第00章虛擬儀器概述

內(nèi)容一、虛擬儀器概述二、LabVIEW簡(jiǎn)介第一頁，共84頁。一、虛擬儀器概述儀器的發(fā)展歷史虛擬儀器定義虛擬儀器的構(gòu)成元素與傳統(tǒng)儀器比較體系結(jié)構(gòu)三大組成硬件構(gòu)成方案四大優(yōu)勢(shì)硬件性能應(yīng)用領(lǐng)域軟件開發(fā)平臺(tái)NI公司的虛擬儀器產(chǎn)品第二頁，共84頁。儀器的發(fā)展歷史第一代儀器：模擬儀器：如指針式萬用表，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。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。第三代儀器：智能儀器：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)。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，是將來儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。第三頁，共84頁。以前的計(jì)量方法重量：桿秤長度：尺子、步體積：斗、石時(shí)間：沙漏、一柱香第四頁，共84頁。第一代儀器：模擬儀器第五頁，共84頁。第一代儀器：模擬儀器電壓表頭第六頁，共84頁。第一代儀器：模擬儀器日本健伍VT-181E毫伏表第七頁，共84頁。第二代儀器：數(shù)字化儀器第八頁，共84頁。第二代儀器：數(shù)字化儀器FLUKEF111數(shù)字電壓表第九頁，共84頁。第三代儀器：智能儀器TE-TL系列智能溫控儀1、全輸入型儀表，只需通過菜單選擇，即可切換JKESPt100Cu50等六種傳感器輸入信號(hào)。2、具備位式調(diào)節(jié)，二位PID調(diào)節(jié)，連續(xù)PID調(diào)節(jié)等多種調(diào)節(jié)方式，專家自整定參數(shù)，可控制壓力、流量、液位、濕度等。3、模塊化輸出支持繼電器、可控硅無觸點(diǎn)開關(guān)等。4、編程報(bào)警功能，支持絕對(duì)值上限、絕對(duì)值下限、偏差值上限、偏差值下限等多種報(bào)警功能。第十頁，共84頁。第三代儀器：智能儀器TE-BW智能三相功率表1、測(cè)量三相有功功率或無功功率2、面板按鍵設(shè)定參數(shù)3、帶RS485通訊接口帶一定的分析、處理、通訊等功能第十一頁，共84頁。第四代儀器：虛擬儀器第十二頁，共84頁。儀器技術(shù)革命第一次儀器革命是由于數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展引起的，使儀器形態(tài)進(jìn)入了數(shù)字化儀器時(shí)代；第二次儀器革命是由于微處理器的大量應(yīng)用引起的，使儀器形態(tài)進(jìn)入了智能儀器時(shí)代；第三次儀器革命，由通用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步引起，使儀器形態(tài)進(jìn)入第四個(gè)時(shí)期：虛擬儀器時(shí)代。第十三頁，共84頁。什么是虛擬儀器？傳統(tǒng)儀器把所有軟件和測(cè)量電路封裝在一起利用儀器前面板為用戶提供一組有限的功能。虛擬儀器系統(tǒng)提供的則是完成測(cè)量或控制任務(wù)所需的所有軟件和硬件設(shè)備，功能完全由用戶自定義。每一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)都由兩部分組成——軟件和硬件。第十四頁，共84頁。虛擬儀器的定義虛擬儀器是一種概念儀器，迄今為止，業(yè)界還沒有一個(gè)明確的國際標(biāo)準(zhǔn)和定義。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(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。“虛擬”的含義虛擬的儀器面板由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能（軟件就是儀器）

