虛擬儀器的技術(shù)背景與基本概念分析課件

聲明本課件供《虛擬儀器技術(shù)》、《自動測試技術(shù)》等相關(guān)課程教師授課使用與參考.教師可根據(jù)課程需要和實際情況在此課件基礎(chǔ)上增刪內(nèi)容本課件版權(quán)屬NI(中國)公司所有，供中國大陸地區(qū)高校教師無償使用或在課程中引用，但使用或引用之前請聯(lián)系NI(中國)公司高校市場部獲得免費使用授權(quán)(聯(lián)系方式zheng.xu@)本課件不得用于公開出版或其他商業(yè)用途.如需在公開出版物中引用其中部分內(nèi)容,請與NI(中國)公司高校市場部聯(lián)系獲得授權(quán)聲明本課件供《虛擬儀器技術(shù)》、《自動測試技術(shù)》等相關(guān)課程教師1虛擬儀器技術(shù)基礎(chǔ)虛擬儀器技術(shù)基礎(chǔ)2課程背景虛擬儀器技術(shù)最早于上世紀(jì)90年代由美國國家儀器（NationalInstruments）公司提出概念主要思想是利用模塊化硬件，結(jié)合軟件完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用使測控領(lǐng)域充分利用計算機技術(shù)發(fā)展,帶來儀器技術(shù)的革新應(yīng)用領(lǐng)域隨著計算機、軟件、以及電子技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用早已突破最初的儀器控制和數(shù)據(jù)采集的范疇不僅可用于構(gòu)建大型的自動化測試系統(tǒng)，還常常用于控制系統(tǒng)、嵌入式設(shè)計等應(yīng)用包括電子電氣、射頻與通信、裝備自動化、汽車、國防、航空航天、能源電力、生物醫(yī)電、土木工程、環(huán)境工程等等課程背景虛擬儀器技術(shù)3虛擬儀器技術(shù)的內(nèi)涵與外延各種硬件模塊圖形化編程環(huán)境或基于文本語言的開發(fā)環(huán)境自動化測試自動控制虛擬儀器技術(shù)的內(nèi)涵與外延各種硬件模塊圖形化編程環(huán)境或基于文本4課程學(xué)習(xí)內(nèi)容與目標(biāo)虛擬儀器技術(shù)的基本概念、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)和實際應(yīng)用，全面了解測控技術(shù)領(lǐng)域前沿的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用通過LabVIEW軟件編程練習(xí)和結(jié)合硬件的數(shù)據(jù)采集實驗，掌握圖形化編程方式(G語言)與虛擬儀器平臺的基本操作，培養(yǎng)實際動手能力通過分組課程設(shè)計

(Project)

建立起系統(tǒng)設(shè)計的概念，同時培養(yǎng)創(chuàng)新能力、獨立思考與解決實際問題的能力課程學(xué)習(xí)內(nèi)容與目標(biāo)虛擬儀器技術(shù)的基本概念、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)5課時安排周時課程內(nèi)容方式1-2周虛擬儀器技術(shù)背景與基本概念課堂講授3-8周LabVIEW程序設(shè)計與數(shù)據(jù)采集基本概念課堂講授LabVIEW編程與數(shù)據(jù)采集練習(xí)實驗室/課后作業(yè)9-16周虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用與最新發(fā)展課堂講授課程設(shè)計分組自主完成課時安排周時課程內(nèi)容方式1-2周虛擬儀器技術(shù)背景與基本概念課6作業(yè)、實驗、課程設(shè)計使用軟件LabVIEW學(xué)生版(選課學(xué)生免費發(fā)放)需提交有清楚注釋的LabVIEW源程序文件(.vi文件)使用硬件實驗室基于NIELVIS多功能實驗平臺課后練習(xí)及課程設(shè)計基于NImyDAQ數(shù)據(jù)采集平臺作業(yè)、實驗、課程設(shè)計使用軟件7考核方式LabVIEW程序設(shè)計作業(yè)(30%)硬件數(shù)據(jù)采集實驗(30%)課程設(shè)計(40%)考核方式LabVIEW程序設(shè)計作業(yè)(30%)8參考資源參考書虛擬儀器設(shè)計基礎(chǔ)教程LabVIEW2009中文版虛擬儀器從入門到精通網(wǎng)絡(luò)參考資源GSD(LabVIEW圖形化設(shè)計中文門戶網(wǎng)站)(NI公司官方網(wǎng)站)參考資源參考書9第一講

