虛擬儀器概述部分設計

虛擬儀器一、概述二、虛擬儀器技術新進展及其運用三、虛擬儀器實驗環(huán)境引見(另)一、概述1.1、虛擬儀器的演化和開展歷程1.1.1丈量儀器開展階段框圖：

從十九世紀初到二十世紀末，丈量儀器閱歷了模擬儀器、電子儀器、數(shù)字儀器、智能儀器等階段，開展到如今的虛擬儀器。1.1.2傳統(tǒng)儀器構(gòu)成特點傳統(tǒng)儀器包括模擬儀器、電子儀器、數(shù)字儀器、智能儀器這幾個大的方面。第一代：模擬儀器，這類儀器是以電磁感應根本定律為根底的模擬指針試儀表。如指針式萬用表、晶體管電壓表等。第二代：數(shù)字式儀表，這類儀器目前相當普及，如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計等。這類儀器將模擬信號的丈量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號丈量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速呼應和較高準確度的丈量。第三代：智能儀器，這類儀器內(nèi)置微處置器，既能進展自動測試又具有一定的數(shù)據(jù)處置才干，可取代部分腦力勞動，所以習慣上稱為智能儀器。但是它的功能塊全部都是以硬件〔或固化的軟件〕方式存在的，無論是在開發(fā)還是運用中，都缺乏靈敏性。傳統(tǒng)儀器構(gòu)成特點一個獨立的安裝，有一機箱，有操作面板，信號輸入輸出端，還有開關、旋鈕等。檢測結(jié)果輸出的方式有指針式表頭、數(shù)字式和圖形等，能夠還有打印輸出。普通由以下三大功能塊組成：信號的采集和控制信號的分析與處置結(jié)果的表達與輸出功能塊全部都是以硬件(或固化的軟件)的方式存在。這種框架式的構(gòu)造，決議了傳統(tǒng)的儀表只能由儀器廠家來定義、制造，用戶無法改動的現(xiàn)實。1.1.3虛擬儀器(VirtualInstrument)的出現(xiàn)為處理以上各傳統(tǒng)儀器出現(xiàn)的問題，總線式儀器與系統(tǒng)應運而生。這也確定了虛擬儀器、自動測試系統(tǒng)乃至整個測試領域的一個重要開展動向。普通以為，虛擬儀器是在PC根底上經(jīng)過添加相關硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的出現(xiàn)計算機技術和儀器技術結(jié)合：充分利用計算機豐富的軟硬件資源，可以較大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處置、表達、傳送、存儲等方面的限制，到達傳統(tǒng)儀器無法比較的效果。還可以把儀器的三大功能全部放在計算機上實現(xiàn)。在計算機中插入數(shù)據(jù)采集卡，然后，用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進展信號處置分析，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，這就是虛擬儀器。后面詳細引見虛擬儀器的概念以及其特點。1.2、虛擬儀器的概念和特點1.2.1虛擬儀器的概念：

關于虛擬儀器國外專家普通有以下幾種說法：〔1〕虛擬儀器是看起來并在覺得上與物理儀器一樣的軟件包；〔2〕虛擬儀器是由計算機、儀器硬件、固件和運用軟件組成的丈量安裝；〔3〕虛擬儀器通常指利用個人計算機和有關的硬件與〔或〕軟件使之具有傳統(tǒng)獨立儀器功能的組合。美國國家儀器公司(NationalInstrumentsCor-poration,NI)這樣定義，虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng),是一種計算機支配的模塊化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器主要由通用的計算機資源、運用軟件和儀器硬件等構(gòu)成。運用者利用運用軟件將計算機資源和和儀器硬件結(jié)合起來,經(jīng)過友好的圖形界面來操作計算機,完成對測試信號的采集、分析、判別、顯示和數(shù)據(jù)處置等功能。虛擬儀器中的硬件主要用于處理信號的調(diào)理、以及輸入、輸出問題。軟件主要用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取、分析和處置、顯示以及對硬件的控制等功能,這些功能在傳統(tǒng)電子儀器中往往經(jīng)過硬件來實現(xiàn)。軟件即是儀器這是NI公司提出的虛擬儀器理念的中心思想。