。第十五頁，共84頁。軟件即是儀器這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發(fā)，基于電腦或工作站、軟件和I／O部件來構(gòu)建虛擬儀器。虛擬儀器的核心－－軟件算法代替硬件電路；虛擬儀器=總線模塊＋算法第十六頁，共84頁。儀器的構(gòu)成元素?cái)?shù)據(jù)采集信號(hào)處理結(jié)果表達(dá)與儀器控制硬件（電子線路）硬件（電子線路）硬件（顯示器與旋鈕）硬件（電子線路）計(jì)算機(jī)軟件（算法）計(jì)算機(jī)硬件（顯示器與虛擬旋鈕）傳統(tǒng)儀器虛擬儀器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源第十七頁，共84頁。傳統(tǒng)儀器虛擬儀器儀器定義廠家用戶功能設(shè)定功能特定，與其它設(shè)備連接受到限制。面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可方便地與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、外設(shè)和其它設(shè)備連接。關(guān)鍵環(huán)節(jié)硬件軟件開放性封閉式系統(tǒng)，功能固定，不能改變。基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的開放式系統(tǒng)，靈活的軟件功能模塊。性能價(jià)格比低高，可重復(fù)使用。技術(shù)更新速度慢（周期5~10年）快（周期1~2年）開發(fā)維護(hù)開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高軟件結(jié)構(gòu)，節(jié)省費(fèi)用傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器比較第十八頁，共84頁。傳統(tǒng)儀器實(shí)例第十九頁，共84頁。傳統(tǒng)儀器實(shí)例手動(dòng)測(cè)試臺(tái)試驗(yàn)基本布置示意圖第二十頁，共84頁。數(shù)字萬用表FLUKEF189第二十一頁，共84頁。信號(hào)發(fā)生器泰克AFG3022第二十二頁，共84頁。噪聲信號(hào)發(fā)生器NC6103第二十三頁，共84頁。毫伏表VT-181E第二十四頁，共84頁。數(shù)字示波器DPO4034第二十五頁，共84頁。電源朝陽+24V、-24V第二十六頁，共84頁。傳統(tǒng)儀器-操作臺(tái)面板第二十七頁，共84頁。傳統(tǒng)儀器-內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二十八頁，共84頁。傳統(tǒng)儀器-內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二十九頁，共84頁。信號(hào)調(diào)理電路第三十頁，共84頁。虛擬儀器實(shí)例第三十一頁，共84頁。虛擬儀器實(shí)例第三十二頁，共84頁。一體化工作站AWS-8248第三十三頁，共84頁。虛擬儀器—數(shù)據(jù)采集卡PCI-6259A/DD/AI/O第三十四頁，共84頁。調(diào)理機(jī)箱前面板第三十五頁，共84頁。虛擬儀器—調(diào)理電路第三十六頁，共84頁。調(diào)理電路—底板+插板第三十七頁，共84頁。虛擬儀器—開關(guān)切換（自研）第三十八頁，共84頁。電路圖第三十九頁，共84頁。虛擬儀器—功能實(shí)現(xiàn)1、信號(hào)切換—開關(guān)量輸出控制模擬電子開關(guān)2、設(shè)備上電—開關(guān)量輸出控制電磁繼電器3、信號(hào)產(chǎn)生---D/A4、噪聲信號(hào)產(chǎn)生—D/A5、示波器—A/D->屏幕顯示6、數(shù)字表（測(cè)量電壓）--A/D->屏幕顯示7、毫伏表（測(cè)量噪聲）--A/D->屏幕顯示8、電源—不能省第四十頁，共84頁。虛擬儀器—界面第四十一頁，共84頁。調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)第四十二頁，共84頁。虛擬儀器的架構(gòu)模塊化儀器軟件算法第四十三頁，共84頁。儀器概念的轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)儀器廠商定義功能虛擬儀器用戶定義功能第四十四頁，共84頁。虛擬儀器—基于計(jì)算機(jī)的儀器第四十五頁，共84頁。虛擬儀器技術(shù)的三大組成部分1．高效的軟件

軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程序模塊，可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面。NI公司——LabVIEW。2．模塊化的I/O硬件