虛擬儀器的技術(shù)背景與基本概念第一講

虛擬儀器的技術(shù)背景與基本概念10背景:伴隨摩爾定律的技術(shù)飛速發(fā)展晶體管數(shù)量每18個月提高1倍≈處理器性能每18個月提高1倍性能提升體積減小成本降低背景:伴隨摩爾定律的技術(shù)飛速發(fā)展晶體管數(shù)量每18個月提高111儀器技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展趨勢伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)、處理器技術(shù)、計算機總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)等快速發(fā)展，儀器與測控系統(tǒng)出現(xiàn)了如下的一些發(fā)展趨勢:

數(shù)字化

自動化

綜合化

模塊化

標(biāo)準(zhǔn)化

虛擬化

智能化

網(wǎng)絡(luò)化儀器技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展趨勢伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)、處理器技術(shù)、計算機121.數(shù)字化模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并進行處理，具有精確度高、穩(wěn)定度高，速度快，便于數(shù)字處理計算和遠傳等特點ADCDAC處理器接口存儲器數(shù)字化1.數(shù)字化模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并進行處理，具有精確度高、穩(wěn)定13摩爾效應(yīng)驅(qū)動ADC的革新數(shù)字化半導(dǎo)體的摩爾效應(yīng)ADC類型：積分型ADC壓頻變換型ADCΣ-ΔADC逐次逼近型ADCADC向高速、低功耗、高分辨率等方向演進……摩爾效應(yīng)驅(qū)動ADC的革新數(shù)字化半導(dǎo)體的摩爾效應(yīng)ADC類型：14數(shù)據(jù)采集硬件價格的降低16-BitADC價格12-BitADC價格NI數(shù)據(jù)采集硬件價格(折算成單通道價格)NIM系列數(shù)據(jù)采集卡GraphSource:NationalInstruments&aLeadingADCSupplierNIE系列數(shù)據(jù)采集卡以NI公司的數(shù)據(jù)采集板卡為例，性價比隨時間不斷提高數(shù)字化數(shù)據(jù)采集硬件價格的降低16-BitADC價格12-Bit152.自動化程序控制代替手動操作，提高效率，減輕操作者勞動強度.自動化程度愈高，速度愈快自動化2.自動化程序控制代替手動操作，提高效率，減輕操作者勞動強163.綜合化利用一臺多功能儀器代替多臺單功能儀器系統(tǒng)，提高靈活性和可靠性，并降低成本，減小體積例如:相同的通用射頻硬件結(jié)合不同軟件程序?qū)崿F(xiàn)多種無線協(xié)議測試以及射頻參數(shù)測試等功能綜合化WLANGSM/EDGEGPSWCDMAWiMAXZigBee3.綜合化利用一臺多功能儀器代替多臺單功能儀器系統(tǒng)，提高靈174.模塊化插卡或模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)臺式儀器，在系統(tǒng)應(yīng)用時節(jié)省系統(tǒng)重復(fù)資源，減少體積和重量模塊化4.模塊化插卡或模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)臺式儀器，在系統(tǒng)應(yīng)用時節(jié)省系統(tǒng)18促進模塊化儀器發(fā)展的更多半導(dǎo)體技術(shù)內(nèi)存芯片PCIe橋接芯片處理器FPGADSP電源管理模塊化促進模塊化儀器發(fā)展的更多半導(dǎo)體技術(shù)內(nèi)存芯片PCIe橋接芯片19摩爾定律促使儀器體積的減小模塊化16.8”7.0”21.9”5.1”4.0”8.5”摩爾定律促使儀器體積的減小模塊化16.8”7.0”21.920總線的概念總線的概念目的:實現(xiàn)不同的儀器(分立儀器或模塊化儀器)與計算機處理器之間的連接(傳遞控制命令與測量數(shù)據(jù))接口控制器接口功能部分接口功能部分接口功能部分12n……總線模塊化總線的概念總線的概念接口控制器接口功能接口功能接口功21模塊化儀器架構(gòu)的出現(xiàn)軟件共享的電源定時控制可編程的用戶界面測量硬件開放總線PC處理器,OS模塊化儀器系統(tǒng)模塊2模塊4模塊3模塊5模塊6固件電源定時控制固定的用戶界面測量子系統(tǒng)內(nèi)部總線專用處理器,OS傳統(tǒng)臺式系統(tǒng)模塊1便于保持已有投資同時便于利用最新半導(dǎo)體及PC技術(shù)模塊化模塊化儀器架構(gòu)的出現(xiàn)軟件共享的電源定時控制可編程的用戶界面測22模塊化儀器架構(gòu)的出現(xiàn)軟件共享的電源定時控制可編程的用戶界面測量硬件開放總線PC處理器,OS模塊化儀器系統(tǒng)模塊2模塊4模塊3模塊5模塊6模塊1運用最新的CPU及內(nèi)存技術(shù)易于系統(tǒng)升級最新的總線技術(shù)通過模塊化架構(gòu)加載更高精度時鐘借助最新的ADC,ASIC,DSP,定時芯片…更高效穩(wěn)定的電源管理模塊化便于保持已有投資同時便于利用最新半導(dǎo)體及PC技術(shù)模塊化儀器架構(gòu)的出現(xiàn)軟件共享的電源定時控制可編程的用戶界面測235.標(biāo)準(zhǔn)化利用標(biāo)準(zhǔn)總線使儀器互聯(lián)成系統(tǒng)或配備總線接口的儀器，相對獨立儀器可減少系統(tǒng)集成時間，提高響應(yīng)性和簡便性.并行總線適合于本地/集中，串行總線適合遠程/分布測試目前常見的儀器總線標(biāo)準(zhǔn)外部總線:多用于連接分立式儀器,包括Serial(如RS-232),GPIB,LAN/LXI,USB等內(nèi)部總線:多用于連接模塊化儀器,包括PCI/PCI

