第1章 虚拟仪器概述

虚拟仪器设计主讲教师：陈慧第1章虚拟仪器概述1.1

虚拟仪器形成背景1.2

虚拟仪器的基本概念1.3虚拟仪器的系统结构1.4虚拟仪器的软件系统1.5

虚拟仪器技术应用仪器的发展历史第一代仪器：模拟仪器1.1虚拟仪器的形成背景如指针式万用表，它们的基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。仪器的发展历史第二代仪器：数字化仪器数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果。仪器的发展历史第三代仪器：智能仪器目前，仪器领域正在进行第三次仪器革命，这次革命是由通用计算机硬软件技术的进步引起的，这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时期：虚拟仪器时代。智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动。它的全部功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代仪器：虚拟仪器虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。

1.2

虚拟仪器的基本概念1.虚拟仪器的定义传统仪器：特定功能和仪器外观。基于虚拟仪器的温度检测与控制系统如：虚拟示波器基于虚拟仪器的温度检测与控制虚拟仪器（VI，VirtualInstrument）：是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机屏幕上显示虚拟的仪器面板，可由用户软件来定义仪器功能的仪器。1986年，美国国家仪器公司（NI,NationalInstruments）提出了虚拟仪器（VirtualInstrument）的概念。

同年10月正式发布图形化编程的虚拟仪器设计软件LabVIEW。1990年代，虚拟仪器得到业界广泛认可和应用，相继推出了基于GPIB总线、PC-DAQ和VXI总线、PXI总线等多种虚拟仪器系统。虚拟仪器技术至今经历了将近30年的快速发展。2.虚拟仪器的特点（1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括计算机和测试模块）；相同的硬件平台下，通过软件设计可实现不同的虚拟仪器。（2）良好的人机界面。

虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通过“控件”虚拟出面板）；（3）功能强。

虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。（4）虚拟仪器之“虚拟”含义：（5）因此，软件是虚拟仪器的核心。NI公司提出“软件即仪器”（Thesoftwareistheinstrument）。“软件定义仪器”虚拟仪器面板；软件实现仪器功能。与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点：（1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性）好；充分利用计算机丰富的软硬资源。仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪器）。仪器升级方便，性价比高（一机多用）。基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟仪器”。（2）操作方便；通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面板。比较内容虚拟仪器

传统仪器系统构成软件和通用硬件。软件是关键

专用硬件系统开发周期开发时间短、技术要求低、系统通用性强开发时间长、技术要求高、系统功能较专一开发费用软件使得开发和维护费用降至最低开发与维修开销高技术更新周期短（1~2年）长（5~10年）价格价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵功能可塑性用户定义仪器功能，柔性厂商定义仪器功能，刚性系统开放性开放、灵活，与计算机技术同步发展封闭、固定构成复杂系统能力易与网络及其他周边设备互连功能单一的独立设备人机交互无限的显示选项、界面友好有限的显示选项虚拟仪器与传统仪器的比较：1.3虚拟仪器的系统结构1.虚拟仪器的系统构成硬件和软件两大部分构成。硬件平台由两部分组成：1、计算机可以是笔记本计算机、PC机或工作站；2、仪器硬件：可以是插入式数据采集板（含信号调理电路、A／D转换器、数字I／O、定时器、D／A转换器等），或者是带标准总线接口的仪器(如GPIB仪器、VXI仪器、RS－232仪器等)。

2.虚拟仪器的通用硬件平台数据采集信号处理参数输入与结果输出硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（旋钮与显示器）硬件（配合驱动程序）计算机软件（算法）

计算机硬件（虚拟旋钮与显示器）传统仪器虚拟仪器计算机系统资源3.各部分基本功能虚拟仪器的内部功能，可划分为信号采集与控制、数据分析与处理、参数输入与结果输出三大功能模块。信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器驱动程序共同完成，而数据分析与处理、参数输入与结果输出则主要由用户应用软件完成。1.4虚拟仪器的软件系统1.虚拟仪器的软件结构包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分2.虚拟仪器的软件开发环境（1）通用的可视化软件编程环境Microsoft公司的VisualC++和VisualBasic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等。（2）专用于虚拟仪器开发的软件编程环境文本编程环境：NILabWindows/CVI。图形化编程（G语言）环境：AgilentVEE、NILabVIEW；其中，LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台）是目前最流行、应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。非常适于仪器、测量与控制领域的虚拟仪器软件开发。虚拟仪器的系统构成硬件和软件两大部分构成。硬件是基础，软件是核心。1.5

虚拟仪器技术应用应用广泛从军事到民用；特别是仪器制造业、工业自动化、实验室建设等领域。测试测量工业自动化声学测试设备测试工业自动化食品加工汽车测试生物医学研究控制工程机器视觉计量校准电子与非电子测试石油和天然气工程制药生产光纤校准光学度量和测定工业机器人过程自动化研发调试半导体测试SCADA统计流程控制通信测试振动测试晶片传送手臂机械制造仪器制造业传统仪器制造成本高，中高档仪器价格昂贵。虚拟仪器技术降低了市场门槛。采用虚拟仪器技术，很多功能可由软件实现，可开发出质优价廉的仪器。发达国家的市场退出成本较高，我们及时进入市场，能形成后发优势。略过传统仪器的发展阶段，迅速进入下一代仪器发展阶段，造成仪器技术的跨跃式发展态势。工业自动化在完成风力涡轮发电塔的装载和安装前，必须对变速箱的性能进行校验，需要采集如振动、噪声、润滑油温度及齿轮啮合关系等数据。盲人开车美国弗吉尼亚理工大学的9名大学生设计了盲人驾驶系统，利用激光测距仪作为环境探测器，扫描驾驶环境中的交通路标及其它障碍。帮助盲人驾驶员成功地驾驶汽车，控制汽车速度并在行驶时避免碰撞。家居监控机器人在2010世博会中展出。通过网络监控家居环境中的各种家电，具有语音和人脸识别等人机交互功能，具有双机械臂完成一些取物、递送等任务，并且可以作为智能轮椅载人移动。实验室建设传统的实验室需购置大量的基础测量仪器，如示波器、万用表、信号源等，设备投资大，技术更新快、维护困难。利用虚拟仪器技术，可设计出与实际仪器在原理、功能和操作等方面完全一样的虚拟仪器，降低了实验室建设与管理成本。全国虚拟仪器大赛中国仪器仪表学会、教育部高等学校仪器科学与技术教学指导委员会主办，NI公司协办/vicontest/大赛分为软件组和综合组“2013年第二届全国虚拟仪器大赛”获得了全国各高校师生的广泛关注，共有来自全国132所高校的1469支队伍报名参加，涉及全国27个省59个城市。作品涵盖通信、机器人、智能家居、医疗、绿色环境、建筑监测、汽车等诸多方面的创新应用。全国虚拟仪器大赛参考文献[1]NI公司网站：[2]赵会兵.虚拟仪器技术规范与系统集成，清华大学出版社[3]