虚拟仪器概述部分设计

虚拟仪器一、概述二、虚拟仪器技术新进展及其运用三、虚拟仪器实验环境引见(另)一、概述1.1、虚拟仪器的演化和开展历程1.1.1丈量仪器开展阶段框图：

从十九世纪初到二十世纪末，丈量仪器阅历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，开展到如今的虚拟仪器。1.1.2传统仪器构成特点传统仪器包括模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器这几个大的方面。第一代：模拟仪器，这类仪器是以电磁感应根本定律为根底的模拟指针试仪表。如指针式万用表、晶体管电压表等。第二代：数字式仪表，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的丈量转化为数字信号丈量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速呼应和较高准确度的丈量。第三代：智能仪器，这类仪器内置微处置器，既能进展自动测试又具有一定的数据处置才干，可取代部分脑力劳动，所以习惯上称为智能仪器。但是它的功能块全部都是以硬件〔或固化的软件〕方式存在的，无论是在开发还是运用中，都缺乏灵敏性。传统仪器构成特点一个独立的安装，有一机箱，有操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，能够还有打印输出。普通由以下三大功能块组成：信号的采集和控制信号的分析与处置结果的表达与输出功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的方式存在。这种框架式的构造，决议了传统的仪表只能由仪器厂家来定义、制造，用户无法改动的现实。1.1.3虚拟仪器(VirtualInstrument)的出现为处理以上各传统仪器出现的问题，总线式仪器与系统应运而生。这也确定了虚拟仪器、自动测试系统乃至整个测试领域的一个重要开展动向。普通以为，虚拟仪器是在PC根底上经过添加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。虚拟仪器的出现计算机技术和仪器技术结合：充分利用计算机丰富的软硬件资源，可以较大突破传统仪器在数据处置、表达、传送、存储等方面的限制，到达传统仪器无法比较的效果。还可以把仪器的三大功能全部放在计算机上实现。在计算机中插入数据采集卡，然后，用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进展信号处置分析，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。后面详细引见虚拟仪器的概念以及其特点。1.2、虚拟仪器的概念和特点1.2.1虚拟仪器的概念：

关于虚拟仪器国外专家普通有以下几种说法：〔1〕虚拟仪器是看起来并在觉得上与物理仪器一样的软件包；〔2〕虚拟仪器是由计算机、仪器硬件、固件和运用软件组成的丈量安装；〔3〕虚拟仪器通常指利用个人计算机和有关的硬件与〔或〕软件使之具有传统独立仪器功能的组合。美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCor-poration,NI)这样定义，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统,是一种计算机支配的模块化仪器系统。虚拟仪器主要由通用的计算机资源、运用软件和仪器硬件等构成。运用者利用运用软件将计算机资源和和仪器硬件结合起来,经过友好的图形界面来操作计算机,完成对测试信号的采集、分析、判别、显示和数据处置等功能。虚拟仪器中的硬件主要用于处理信号的调理、以及输入、输出问题。软件主要用于实现对数据的读取、分析和处置、显示以及对硬件的控制等功能,这些功能在传统电子仪器中往往经过硬件来实现。软件即是仪器这是NI公司提出的虚拟仪器理念的中心思想。从这一思想出发，基于电脑或任务站、软件和I／O部件来构建虚拟仪器。虚拟仪器的中心－－软件算法替代硬件电路；虚拟仪器=总线模块＋算法1.2.2虚拟仪器的特点虚拟仪器有以下特点：(1)虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换性以及可反复运用等特点。(2)在通用硬件平台搭建后,由软件来实现详细的功能,即软件在虚拟仪器中有重要的作用。