《機械工程測試技術》配套PPT課件,機械工程測試技術,機械工程,測試,技術,配套,PPT,課件 第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 1第第1111章章 虛擬儀器概述虛擬儀器概述本章概述本章概述11.1 11.1 虛擬儀器的基本概念虛擬儀器的基本概念11.2 11.2 虛擬儀器的系統結構虛擬儀器的系統結構 11.3 11.3 虛擬儀器的軟件系統虛擬儀器的軟件系統 11.4 11.4 虛擬儀器系統設計及系統集成虛擬儀器系統設計及系統集成 11.5 11.5 虛擬儀器技術應用及發(fā)展虛擬儀器技術應用及發(fā)展 第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 211.1.1 虛擬儀器形成的背景虛擬儀器形成的背景 電子測量儀器(Electronic Instruments)及自動測試系統(Automatic Test System,ATS)的發(fā)展電子側量儀器發(fā)展至今，大體可分為四代:模擬儀器、分立元件儀器、數字化儀器、智能儀器和虛擬儀器.1.1 虛擬儀器的概念虛擬儀器的概念第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 3 (1)第一代模擬儀器 這類儀器在某些實驗室仍能看到，是以電磁感應荃本定律為基礎的指針式儀器，如指針式萬用表、指針式電壓表、指針式電流表等，這類指針式儀器借助指針來顯示鼓終結果。(2)第二代分立元件式儀器 當20世紀50年代出現電子管、60年代出現晶體管時，便產生了以電子管或晶體管電子電路為基礎的第二代側試儀器分立元件式儀表。(3)第三代數字化儀器 20世紀70年代，隨著集成電路的出現，誕生了以集成電路芯片為鑒礎的第三代儀器數字式儀器。這類儀器目前相當普及，如數字電壓表、數字頻率計等。這類儀器將模擬信號的測量轉化為數字信號測量，并以數字方式輸出址終結果.適用于快速響應和較高準確度的測量。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 4（4）第四代智能儀器 隨著微電子技術的發(fā)展和微處理器的普及，以微處理器為核心的第四代儀器智能式儀表迅速普及。這類儀器內置微處理器，既能進行自動側試，又具有一定的數據處理功能，可取代部分腦力勞動，習慣上稱為智能儀器。其缺點是它的功能塊全部都是以硬件(或固化的軟件)的形式存在，無論是開發(fā)還是應用，都缺乏靈活性。目前，微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，測試技術與計算機深層次的結合正引起測試儀器領域里一場新的革命，一種全新的儀器結構概念導致了新一代儀器虛擬儀器的出現，它是現代計算機技術、通信技術和測量技術相結合的產物，是傳統儀器觀念的一次巨大變革.是儀器產業(yè)發(fā)展一個重要方向。它的出現使得人類的測試技術進入了一個新的發(fā)展紀元。國際上從1988年開始陸續(xù)有虛擬儀器產品面市，當時有家制造商推出30種產品，此后，虛擬儀器產品迅速增加。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 5a.英國國家物理實驗室（NPL）定義（http:/www.npl.co.uk）虛擬儀器是在通用計算機（如PC機、Mac或工作站）中加上軟件和/或硬件，并使用計算機屏幕提供儀器虛擬界面的可重用測量儀器。b.NI公司的定義（http:/）虛擬儀器就是在通用計算機上加上一組軟件和或硬件，使用者在操作這臺計算機時，就象是在操作一臺他自己設計的專用電子儀器。虛擬儀器是一種軟件定義的系統，基于用戶需求的軟件定義了一般測量硬件的功能。c.VXIplug&play規(guī)范定義（http:/www.vxipnp.org）實現傳統分立儀器功能的一組軟件模塊，也包括與其相關或必須的硬件資源。11.1.2虛擬儀器的基本概念虛擬儀器的基本概念第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 611.1.2虛擬儀器的基本概念虛擬儀器的基本概念傳統儀器：特定功能和儀器外觀。虛擬儀器（VI，Virtual Instrumentation）：是一種以計算機和測試模塊的硬件為基礎、以計算機軟件為核心所構成的，并且在計算機顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計算機所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來定義的計算機儀器。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 7如：虛擬示波器第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 8虛擬數字電壓表基于虛擬儀器的 溫度檢測與控制第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 9“虛擬”主要包含以下兩方面的含義。