93 虚拟仪器系统.ppt

1、1.虚拟仪器的概念,现代科技发展造就了各种科学仪器，其发展历程大致可分为四代： 第一代是模拟式仪器。主要结构是基于电磁机械式机构，测量结果靠指针显示，如模拟万用表、模拟函数发生器、指针式电压表等。 第二代是数字化仪器。它将模拟信号转化为数字信号，以数字形式输出与显示结果。如数字万用表、数字存储示波器、数字电压表等。 第三代是智能仪器。其内部有微处理器，可进行自动检测，有一定的数据处理能力，其主要功能模块是硬件与固化软件，对开发和应用仍不够灵活。 以上三代仪器对用户来说是一个封闭的系统，仪器的面板、按钮、旋钮、开关和显示方式，内部电路及仪器所能提供的功能对该台仪器来说都是固定的，与其他设备的连接

2、也受限，开发不便，更新周期长，价格很高。一般把这类仪器称为传统仪器。,1.虚拟仪器的概念,现代科技发展造就了各种科学仪器，其发展历程大致可分为四代： 第一代是模拟式仪器。主要结构是基于电磁机械式机构，测量结果靠指针显示，如模拟万用表、模拟函数发生器、指针式电压表等。 第二代是数字化仪器。它将模拟信号转化为数字信号，以数字形式输出与显示结果。如数字万用表、数字存储示波器、数字电压表等。 第三代是智能仪器。其内部有微处理器，可进行自动检测，有一定的数据处理能力，其主要功能模块是硬件与固化软件，对开发和应用仍不够灵活。 以上三代仪器对用户来说是一个封闭的系统，仪器的面板、按钮、旋钮、开关和显示方式，

3、内部电路及仪器所能提供的功能对该台仪器来说都是固定的，与其他设备的连接也受限，开发不便，更新周期长，价格很高。一般把这类仪器称为传统仪器。,一、概述,随着计算机硬件技术、软件技术、总线技术的高速发展，出现了全新概念的第四代仪器虚拟仪器(Virtual Instruments，简称VI)。1986年NI公司首先提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器完全采用新的检测理念、新的仪器结构、新的检测方法和新的开发手段，使科学仪器的功能和作用也发生了质变。虚拟仪器是电测与仪器领域中的一次技术飞跃，是当今计算机辅助测试(CAT)领域研究和应用的热点。 NI公司认为，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵

4、活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。,通常意义上说，虚拟仪器就是利用I/O接口完成信号的采集、测量与调理，利用计算机软件来实现信号数据的运算、分析和处理，利用计算机显示器模拟传统仪器控制面板来输出检测结果，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。 一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件及驱动软件，共同完成传统仪器的功能。计算机是虚拟仪器的核心，而完成仪器的各种功能和面板控件均由计算机软件完成，任何一个用户均可在现

5、有硬件的条件下通过修改软件来改变仪器的功能，故软件是虚拟仪器的关键，国际上也有“软件即仪器”(The Software is the Instrument)之说。,2.虚拟仪器的特点,与传统仪器相比，虚拟仪器有以下优点。,1. 能自由定义，仪器开放灵活 传统仪器的功能由厂方定义，对用户封闭、固定，不便扩展；而虚拟仪器的功能不是事先由厂家决定，而由用户根据自己的检测需要用软件来定义，从而使得整个仪器的功能及操作面板更具个性化；另外虚拟仪器基于计算机网络技术和接口技术，比传统仪器更方便与其他仪器设备、网络等连接，易构成自动检测系统，易实现测量、控制过程的智能化、网络化，从而使检测系统更开放灵活。,

6、2. 检测效果更好，精度更高 利用传统仪器进行检测时，人工干预较多，检测速度、精度、稳定性、可靠性等要求难以保证，而虚拟仪器基于计算机总线和模块化仪器总线技术，硬件实现了模块化、系列化，同时利用计算机及软件将多种检测功能集于一体的方法不仅缩短了检测时间，也提高了检测精度。 3. 数据表达更方便 传统仪器大多需要人工记录数据，而虚拟仪器则利用计算机的显示、存储、打印、网络传输等功能，可方便地把检测结果实时保存记录下来，更可直接进行数据分析处理。 4. 开发费用更低，技术更新更快 传统仪器硬件是关键部分，开发维护费用很高，技术更新周期长；而虚拟仪器的关键部分是软件，减少了大量仪器硬件的制作，就使得

7、虚拟仪器的研制周期比传统仪器大为缩短，即开发费用更低，技术更新更快。,5. 更经济实惠 首先，虚拟仪器的前面板上的控件都是与实物相像的“图标”，而不是传统仪器上的“实物”，且每个图标都对应着相应的软件程序，用户可用计算机的鼠标“点击”来对其进行操作；另一方面，虚拟仪器的检测功能是在PC为核心组成的硬件平台上，通过软件编程设计来实现仪器的检测功能，且用户可根据测试需要，通过软件模块的组合来实现各种不同的检测功能，从而大大缩小了仪器硬件的成本。例如，数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等高档仪器价格非常昂贵，而现在就可只采购必要的通用仪器硬件，采用虚拟仪器技术很经济地构建这些高档仪器系统。,1.基本

8、结构,虚拟仪器除了测控对象、信号调理器外，其内部主要由三大功能模块构成：信号的采集与控制、信号分析与处理、结果的表达与输出。,虚拟仪器结构图,二.虚拟仪器的结构,2.虚拟仪器的硬件结构,虚拟仪器由硬件平台和应用软件两大部分构成。虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件两部分。计算机硬件平台可以是各类计算机，如台式、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机、工控机等。计算机用于管理虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件支撑。测控功能硬件主要完成被测信号的放大、A/D转换和采集。具体测量仪器硬件模块是指各种传感器、信号调理器、A/D转换器、D/A转换器、数据采集器(DAQ)，同时包括外置测