(3)虚拟仪器的功能是是由用户根据实践需求经过软件来定义的,而不是事先由仪器厂商定义。(4)虚拟仪器的研制周期较传统仪器大为缩短。虚拟仪器的特点(5)虚拟仪器的性价比较高。(6)由于虚拟仪器技术是建立在计算机技术和数据采集技术根底上的,因此技术更新较快、本钱较低、测试自动化程序较高,而且可与网络及其他设备互联。(7)虚拟仪器具有友好、灵敏的人机界面,传统仪器的界面较呆板。传统仪器与虚拟仪器比较数据采集信号处置结果表达与仪器控制硬件〔电子线路〕硬件〔电子线路〕硬件〔显示器与旋钮〕硬件〔电子线路〕计算机软件〔算法〕计算机硬件〔显示器与虚拟旋钮〕传统仪器虚拟仪器计算机系统资源传统仪器与虚拟仪器比较传统仪器虚拟仪器仪器定义厂家用户功能设定功能特定，与其它设备连接受到限制。面向应用的系统结构，可方便地与网络设备、外设和其它设备连接。关键环节硬件软件开放性封闭式系统，功能固定，不能改变。基于计算机技术的开放式系统，灵活的软件功能模块。性能价格比低高，可重复使用。技术更新速度慢（周期5~10年）快（周期1~2年）开发维护开发维护费用高软件结构，节省费用传统仪器实例：数字万用表FLUKEF189毫伏表VT-181E数字示波器DPO4034传统仪器-操作台面板传统仪器-内部构造传统仪器-内部构造信号调理电路虚拟仪器实例：一体化任务站AWS-8248虚拟仪器—数据采集卡PCI-6259A/DD/AI/O虚拟仪器—调理电路调理电路—底板+插板1.2.3虚拟仪器的构成虚拟仪器系统主要由计算机、硬件板卡、软件及附件组成，用户可以根据要求,灵敏地构建本人的测试仪器(系统)，下面是其典型构造：虚拟仪器的构造层次虚拟仪器的根本构造GPIBSerialDAQProcessorUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&DriverSoftwareLabVIEW虚拟仪器系统的根本构成虚拟仪器的架构模块化仪器软件算法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1.2.3虚拟仪器的构成虚拟仪器的硬件系统：虚拟仪器是基于计算机的丈量设备,其硬件由计算机及I/O接口设备组成，如以下图。I/O接口设备主要完成输入信号的采集、放大、模/数转换及数/模转换和信号输出控制等。不同的总线有其相应的I/O接口硬件设备。虚拟仪器的硬件主要有以下几种构成方案：虚拟仪器的硬件构成方案(1)基于数据采集的虚拟仪器系统：借助于插入计算机内的数据采集卡与公用的软件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)，将模拟、数字信号采集到计算机进展分析、处置、显示等，并可经过输出实现反响控制。(2)基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统：利用GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)技术，由计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为要素呵斥的测试丈量误差。(3)利用VXI总线仪器实现虚拟仪器系统：VXI(VMEbusExtensionforInstrumentation)总线是一种高速计算机总线VME在仪器领域的扩展。由于其规范开放、传输速率高、数据吞吐才干强、定时和同步准确、模块化设计、构造紧凑、运用方便灵敏，已越来越遭到注重。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器开展的一个方向。(4)基于串行口或其它工业规范总线的系统：将带有RS-232总线接口的仪器作为I/O接口设备经过RS-232串口总线与PC计算机组成虚拟仪器系统，目前依然是虚拟仪器的构成方式之一。当今，PC计算机已更多地采用了USB总线和IEEE4总线。虚拟仪器的软件系统：根据仪器的三大功能,设计仪器必需处理好人机接口和机机接口问题,因此虚拟仪器软件又由两大部分构成,即运用程序和I/O接口仪器驱动程序。(1)运用程序：①实现虚拟面板功能的软件程序；②定义测试功能的流程图软件程序。(2)I/O接口仪器驱动程序：完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通讯。虚拟仪器可以在一样的硬件平台下，经过不同测试功能软件模块的组合，实现功能完全不同的各种仪器，即虚拟仪器的丈量功能是由软件编程来实现的。软件是虚拟仪器的中心，表达了测试技术与计算机技术深层次的结合。开发虚拟仪器必需选用适宜的软件开发平台，目前的虚拟仪器软件开发平台有如下两类：①基于文本编程言语开发工具：如VC++,VB,C++Build,LabWindows/CVI及Delphi等。②基于图像化编程言语开发工具：如LabVIEW(NI公司)，HPVEE(HP公司)。后面重点引见LabVIEW。二、虚拟仪器技术新进展

