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虚拟仪器技术 主讲:吴志雄 1.1 虚拟仪器的基本概念 1. 虚拟仪器的定义 传统仪器:特定功能和仪器外观。 虚拟仪器(VI,Virtual Instrumentation):是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的,并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板,以及由计算机所完成的仪器功能,这些功能都可由用户软件来定义的计算机仪器。 如:虚拟示波器 虚拟数字电压表 基于虚拟仪器的 温度检测与控制 2. 虚拟仪器的特点 从虚拟仪器的组成结构上来看: (1)虚拟仪器的硬件是通用的(包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件); (2)良好的人机界面。虚拟仪器的面板(或称软面板)是虚拟的(通过“控件”虚拟出面板); (3)功能强。虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。 (4)虚拟仪器之“虚拟”含义: 虚拟仪器面板; 软件实现仪器功能。如:基于高速数据采集硬件,通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。 (5)因此,软件是虚拟仪器的核心,美国国家仪器(NI)有限公司 提出“软件即仪器”(The software is the instrument)。 与传统仪器相比: 1.2 虚拟仪器的形成和发展 (1)电子测量仪器(Electronic Instruments)及自动测试系统(Automatic Test System, ATS)的发展 (2)虚拟仪器是技术发展的结果 计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子技术的发展,及其在电子测量技术与仪器领域中的应用,使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现,仪器与系统的结构不断推陈出新,电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化,功能与性能得到不断提高。 计算机(PC机)处于核心地位,计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。 在上述的背景下,提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。 1986年,美国国家仪器公司(NI, National Instrument)提出了虚拟仪器(Virtual Instrumentation)的概念。 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术。 (3)虚拟仪器技术的发展与展望 虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物。多门学科多种技术的融合,如测试技术、计算机技术、软件技术、数字信号处理、总线与接口、网络与通信、传感技术、光电技术、微机械技术等。 (1)新的总线技术的应用(如HS488,1394b等)。 (2)速度不断提高。 (3)智能化、模块化、集成化是硬件发展的主流。 (4)软件技术。第一是软件标准化问题;第二是如何利用各种软件开发环境及工具,编制出符合标准的应用软件。 (5)网络化仪器系统。 (6)应用范围更加广泛。 1.3 虚拟仪器的系统结构 1. 虚拟仪器系统组成及各部分基本功能 (1)虚拟仪器的系统构成 硬件和软件两大部分构成。 硬件是基础,软件是核心。 说明:虚拟仪器的硬件 NI的DAQ及VXI产品示例 PXI产品 (2)各部分基本功能 虚拟仪器的内部功能,可划分为信号采集与控制、数据分析与处理、结果表示与输出三大功能模块。 信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台,并配合仪器驱动程序共同完成,而数据分析与处理、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。 2. 虚拟仪器的通用硬件平台 (1)通用硬件平台的基本功能 信号采集(模拟、数字输入); 信号产生(模拟、数字输出); 信号调理(信号幅度、频率、驱动、隔离等); 定时与计数; 大容量数据存储。 实时信号处理。 总线与通信。 (2)通用硬件平台的组成 3. 虚拟仪器通用硬件平台的构成形式 通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备(分立式或模块式仪器),主要有PC总线的数据采集模块(PC-DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型,或多种类型的组合。 1.4 虚拟仪器的软件系统 1. 虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器系统的软件结构包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。 2. 虚拟仪器软件开发平台 (1)虚拟仪器软件框架结构 (2)通用的可视化软件编程环境 Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C++ Builder等。 (3)专用于虚拟仪器开发的软件编程环境 图形化编程(G语言)环境:Agilent VEE、NI LabVIEW; 文本编程环境:NI LabWindows/CVI。 其中,LabVIEW是目前最流行、应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。 非常适
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