Express,CompactPCI,PXI/PXIExpress等標(biāo)準(zhǔn)化5.標(biāo)準(zhǔn)化利用標(biāo)準(zhǔn)總線使儀器互聯(lián)成系統(tǒng)或配備總線接口的儀器24主流儀器總線技術(shù)的發(fā)展歷程傳統(tǒng)儀器出現(xiàn)基于PC技術(shù)的儀器

(ISA,PCI,CompactPCI…)VXIPXILXIGPIB19701980199020002010計算機技術(shù)的發(fā)展定時與同步標(biāo)準(zhǔn)化主流儀器總線技術(shù)的發(fā)展歷程傳統(tǒng)儀器出現(xiàn)基于PC技術(shù)的儀器

25GPIB專為測試儀器設(shè)計的總線廣泛的行業(yè)應(yīng)用最大程度適用于儀器設(shè)備魯棒性和可靠性30余年來的兼容性適用于:自動化現(xiàn)有的設(shè)備混合系統(tǒng)特別要求專用儀器的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化488.2最高帶寬:1.8Mbytes/sHS488最高帶寬:8Mbytes/s帶寬分布:共享傳輸延遲典型值:幾十μsGPIB專為測試儀器設(shè)計的總線標(biāo)準(zhǔn)化488.2最高帶寬:26Serial每次在串行線上傳送1bit數(shù)據(jù)適用于數(shù)據(jù)率低、傳輸距離較長的場合大多數(shù)PC都有串口，不需要額外的接口板卡RS-232/422/485標(biāo)準(zhǔn)化Serial每次在串行線上傳送1bit數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化27USB在PC上的通用性低成本接口即插即用適用于便攜式臺式應(yīng)用低成本系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化帶寬:60Mbytes/s(USB2.0)帶寬分布:所有端口共享傳輸延遲典型值:>100μsUSB在PC上的通用性標(biāo)準(zhǔn)化帶寬:60Mbytes/s28PCI/CompactPCI/PCIExpress最佳的帶寬和延遲在PC上的通用性為系統(tǒng)帶來較低的成本適用于:高性能系統(tǒng)數(shù)據(jù)量要求大的系統(tǒng)集成數(shù)種儀器標(biāo)準(zhǔn)化PCI帶寬:132Mbytes/sPCI帶寬分布:共享PCIExpress帶寬(x8):2Gbytes/sPCIExpress帶寬分布:每插槽專用傳輸延遲:<1μs,最好PCI/CompactPCI/PCIExpres29VME/VXI較早的軍用/航空系統(tǒng)內(nèi)部總線專用儀器設(shè)備適用于:維護現(xiàn)有的ATE系統(tǒng)構(gòu)架標(biāo)準(zhǔn)化VXI最高帶寬:40Mbytes/s帶寬分布:共享傳輸延遲:<1μsVME/VXI較早的軍用/航空系統(tǒng)內(nèi)部總線標(biāo)準(zhǔn)化VXI30PXI標(biāo)準(zhǔn)化PXI帶寬:132Mbytes/sPXI帶寬分布:共享傳輸延遲:<1μs,最好繼承PCI技術(shù)的優(yōu)勢增加同步和觸發(fā)總線針對尖端應(yīng)用的可靠性和堅固性設(shè)計適用于:高性能系統(tǒng)數(shù)據(jù)量要求大的系統(tǒng)集成數(shù)種儀器PXI標(biāo)準(zhǔn)化PXI帶寬:132Mbytes/s繼承PC31PXIExpressPXIExpress帶寬(x8):2Gbytes/sPXIExpress帶寬分布:每插槽專用傳輸延遲:<1μs,最好將PCIe技術(shù)引入PXI進一步提高帶寬擴展了同步和觸發(fā)功能增加100MHz差分時鐘和差分式觸發(fā)軟件與PCI/PXI完全兼容混合插槽設(shè)計兼容PXI設(shè)備PXIExpressPXIExpress帶寬(x8):32LAN/LXI在PC上的通用性遠程功能低成本接口LXI為獨立的LAN儀器增加可選的觸發(fā)功能需要為1588和有線的觸發(fā)總線同步配備專用硬件適用于:分布式系統(tǒng)遠程監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)化100BASE-T最高帶寬:12.5Mbytes/s(快速以太網(wǎng))1000BASE-T最高帶寬:125Mbytes/s(Gigabit以太網(wǎng))帶寬分布:網(wǎng)絡(luò)間共享傳輸延遲典型值:>1msLAN/LXI在PC上的通用性標(biāo)準(zhǔn)化100BASE-T最高336.虛擬化基于通用硬件平臺，充分利用軟件定義的儀器設(shè)備，例如用軟件實現(xiàn)的軟面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀器操作面板.提高硬資源重用性和結(jié)構(gòu)靈活性，降低成本、功耗、故障率等虛擬化6.虛擬化基于通用硬件平臺，充分利用軟件定義的儀器設(shè)備，例34回顧:傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)FrostandSullivan2006WorldSyntheticInstrumentationTestEquipmentReport

