哈工大虛擬儀器教學(xué)1資料

1、虛擬儀器軟件設(shè)計Virtual Instrumentation Software DesignEmail: Tel: 86413532/33 ext. 517ffice: 科學(xué)(kxu)園2A棟517房間付 寧 副教授自動化測試(csh)與控制研究所共三十五頁2第一部分：虛擬儀器技術(shù)概述 (2學(xué)時(xush)第二部分：虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境 LabWindows/CVI教程 (16學(xué)時)第三部分：圖形化編程環(huán)境 LabVIEW教程 (10學(xué)時)實驗 (12學(xué)時，兩次)Contents共三十五頁C語言程序設(shè)計軟件虛擬儀器的核心硬件設(shè)計中的應(yīng)用工程軟件基礎(chǔ)(jch)計算機基

2、礎(chǔ)數(shù)字信號處理自動測試系統(tǒng)Backgrounds3共三十五頁虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabWindows/ CVI 6.0編程指南機械工業(yè)出版社虛擬儀器設(shè)計基礎(chǔ)教程清華大學(xué)出版社LabWindows/CVI開發(fā)(kif)入門和進階北京航空航天大學(xué)出版社LabVIEW大學(xué)實用教程電子工業(yè)出版社References4共三十五頁機房授課(shuk)安排地點：G601時間：第28周 周三，78節(jié) 周五，78節(jié)實驗安排地點：科學(xué)園2A棟715室時間：第1011周 周五和周六，510節(jié) (待定)Arrangement5共三十五頁軟件設(shè)計作業(yè) 30%（三次，每次10%）基于硬件平臺的軟件設(shè)計實驗 20%（兩次，

3、每次10%，含實驗報告）期末考試(q m ko sh) 40%平時出勤 10%Checking6共三十五頁第一章虛擬儀器技術(shù)(jsh)概述Overview of Virtual Instruments7共三十五頁主要(zhyo)內(nèi)容1.1 虛擬儀器的產(chǎn)生1.2 虛擬儀器的概念1.3 虛擬儀器的發(fā)展歷程1.4 虛擬儀器的組成及分類1.5 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.6 虛擬儀器的特點1.7 虛擬儀器設(shè)計(shj)的關(guān)鍵1.8 虛擬儀器的發(fā)展趨勢8共三十五頁傳統(tǒng)(chuntng)儀器1.1 虛擬儀器的產(chǎn)生(chnshng)9共三十五頁傳統(tǒng)儀器在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)代(xindi)測控不僅僅要求單臺儀器進行

4、測量，要求多臺儀器數(shù)據(jù)共享，多臺儀器的測試結(jié)果綜合分析處理問題？ 占空間大 多臺儀器怎么同時觸發(fā)？ 測試(csh)速度慢 測試結(jié)果怎么共享？ 測試結(jié)果綜合分析，怎么做？ 每臺儀器都有顯示器、按鍵，冗余儀器領(lǐng)域的現(xiàn)實需求1010共三十五頁計算機技術(shù)的進步為新型儀器提供了基礎(chǔ)計算機技術(shù)(jsh)和電子技術(shù)(jsh)的進步改變了傳統(tǒng)的設(shè)計思想，許多過去由硬件實現(xiàn)的功能可以由軟件實現(xiàn)專業(yè)化的設(shè)計軟件為高效、易用的儀器軟件開發(fā)提供了工具計算機技術(shù)儀器虛擬儀器11共三十五頁12虛擬(xn)示波器操作界面數(shù)據(jù)采集模擬信號數(shù)字信號信號處理結(jié)果表達硬件(yn jin)(電子線路)傳統(tǒng)儀器硬件(電子線路)硬件(顯

5、示器)硬件(電子線路)虛擬儀器計算機硬件及軟件共三十五頁a. 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（）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(shè)計的專用電子儀器虛擬儀器是一種軟件定義的系統(tǒng)，基于用戶需求的軟件定義了一般測量硬件(yn jin)的功能c. VXIplug&play規(guī)范定義（）實現(xiàn)傳統(tǒng)分立儀器功能的一組軟件模塊，也包括與其相關(guān)或必須的硬件資源1.2 虛擬

