虛擬儀器介紹

1、1.1 虛擬儀器的基本概念1.2 虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)和類型1.3 虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境1.4 LabVIEW的發(fā)展與應(yīng)用1.5 虛擬儀器的發(fā)展1.6 虛擬儀器的應(yīng)用,第一章 緒 論,,,,,1. 虛擬儀器的基本概念,1.1 虛擬儀器的概念,,,傳統(tǒng)儀器廠商定義功能,虛擬儀器用戶定義功能,,虛擬儀器的概念: 所謂的虛擬儀器，就是在以通用計(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，測試功能由測試

2、軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 這里的“虛擬”有兩層含義： ● 虛擬的儀器面板； ● 由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測量功能（軟件就是儀器）。,,1.1.2 虛擬儀器的功能組成,,1.1.3 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)層次,,1.1.4 VI與傳統(tǒng)儀器的比較,,1.2 虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)和類型,GPIB,Serial,DAQ,ProcessorUnit Under Test,VXI,Image Acquisition,MotionC

3、ontrol,PXI,ApplicationSoftware,Hardware & Driver Software,LabWindows/CVI LabVIEW,虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成,,1.2.1 DAQ儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 典型的DAQ虛擬儀器由四部分構(gòu)成：,現(xiàn)場信號(hào)、傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu),,信號(hào)調(diào)理（放大、過濾等）,,DAQ采集板、卡或盒,,DAQ采集控制軟件,,1.2.2 GPIB儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 典型GPIB儀

4、器由：一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊GPIB接口卡、和若干GPIB儀器通過GPIB電纜連接而成。,,1.2.3 VXI儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 典型VXI儀器有三種不同配置方法： 1. GPIB控制方案；,,2. 嵌入式計(jì)算機(jī)控制方案；,,3. MXI總線控制方案。,,1.2.4 PXI儀器系統(tǒng),1997年9月1日，NI發(fā)布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范——PXI。 PXI是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展 (PCI eXtensions

5、 for Instrumentation), 它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。,,2.4 PXI儀器系統(tǒng)的構(gòu)成,,GPIB,Serial,DAQ,ProcessorUnit Under Test,VXI,Image Acquisition,MotionControl,PXI,ApplicationSoftware,Ha

6、rdware & Driver Software,表1-2 DAQ、GPIB、VUX虛擬儀器系統(tǒng)的比較,,,1.3 虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,目前世界上最具代表性的三個(gè)虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)：LabWindows/CVI, LabVIEW, HP VEE1. LabWindows/CVI LabWindows/CVI是NI公司開發(fā)的交互式C語言開發(fā)平臺(tái)，以標(biāo)準(zhǔn)C語言為基礎(chǔ)，提供了豐富的庫函數(shù)，包括數(shù)據(jù)采集、儀器控制、網(wǎng)絡(luò)通信

7、、用戶界面設(shè)計(jì)等。是熟悉C語言的開發(fā)設(shè)計(jì)人員編寫檢測、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控程序的理想工具。,,2. LabVIEW LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器平臺(tái)（Laboratory Virtual instru-ment Engeneering Workbench）的簡稱,是NI公司的創(chuàng)新產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。 LabVIEW的產(chǎn)生來源于NI公司的創(chuàng)始人特魯查德博士的創(chuàng)新設(shè)想：能否為財(cái)務(wù)人員設(shè)

8、計(jì)的電子表格軟件一樣，為廣大測試工程師和科技人員開發(fā)一個(gè)基于數(shù)據(jù)流圖來設(shè)計(jì)程序的工具軟件。經(jīng)過幾年的研究，在20世紀(jì)80年代中期，首次提出測試軟件由多層虛擬,,虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）構(gòu)成的新概念。一個(gè)VI可以由更底層的多個(gè)VI組成。底層VI代表了最基本的計(jì)算、I/O操作與界面設(shè)計(jì)功能，各層VI有相同的結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)VI都有用戶接口組件。 虛擬儀器模型、圖形界面和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流程圖編程是LabVIEW

9、的三大核心技術(shù)。1990年，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流程圖和虛擬儀器面板獲得兩項(xiàng)美國專利。作為編寫程序的語言，除了編程方式不同， LabVIEW具備編程語言的所有特點(diǎn)，因此被稱為G語言。,,3. HP VEE HP VEE(HP Visual Engineering Environ- ment)是HP公司開發(fā)的用于VI編程的圖形化編程環(huán)境。 與LabVIEW比較類似。,,1.4 LabVIEW的發(fā)展與應(yīng)用,,,,,三步輕松構(gòu)建LabVIE

10、W VI程序。,,,,,,,,,,,,,,1.5 虛擬儀器的發(fā)展,ProcessorUnit Under Test,PXI,虛擬儀器的演變,,,,操作接口,,,,,I/O 接口,InstrumentDriver,,功能接口,,編程接口,1000多種儀器的驅(qū)動(dòng)程序60多個(gè)廠商的產(chǎn)品提供源程序減少開發(fā)時(shí)間,,虛擬儀器的發(fā)展趨勢 下面根據(jù)近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表技術(shù)的發(fā)展情況展望一下虛擬儀器的發(fā)展趨勢。,(1)美國N

