傳感器與檢測技術(shù)胡向東第19章課件

第19章虛擬儀器19.1概述19.1.1虛擬儀器的基本概念虛擬儀器就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)虛擬儀器是利用計(jì)算機(jī)顯示器模擬傳統(tǒng)儀器控制面板，以多種形式輸出檢測結(jié)果；利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理；利用I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)VI內(nèi)部功能劃分采集與控制插入式數(shù)據(jù)采集GPIB儀器VXI儀器RS-232儀器數(shù)據(jù)分析數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字濾波統(tǒng)計(jì)數(shù)字分析數(shù)據(jù)表達(dá)網(wǎng)絡(luò)硬拷貝輸出文件I/O圖形用戶接口19.1.2虛擬儀器的構(gòu)成與特點(diǎn)虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)（簡稱硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩個(gè)部分構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺(tái)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測控功能硬件（I/O接口設(shè)備）虛擬儀器的硬件構(gòu)成框圖被測信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡GPIB接口儀器串行接口儀器/PLCVXI模塊LabviewLabwindows其它軟件開發(fā)平臺(tái)PC/工作站信號(hào)調(diào)理GPIB接口卡現(xiàn)場總線設(shè)備其他計(jì)算機(jī)硬件虛擬儀器軟件主要由兩部分組成，即應(yīng)用程序和I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)用程序主要包括實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程序和定義測試功能的流程圖軟件程序I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序主要完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)與通訊最核心的思想：利用計(jì)算機(jī)的硬件/軟件資源，使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化（虛擬化），以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性虛擬儀器開發(fā)所遵從的軟件標(biāo)準(zhǔn)SCPI標(biāo)準(zhǔn)SCIP（standardcommandsforprogrammableinstruments,可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令）標(biāo)準(zhǔn)是自動(dòng)測試領(lǐng)域最重要的軟件標(biāo)準(zhǔn)，它是為了解決程控軟件編程進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化而制定的標(biāo)準(zhǔn)程控語言，由儀器制造商國際協(xié)會(huì)于1990年在IEEE488.2的基礎(chǔ)上提出。VISA標(biāo)準(zhǔn)VISA（virtualinstrumentationsoftwarearchitecture,虛擬儀器軟件體系）標(biāo)準(zhǔn)是虛擬儀器領(lǐng)域最重要的軟件標(biāo)準(zhǔn)。即插即用系統(tǒng)聯(lián)盟于20世紀(jì)90年代提出VXI即插即用標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軟件I/O被稱為VISA，就是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫以及相關(guān)規(guī)范的總稱，是一個(gè)高層API（應(yīng)用程序接口），通過調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)程序來控制儀器。IVI標(biāo)準(zhǔn)IVI（interchangeablevirtualinstrument,可互換虛擬儀器）標(biāo)準(zhǔn)是一組基于狀態(tài)管理的儀器驅(qū)動(dòng)器模型和規(guī)范，由美國NI公司于1998年最先提出，并開發(fā)了基于虛擬儀器軟件平臺(tái)的IVI驅(qū)動(dòng)程序庫。IVI獨(dú)立于儀器硬件，提高了程序代碼的復(fù)用性，大大降低了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)周期，已成為新的儀器驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器的特點(diǎn)

虛擬儀器可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。虛擬儀器憑借計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的限制，增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能在通用硬件平臺(tái)確定后，虛擬儀器可以由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能虛擬儀器的功能可以由用戶根據(jù)需要通過軟件自行定義，而不是由廠家事先定義，增加了系統(tǒng)靈活性儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需要更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，而不需購買新的儀器，節(jié)省了資源研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，可隨計(jì)算機(jī)同步發(fā)展19.1.3虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用工業(yè)自動(dòng)化