從這一思想出發(fā)，基于電腦或任務站、軟件和I／O部件來構(gòu)建虛擬儀器。虛擬儀器的中心－－軟件算法替代硬件電路；虛擬儀器=總線模塊＋算法1.2.2虛擬儀器的特點虛擬儀器有以下特點：(1)虛擬儀器的軟件和硬件具有開放性、模塊化、互換性以及可反復運用等特點。(2)在通用硬件平臺搭建后,由軟件來實現(xiàn)詳細的功能,即軟件在虛擬儀器中有重要的作用。(3)虛擬儀器的功能是是由用戶根據(jù)實踐需求經(jīng)過軟件來定義的,而不是事先由儀器廠商定義。(4)虛擬儀器的研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。虛擬儀器的特點(5)虛擬儀器的性價比較高。(6)由于虛擬儀器技術是建立在計算機技術和數(shù)據(jù)采集技術根底上的,因此技術更新較快、本錢較低、測試自動化程序較高,而且可與網(wǎng)絡及其他設備互聯(lián)。(7)虛擬儀器具有友好、靈敏的人機界面,傳統(tǒng)儀器的界面較呆板。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器比較數(shù)據(jù)采集信號處置結(jié)果表達與儀器控制硬件〔電子線路〕硬件〔電子線路〕硬件〔顯示器與旋鈕〕硬件〔電子線路〕計算機軟件〔算法〕計算機硬件〔顯示器與虛擬旋鈕〕傳統(tǒng)儀器虛擬儀器計算機系統(tǒng)資源傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器儀器定義廠家用戶功能設定功能特定，與其它設備連接受到限制。面向應用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可方便地與網(wǎng)絡設備、外設和其它設備連接。關鍵環(huán)節(jié)硬件軟件開放性封閉式系統(tǒng)，功能固定，不能改變?；谟嬎銠C技術的開放式系統(tǒng)，靈活的軟件功能模塊。性能價格比低高，可重復使用。技術更新速度慢（周期5~10年）快（周期1~2年）開發(fā)維護開發(fā)維護費用高軟件結(jié)構(gòu)，節(jié)省費用傳統(tǒng)儀器實例：數(shù)字萬用表FLUKEF189毫伏表VT-181E數(shù)字示波器DPO4034傳統(tǒng)儀器-操作臺面板傳統(tǒng)儀器-內(nèi)部構(gòu)造傳統(tǒng)儀器-內(nèi)部構(gòu)造信號調(diào)理電路虛擬儀器實例：一體化任務站AWS-8248虛擬儀器—數(shù)據(jù)采集卡PCI-6259A/DD/AI/O虛擬儀器—調(diào)理電路調(diào)理電路—底板+插板1.2.3虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器系統(tǒng)主要由計算機、硬件板卡、軟件及附件組成，用戶可以根據(jù)要求,靈敏地構(gòu)建本人的測試儀器(系統(tǒng))，下面是其典型構(gòu)造：虛擬儀器的構(gòu)造層次虛擬儀器的根本構(gòu)造GPIBSerialDAQProcessorUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&DriverSoftwareLabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)的根本構(gòu)成虛擬儀器的架構(gòu)模塊化儀器軟件算法儀器概念的轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)儀器廠商定義功能虛擬儀器用戶定義功能1.2.3虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器的硬件系統(tǒng)：虛擬儀器是基于計算機的丈量設備,其硬件由計算機及I/O接口設備組成，如以下圖。I/O接口設備主要完成輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)/模轉(zhuǎn)換和信號輸出控制等。不同的總線有其相應的I/O接口硬件設備。虛擬儀器的硬件主要有以下幾種構(gòu)成方案：虛擬儀器的硬件構(gòu)成方案(1)基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)：借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與公用的軟件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)，將模擬、數(shù)字信號采集到計算機進展分析、處置、顯示等，并可經(jīng)過輸出實現(xiàn)反響控制。