及其运用2.1、虚拟仪器技术新进展

虚拟仪器技术的进展分为四个大方面：①总线技术方面②数据采集、数字信号处置及传感器技术方面③丈量技术方面④软件技术方面虚拟仪器的开展ProcessorUnitUnderTestPXI虚拟仪器的演化2.1.1虚拟仪器在总线技术方面的进展目前，仪器接口总线和计算机技术结合越来越紧，用于虚拟仪器和测试系统的有GPIB总线、VXI总线技术、PXI总线技术、IEEE4总线和USB等等。GPIB仪器总线曾经风行多年，由于它只是8位并行仪器总线，传输速率和传输间隔有限，曾经跟不上当今大规模自动测试系统的需求。但是采用GPIB总线的仪器或插件依然大量存在，不断在运用，因此GPIB总线依然是组建中等程度自动测试系统所采用的总线。从事虚拟仪器开发的厂家也很留意USB通用串行总线和IEEE4通用高速串行总线虚拟仪器的开发，一是由于虚拟仪器系统主控常采用PC机，而当今PC机曾经更多地采用USB总线和IEEE4总线；二是由于USB总线曾经得到广泛的支持。

微软从Windows98开场全面支持USB1.1总线，WindowsXP支持USB2.0，Sun公司和Digital公司也曾经支持USB。但是USB总线只限于用在较简单的测试系统中。当今用虚拟仪器组建自动测试系统更有出路的是采用IEEE4串行总线，这是由于这种高速串行总线，可以以100、200或400Mb/s的速率传送数据，显然会成为虚拟仪器开展最有出路的总线。前几年国际上虚拟仪器所用IEEE4总线的传送速度的最高记录曾经到达100Mb/s。近几年也有很大的开展能到达更快速度。2.1.2虚拟仪器在数据采集、数字信号处置及传感器技术方面的进展数据采集技术：数据采集卡〔DAQ〕开展迅速，A/D,D/A转换技术、仪器放大器、抗混淆滤波器和信号波形处置技术的不断改良；数字信号处置技术：数字信号处置〔DSP〕芯片使高速的数据流处置进展优化和数学计算，加强了采集系统的功能，降低本钱，使其具有独立控制和实时处置的优点；传感器技术：智能传感器的出现使传感器具有更强大的功能，计算机技术、网络通讯技术的飞速开展使传统的现场模拟信号通讯方式转为现场级的全数字信号通讯方式,即传感器现场级的数字化信号通讯方式，出现了基于以太网的传感器即网络化传感器技术。2.1.3虚拟仪器在丈量技术方面的提高近些年来，非电量的电测技术和自动测试技术迅速开展，成为最活泼的丈量技术分支。随着科学技术的开展，测试、数据采集、控制三者之间的界限已模糊不清，丈量、维护、诊断、修缮、数据处置/管理一体化的需求日趋迫切，对测试的现场化、远地化、网络化需求不断升温。随着要表征的系统的日益复杂，丈量反映在对被测对象的描画和表示上，也根据实践的需求从传统的数值加带方向的误差值，扩展为还可以由自然言语以及高度笼统的文字或符号来表征。电丈量技术和自动控制技术结合得越来越严密，不仅丈量为控制提供更准确的信息，控制也不断为丈量的开展注入新的活力。2.1.4虚拟仪器在软件技术方面的开展①操作系统：目前，具有图形用户界面的32位操作系统Windows2000和WindowsXP已成为PC机的主流操作系统。它们是真正的多义务系统，且采用了多线程技术。运用多线程来执行程序，可防止基于PC的测试运用软件与DAQ或规范接口的独立仪器通讯时产生拥塞景象。另外可以将用户界面显示和数据采集分配在不同的线程上，降低数据采集与用户界面显示之间的干扰，使每个线程独立地以最快的速度运转，充分提高系统的测试速度。经过按时间占用的多少确定线程的优先级，同时可以提高系统的呼应速度。②开发平台：(1)实现了仪器控制与数据采集的完全图像化编程,设计者无需编写任何文本方式的代码。(2)提供了大量的面向测控领域运用的库函数,如面向数据采集的DAQ库函数、内置GPIB、VXI、串口等数据采集驱动程序;面向分析的高级分析库,可进展信号处置、统计、曲线拟合以及复杂的分析任务;面向显示的大量仪器面板,如按钮、滑尺、二维和三维图形等。