等PC处理器软件模块化仪器/分立仪器信号总线原始数据用户自定义功能配置虚拟化“虚拟仪器”的概念1986年由NI公司提出，它是基于通用硬件平台，充分利用软件定义的仪器.软件通过平台实现仪器功能，用户可以通过友好的图形界面与仪器进行交互作用狭义的虚拟仪器概念主要是在测量与测试系统的范畴内,通过软件定义通用硬件的功能,从而实现不同的自定义功能广义的虚拟仪器概念可进一步扩展到自动控制等领域，只要是通过软件定义模块化硬件功能,从而满足自定义应用需求的系统,都可以看作虚拟仪器技术的应用虚拟化常用的虚拟仪器系统开发语言标准CC++,C#,VB.net等LabVIEW图形化编程语言(有时亦称G语言)

一般的模块化仪器或分立台式仪器通常会提供满足以上几种语言调用需求的驱动程序,或至少会提供LabVIEW及C语言下的驱动.这样,虚拟仪器系统的开发人员就可以选择自己习惯的编程语言开发自定义的系统虚拟化7.智能化利用单或多处理器实现学习、识别、推理等功能，以使设备充分模拟人的智力能力,特别适合故障诊断、识别等应用人工智能智能化8.网络化利用通信线路和设备将仪器连接成较大的复杂系统，共享资源，提高速率、灵活性,适合于远程分布测试、维修、校准、培训等应用网络化虚拟仪器技术充分体现了这些趋势虚拟仪器技术网络化数字化智能化模块化标准化综合化自动化虚拟化虚拟仪器技术在各工