(2)基于通用接口總線GPIB接口的儀器系統(tǒng)：利用GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)技術，由計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為要素呵斥的測試丈量誤差。(3)利用VXI總線儀器實現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)：VXI(VMEbusExtensionforInstrumentation)總線是一種高速計算機總線VME在儀器領域的擴展。由于其規(guī)范開放、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐才干強、定時和同步準確、模塊化設計、構(gòu)造緊湊、運用方便靈敏，已越來越遭到注重。它便于組織大規(guī)模、集成化系統(tǒng)，是儀器開展的一個方向。(4)基于串行口或其它工業(yè)規(guī)范總線的系統(tǒng)：將帶有RS-232總線接口的儀器作為I/O接口設備經(jīng)過RS-232串口總線與PC計算機組成虛擬儀器系統(tǒng)，目前依然是虛擬儀器的構(gòu)成方式之一。當今，PC計算機已更多地采用了USB總線和IEEE4總線。虛擬儀器的軟件系統(tǒng)：根據(jù)儀器的三大功能,設計儀器必需處理好人機接口和機機接口問題,因此虛擬儀器軟件又由兩大部分構(gòu)成,即運用程序和I/O接口儀器驅(qū)動程序。(1)運用程序：①實現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程序；②定義測試功能的流程圖軟件程序。(2)I/O接口儀器驅(qū)動程序：完成特定外部硬件設備的擴展、驅(qū)動與通訊。虛擬儀器可以在一樣的硬件平臺下，經(jīng)過不同測試功能軟件模塊的組合，實現(xiàn)功能完全不同的各種儀器，即虛擬儀器的丈量功能是由軟件編程來實現(xiàn)的。軟件是虛擬儀器的中心，表達了測試技術與計算機技術深層次的結(jié)合。開發(fā)虛擬儀器必需選用適宜的軟件開發(fā)平臺，目前的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺有如下兩類：①基于文本編程言語開發(fā)工具：如VC++,VB,C++Build,LabWindows/CVI及Delphi等。②基于圖像化編程言語開發(fā)工具：如LabVIEW(NI公司)，HPVEE(HP公司)。后面重點引見LabVIEW。二、虛擬儀器技術新進展

及其運用2.1、虛擬儀器技術新進展

虛擬儀器技術的進展分為四個大方面：①總線技術方面②數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處置及傳感器技術方面③丈量技術方面④軟件技術方面虛擬儀器的開展ProcessorUnitUnderTestPXI虛擬儀器的演化2.1.1虛擬儀器在總線技術方面的進展目前，儀器接口總線和計算機技術結(jié)合越來越緊，用于虛擬儀器和測試系統(tǒng)的有GPIB總線、VXI總線技術、PXI總線技術、IEEE4總線和USB等等。GPIB儀器總線曾經(jīng)風行多年，由于它只是8位并行儀器總線，傳輸速率和傳輸間隔有限，曾經(jīng)跟不上當今大規(guī)模自動測試系統(tǒng)的需求。但是采用GPIB總線的儀器或插件依然大量存在，不斷在運用，因此GPIB總線依然是組建中等程度自動測試系統(tǒng)所采用的總線。從事虛擬儀器開發(fā)的廠家也很留意USB通用串行總線和IEEE4通用高速串行總線虛擬儀器的開發(fā)，一是由于虛擬儀器系統(tǒng)主控常采用PC機，而當今PC機曾經(jīng)更多地采用USB總線和IEEE4總線；二是由于USB總線曾經(jīng)得到廣泛的支持。

