虛擬儀器技術(shù)課程介紹.ppt

虛擬儀器技術(shù)課程簡(jiǎn)介,廣州市 暨南大學(xué) 信息科技學(xué)院 電子工程系 王 思 華 教 授 E-mail: ,1. 教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)要求 虛擬儀器技術(shù)實(shí)質(zhì)上是基于計(jì)算機(jī)的測(cè)控技術(shù)，主要應(yīng)用于自動(dòng)化測(cè)量、測(cè)試和控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。 虛擬儀器技術(shù)課程涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。本課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生了解虛擬儀器技術(shù)的概念、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，掌握使用LabVIEW去開(kāi)發(fā)虛擬儀器應(yīng)用軟件的方法和技巧, 有效地提高學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，以及工程應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)能力。此外，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和工程應(yīng)用案例等講座開(kāi)闊學(xué)生的視野和思路。 本課程的要求是掌握虛擬儀器的組成和技術(shù)發(fā)展方向,掌握LabVIEW的編程方法和虛擬儀器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)技巧，具備一定的虛擬儀器應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。并要求學(xué)生綜合運(yùn)用傳感器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等多門(mén)課程的知識(shí)，完成規(guī)定的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，提交課程設(shè)計(jì)論文。,一、課程目標(biāo)、要求和考核方法,2. 本課程的重點(diǎn),LabVIEW程序調(diào)試方法與技巧； 數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的設(shè)計(jì)方法和技巧； GPIB和USB接口儀器控制程序的設(shè)計(jì)方法； 機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用技術(shù)。,3. 關(guān)于選課和課程考核說(shuō)明,（1）要求必須同時(shí)選修理論課與實(shí)驗(yàn)課，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上 是密不可分的。 （2）理論課考核形式與成績(jī)計(jì)算方式： 期末考核采用課程設(shè)計(jì)和面試(對(duì)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的檢查和提問(wèn))相結(jié)合方式，學(xué)生必須提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。成績(jī)計(jì)算方式是：平時(shí)作業(yè)、出勤和課堂表現(xiàn)占30%，課程設(shè)計(jì)報(bào)告和面試占70%。 （3）實(shí)驗(yàn)課考核形式與成績(jī)計(jì)算方式 根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)、操作、設(shè)計(jì)思路、獨(dú)立工作能力和實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)定，給出百分制成績(jī)。,二、虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與課程簡(jiǎn)介,1. 虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 本實(shí)驗(yàn)室是自1996年引進(jìn)美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司的技術(shù)、開(kāi)設(shè)虛擬儀器技術(shù)的相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)室，也是與NI公司合作的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。從1997年開(kāi)始為本科生、碩士研究生開(kāi)設(shè)虛擬儀器技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程。這些課程具有理論與實(shí)際聯(lián)系緊密、工程應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。此外，本室還承擔(dān)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)和課外科技活動(dòng)等任務(wù)，取得良好的教學(xué)效果。 本室重視科研和技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，通過(guò)“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的方式，在電子、通信和機(jī)械等領(lǐng)域與企業(yè)合作開(kāi)展測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的研制工作。本室的老師帶領(lǐng)學(xué)生應(yīng)用虛擬儀器和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)成功地為企業(yè)開(kāi)發(fā)出十多種自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。本室也與NI公司合作面向社會(huì)提供技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。,2. 什么是虛擬儀器？ 虛擬儀器是基于通用計(jì)算機(jī)的測(cè)試、測(cè)量和控制系統(tǒng)。由于能充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，因此虛擬儀器具有功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)靈活和性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，可在很大范圍內(nèi)替代傳統(tǒng)測(cè)控儀器和設(shè)備。 虛擬儀器通常具有一個(gè)或多個(gè)友好的虛擬面板（人機(jī)界面），用戶(hù)可通過(guò)虛擬面板很方便地進(jìn)行操作。用戶(hù)可對(duì)虛擬儀器的功能和用途進(jìn)行定義、組合和擴(kuò)展，從而更快、更省和更方便的解決測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用問(wèn)題。 虛擬儀器技術(shù)實(shí)際上包括硬件技術(shù)和軟件技術(shù)，并涉及了微電子、測(cè)量、光電、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科的技術(shù)。,2.1 虛似儀器和傳統(tǒng)測(cè)控設(shè)備的比較,虛擬儀器 傳統(tǒng)測(cè)控設(shè)備 開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低 開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高 技術(shù)是更新周期短（1至2年） 技術(shù)更新周期長(zhǎng)（5至10年） 軟件是關(guān)鍵，以軟代硬 硬件是關(guān)鍵 性?xún)r(jià)比高 性?xún)r(jià)比低 構(gòu)建靈活，重用性強(qiáng) 結(jié)構(gòu)固定，重用性差 可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器 只可連有限的設(shè)備 數(shù)據(jù)處理、存取和表達(dá)功能強(qiáng)大 功能較弱 多用途 用途單一 智能化和自動(dòng)化程度高 自動(dòng)化程度低 難以直接測(cè)量高頻信號(hào) 可直接測(cè)量高頻信號(hào),2.2 虛擬儀器的幾種結(jié)構(gòu)類(lèi)型,第一類(lèi)：插卡式虛擬儀器 由計(jì)算機(jī)和機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡，大部分是采用PCI總線的DAQ卡。 