儀器產(chǎn)業(yè)改造

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用

19.1.4

虛擬儀器的整體設(shè)計(jì)確定所用儀器或設(shè)備的接口形式確定所選擇的接口卡是否具有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序確定應(yīng)用管理程序的編程語言編寫用戶的應(yīng)用程序調(diào)試運(yùn)行應(yīng)用程序19.1.5虛擬儀器的發(fā)展方向虛擬儀器的發(fā)展方向主要有兩個(gè)：一是GPIB-VXI-PXI總線方式，適用于大型高精度的集成系統(tǒng)，成本高；一是PC插卡式-并口式-USB串口方式，適用于普及型系統(tǒng)，成本相對(duì)廉價(jià)、應(yīng)用空間廣泛。由于虛擬儀器系統(tǒng)都是將傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換卡等硬件搭載到便攜式PC、臺(tái)式PC或工作站等計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，再配合相應(yīng)的應(yīng)用軟件，所以虛擬儀器系統(tǒng)的發(fā)展完全和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展同步，顯示出強(qiáng)大的生命力，已成為工業(yè)測控系統(tǒng)發(fā)展的必然方向19.2虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

19.2.1LabWindows/CVI

是美國NI公司開發(fā)的32位面向計(jì)算機(jī)測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺(tái)，可以在多種操作系統(tǒng)（如Windows98/NT

/2000/XP，MaoOS和UNIX）下運(yùn)行以ANSI為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來它的集成化開發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能，為熟悉C語言人員提供了一個(gè)理想的開發(fā)檢測、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控等系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI編程環(huán)境

菜單區(qū)編譯區(qū)函數(shù)庫區(qū)工程列表區(qū)用LabWindows/CVI設(shè)計(jì)虛擬儀器的步驟

制定程序的基本方案根據(jù)任務(wù)確定程序的基本框架、程序界面、程序中所需的函數(shù)等。創(chuàng)建用戶圖形界面根據(jù)第一步制定的方案創(chuàng)建用戶圖形及回調(diào)函數(shù)名。創(chuàng)建工程文件并運(yùn)行把頭文件、用戶圖形界面文件、源代碼文件添加到工程文件中去，完成整個(gè)程序的編制。編譯，調(diào)試程序。程序源代碼的編制計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成程序代碼及回調(diào)函數(shù)的基本框架。添加函數(shù)代碼，完成源代碼的編制工作。19.2.2LabVIEW提供了一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，使用圖形化編程語言（G語言）編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖形式，有一個(gè)可完成多種編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫采用LabVIEW編程的應(yīng)用程序，通常被稱為虛擬儀器程序（VirtualInstruments），簡稱虛擬儀器（VIs）。它主要由前面板（FrontPanel）、框圖程序（BlockDiagram）以及圖標(biāo)和連結(jié)器窗格（IconandConnector）三部分組成LabVIEW的編程環(huán)境

LabVIEW是一個(gè)多功能的集成編程環(huán)境主要由前面板窗口和框圖程序窗口組成前面板窗口用于編輯和顯示前面板對(duì)象框圖程序窗口用于編輯和顯示框圖程序（程序代碼）兩個(gè)窗口都由相應(yīng)菜單和工具欄組成，其中菜單是相同的，框圖程序窗口的工具欄增加了用于程序調(diào)試的按鈕LabVIEW程序設(shè)計(jì)的一般過程

一個(gè)完整的VI程序由3部分組成：前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接口，因此一個(gè)VI程序設(shè)計(jì)主要包括前面板的設(shè)計(jì)、框圖程序的設(shè)計(jì)以及程序的調(diào)試根據(jù)實(shí)際中的儀器面板以及該儀器所能實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計(jì)前面板。前面板主要由輸入控制器（Control）和輸出指示器（Indicator）組成。用戶可以利用控制模板以及工具模板來添加輸入控制器和輸出指示器使用控制器可以輸入數(shù)據(jù)到程序中，而指示器則可用來顯示程序產(chǎn)生的結(jié)果19.3虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)19.3.1基于LabWindows/CVI的數(shù)據(jù)采集

LabWindows/CVI獲取數(shù)據(jù)的方法是通過對(duì)I/O接口設(shè)備