11、I公司提出“軟件就是儀器”，儀器=AD/DA+CPU+軟件。儀器硬件開發(fā)技術(shù)將趨于簡單，適用面更廣。但是，儀器軟件的工作量將大幅度增加，儀器的價(jià)值、性能、開發(fā)難度與開發(fā)周期將完全取決于儀器中的軟件部分。,,(3)從VXI總線等的發(fā)展可看出未來在標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化方面會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，影響虛擬儀器的設(shè)計(jì)，降低儀器的支持和維護(hù)成本口。,(2)因特網(wǎng)的廣泛應(yīng)用使分析儀器的遠(yuǎn)程診斷和維修以及遠(yuǎn)程教育成為可能，還會(huì)對(duì)儀器設(shè)計(jì)和使用帶來許多意想不到的新思路

12、。,(4)在編程語言方面，肯定要從C/C++轉(zhuǎn)向網(wǎng)上的世界語—Java語言。,(5)朝小型化、大眾化發(fā)展，就象個(gè)人計(jì)算機(jī)一樣，將出現(xiàn)個(gè)人分析儀器，甚至個(gè)人實(shí)驗(yàn)室。,,1.6 虛擬儀器的應(yīng)用,,,虛擬儀器無處不在。85%的世界500強(qiáng)制造型企業(yè)已經(jīng)選擇了虛擬儀器技術(shù)，NI提供的1000多款軟硬件產(chǎn)品應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、生物醫(yī)藥、科研、教育等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。,,,,(1) 消費(fèi)電子微軟公司使用LabVIEW 和PXI 模塊化儀器開發(fā)

13、了Xbox 和Xbox 360 手柄的多功能驗(yàn)證提升了100%。,,,,(2)結(jié)構(gòu)監(jiān)測 為了對(duì)東海大橋進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的健康監(jiān)測，上海巨一公司使用NI的PXI平臺(tái)和動(dòng)態(tài)采集（DSA）設(shè)備實(shí)現(xiàn)了全橋14個(gè)工作站的上千個(gè)通道的需求，并通過GPS時(shí)間信號(hào)和 PXI背板實(shí)現(xiàn)了精確的同步采集標(biāo)準(zhǔn)。,,,,(3) RF與通信測試 上海聚星儀器公司使用NI LabVIEW和基于PXI的矢量信號(hào)分析儀開發(fā)了業(yè)界性價(jià)比最高的GPS多星接

14、收機(jī)測試?；谲浖膬?yōu)勢使得系統(tǒng)可以同時(shí)仿真多顆衛(wèi)星的信號(hào)，使接收機(jī)的功能測試更為有效。,,,,(4)聲音與振動(dòng) 基于NI LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境配合PXI模塊化硬件平臺(tái)，波音公司實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量高達(dá)600的麥克風(fēng)陣列。該麥克風(fēng)陣列可以同步地將飛機(jī)飛過區(qū)域時(shí)的噪音采集、回溯并對(duì)龐大的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后繪制不同噪聲等級(jí)的示意圖，準(zhǔn)確地確定噪聲來源。,,,,(5)汽車 BMW研發(fā)人員和德國MicroNova

15、公司的工程師合作，選用了基于虛擬儀器技術(shù)的NI PXI平臺(tái)。針對(duì)不同的信號(hào)類型和接口功能，使用圖形化 LabVIEW軟件對(duì)板載FPGA的NI板卡作開發(fā)，并應(yīng)用于BMW氫能7系發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的硬件在環(huán)測試。因?yàn)镻XI平臺(tái)的可擴(kuò)展性和通用性，該平臺(tái)已成功用于 BMW其它不同系列發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)戰(zhàn)斗機(jī)的測試系統(tǒng)L

16、ANTRIN的一部分，成功 將測試系統(tǒng)的體積從7個(gè)機(jī)架減小到3個(gè)機(jī)架，體積減小了50%以上，這其中很大部分要?dú)w功 PXI儀器的整合能力。,,,,(7)航空航天 在 NI LabVIEW 平臺(tái)下，NASA（美國航空航天局）完美地建立了對(duì)下一代詹姆士韋伯太空望遠(yuǎn)鏡中“微快門”技術(shù)的測試所必須的太空仿真環(huán)境。由于能夠很好的控制溫度、壓力條件，還可以把太陽產(chǎn)生的熱擾動(dòng)因素也考慮在內(nèi)。利用LabVIEW FPGA及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，可以達(dá)

17、到對(duì)“微快門”復(fù)雜的開關(guān)陣列進(jìn)行靈活、可靠的控制，再結(jié)合NI圖像采集與處理技術(shù)得出判斷結(jié)果。,,,,(8)基于GSM/GPS的工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控 能與上位機(jī)通信，接收并實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的指令，實(shí)現(xiàn)有關(guān)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。,,,,(9)電泳線控制系統(tǒng) 電泳生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)擬采用DH+為核心的兩級(jí)PLC控制網(wǎng)絡(luò)。其中第一級(jí)是以DH+網(wǎng)，將主PLC、生產(chǎn)線中控PC及上、下料區(qū)PanelView連

18、接在一起的控制層網(wǎng)絡(luò)；第二級(jí)是以遠(yuǎn)程I/O總線，將PLC的遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)（生產(chǎn)線的吊機(jī)）連接在一起的設(shè)備層。在控制層，生產(chǎn)線中控PC通過1784－KT網(wǎng)卡接入DH+網(wǎng)，與生產(chǎn)線現(xiàn)場的主PLC進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。上、下料區(qū)通過PanelView工作站輸入鋁型材的加工處方號(hào)等參數(shù)，完成料架參數(shù)初始化與料架處理結(jié)束的操作。底層設(shè)備控制采用美國AB公司的PLC，上位機(jī)中控系統(tǒng)采用LabWindows/CVI虛擬儀器