第二類(lèi)：外置式DAQ裝置式虛擬儀器 目前較常用的外置式DAQ裝置采用的是USB接口。也有一些外置式DAQ裝置是通過(guò)串口RS-232、RS-485接口，或并行口（打印機(jī)口）連接到計(jì)算機(jī)，它們把信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換等功能集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。 第三類(lèi)：帶通信接口的測(cè)量?jī)x器組建的虛擬儀器 計(jì)算機(jī)與測(cè)量?jī)x器可組成綜合性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，以往的儀器接口多半是GPIB接口，低擋儀器會(huì)采用RS-232和RS-485 接口。新型儀器的接口多采用USB和以太網(wǎng)接口。,2.3 虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn),（1） 多種技術(shù)的集成,其中包括硬件技術(shù)和軟件技術(shù)、 微電子技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。 （2） 軟、硬件結(jié)構(gòu)靈活，可根據(jù)需要方便地進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重組和功能擴(kuò)充。 （3）易于實(shí)現(xiàn)多種用途自動(dòng)化測(cè)控設(shè)備的系統(tǒng)集成。 （4）開(kāi)發(fā)周期短、成本低、應(yīng)用領(lǐng)域廣和性能價(jià)格比高。 （5）PC是基礎(chǔ)，應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)是關(guān)鍵。,2.5 虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,2.6 虛擬儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式,虛擬儀器的開(kāi)發(fā)包括硬件和軟件開(kāi)發(fā)，硬件開(kāi)發(fā)通常采用兩種模式之一：如果開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)數(shù)量有限，往往是利用現(xiàn)成的產(chǎn)品；自行設(shè)計(jì)和制造。 由于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵是軟件，大部分的開(kāi)發(fā)工作量也在軟件方面；所以選擇一個(gè)高效的開(kāi)發(fā)平臺(tái)相當(dāng)重要。實(shí)際上，常見(jiàn)的幾種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都可以用來(lái)開(kāi)發(fā)虛擬儀器應(yīng)用程序，例如標(biāo)準(zhǔn)C、C+、VB和LabVIEW等。,3. 什么是LabVIEW ?,LabVIEW是NI公司開(kāi)發(fā)的虛擬儀器應(yīng)用程序編程環(huán)境，也是一種圖形編程語(yǔ)言，特別適合測(cè)控應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)是具有開(kāi)發(fā)效率高、直觀易學(xué)和人機(jī)界面美觀友好；缺點(diǎn)是不適合用于底層函數(shù)的開(kāi)發(fā)。 在過(guò)去的20多年里, 各行各業(yè)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的工程師和科學(xué)家都在使用 LabVIEW 去完成信號(hào)采集、測(cè)量分析、數(shù)據(jù)表示和運(yùn)動(dòng)控制等各方面的任務(wù)，可借助直觀的圖形化編程方式，利用圖標(biāo)和連線，并迅速連接測(cè)量與控制硬件；可集成數(shù)千款硬件設(shè)備，也能通過(guò)數(shù)百個(gè)內(nèi)置函實(shí)現(xiàn)高級(jí)分析和數(shù)據(jù)的可視化，開(kāi)發(fā)出各種測(cè)量、測(cè)試和控制系統(tǒng)。NI LabVIEW平臺(tái)可在多種操作系統(tǒng)中擴(kuò)展。,3.1 LabVIEW的應(yīng)用領(lǐng)域,在世界范圍內(nèi)，汽車(chē)、通信、航空、半導(dǎo)體、電子產(chǎn)品生產(chǎn)、過(guò)程控制與工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器視覺(jué)、光學(xué)、機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)、能源、醫(yī)藥和生物醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域均可通過(guò) LabVIEW 提高應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的效率。其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了從研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)到服務(wù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所有階段。LabVIEW 幫助成千上萬(wàn)個(gè)公司和用戶(hù)邁向成功。,3.2 LabVIEW的適用范圍,（1）LabVIEW用于自動(dòng)化測(cè)試和測(cè)量 LabVIEW可解決被測(cè)物體日益增加的復(fù)雜性和行業(yè)分布的廣泛性的壓力問(wèn)題。從設(shè)計(jì)工作臺(tái)，到實(shí)驗(yàn)室，一直到產(chǎn)品生產(chǎn)線，完成一系列自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量任務(wù)。 （2）LabVIEW用于工業(yè)測(cè)量和控制 LabVIEW為高標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)測(cè)量、自動(dòng)化和控制應(yīng)用提供了無(wú)與倫比的靈活性及易用性。典型應(yīng)用包括：機(jī)器自動(dòng)化，機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控，分布式監(jiān)控和控制，電源監(jiān)控，集成式測(cè)試和控制，硬件在環(huán)(HIL)測(cè)試，以及實(shí)時(shí)測(cè)量與控制。,（3）LabVIEW用于嵌入式設(shè)計(jì)和建模 LabVIEW建模和嵌入式設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)合了現(xiàn)成即用的測(cè)量硬件和LabVIEW RT模塊，可以使用LabVIEW進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等。 （4）LabVIEW是怎樣的一種編程語(yǔ)言？ LabVIEW是一種功能齊全的圖形化編程語(yǔ)言，具有所有通用編程環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)功能，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和事件處理。LabVIEW 還有一個(gè)內(nèi)置編譯器，可在編輯時(shí)間編譯所有代碼。與其他通用編程語(yǔ)言不同的是，LabVIEW專(zhuān)為工程師和科學(xué)家設(shè)計(jì)，其內(nèi)置各種專(zhuān)業(yè)工具軟件包可滿足工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)的需要。因此，Lab