固定的硬件配置由儀器廠商定義好的測量功能固定的用戶界面部分儀器可連接PC,基于通信包的形式將結(jié)果傳給PC虛擬化回顧:傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)FrostandSullivan235對比:新一代的儀器系統(tǒng)虛擬化FrostandSullivan2006WorldSyntheticInstrumentationTestEquipmentReport

用戶可自定義測量功能自定義用戶界面模塊化硬件與基于PC的控制器連接(多通過高速內(nèi)部總線)實時數(shù)據(jù)傳輸對比:新一代的儀器系統(tǒng)虛擬化FrostandSull36軟件在新一代儀器系統(tǒng)中的重要作用對系統(tǒng)中的模塊化儀器/分立儀器進行配置(通過驅(qū)動程序完成)對通過總線獲取的原始數(shù)據(jù)進行信號處理等計算操作用戶界面、數(shù)據(jù)存儲等PC處理器軟件模塊化儀器/分立儀器信號總線原始數(shù)據(jù)用戶自定義功能配置虛擬化軟件在新一代儀器系統(tǒng)中的重要作用對系統(tǒng)中的模塊化儀器/分立儀37“虛擬儀器”的概念1986年由NI公司提出，它是基于通用硬件平臺，充分利用軟件定義的儀器.軟件通過平臺實現(xiàn)儀器功能，用戶可以通過友好的圖形界面與儀器進行交互作用狹義的虛擬儀器概念主要是在測量與測試系統(tǒng)的范疇內(nèi),通過軟件定義通用硬件的功能,從而實現(xiàn)不同的自定義功能廣義的虛擬儀器概念可進一步擴展到自動控制等領(lǐng)域，只要是通過軟件定義模塊化硬件功能,從而滿足自定義應(yīng)用需求的系統(tǒng),都可以看作虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用虛擬化“虛擬儀器”的概念1986年由NI公司提出，它是基于通用硬38常用的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)語言標(biāo)準(zhǔn)CC++,C#,VB.net等LabVIEW圖形化編程語言(有時亦稱G語言)

一般的模塊化儀器或分立臺式儀器通常會提供滿足以上幾種語言調(diào)用需求的驅(qū)動程序,或至少會提供LabVIEW及C語言下的驅(qū)動.這樣,虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)人員就可以選擇自己習(xí)慣的編程語言開發(fā)自定義