第1章 虛擬儀器概述

虛擬儀器設(shè)計(jì)主講教師：陳慧第1章虛擬儀器概述1.1

虛擬儀器形成背景1.2

虛擬儀器的基本概念1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.5

虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用儀器的發(fā)展歷史第一代儀器：模擬儀器1.1虛擬儀器的形成背景如指針式萬(wàn)用表，它們的基本特征是采用模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)，采用指針顯示結(jié)果。儀器的發(fā)展歷史第二代儀器：數(shù)字化儀器數(shù)字化儀器目前相當(dāng)普及，如數(shù)字電壓表、頻率計(jì)等。這類儀器將模擬信號(hào)的測(cè)量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的測(cè)量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果。儀器的發(fā)展歷史第三代儀器：智能儀器目前，儀器領(lǐng)域正在進(jìn)行第三次儀器革命，這次革命是由通用計(jì)算機(jī)硬軟件技術(shù)的進(jìn)步引起的，這次儀器革命將使儀器形態(tài)進(jìn)入第四個(gè)時(shí)期：虛擬儀器時(shí)代。智能儀器內(nèi)置微處理器，能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，可取代部分腦力勞動(dòng)。它的全部功能全部都是以硬件（或固化的軟件）的形式存在，無(wú)論是開(kāi)發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。第四代儀器：虛擬儀器虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是將來(lái)儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1.2

虛擬儀器的基本概念1.虛擬儀器的定義傳統(tǒng)儀器：特定功能和儀器外觀?；谔摂M儀器的溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)如：虛擬示波器基于虛擬儀器的溫度檢測(cè)與控制虛擬儀器（VI，VirtualInstrument）：是一種以計(jì)算機(jī)和測(cè)試模塊的硬件為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)軟件為核心所構(gòu)成的，并且在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示虛擬的儀器面板，可由用戶軟件來(lái)定義儀器功能的儀器。1986年，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI,NationalInstruments）提出了虛擬儀器（VirtualInstrument）的概念。

同年10月正式發(fā)布圖形化編程的虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件LabVIEW。1990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，相繼推出了基于GPIB總線、PC-DAQ和VXI總線、PXI總線等多種虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)至今經(jīng)歷了將近30年的快速發(fā)展。2.虛擬儀器的特點(diǎn)（1）虛擬儀器的硬件是通用的（包括計(jì)算機(jī)和測(cè)試模塊）；相同的硬件平臺(tái)下，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同的虛擬儀器。（2）良好的人機(jī)界面。

虛擬儀器的面板（或稱軟面板）是虛擬的（通過(guò)“控件”虛擬出面板）；（3）功能強(qiáng)。

虛擬儀器的功能是由用戶軟件定義的。（4）虛擬儀器之“虛擬”含義：（5）因此，軟件是虛擬儀器的核心。NI公司提出“軟件即儀器”（Thesoftwareistheinstrument）。“軟件定義儀器”虛擬儀器面板；軟件實(shí)現(xiàn)儀器功能。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)特點(diǎn)：（1）功能強(qiáng)、性價(jià)比高、開(kāi)放性（可擴(kuò)充性）好；充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬資源。儀器功能可通過(guò)軟件靈活設(shè)計(jì)（基于相同的硬件，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同的虛擬儀器）。儀器升級(jí)方便，性價(jià)比高（一機(jī)多用）?；谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器”。（2）操作方便；通過(guò)圖形用戶界面（GUI）操作虛擬儀器面板。比較內(nèi)容虛擬儀器

傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構(gòu)成軟件和通用硬件。軟件是關(guān)鍵

專用硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期開(kāi)發(fā)時(shí)間短、技術(shù)要求低、系統(tǒng)通用性強(qiáng)開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)要求高、系統(tǒng)功能較專一開(kāi)發(fā)費(fèi)用軟件使得開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低開(kāi)發(fā)與維修開(kāi)銷高技術(shù)更新周期短（1~2年）長(zhǎng)（5~10年）價(jià)格價(jià)格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng)價(jià)格昂貴功能可塑性用戶定義儀器功能，柔性廠商定義儀器功能，剛性系統(tǒng)開(kāi)放性開(kāi)放、靈活，與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展封閉、固定構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)能力易與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互連功能單一的獨(dú)立設(shè)備人機(jī)交互無(wú)限的顯示選項(xiàng)、界面友好有限的顯示選項(xiàng)虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較：1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)由兩部分組成：1、計(jì)算機(jī)可以是筆記本計(jì)算機(jī)、PC機(jī)或工作站；2、儀器硬件：可以是插入式數(shù)據(jù)采集板（含信號(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字I／O、定時(shí)器、D／A轉(zhuǎn)換器等），或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器(如GPIB儀器、VXI儀器、RS－232儀器等)。

2.虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)數(shù)據(jù)采集信號(hào)處理參數(shù)輸入與結(jié)果輸出硬件（電子線路）硬件（電子線路）硬件（旋鈕與顯示器）硬件（配合驅(qū)動(dòng)程序）計(jì)算機(jī)軟件（算法）