虛擬的虛擬儀器的面板 虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的。如由各種開關、按鍵、顯示器等實現儀器電源的“通”、“斷”，被測信號“輸入通道”、“放大倍數”等參數設置，測量結果的“數值顯示”、“波形顯示”等。傳統儀器面板上的器件都是實物，而且是用手動和觸摸進行操作的，而虛擬儀器面板控件是外形與實物相像的圖標，通、斷、放大等對應著相應的軟件程序。這些軟件已經設計好了，用戶不必設計，只需選用代表該種軟件程序的圖形控件即可，由計算機的鼠標來對其進行操作。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 10 設計虛擬面板的過程就是在面板設計窗口中擺放所需的控件，然后編寫相應的程序。大多數初學者可以利用虛擬儀器的軟件開發(fā)工具，如LabWindows/CVI,LabVIEW等編程語言，在短時間內輕松完成美觀而又實用的虛擬儀器前面板的設計。由軟件編程來實現的虛擬儀器測量功能 在以PC為核心組成的硬件平臺支持下，虛擬儀器不僅可以通過軟件編程設計來實現儀器的測試功能，而且可以通過不同測試功能的軟件模塊的組合來實現多種測試功能。因此在硬件平臺確定后有“軟件就是儀器軟件就是儀器”的說法。這也體現了測試技術與計算機技術深層次的結合 第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 1111.1.3.虛擬儀器的特點虛擬儀器的特點從虛擬儀器的組成結構上來看：（1）虛擬儀器的硬件是通用的（包括通用計算機硬件平臺和通用的測量功能硬件）；（2）良好的人機界面。虛擬儀器的面板（或稱軟面板）是虛擬的（通過“控件”虛擬出面板）；（3）功能強。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：虛擬儀器面板；軟件實現儀器功能。如：基于高速數據采集硬件，通過計算機軟件編程可實現“虛擬示波器”、“虛擬頻譜儀”、“虛擬交流數字電壓表”、“虛擬頻率計”、“虛擬相位計”等不同儀器。（5）因此，軟件是虛擬儀器的核心，NI 提出“軟件即儀器”（The software is the instrument）。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 12比比較較內容內容虛虛擬儀擬儀器器 傳統儀傳統儀器器系系統統構成構成軟軟件和通用硬件。件和通用硬件。軟軟件是關件是關鍵鍵 專專用硬件系用硬件系統統開開發(fā)發(fā)周期周期開開發(fā)時間發(fā)時間短、技短、技術術要求低、系要求低、系統統通用性通用性強強開開發(fā)時間長發(fā)時間長、技、技術術要要求高、系求高、系統統功能功能較較專專一一開開發(fā)費發(fā)費用用軟軟件使得開件使得開發(fā)發(fā)和和維護費維護費用降至最用降至最低低開開發(fā)發(fā)與與維維修開修開銷銷高高技技術術更新周期更新周期短（短（12年）年）長長（510年）年）價格價格價格低、可復用與可重配置性價格低、可復用與可重配置性強強價格昂價格昂貴貴功能可塑性功能可塑性用用戶戶定定義儀義儀器功能，柔性器功能，柔性廠商定廠商定義儀義儀器功能，器功能，剛剛性性系系統統開放性開放性開放、靈活，與開放、靈活，與計計算機技算機技術術同步同步發(fā)發(fā)展展封封閉閉、固定、固定構成復構成復雜雜系系統統能力能力易與網易與網絡絡及其他周及其他周邊設備邊設備互互連連功能功能單單一的獨立一的獨立設備設備人機交互人機交互無限的無限的顯顯示示選項選項、界面友好、界面友好有限的有限的顯顯示示選項選項虛擬儀器與傳統儀器的比較：虛擬儀器與傳統儀器的比較：第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 1311.2 虛擬儀器的系統結構虛擬儀器的系統結構11.2.1 虛擬儀器系統組成及各部分基本功能虛擬儀器系統組成及各部分基本功能（1）虛擬儀器的系統構成硬件和軟件兩大部分構成。硬件是基礎，軟件是核心。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 14（2）各部分基本功能虛擬儀器的內部功能，可劃分為信號采集與控制、數據分析與處理、結果表示與輸出三大功能模塊。信號采集與控制主要由虛擬儀器的通用硬件平臺，并配合儀器驅動程序共同完成，而數據分析與處理、結果表達與輸出則主要由用戶應用軟件完成。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 15（2）通用硬件平臺的組成第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 16PXI機箱和模塊機箱和模塊PXI:PCI總線在儀器領域的擴展總線在儀器領域的擴展第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 17（1）基于PC總線的虛擬儀器內置PC總線（如ISA、PCI、PC/104）的通用數據采集卡（DAQ，Data AcQuisition）。