第4章 虚拟仪器.ppt

1、第4章 虚拟仪器,虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是计算机技术同仪器技术有机结合产生的全新概念的仪器，是仪器领域内的一次革命。 虚拟仪器经过10多年的发展，已逐渐成为热门技术，并迅速引起全世界的普遍关注和重视。,主要内容,4.1 虚拟仪器基础 4.2 虚拟仪器开发工具及方法 4.3 虚拟仪器应用,4.1 虚拟仪器基础,4.1.1 模拟仪器的发展历程 虚拟仪器发展从1986年诞生到现在，经历了三个不同的时期： 利用计算机增强传统仪器功能 构成开发式仪器 构建虚拟仪器框架,第一时期,由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，用户使用计算机控制仪器并进行数据处理。用

2、户可以利用计算机软件来增强仪器的功能，使仪器能够分析和处理特定的数据，并显示结果。实际上只需要把传统仪器通过GPIB或RS-232同计算机连接起来，这些新增的功能就能充分发挥作用。因而用户可以将大量独立的仪器同计算机相连形成用户自己设计的虚拟仪器。,第二时期,为了满足虚拟仪器市场不断增长的需求，仪器硬件产生了两大技术进步： 一、插入式计算机数据处理卡（Plug-in PC DAQ）； 二、VXI仪器总线标准的确立。 此外，用计算机构建虚拟仪器的平台，许多特殊功能件A/D，DA，数字IO，时间IO组件都是模块化的功能块，能够直接插在仪器上与仪器内部的处理器总线相连。而虚拟仪器的功能软件以文件形式

3、储存于硬盘和软盘上，可以被安装在任何计算机上。,第三时期,给定具有运算能力的计算机和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键就在于软件。因此，人们意识到虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。为此，美国国家仪器公司提出了“软件即仪器”的口号。 用户可以把IO接口软件当成独立的程序使用，在设计自己的程序时，可以自由选择语言和操作系统。美国国家仪器公司（NI）的LabVIEW和LabWindowsCVI是两种很好的虚拟仪器软件开发平台。,4 .1.2 虚拟仪器的构成,虚拟仪器是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。 虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机和功能模块硬件结合起来，

4、用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，完成对被测量的采集、分析。判断、显示、数据存储等。 虚拟仪器划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能块。,虚拟仪器的内部功能划分图,虚拟仪器构成基本框图,虚拟仪器技术中的关键技术,虚拟仪器技术中的关键技术是数据采集和分析处理软件。分析处理软件将用不同方法获取的数据，归并成相同的数据组来实现不同类型的仪器。 例如，通过标定和数据点的显示，虚拟仪器可作为一台简易的存储示波器；而对捕获的数据进行FFT变换，则又可成为一台频谱分析仪。,虚拟仪器的构成方式,4.1.3 虚拟仪器的特点1-3,在通用虚拟仪器硬件平台确立后；决定仪器功能的是软件而非硬件。 仪

5、器功能及二次开发是由用户根据需要由软件来定义及实现，而不是事先由厂家定义好了的，这自然更灵活，功能也更强，更能满足用户不断变化的需要。 VI的性能价格比高，能同时对多个参数进行实时高效的测量和处理。 软件是虚拟仪器的核心，而信号分析和处理是软件的核心。,特点5-8,在虚拟仪器中，信号的传送和数据处理都是靠数字信号或软件来实现的，大大降低了环境干扰和系统误差的影响。 由计算机的显示器取代了传统仪器的前面板，能够通过友好的图形显示界面显示更丰富多彩的内容。 虚拟仪器的灵活、开放、可与计算机同步发展的优势，使得虚拟仪器技术更新周期更短。 虚拟仪器具有和其他设备或系统互连的能力，如和VXI或现场总线等

6、的接口能力，和Internet的连接能力，决定了虚拟仪器具有更广阔的应用领域。,42 虚拟仪器开发工具及方法,NI公司提供了两种（LabWindowsCVI,LabVIEW）比较好的虚拟仪器开发环境和工具，它们把所有必要的硬、软件组合成一个单一的集成开发环境，并带有高级的特定仪器驱动程序、数据分析和显示工具。这两种开发工具又各有侧重，LabWindowsCVI更适合于那些习惯于用CC+或BASIC进行程序设计的用户，而LabVIEW则更适合于偏好图形化设计而不是传统的文本式编程的用户。,LabWindowsCVI,LabWindowsCVI（C for Virtual Instrumentat