6、儀器的概念(ginin)13共三十五頁“虛擬”的含義： 虛擬儀器面板軟件實現(xiàn)儀器功能。比如：同一塊數(shù)據(jù)采集硬件(yn jin)，通過計算機軟件編程，可實現(xiàn)“示波器”“頻譜儀”“電壓表”“頻率計”等不同的儀器。甚至用戶還可以自己編程實現(xiàn)一些特定的功能。NI：“軟件就是儀器！”（20世紀80年代）14共三十五頁 第一階段：利用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能使用通訊(tngxn)總線（GPIB等）控制臺式儀器1.3 虛擬儀器的發(fā)展(fzhn)歷程15GPIB: General-Purpose Interface Bus共三十五頁 第二階段：開放式的儀器(yq)構(gòu)成出現(xiàn)了插卡式儀器和儀器總線(VXI&PXI

7、)，計算機成為儀器的重要組成部分16 插卡式儀器(yq)ISA卡(1984年)PCI卡(1991年)共三十五頁 第二階段：開放式的儀器構(gòu)成(guchng)出現(xiàn)了插卡式儀器和儀器總線(VXI&PXI)，計算機成為儀器的重要組成部分17 插卡式儀器的局限 沒有儀器專用的觸發(fā)信號和高精度時鐘 計算機機箱環(huán)境(hunjng)不好 低端儀器共三十五頁VXI機箱和模塊VXI: VME總線在儀器領(lǐng)域的擴展18 VXI總線(zn xin)儀器（1987年）真正的虛擬儀器零槽控制器共三十五頁19 VXI總線(zn xin)儀器（1987年） 優(yōu)勢： 每臺儀器共用機箱電源、計算機顯示器 節(jié)省空間，減少冗余 抗震性

8、好，電磁兼容性好 高端虛擬儀器，適合(shh)應(yīng)用于自動測試系統(tǒng) 缺陷： 成本高 總線速度慢 體積相對大共三十五頁PXI機箱和模塊PXI: CPCI總線在儀器領(lǐng)域的擴展20PXIe機箱和模塊(m kui) PXI及PXIe總線(zn xin)儀器（1997年, 2005年）嵌入式控制器(1994年)共三十五頁21共三十五頁 LXI LAN eXtensions for Instrumentation （2005年）22共三十五頁參照規(guī)范IEEE 802.3（以太網(wǎng)）TCP/IPWeb 瀏覽器XMLIVI-COM 驅(qū)動程序IEEE 1588 精密定時協(xié)議（PTP）機械尺寸標(biāo)準(biozhn)19

9、機柜模塊化結(jié)構(gòu)（1U4U高度 ，全寬或半寬）信號線從前面板接入，電源線、觸發(fā)和網(wǎng)線從后面板接入23共三十五頁24 實際應(yīng)用(yngyng)中：混合總線共三十五頁25 虛擬儀器發(fā)展歷程儀器(yq)總線的歷史GPIBVMEISAPCICPCIPCIeVXIPXIPXIe197219811984198719911994199720022005儀器(yq)總線計算機總線LXI共三十五頁 虛擬儀器的組成 按照虛擬儀器的組成劃分，它可以分為計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件三個部分。計算機：提供虛擬儀器通用平臺，數(shù)據(jù)存儲，顯示等儀器硬件：獲取被測信號，產(chǎn)生激勵信號等應(yīng)用軟件：控制數(shù)據(jù)采集(cij)、控制、分析、處

10、理和顯示等，是虛擬儀器的關(guān)鍵 261.4 虛擬儀器的組成(z chn)及分類共三十五頁按照虛擬儀器的功能劃分，可以分為如下三部分：數(shù)據(jù)采集(cij)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表達虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分27共三十五頁標(biāo)準I/O硬件（如串行口、PCI/ISA擴展槽或其它硬件標(biāo)準）用戶界面，特別是圖形用戶界面（GUI）通用軟件執(zhí)行平臺，如操作系統(tǒng)和各種動態(tài)連接庫和其它計算機和設(shè)備連網(wǎng)，用于分布式測控互聯(lián)網(wǎng)，為用戶提供遠程測量(cling)和監(jiān)控功能28 虛擬儀器使用通用(tngyng)計算機的資源共三十五頁虛擬儀器軟件標(biāo)準VXIplug&play (VPP); Virtual Instrument Softwar

