電子測量技術(shù) 課件 ch14虛擬儀器

虛擬儀器第十四章電子測量技術(shù)（第四版）十二五普通高等教育本科國家級(jí)規(guī)劃教材高等學(xué)校電于信息類精品教材01概述概述1.傳統(tǒng)儀器傳統(tǒng)儀器通常是一臺(tái)獨(dú)立的裝置，從外觀上看，它一般由操作面板、信號(hào)輸入端口、檢測結(jié)果輸出等幾部分組成。操作面板上有一些開關(guān)、按鍵、旋鈕等;檢測結(jié)果的輸出方式有數(shù)字顯示、指針式表頭顯示、圖形顯示及打印輸出等。從功能方面考慮，傳統(tǒng)儀器劃分為信號(hào)的釆集、控制、分析、處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出顯示等電路。傳統(tǒng)儀器的功能都是通過硬件電路或固化軟件來實(shí)現(xiàn)的，而且由儀器生產(chǎn)廠家給定，其功能和規(guī)模一般都是固定的，用戶無法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能。傳統(tǒng)儀器大都是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，與其他設(shè)備的連接受到一定的限制。另外，傳統(tǒng)儀器價(jià)格偏貴，技術(shù)更新慢和開發(fā)費(fèi)用高，而且還沒有擺脫獨(dú)立使用的模式，在較為復(fù)雜的應(yīng)用場合或測試參數(shù)較多的情況下，操作復(fù)雜。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器簡介1概述2.虛擬儀器虛擬儀器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計(jì)算機(jī)支持下，通過軟件來實(shí)現(xiàn)儀器的部分或全部功能。所謂虛擬儀器，就是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)需求定義和設(shè)計(jì)儀器的測試功能，使得操作人員在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就像是在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的測試儀器一樣。VI以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源(如微處理器、內(nèi)存、顯示器等)和儀器硬件(如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號(hào)處理等)的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的分析處理、傳輸及圖形化用戶接口等。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器簡介1概述給定計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和必要的儀器硬件之后，構(gòu)造和使用VI的關(guān)鍵在于應(yīng)用軟件。這是因?yàn)閼?yīng)用軟件為用戶構(gòu)造或使用VI提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口軟件是虛擬儀器的核心，“軟件即儀器”形象地概述了軟件在VI中的重要作用。應(yīng)用軟件最流行的趨勢之一是圖形化編程環(huán)境。最早應(yīng)用圖形化編程技術(shù)開發(fā)VI始于NI公司1986年推出的LabVIEW軟件包。目前市場上的圖形化VI框架有NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE。應(yīng)當(dāng)指出，圖形化開發(fā)環(huán)境與圖形化VI框架是不同的，其主要區(qū)別在于使用VI組件進(jìn)行開發(fā)時(shí)，可重復(fù)使用原碼模塊的能力，而后者的這些原碼模塊必須具有被其他原碼模塊繼承性調(diào)用的能力。軟件的功能2概述通過應(yīng)用程序提供的儀器硬件接口，使用透明的方式操作儀器硬件。能方便、有效地使用這類硬件?？刂浦T如萬用表、示波器、頻率計(jì)等特定儀器的軟件模塊，即所謂的儀器驅(qū)動(dòng)程序（InstrumentDrivers），它現(xiàn)在已經(jīng)成為應(yīng)用軟件包的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。這些驅(qū)動(dòng)程序可以實(shí)現(xiàn)對特定儀器的控制與通信，成為用戶建立VI系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件模塊。而以往用戶必須通過學(xué)習(xí)各種儀器的命令集、編程選項(xiàng)和數(shù)據(jù)格式等才能進(jìn)行儀器編程。釆用標(biāo)準(zhǔn)化的儀器驅(qū)動(dòng)程序從根本上消除了這種儀器編程的復(fù)雜過程，能夠把精力集中于儀器的使用而不是儀器的編程上。軟件的功能202虛擬儀器的組成與分類虛擬儀器的組成與分類虛擬儀器的組成包括硬件和軟件兩個(gè)基本部分。虛擬儀器中硬件的主要功能是獲取真實(shí)測試中的被測信號(hào)，而軟件的作用是控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運(yùn)行的命令環(huán)境。虛擬儀器有多種分類方法，既按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，又按測量功能劃分，但是最常用的還是按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同，劃分為數(shù)據(jù)采集插卡式（DAQ）虛擬儀器、RS-232/RS-422虛擬儀器、并行接口虛擬儀器、USB虛擬儀器、GPIB虛擬儀器、VXI虛擬儀器、PXI虛擬儀器和最新的IEEE-1393接口虛擬儀器。 虛擬儀器的組成與分類DAQ虛擬儀器廣泛應(yīng)用于一般的測試系統(tǒng)與工業(yè)過程控制，并且正在從過去的16位標(biāo)準(zhǔn)ISA總線發(fā)展到32位的PCI總線插卡，為設(shè)計(jì)各種測試儀器提供了更好的數(shù)據(jù)采集和控制能力。