使用PCI、PXI、PCMCIA、USB、1394總線，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)條理、聲音和振動(dòng)測(cè)量、視覺、運(yùn)動(dòng)、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊

3．被測(cè)單元

第四十六頁，共84頁。GPIBSerialDAQUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&DriverSoftwareMeasurement StudioLabVIEW虛擬儀器技術(shù)的三大組成部分第四十七頁，共84頁。虛擬儀器的硬件構(gòu)成第四十八頁，共84頁。虛擬儀器的硬件構(gòu)成方案(1)基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)

：借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)，將模擬、數(shù)字信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等，并可通過輸出實(shí)現(xiàn)反饋控制。(2)基于通用接口總線GPIB接口的儀器系統(tǒng)

：利用GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)技術(shù)，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測(cè)試測(cè)量誤差。(3)利用VXI總線儀器實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)：VXI(VMEbusExtensionforInstrumentation)總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。由于其標(biāo)準(zhǔn)開放、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便靈活，已越來越受到重視。它便于組織大規(guī)模、集成化系統(tǒng)，是儀器發(fā)展的一個(gè)方向。(4)基于串行口或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)：將帶有RS-232總線接口的儀器作為I/O接口設(shè)備通過RS-232串口總線與PC計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)，目前仍然是虛擬儀器的構(gòu)成方式之一。當(dāng)今，PC計(jì)算機(jī)已更多地采用了USB總線和IEEE1394總線。第四十九頁，共84頁。虛擬儀器技術(shù)的四大優(yōu)勢(shì)

性能高

虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。擴(kuò)展性強(qiáng)

只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。開發(fā)時(shí)間少

方便操作，并提供靈活性和高的開發(fā)效率，以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。無縫集成

為I/O設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，可輕松將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。第五十頁，共84頁。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器硬件性能如何？虛擬儀器系統(tǒng)是基于軟件的，所以如果只要是可以數(shù)字化的東西，您就可以對(duì)它進(jìn)行測(cè)量。因此，測(cè)量硬件可在通過兩根坐標(biāo)軸進(jìn)行評(píng)估，即分辨率（位）和頻率。第五十一頁，共84頁。虛擬儀器硬件與傳統(tǒng)儀器的比較NI公司的虛擬儀器硬件與傳統(tǒng)儀器的比較第五十二頁，共84頁。虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

測(cè)試和測(cè)量

工業(yè)自動(dòng)化

聲學(xué)測(cè)試

工廠自動(dòng)化

ATE

HMI

自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)(AOI)

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化

汽車測(cè)試

機(jī)械控制

生物醫(yī)學(xué)研究

機(jī)器視覺

校準(zhǔn)

石油和天然氣處理

電子測(cè)試

制藥生產(chǎn)

光纖校準(zhǔn)

工業(yè)機(jī)器人

光學(xué)度量和測(cè)定

過程自動(dòng)化

研發(fā)