7、ion）是面向仪器与测控过程的交互式 CC十开发平台，它是一个用C语言构建仪器系统的交互式软件开发环境，可以模块化方式对C语言进行编辑、编译。连接和调试。 LabWindowsCVI软件把C语言的有力与柔性同虚拟仪器的软件工具库结合起来，包含了GPIB，RS232，VXI总线，数据采集和分析库。LabWindowsCVI软件提供了很多厂家生产的多达300多种仪器的驱动程序。,软件的重要特征,LabWindowsCVI软件的重要特征是，在Windows和Sun平台上简化了图形用户接口的设计，同时在构建和控制LabWindowsCVI软件用户接口之外，只创建了一个层次，使用户能容易地生成各种应用程

8、序。LabWindowsCVI为熟悉C语言的开发者建立虚拟仪器、检测系统、数据采集系统、过程监控系统等提供了极其便利的语言环境和软件开发环境。,LabWindowsCVI具有的特点,集成开发平台。LabWindowsCVI将源代码编程、32位标准C编译、连接。调试以及标准ANSI库等集成在一个交互式开发平台中，因此，用户可以快捷地编写。调试和修改应用程序，并形成可执行文件。 交互式编程方法。LabWindowsCVI编程技术采用事件驱动方式和回调函数方式。对每一函数都提供了一个函数面板，用户可以通过函数面板交互地输人函数的每个参数。在脱离主程序C源代码的情况下，可直接在函数面板中执行函数操作，

9、并能方便地把函数语句嵌入到C程序源代码中，还可以通过变量声明窗口交互地声明变量。,特点3,功能强大的函数库。针对测控领域的需要，可供用户直接调用的函数库有： 基本的数字函数、字符串处理、函数数据运算函数、文件IO函数。 高级数据分析库函数，包括信号处理函数、滤波器设计、线性代数、概率论和数理统计。曲线拟合等函数，涵盖了几乎所有仪器设计中所用到的函数。 各种驱动函数库，如 VXI，GPIB，串行口RS-232，数据采集板等硬件控制用子程序（驱动函数库），600多个源码仪器驱动程序（函数库）、DDE和TCPIP网络函数库等。 编程人员不必亲自编制如信号分析处理的相关、曲线拟合、FFT等程序。编程人

10、员也不必花费精力去熟悉GPIB，VXI，RS-232等各种通信总线，通过简单调用库函数就能驱动相应总线的各种仪器硬件和数据采集卡（板）。,特点4-5,(4) 简单直观的图形用户界面设计。具有人机交互式界面编辑器用可视化交互技术实现“所见即所得”。 (5)完善的兼容性。借助于 LabWindowsCVI，有经验的CC十开发人员可以采用熟悉的 C编程环境，如 VisualC，Borland C十,Symantec C十和 Watcom C等，开发自己的虚拟仪器系统。此外，LabWindowsCVI可以将仪器库函数及子程序编译成32位的动态链接库；以便用于任何32位的CC十环境及LabVIEW或Vi

11、sual Basic中。,特点6、7,（6）多种灵活的程序调试手段。比如；提供变量显示窗口可以观察程序变量和表达式值的变化情况，还提供单步执行、断点执行、过程跟踪、参数检查、运行时内存检查等多种调试手段。 (7) 网络功能。支持TCPIP、动态数据交换（DDE）等网络功能。,小结,使用LabWindowsCVI软件，用户可以随意设计自己的测试程序，使其运行在能够满足自己需要的平台上。用户使用交互式接口、内置的IO库、特殊工具、高级分析等功能，可以大大地减小构造虚拟仪器所需编制程序的工作量。,数据采集软面板,4.3 虚拟仪器应用,虚拟仪器经过10多年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向发展。 虚拟仪器技术在发达国家的推广和应用十分普及，在电子测量、过程控制领域，以及与人们生活息息相关的许多其他领域，如电信、医学等方面都有很好的应用。 具体而言，虚拟仪器应用于