微軟從Windows98開場全面支持USB1.1總線，WindowsXP支持USB2.0，Sun公司和Digital公司也曾經(jīng)支持USB。但是USB總線只限于用在較簡單的測試系統(tǒng)中。當今用虛擬儀器組建自動測試系統(tǒng)更有出路的是采用IEEE4串行總線，這是由于這種高速串行總線，可以以100、200或400Mb/s的速率傳送數(shù)據(jù)，顯然會成為虛擬儀器開展最有出路的總線。前幾年國際上虛擬儀器所用IEEE4總線的傳送速度的最高記錄曾經(jīng)到達100Mb/s。近幾年也有很大的開展能到達更快速度。2.1.2虛擬儀器在數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處置及傳感器技術方面的進展數(shù)據(jù)采集技術：數(shù)據(jù)采集卡〔DAQ〕開展迅速，A/D,D/A轉(zhuǎn)換技術、儀器放大器、抗混淆濾波器和信號波形處置技術的不斷改良；數(shù)字信號處置技術：數(shù)字信號處置〔DSP〕芯片使高速的數(shù)據(jù)流處置進展優(yōu)化和數(shù)學計算，加強了采集系統(tǒng)的功能，降低本錢，使其具有獨立控制和實時處置的優(yōu)點；傳感器技術：智能傳感器的出現(xiàn)使傳感器具有更強大的功能，計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術的飛速開展使傳統(tǒng)的現(xiàn)場模擬信號通訊方式轉(zhuǎn)為現(xiàn)場級的全數(shù)字信號通訊方式,即傳感器現(xiàn)場級的數(shù)字化信號通訊方式，出現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的傳感器即網(wǎng)絡化傳感器技術。2.1.3虛擬儀器在丈量技術方面的提高近些年來，非電量的電測技術和自動測試技術迅速開展，成為最活潑的丈量技術分支。隨著科學技術的開展，測試、數(shù)據(jù)采集、控制三者之間的界限已模糊不清，丈量、維護、診斷、修繕、數(shù)據(jù)處置/管理一體化的需求日趨迫切，對測試的現(xiàn)場化、遠地化、網(wǎng)絡化需求不斷升溫。隨著要表征的系統(tǒng)的日益復雜，丈量反映在對被測對象的描畫和表示上，也根據(jù)實踐的需求從傳統(tǒng)的數(shù)值加帶方向的誤差值，擴展為還可以由自然言語以及高度籠統(tǒng)的文字或符號來表征。電丈量技術和自動控制技術結(jié)合得越來越嚴密，不僅丈量為控制提供更準確的信息，控制也不斷為丈量的開展注入新的活力。2.1.4虛擬儀器在軟件技術方面的開展①操作系統(tǒng)：目前，具有圖形用戶界面的32位操作系統(tǒng)Windows2000和WindowsXP已成為PC機的主流操作系統(tǒng)。它們是真正的多義務系統(tǒng)，且采用了多線程技術。運用多線程來執(zhí)行程序，可防止基于PC的測試運用軟件與DAQ或規(guī)范接口的獨立儀器通訊時產(chǎn)生擁塞景象。另外可以將用戶界面顯示和數(shù)據(jù)采集分配在不同的線程上，降低數(shù)據(jù)采集與用戶界面顯示之間的干擾，使每個線程獨立地以最快的速度運轉(zhuǎn)，充分提高系統(tǒng)的測試速度。經(jīng)過按時間占用的多少確定線程的優(yōu)先級，同時可以提高系統(tǒng)的呼應速度。②開發(fā)平臺：(1)實現(xiàn)了儀器控制與數(shù)據(jù)采集的完全圖像化編程,設計者無需編寫任何文本方式的代碼。(2)提供了大量的面向測控領域運用的庫函數(shù),如面向數(shù)據(jù)采集的DAQ庫函數(shù)、內(nèi)置GPIB、VXI、串口等數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序;面向分析的高級分析庫,可進展信號處置、統(tǒng)計、曲線擬合以及復雜的分析任務;面向顯示的大量儀器面板,如按鈕、滑尺、二維和三維圖形等。(3)提供了大量與外部代碼或運用軟件進展銜接的機制。(4)具有強大的網(wǎng)絡銜接功能,支持常用網(wǎng)絡協(xié)議,便于用戶開發(fā)各種網(wǎng)絡測控、遠程虛擬儀器系統(tǒng)。(5)LabVIEW運用程序具有可移植性,適用于多種操作系統(tǒng)③驅(qū)動程序1999年NI公司提出了可互換虛擬儀器規(guī)范IVI(Interchangeablevirtualinstruments)。它使儀器在測試系統(tǒng)中可以互換而無需修正軟件，這樣就處理了消除測試冗余、提高測試系統(tǒng)中同類儀器的可互換性等問題；在改換硬件時，軟件不需做太大的修正，大大地簡化了儀器驅(qū)動器的開發(fā)，改良了儀器驅(qū)動程序的編寫質(zhì)量。而且IVI儀器驅(qū)動器與接口總線無關，只與儀器的測試功能有關，這給許多運用領域和工業(yè)部門帶來了實惠，加強了代碼的可重用性。④ActiveX、C/S構(gòu)造、多媒體技術ActiveX是測試行業(yè)的一項關鍵技術。