SCADA

半導(dǎo)體測(cè)試

統(tǒng)計(jì)流程控制

電訊通信測(cè)試

晶片傳送手臂

振動(dòng)測(cè)試………….第五十三頁，共84頁。虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)文本式編程語言VisualC++VBLabwindows/CVI圖形化編程語言Labview事實(shí)上的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)HP-VEE第五十四頁，共84頁。虛擬儀器開發(fā)軟件這就是我們選擇美國NI公司的LabVIEW的原因Source:Surveyof400USreadersfromT&MWorld,EDN,DesignNews,andR&Dmagazines,March2002第五十五頁，共84頁。關(guān)于NI美國國家儀器公司（NI）是虛擬儀器技術(shù)的創(chuàng)始人與倡導(dǎo)者NI為用戶提供易于集成的軟件如圖形化開發(fā)環(huán)境NILabVIEW，以及模塊化硬件如用于數(shù)據(jù)采集或用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制和機(jī)器視覺的PXI模塊化儀器。第五十六頁，共84頁。NI模塊化儀器產(chǎn)品高速數(shù)字化儀：高速數(shù)字化儀，數(shù)據(jù)采集卡和示波器，8到21位分辨率，高達(dá)150MHz帶寬，PCI、PXI、USB和PCMCIA總線接口信號(hào)發(fā)生器：函數(shù)發(fā)生器與任意波形發(fā)生器，12和16位分辨率，高達(dá)400MS/s采樣率，PCI和PXI總線接口高速數(shù)字I/O：數(shù)字波形發(fā)生器/分析儀，最高100MHz時(shí)鐘速率，可編程的電壓水平，PCI,PXI和PCMCIA總線接口。數(shù)字萬用表(DMM)和LCRMeter：5位半和6位半數(shù)字萬用表DMM，10-23位分辨率，高達(dá)1.8MS/s采樣率，PCI和PXI總線接口。RF(射頻信號(hào))測(cè)量設(shè)備：無線電信號(hào)采集、發(fā)生與分析，信號(hào)頻率高達(dá)2.7GHz(帶20MHz實(shí)時(shí)帶寬)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集、發(fā)生和分析：24位測(cè)量精度，用于聲音與振動(dòng)信號(hào)采集與發(fā)生開關(guān)：高質(zhì)量開關(guān)解決方案，包括通用繼電器、多路復(fù)用器以及距陣，用于PXI和SCXI平臺(tái)上。第五十七頁，共84頁。NI模塊化儀器軟件產(chǎn)品LabVIEW：圖形化開發(fā)環(huán)境，以最低成本快速創(chuàng)建靈活的、易升級(jí)的測(cè)試測(cè)量與控制應(yīng)用程序。LabWindows/CVI：ANSIC應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境NITestStand：測(cè)試執(zhí)行管理軟件SignalExpress：連接設(shè)計(jì)與測(cè)試的交互式軟件，用于快速采集、比較、自動(dòng)化并存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果。第五十八頁，共84頁。二、LabVIEW簡(jiǎn)介什么是LabVIEW?LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)LabVIEW的語言環(huán)境LabVIEW編程實(shí)例LabVIEW開發(fā)平臺(tái)如何學(xué)習(xí)LabVIEW語言？第五十九頁，共84頁。LabVIEW是什么？LabVIEW是一種圖形化編程語言，與C++和VB或其它語言的功能一樣。它是唯一被普遍接受的圖形化編程語言。簡(jiǎn)單易學(xué)。帶有大量的內(nèi)置功能，能夠完成仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示等任務(wù)使用LabVIEW能讓您享受到強(qiáng)大的圖形化編程語言所帶來的靈活性，而無需忍受傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的復(fù)雜編程工作。第六十頁，共84頁。LabVIEW－圖形化編程語言前面板后面板第六十一頁，共84頁。LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)直觀的圖形化環(huán)境實(shí)現(xiàn)了開發(fā)工作的高效率集成了上千種儀器和測(cè)量設(shè)備驅(qū)動(dòng)通過編譯使系統(tǒng)性能最優(yōu)化適用于流程圖設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境與其它應(yīng)用程序的開放式連接第六十二頁，共84頁。直觀的圖形化環(huán)境實(shí)現(xiàn)了開發(fā)工作的高效率在LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境下，無需編寫代碼文本命令行即可獲得強(qiáng)大的開發(fā)工具。在LabVIEW中，您只需要拖放已經(jīng)開發(fā)好的圖形控件，就可以輕松快捷地開發(fā)出應(yīng)用程序的用戶界面。然后，再通過組合框圖模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種函數(shù)功能。LabVIEW圖形化語言的直覺性特征使學(xué)生們可以將注意力集中在被教授的理論知識(shí)，而不是基于文本的工程軟件應(yīng)用開發(fā)的編程細(xì)節(jié)上,能用比使用傳統(tǒng)文本編程環(huán)境少得多的時(shí)間，開發(fā)出復(fù)雜的應(yīng)用程序來。第六十三頁，共84頁。集成了上千種儀器和測(cè)量設(shè)備驅(qū)動(dòng)LabVIEW能與測(cè)量硬件無縫連接，因此您可以快速的使用和配置各種測(cè)量設(shè)備，從任何的獨(dú)立測(cè)量設(shè)備、到插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制器、圖像采集系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、分布式控制和可編程邏輯控制器（PLC）等。LabVIEW還支持來自幾百家儀器供應(yīng)商的2000多種儀器驅(qū)動(dòng)庫。第六十四頁，共84頁。通過編譯使系統(tǒng)性能最優(yōu)化在許多應(yīng)用中，執(zhí)行速度是關(guān)鍵。利用一個(gè)內(nèi)置編譯器使之生成優(yōu)化的代碼，您的LabVIEW應(yīng)用程序可將程序速度提高到與編譯C語言程序相當(dāng)?shù)某潭?。運(yùn)用LabVIEW，您能在多種平臺(tái)上開發(fā)出滿足最高性能要求的系統(tǒng)，包括：Windows，Linux，UNIX,或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)。項(xiàng)目開發(fā)完成后，經(jīng)編譯可生成可執(zhí)行文件(exe)。第六十五頁，共84頁。適用于流程圖設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境LabVIEW針對(duì)一些應(yīng)用提供了專門功能，如仿真、測(cè)量、控制和自動(dòng)化應(yīng)用等，這將加速系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程。無論是內(nèi)置的分析功能還是與各種I/O設(shè)備接口，LabVIEW為工程師和科學(xué)家提供快速建立測(cè)試和測(cè)量，數(shù)據(jù)采集，嵌入式應(yīng)用，科學(xué)研究和過程監(jiān)控系統(tǒng)所需要的各種功能。第六十六頁，共84頁。與其它應(yīng)用程序的開放式連接利用LabVIEW，您可以通過因特網(wǎng)，ActiveX,DLL，共享庫，SQL,TCP/IP,XML,OPC,無線通訊或其它方式和不同的應(yīng)用程序建立連接。LabVIEW的開放式連接特性使您能夠建立靈活的開放式應(yīng)用，并與公司內(nèi)其它應(yīng)用程序進(jìn)行通訊。LabVIEW還支持MatlabM腳本及與一些常用程序的直接連接。第六十七頁，共84頁。LabVIEW的發(fā)展歷程第六十八頁，共84頁。LabVIEW－圖形化編程語言? 可以編譯的圖形化編程語言環(huán)境