11、e Architecture (VISA)Interchangeable Virtual Instruments (IVI)A Broad-Based Environment for Test (ABBET) IEEE1226 早期(zoq)的儀器命令標(biāo)準：Standard Commands for Programmable Instrument (SCPI)IEEE488.2291.5 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)共三十五頁虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境通用軟件開發(fā)環(huán)境，包括(boku)各種版本的C/C+（包括Visual C+、Borland C+ Builder等），Visual Basic，Delphi，

12、Java，Visual S等測控專用軟件開發(fā)環(huán)境，LabWindows/CVI、LabVIEW、Agilent VEE等其它測控軟件工具（如NI公司的ComponentWorks、HIQ、SPC Toolkit、SQL Toolkit等，Agilent公司的T&M Programmers Toolkit等，以及其他廠商的ActiveX控件等）30共三十五頁項目傳統(tǒng)儀器虛擬儀器儀器定義儀器廠商用戶中心環(huán)節(jié)硬件是關(guān)鍵軟件是關(guān)鍵功能設(shè)定儀器的功能、規(guī)模均已固定系統(tǒng)功能和規(guī)?？赏ㄟ^軟件修改和增減開放性封閉的系統(tǒng)，與其它設(shè)備連接受限基于計算機的開放系統(tǒng)，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它設(shè)備連接性能/價格比價格

13、昂貴價格低，可重復(fù)使用技術(shù)更新慢（510年）快（12年）開發(fā)維護費用開發(fā)維護費用高軟件結(jié)構(gòu)可大大節(jié)省開發(fā)和維護費用應(yīng)用情況多為實驗室擁有個人可以擁有一個實驗室便于組建測試系統(tǒng)311.6 虛擬儀器的特點(tdin)與傳統(tǒng)(chuntng)儀器比較共三十五頁（1）虛擬儀器軟硬件標(biāo)準的研究（2）硬件接口的設(shè)計（3）儀器驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件設(shè)計（4）設(shè)計過程中使用(shyng)貨架產(chǎn)品（COTS）提高設(shè)計效率 321.7 虛擬儀器設(shè)計(shj)的關(guān)鍵共三十五頁（1）和計算機的結(jié)合更加緊密，集成化程度更高（2）儀器接口更加靈活，新型總線接口應(yīng)用USB等（3）微波儀器（4）網(wǎng)絡(luò)化趨勢LXI（5）組件(z j

14、in)化趨勢硬件和軟件（6）合成儀器將大量出現(xiàn)331.8 虛擬儀器的發(fā)展趨勢共三十五頁術(shù)語(shy)縮寫VI Virtual Instrument 虛擬儀器GPIB General Purpose Interface Bus 通用接口總線(1972)VXI VME eXtensions for Instrumentation VME在儀器的擴展(1987)PXI PCI eXtensions for Instrumentation PCI在儀器的擴展(1997)LXI LAN eXtensions for Instrumentation 網(wǎng)絡(luò)在儀器的擴展(2005)SCPI Standard

15、Commands for Programmable Instruments 程控儀器標(biāo)準(biozhn)命令(1990)VPP VXI Plug&Play VXI即插即用(1993)VISA Virtual Instrument Software Architecture 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)(1993)IVI Interchangeable Virtual Instruments 可互換虛擬儀器(1998)DAQ Data Acquire 數(shù)據(jù)采集GUI Graphical User Interface 圖形用戶界面IDE Integrated Development Environment 集成開發(fā)環(huán)境API Application Programming Interface 應(yīng)用編程接口34共三十五頁內(nèi)容摘要虛擬儀器軟件設(shè)計Virtual Instrumentat