9、试设备。 目前虚拟仪器的构成方式主要有四种标准体系结构，即基于PC-DAQ，基于通用总线GPIB接口，基于VXI总线仪器，基于PXI总线仪器的虚拟仪器系统。几种不同体系结构虚拟仪器系统性能见下表。,几种不同体系结构虚拟仪器系统性能对比,在虚拟仪器系统中，几种标准体系结构的特点如下： PC-DAQ数据采集系统是构成虚拟仪器系统最基本的方式，也最廉价。一般是插入台式PCI槽或笔记本PCMCIA槽的数据采集卡。 VXI总线体系结构是目前最受业界关注的体系结构之一。VXI体系结构中的嵌入式计算机控制方式由于在系统体积、系统控制速率和电磁兼容性方面的优势。故在性能要求较高和投资较大的场合，如航空航天和军

10、事等应用领域备受青睐。 MXI总线控制方式具有较高的性价比，便于系统扩展和升级，适合在各种实验室中进行科研及对体积要求不高的场合应用。 IEEE 1394控制方式以其较高的性能价格比，近年来在VXI控制方案中迅速得到普及。,3. VXI仪器控制系统构成方法,VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在仪器领域的扩展(VME Extension for Instrumentation)。 优点：标准开放、结构紧凑、具有数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持，得到广泛的应用。 应用：在组建大、中规模自动测试系统，以及对速度、精度要求较高的场合，有着其它系统无法比拟的优点。,

11、VXI仪器系统不同的控制方案,(1) GPIB控制方案 (2) 嵌入式计算机控制方案 (3) MXI总线控制方案,(1) GPIB控制方案,组件：插于通用计算机的GPIB接口板，位于VXI零槽的GPIBVXI/C模块，连接两者的GPIB电缆，一个VXI机箱以及若干个VXI仪器模块。 GPIB控制方案的数据传输速率约为1Mbytes/s。如果使用HS488协议可使GPIB的数据传输速率提高到1.6Mbytes/s。其中，零槽模块起GPIB和VXI总线翻译器的作用。 优点：可以利用熟悉的GPIB技术如同控制一台GPIB仪器一样来控制VXI仪器系统，且系统造价低。 缺点：由于GPIB总线的数据传输速

12、率远远低于VXI总线，形成整个系统的数据交换的瓶颈。,(2) 嵌入式计算机控制方案,组件：一个VXI机箱，插于VXI零槽的嵌入式计算机模块，若干VXI仪器模块以及VXI软件开发平台。一个嵌入式计算机模块除具有VXI系统控制功能外，还具有一台通用PC机的全部功能。 优点：所有的模块均插在VXI机箱的背板总线上，能实现高速的数据传送(40Mbytes/s左右)，且体积最紧凑，是实现VXI自动测试系统的最佳配置方案。 缺点：配置方案的造价及升级费用均较高。,(3)MXI总线控制方案,组件：一个VXI机箱，插于通用计算机的VXI接口板，位于VXI零槽的VXIMXI模块，连接两者的MXI电缆，若干VXI

13、仪器模块以及VXI软件开发平台。 MXI是由NI公司提出的一种多系统扩展接口总线，相当于把VXI机箱的背板总线拉到外部计算机上来，同时可实现多个VXI机箱间的32位数据交换。 它可以直接把VXI内存空间映射到外部计算机上，因此在提高数据传输速率方面有很多的优势。 PCI8000系列，总线传输速率可达23Mbytes/s，峰值传输速率可达33Mbytes/s。性能指标已接近嵌入式计算机。,MXI总线控制方案特点：,优点：综合了第一种方案使用外部计算机灵活方便、易于升级以及第二种方案高性能的优点，且造价适中。同时还可以在外部计算机上加插GPIB接口卡、数据采集卡，实现更大规模的系统集成。 缺点：与

14、内嵌式方案相比，体积偏大，数据传输速率偏低。,三种VXI控制方案比较,GPIB控制方案：适用于对总线控制的实时性要求不高，并需在系统中集成较多GPIB仪器的场合； 嵌入控制方案：由于在系统的体积、控制速率和电磁兼容方面具有优势，因而在性能要求较高和投资较大的场合，如航天、军用等应用领域倍受青睐； MXI控制方式：具有较高的性能价格比，便于系统扩展和升级，适用于在各种实验室中实现科研系统以及对体积要求不高的场合使用。,虚拟仪器的结构,4.虚拟仪器的软件结构,在虚拟仪器系统中强调“软件构成仪器”的概念，硬件仅是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个仪器的关键。用户可自定义仪器功能，通过修改软件，方

15、便地改变、增减仪器系统功能与规模，并可方便地同外设、网络等进行连接。 虚拟仪器的核心是利用计算机的硬软件资源，使某些原本需要硬件实现的功能软件化(虚拟化)，从而最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。 虚拟仪器系统的软件结构包括仪器I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。,虚拟仪器的结构,1. 仪器I/O接口软件 I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。 2. 仪器驱动程序 各仪器模块均有自己的仪器驱动程序。其实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的；仪器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过I/O软件所提供的统一基础与格式的函数库的调用来实现的。对应用程序设计人员来说，一旦有了仪器驱动程序，即便不了解仪器内部操作过程，也可进行虚拟仪器系统的设计工作。虚拟仪器驱动程序是连接上层应用程序与底层