（2）基于GPIB通用接口總線的虛擬儀器國際標準（IEEE488.1和IEEE488.2），技術成熟；但其數據傳輸速度一般低于500Kb/s，對測試速度要求很高的場合不太適用。（3）基于VXl總線的虛擬儀器具有模塊化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI儀器的互換性和互操作性。但價格相對較高，適合于高端的測試領域。（4）基于PXI總線的虛擬儀器兼容PCI總線產品。集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性價比最好。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 1811.3 虛擬儀器的軟件系統虛擬儀器的軟件系統11.3.1.虛擬儀器的軟件結構虛擬儀器的軟件結構 虛擬儀器軟件由兩大部分構成。(1)應用程序 應用程序含兩個方面:.實現虛擬面板功能的前面板軟件程序:.定義測試功能的流程圖軟件程序。(2)I/O接口儀器驅動程序 .I/O接口儀器驅動程序完成特定外部硬件設備的擴展、驅動與通信。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 1911.3 虛擬儀器的軟件系統虛擬儀器的軟件系統 測控軟件一般包括：用戶界面、程序控制、數據采集和數據分析4部分第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 20這些軟件開發(fā)工具為用戶設計虛擬儀器應用軟件這些軟件開發(fā)工具為用戶設計虛擬儀器應用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的提供了最大限度的方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。本書介紹的是開發(fā)環(huán)境。本書介紹的是LabWindows/CVI編編程語言。程語言。軟件開發(fā)環(huán)境：軟件開發(fā)環(huán)境：通用軟件開發(fā)環(huán)境，包括各種版本的通用軟件開發(fā)環(huán)境，包括各種版本的C/C+（包括（包括Visual C+、Borland C+Builder等），等），Visual Basic，Delphi，Java，Visual S等（等（文本式編程語言）測控專用軟件開發(fā)環(huán)境，測控專用軟件開發(fā)環(huán)境，LabVIEW、HPVEE Agilent VEE（圖形化編程語言），LabWindows/CVI、等、等其它測控軟件工具（如其它測控軟件工具（如NI公司的公司的ComponentWorks、HIQ、SPC Toolkit、SQL Toolkit等，等，Agilent公司的公司的T&M Programmers Toolkit等，以及其他廠商的等，以及其他廠商的ActiveX控件等）控件等）第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 21影響最大的虛擬儀器編程語言是美國NI公司的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbanch)和LabWindows/CVI(C for Virtual Instruments)。LabWindows/CVI是美國NI公司所提供的一套優(yōu)秀的開發(fā)平臺。它以C語言為核心，將計算機軟件設計平臺與數據的采集分析處理及結果表達等儀器專業(yè)工具有機地結合起來，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統、測量系統、數據采集系統及過程監(jiān)控系統等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 22NI公司還推出了用于數據采集、自動測試、工業(yè)控制與自動化等領域的多種設備驅動軟件和應用軟件，如：LabVIEW的實時應用版本LabVIEW RT；工業(yè)自動化軟件BridgeVIEW；工業(yè)組態(tài)軟件Lookout；基于Excel的測量與自動化軟件Measure；即時可用的虛擬儀器平臺VirtualBench；生理數據采集與分析軟件Biobench；測試執(zhí)行與管理軟件TestStand；還包括NI-488.2、NI-VISA、NI-VXI、NI-DAQ、NI-IMAQ、NI-CAN、NI-FBUS等設備驅動軟件；以及各種LabVIEW和LabWindows/CVI的增值軟件工具包。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 2311.4 虛擬儀器系統設計及系統集成虛擬儀器系統設計及系統集成11.4.1.