? 提高開發(fā)效率第六十九頁，共84頁。LabVIEW語言環(huán)境

數(shù)據(jù)流模塊化數(shù)據(jù)第七十頁，共84頁。LabVIEW編程實(shí)例用隨機(jī)數(shù)發(fā)生函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，并在Chart上面實(shí)時(shí)顯示用While循環(huán)控制程序連續(xù)運(yùn)行每個(gè)循環(huán)中延時(shí)300毫秒產(chǎn)生一個(gè)新隨機(jī)數(shù)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生并顯示第七十一頁，共84頁。隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生并顯示第七十二頁，共84頁。擴(kuò)展1--添加延時(shí)控件通過控件用戶可以隨時(shí)改變延時(shí)的時(shí)間第七十三頁，共84頁。擴(kuò)展2數(shù)據(jù)存盤將隨機(jī)數(shù)存盤。記錄在一個(gè)文本文件中第七十四頁，共84頁。開發(fā)者套件附加工具包RT實(shí)時(shí)DSC記錄監(jiān)控圖像LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)LabVIEW開發(fā)平臺(tái)第七十五頁，共84頁。? 機(jī)器視覺與圖像處理Vision觀察距離測(cè)量模式識(shí)別顏色匹配斑點(diǎn)分析和

變形處理

? VisionBuilder

交互式開發(fā)輔助工具? Opticalcharacterrecogniti