當(dāng)然，DAQ虛擬儀器需要打開主機(jī)機(jī)箱連接，使用比較麻煩，并且容易將干擾引入計(jì)算機(jī)，因此，通用計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置接口的各種外接式VI將成為發(fā)展方向。外接式方案避免了PC內(nèi)部的噪聲，特別適合于低電平信號(hào)應(yīng)用，為儀器設(shè)計(jì)提供更廣闊的空間、更好的隔離能力和更方便的連接方式。RS-232/RS-422串行接口在各種現(xiàn)場過程控制儀器儀表中應(yīng)用較多，支持長線傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，但數(shù)據(jù)傳輸率低，不適合動(dòng)態(tài)測試應(yīng)用。并行接口也是一種比較傳統(tǒng)的高速接口，一般打印機(jī)都配置并行接口，目前已經(jīng)有配置并行接口的數(shù)字存儲(chǔ)示波器、邏輯分析儀等虛擬儀器。目前，最有發(fā)展前途的是USB通用串行總線技術(shù)和IEEE-1394高速串行總線技術(shù)。 虛擬儀器的組成與分類USB總線目前已成為PC的標(biāo)準(zhǔn)配置，并且支持熱插拔功能，IEEE-1394總線在一些高檔臺(tái)式和筆記本微型計(jì)算機(jī)上也已經(jīng)開始流行。USB和IEEE-1394總線最大的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸率高，目前IEEE-1394總線的VI已經(jīng)達(dá)到100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，完全滿足高性能動(dòng)態(tài)測試的要求。GPIB.VXI和PXI總線都是專門為程控儀器設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)接口總線;其中GPIB儀器具有獨(dú)立的儀器操作界面，既能脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立使用，又能通過標(biāo)準(zhǔn)GPIB電纜連接計(jì)算機(jī)實(shí)施程序控制;而VXI和PXI儀器沒有獨(dú)立的儀器操作界面，必須依賴儀器驅(qū)動(dòng)器提供的虛擬操作界面。 03虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成虛擬儀器通常包括通用計(jì)算機(jī)和外圍硬件設(shè)備。通用計(jì)算機(jī)可能是筆記本電腦、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或工作站等。外圍硬件設(shè)備通常選擇GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)或其他系統(tǒng)，或者選擇由兩種或兩種以上系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)。其中，最簡單、最廉價(jià)的形式應(yīng)采用ISA與PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，或是采用RS-232與USB總線的便攜式數(shù)據(jù)釆集模塊。虛擬儀器的軟件包括操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動(dòng)器軟件和應(yīng)用軟件三個(gè)層次。操作系統(tǒng)可以選擇Windows9x/NT/2000、SUNOS.Linux等。儀器驅(qū)動(dòng)器軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用軟件通過儀器驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)與外圍硬件模塊的連接。應(yīng)用軟件包括實(shí)現(xiàn)儀器功能的軟件程序和實(shí)現(xiàn)虛擬面板的軟件程序。用戶通過虛擬面板與虛擬儀器進(jìn)行交互。04虛擬儀器的特點(diǎn)與應(yīng)用虛擬儀器的特點(diǎn)與應(yīng)用1.虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較見表14.4.1，其最主要的區(qū)別是VI的功能由用戶使用時(shí)自己定義，而傳統(tǒng)儀器的功能是由廠商事先定義好的。虛擬儀器的特點(diǎn)1虛擬儀器的特點(diǎn)與應(yīng)用2.虛擬儀器的特點(diǎn)(1)突出“軟件就是儀器”的新概念。傳統(tǒng)儀器的某些硬件功能在虛擬儀器中被軟件所代替。(2)豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。(3)開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。虛擬儀器的硬件、軟件都制定了開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，用戶將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)上，極大地提高了資源的可重復(fù)利用率。(4)便于構(gòu)成復(fù)雜的測試系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良。虛擬儀器不僅作為測試儀器獨(dú)立使用，而且能通過高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜的分布式測試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程測試、監(jiān)控與故障診斷。(5)儀器由用戶定義。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀器的可重復(fù)用源代碼庫，根據(jù)設(shè)計(jì)要求很方便地修改儀器功能和面板設(shè)置，設(shè)計(jì)儀器的通信、定時(shí)和觸發(fā)功能。