虛擬儀器系虛擬儀器系統的設計過程統的設計過程主要包括測試需求分析、系統總體方案設計、系統硬件設計、系統軟件設計、系統集成及系統調試等。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 24（1）測試需求分析）測試需求分析分析被測參數的形式（電量還是非電量、數字量還是模擬量）、范圍（幅度、頻率）和數量（通道數），激勵信號的形式和范圍要求；性能指標（測量精度、速度）要求；功能（用戶接口界面、數據分析與處理、存儲與顯示、外部通信接口等）要求。（2）系統總體方案設計）系統總體方案設計根據測試任務要求，確定測試方法；系統組成結構設計。（3）系統硬件設計）系統硬件設計自制或購買；硬件系統集成。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 25（4）系統軟件設計）系統軟件設計選擇軟件開發(fā)環(huán)境；底層驅動設計；上層應用軟件設計（用戶界面設計、測量數據分析與處理、算法設計、測量結果表達）。（5）軟硬件集成與調試）軟硬件集成與調試功能測試；指標測試；系統優(yōu)化。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 2611.5 虛擬儀器技術應用及發(fā)展虛擬儀器技術應用及發(fā)展11.5.1.應用廣泛應用廣泛從軍事到民用；從軍事到民用；特別是儀器、測量與控制、自動化等領域。特別是儀器、測量與控制、自動化等領域。測試測量測試測量工業(yè)自動化工業(yè)自動化聲學測試聲學測試設備測試設備測試工業(yè)自動化工業(yè)自動化食品加工食品加工汽車測試汽車測試生物醫(yī)學研究生物醫(yī)學研究控制工程控制工程機器視覺機器視覺 計量校準計量校準電子與非電子電子與非電子測試測試石油和天然氣石油和天然氣工程工程制藥生產制藥生產光纖校準光纖校準光學度量和測光學度量和測定定工業(yè)機器人工業(yè)機器人過程自動化過程自動化研發(fā)調試研發(fā)調試半導體測試半導體測試SCADASCADA統計流程控統計流程控制制通信測試通信測試振動測試振動測試晶片傳送手臂晶片傳送手臂機械制造機械制造第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 2711.5.2 虛擬儀器是技術發(fā)展的結果虛擬儀器是技術發(fā)展的結果計算機技術、軟件技術、總線技術、網絡技術、微電子技術的發(fā)展，及其在電子測量技術與儀器領域中的應用，使新測試理論、測試方法、測試技術不斷出現，儀器與系統的結構不斷推陳出新，電子測量儀器及自動測試系統的結構也發(fā)生了質的變化，功能與性能得到不斷提高。計算機（PC機）處于核心地位，計算機軟件技術和儀器與測試系統更緊密結合成了一個有機整體。在上述的背景下，提出了全新概念的儀器虛擬儀器。1986年，美國國家儀器公司（NI,National Instrument）提出了虛擬儀器（Virtual Instrumentation）的概念。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 281990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認可和應用，相繼推出了基于GPIB總線（General Purpose Interface Bus）、PC-DAQ（Data Acquisition）和VXI總線（VMEbus eXtension for Instrumentation，1987年）、PXI總線（PCI eXtension for Instrumentation，1997年）等多種虛擬儀器系統。虛擬儀器軟件采用面向對象和可視化編程技術。底層驅動和上層應用軟件融為一體。虛擬儀器軟件的標準化：VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年）和VISA（Virtual Instrument Software Architecture,虛擬儀器軟件體系結構）。IVI（Interchangeable Virtual Instruments，可互換式虛擬儀器，1997年）。第第1111章章 虛擬儀器虛擬儀器概述概述 2911.5.2 虛擬儀器技術的發(fā)展與展望虛擬儀器技術的發(fā)展與展望虛擬儀器技術是計算機技術與測試技術相結合的產物。多門學科多種技術的融合，如測試技術、計算機技術、軟件技術、數字信號處理、總線與接口、網絡與通信、傳感技術、光電技術、微機械技術等。（1）新的總線技術的應用（如HS488，USB，1394b等）。（2）速度不斷提高。（3）智能化、模塊化、集成化是硬件發(fā)展的主流。（4）軟件技術。第一是軟件標準化問題；第二是如何利用各種軟件開發(fā)環(huán)境及工具，編制出符合標準的應用軟件。（5）網絡化儀器系統。（6）合成儀器將大量出現。