ActiveX是一種封裝模塊，與編程言語無關，能被許多不同言語所調(diào)用。采用這種技術可以在測試系統(tǒng)中調(diào)用各種有用的運用程序，如電子表格Excel和數(shù)學工具MATLAB以提高系統(tǒng)的性能。另外，ActiveX還可以經(jīng)過Internet網(wǎng)實現(xiàn)遠間隔控制。用C/S構(gòu)造模型設計虛擬儀器，不僅可使不同測試子系統(tǒng)之間共享系統(tǒng)資源，并行地進展測試任務，而且可以根據(jù)測試系統(tǒng)的實踐需求，恣意增刪測試子系統(tǒng)的數(shù)目，而無需對測試系統(tǒng)軟件的源代碼進展修正。多媒體技術的開展，也將對虛擬儀器技術的開展產(chǎn)生影響?？梢杂脛赢嫾夹g直觀、逼真地動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)形狀和丈量結(jié)果，可用語音技術實現(xiàn)自動報告測試結(jié)果和報警。2.2、虛擬儀器技術的運用虛擬儀器無處不在。85%的世界500強迫外型企業(yè)曾經(jīng)選擇了虛擬儀器技術，NI提供的1000多款軟硬件產(chǎn)品運用遍及電子、機械、通訊、生物醫(yī)藥、科研、教育等各個行業(yè)領域。(1)消費電子微軟公司運用LabVIEW和PXI模塊化儀器開發(fā)了Xbox和Xbox360手柄的多功能驗證提升了100%。(2)構(gòu)造監(jiān)測為了對東海大橋進展實時可靠的安康監(jiān)測，上海巨一公司運用NI的PXI平臺和動態(tài)采集〔DSA〕設備實現(xiàn)了全橋14個任務站的上千個通道的需求，并經(jīng)過GPS時間信號和PXI背板實現(xiàn)了準確的同步采集規(guī)范。(3)RF與通訊測試上海聚星儀器公司運用NILabVIEW和基于PXI的矢量信號分析儀開發(fā)了業(yè)界性價比最高的GPS多星接納機測試?；谲浖膬?yōu)勢使得系統(tǒng)可以同時仿真多顆衛(wèi)星的信號，使接納機的功能測試更為有效。(4)聲音與振動基于NILabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境配合PXI模塊化硬件平臺，波音公司實現(xiàn)了一個數(shù)量高達600的麥克風陣列。該麥克風陣列可以同步地將飛機飛過區(qū)域時的噪音采集、回溯并對龐大的噪聲數(shù)據(jù)進展處置，然后繪制不同噪聲等級的表示圖，準確地確定噪聲來源。(5)汽車BMW研發(fā)人員和德國MicroNova公司的工程師協(xié)作，選用了基于虛擬儀器技術的NIPXI平臺。針對不同的信號類型和接口功能，運用圖形化LabVIEW軟件對板載FPGA的NI板卡作開發(fā)，并運用于BMW氫能7系發(fā)動機控制器的硬件在環(huán)測試。由于PXI平臺的可擴展性和通用性，該平臺已勝利用于BMW其它不同系列發(fā)動機控制器的硬件在環(huán)測試。(6)軍事Mantech公司選用PXI作為用于美國空軍F-15E和F-16C/D高級戰(zhàn)斗機的測試系統(tǒng)LANTRIN的一部分，勝利將測試系統(tǒng)的體積從7個機架減小到3個機架，體積減小了50%以上，這其中很大部分要歸功PXI儀器的整合才干。(7)航空航天在NILabVIEW平臺下，NASA〔美國航空航天局〕完美地建立了對下一代詹姆士韋伯太空望遠鏡中“微快門〞技術的測試所必需的太空仿真環(huán)境。由于可以很好的控制溫度、壓力條件，還可以把太陽產(chǎn)生的熱擾動要素也思索在內(nèi)。利用LabVIEWFPGA及運動控制技術，可以到達對“微快門〞復雜的開關陣列進展靈敏、可靠的控制，再結(jié)合NI圖像采集與處置技術得出判別結(jié)果。(8)基于GSM/GPS的工程機械遠程監(jiān)控能與上位機通訊，接納并實現(xiàn)上位機的指令，實現(xiàn)有關數(shù)據(jù)的GSM短信收發(fā)和GPS經(jīng)緯度等信息采集的功能。2.3、虛擬儀器的開展趨勢2.3.1網(wǎng)絡化網(wǎng)絡化虛擬儀器是虛擬儀器技術和網(wǎng)絡技術相結(jié)合的產(chǎn)物?；诜植际綔y控系統(tǒng)，因此具備以下功能：(1)支持遠程測控；(2)支持分布式運用；(3)支持異地域數(shù)據(jù)存取；(4)支持異地效力懇求與訪問。其中的根本功能單元，其主要義務是：①數(shù)據(jù)采集和處置；②測試數(shù)據(jù)交換；③測控過程監(jiān)控、缺點診斷；④測試信息存儲。另外一部分通訊網(wǎng)絡包括測試效力器