計(jì)算機(jī)硬件（虛擬旋鈕與顯示器）傳統(tǒng)儀器虛擬儀器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源3.各部分基本功能虛擬儀器的內(nèi)部功能，可劃分為信號(hào)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、參數(shù)輸入與結(jié)果輸出三大功能模塊。信號(hào)采集與控制主要由虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)，并配合儀器驅(qū)動(dòng)程序共同完成，而數(shù)據(jù)分析與處理、參數(shù)輸入與結(jié)果輸出則主要由用戶應(yīng)用軟件完成。1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)包括I/O接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件三部分2.虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境（1）通用的可視化軟件編程環(huán)境Microsoft公司的VisualC++和VisualBasic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等。（2）專用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟件編程環(huán)境文本編程環(huán)境：NILabWindows/CVI。圖形化編程（G語(yǔ)言）環(huán)境：AgilentVEE、NILabVIEW；其中，LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是目前最流行、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件。非常適于儀器、測(cè)量與控制領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)。虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。1.5

虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用廣泛從軍事到民用；特別是儀器制造業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等領(lǐng)域。測(cè)試測(cè)量工業(yè)自動(dòng)化聲學(xué)測(cè)試設(shè)備測(cè)試工業(yè)自動(dòng)化食品加工汽車測(cè)試生物醫(yī)學(xué)研究控制工程機(jī)器視覺(jué)計(jì)量校準(zhǔn)電子與非電子測(cè)試石油和天然氣工程制藥生產(chǎn)光纖校準(zhǔn)光學(xué)度量和測(cè)定工業(yè)機(jī)器人過(guò)程自動(dòng)化研發(fā)調(diào)試半導(dǎo)體測(cè)試SCADA統(tǒng)計(jì)流程控制通信測(cè)試振動(dòng)測(cè)試晶片傳送手臂機(jī)械制造儀器制造業(yè)傳統(tǒng)儀器制造成本高，中高檔儀器價(jià)格昂貴。虛擬儀器技術(shù)降低了市場(chǎng)門檻。采用虛擬儀器技術(shù)，很多功能可由軟件實(shí)現(xiàn)，可開(kāi)發(fā)出質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的儀器。發(fā)達(dá)國(guó)家的市場(chǎng)退出成本較高，我們及時(shí)進(jìn)入市場(chǎng)，能形成后發(fā)優(yōu)勢(shì)。略過(guò)傳統(tǒng)儀器的發(fā)展階段，迅速進(jìn)入下一代儀器發(fā)展階段，造成儀器技術(shù)的跨躍式發(fā)展態(tài)勢(shì)。工業(yè)自動(dòng)化在完成風(fēng)力渦輪發(fā)電塔的裝載和安裝前，必須對(duì)變速箱的性能進(jìn)行校驗(yàn)，需要采集如振動(dòng)、噪聲、潤(rùn)滑油溫度及齒輪嚙合關(guān)系等數(shù)據(jù)。盲人開(kāi)車美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的9名大學(xué)生設(shè)計(jì)了盲人駕駛系統(tǒng)，利用激光測(cè)距儀作為環(huán)境探測(cè)器，掃描駕駛環(huán)境中的交通路標(biāo)及其它障礙。幫助盲人駕駛員成功地駕駛汽車，控制汽車速度并在行駛時(shí)避免碰撞。家居監(jiān)控機(jī)器人在2010世博會(huì)中展出。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控家居環(huán)境中的各種家電，具有語(yǔ)音和人臉識(shí)別等人機(jī)交互功能，具有雙機(jī)械臂完成一些取物、遞送等任務(wù)，并且可以作為智能輪椅載人移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室需購(gòu)置大量的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，如示波器、萬(wàn)用表、信號(hào)源等，設(shè)備投資大，技術(shù)更新快、維護(hù)困難。利用虛擬儀器技術(shù)，可設(shè)計(jì)出與實(shí)際儀器在原理、功能和操作等方面完全一樣的虛擬儀器，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理成本。全國(guó)虛擬儀器大賽中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)、教育部高等學(xué)校儀器科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主辦，NI公司協(xié)辦/vicontest/大賽分為軟件組和綜合組“2013年第二屆全國(guó)虛擬儀器大賽”獲得了全國(guó)各高校師生的廣泛關(guān)注，共有來(lái)自全國(guó)132所高校的1469支隊(duì)伍報(bào)名參加，涉及全國(guó)27個(gè)省59個(gè)城市。作品涵蓋通信、機(jī)器人、智能家居、醫(yī)療、綠色環(huán)境、建筑監(jiān)測(cè)、汽車等諸多方面的創(chuàng)新應(yīng)用。全國(guó)虛擬儀器大賽參考文獻(xiàn)[1]NI公司網(wǎng)站：[2]趙會(huì)兵.虛擬儀器技術(shù)規(guī)范與系統(tǒng)集成，清華大學(xué)出版社[3]