(3)提供了大量与外部代码或运用软件进展衔接的机制。(4)具有强大的网络衔接功能,支持常用网络协议,便于用户开发各种网络测控、远程虚拟仪器系统。(5)LabVIEW运用程序具有可移植性,适用于多种操作系统③驱动程序1999年NI公司提出了可互换虚拟仪器规范IVI(Interchangeablevirtualinstruments)。它使仪器在测试系统中可以互换而无需修正软件，这样就处理了消除测试冗余、提高测试系统中同类仪器的可互换性等问题；在改换硬件时，软件不需做太大的修正，大大地简化了仪器驱动器的开发，改良了仪器驱动程序的编写质量。而且IVI仪器驱动器与接口总线无关，只与仪器的测试功能有关，这给许多运用领域和工业部门带来了实惠，加强了代码的可重用性。④ActiveX、C/S构造、多媒体技术ActiveX是测试行业的一项关键技术。ActiveX是一种封装模块，与编程言语无关，能被许多不同言语所调用。采用这种技术可以在测试系统中调用各种有用的运用程序，如电子表格Excel和数学工具MATLAB以提高系统的性能。另外，ActiveX还可以经过Internet网实现远间隔控制。用C/S构造模型设计虚拟仪器，不仅可使不同测试子系统之间共享系统资源，并行地进展测试任务，而且可以根据测试系统的实践需求，恣意增删测试子系统的数目，而无需对测试系统软件的源代码进展修正。多媒体技术的开展，也将对虚拟仪器技术的开展产生影响。可以用动画技术直观、逼真地动态监控系统形状和丈量结果，可用语音技术实现自动报告测试结果和报警。2.2、虚拟仪器技术的运用虚拟仪器无处不在。85%的世界500强迫外型企业曾经选择了虚拟仪器技术，NI提供的1000多款软硬件产品运用遍及电子、机械、通讯、生物医药、科研、教育等各个行业领域。(1)消费电子微软公司运用LabVIEW和PXI模块化仪器开发了Xbox和Xbox360手柄的多功能验证提升了100%。(2)构造监测为了对东海大桥进展实时可靠的安康监测，上海巨一公司运用NI的PXI平台和动态采集〔DSA〕设备实现了全桥14个任务站的上千个通道的需求，并经过GPS时间信号和PXI背板实现了准确的同步采集规范。(3)RF与通讯测试上海聚星仪器公司运用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多星接纳机测试。基于软件的优势使得系统可以同时仿真多颗卫星的信号，使接纳机的功能测试更为有效。(4)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展处置，然后绘制不同噪声等级的表示图，准确地确定噪声来源。(5)汽车BMW研发人员和德国MicroNova公司的工程师协作，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，运用图形化LabVIEW软件对板载FPGA的NI板卡作开发，并运用于BMW氢能7系发动机控制器的硬件在环测试。由于PXI平台的可扩展性和通用性，该平台已胜利用于BMW其它不同系列发动机控制器的硬件在环测试。(6)军事Mantech公司选用PXI作为用于美国空军F-15E和F-16C/D高级战斗机的测试系统LANTRIN的一部分，胜利将测试系统的体积从7个机架减小到3个机架，体积减小了50%以上，这其中很大部分要归功PXI仪器的整合才干。(7)航空航天在NILabVIEW平台下，NASA〔美国航空航天局〕完美地建立了对下一代詹姆士韦伯太空望远镜中“微快门〞技术的测试所必需的太空仿真环境。由于可以很好的控制温度、压力条件，还可以把太阳产生的热扰动要素也思索在内。利用LabVIEWFPGA及运动控制技术，可以到达对“微快门〞复杂的开关阵列进展灵敏、可靠的控制，再结合NI图像采集与处置技术得出判别结果。(8)基于GSM/GPS的工程机械远程监控能与上位机通讯，接纳并实现上位机的指令，实现有关数据的GSM短信收发和GPS经纬度等信息采集的功能。2.3、虚拟仪器的开展趋势2.3.1网络化网络化虚拟仪器是虚拟仪器技术和网络技术相结合的产物。基于分布式测控系统，因此具备以下功能：(1)支持远程测控；(2)支持分布式运用；(3)支持异地域数据存取；(4)支持异地效力恳求与访问。其中的根本功能单元，其主要义务是：①数据采集和处置；②测试数据交换；③测控过程监控、缺点诊断；④测试信息存储。另外一部分通讯网络包括测试效力器