虛擬儀器的特點(diǎn)1虛擬儀器的特點(diǎn)與應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展，目前正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺(tái)的圖形化和硬件模塊的即插即用方向發(fā)展。以開放式模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)正日趨完善，建立在虛擬儀器技術(shù)上的各種先進(jìn)儀器將會(huì)層出不窮。例如在電子測量和過程控制領(lǐng)域，以及與人們的生活緊密相關(guān)的許多其他領(lǐng)域，如電信、醫(yī)學(xué)等方面。用計(jì)算機(jī)控制一臺(tái)GPIB或RS-232儀器，通過計(jì)算機(jī)屏幕上的圖形化前置面板操作儀器，這與操作一臺(tái)獨(dú)立的儀器沒有區(qū)別。虛擬儀器的應(yīng)用2虛擬儀器的特點(diǎn)與應(yīng)用下面舉例說明虛擬儀器在以下幾個(gè)方面的應(yīng)用。(1)虛擬儀器在測量方面的應(yīng)用(2)虛擬儀器在監(jiān)控方面的應(yīng)用(3)虛擬儀器在檢測方面的應(yīng)用(4)虛擬儀器在遠(yuǎn)程教育方面的應(yīng)用虛擬儀器的應(yīng)用205虛擬儀器總線虛擬儀器總線VXI(VMEExtensionsforInstrumentation)總線是“用于儀器的VME總線擴(kuò)展”的簡稱，它是一種正在不斷成長和壯大的儀器系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)。自1987年VXIbus規(guī)范的第一個(gè)版本問世以來，目前已在全世界得到廣泛認(rèn)同。制定VXI標(biāo)準(zhǔn)的初衷是為了利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來降低測試系統(tǒng)成本，增加其數(shù)據(jù)吞吐率，減少系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。VXI具有互操作性好、數(shù)據(jù)傳輸速率高、可靠性強(qiáng)、體積小、重量輕、可移動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，已有1000多家生產(chǎn)廠家生產(chǎn)各種VXI儀器，VXI的應(yīng)用范圍越來越廣。VXI總線1虛擬儀器總線VXI總線規(guī)范的目標(biāo)是定義一系列對所有廠商開放的、與現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容的和基于VME總線的模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)為：①通過使用統(tǒng)一的公共接口，降低系統(tǒng)集成時(shí)間的軟件開發(fā)成本；②使用專門的通信協(xié)議和更寬的數(shù)據(jù)通道，為測試系統(tǒng)提供更高的數(shù)據(jù)吞吐率；③使VXI標(biāo)準(zhǔn)比機(jī)架堆疊式系統(tǒng)具有更小的體積；④通過使用虛擬儀器原理能容易地?cái)U(kuò)展測試系統(tǒng)的功能；⑤提供用于軍事模塊化儀器的測試設(shè)備；⑥使設(shè)備之間以更明確的方式通信；⑦在該規(guī)范內(nèi)定義實(shí)現(xiàn)多種模塊儀器系統(tǒng)的方法。VXI總線1虛擬儀器總線從物理結(jié)構(gòu)來看，一個(gè)VXI總線系統(tǒng)由一個(gè)能為嵌入式模塊提供安裝環(huán)境與背板連接的主機(jī)箱組成。VXI總線標(biāo)準(zhǔn)以IEEE1014VME標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用32位VME體系結(jié)構(gòu)，并在VME標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加了兩種模塊尺寸與一個(gè)連接器。P1和P2連接器的中排插針嚴(yán)格按照VME規(guī)格的定義保留下來，VXI對VME用戶可定義的P2連接器外面兩排插針和VXI所增加的P3連接器作了定義。VXIbus的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2虛擬儀器總線軟件是成功開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，軟件的選擇不但影響整個(gè)系統(tǒng)性能和系統(tǒng)功能，而且影響用戶開發(fā)應(yīng)用的時(shí)間、效率、維護(hù)及將來工程的軟件可重復(fù)利用性。應(yīng)用開發(fā)環(huán)境應(yīng)能與操作系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)語言兼容，軟件應(yīng)能容易地移植。當(dāng)構(gòu)建一個(gè)VXI系統(tǒng)時(shí)，有許多程序設(shè)計(jì)語言、操作系統(tǒng)、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境和應(yīng)用軟件包可供選擇。在選擇時(shí)，要考慮到現(xiàn)在建成系統(tǒng)及將來使用和維護(hù)系統(tǒng)的費(fèi)用。應(yīng)當(dāng)指出，諸如C，C++，BASIC，ADA，ATLAS等標(biāo)準(zhǔn)語言并沒有內(nèi)置的VXI能力。VXI能力是通過VXI總線接口軟件函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)的。該軟件之所以很重要，是因?yàn)樗苯佑绊慥XI計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)、編程語言和ADE的選擇。VXIbus接口軟件3虛擬儀器總線對VXIbus總線有了一個(gè)比較清晰的了解以后，再按步驟討論怎樣運(yùn)用VXI，因?yàn)樗械膬?yōu)越性都必須在具體應(yīng)用中才能體現(xiàn)。(1)確定目標(biāo)

(2)選擇軟件和VXI即插即用框架(3)選擇控制器

(4)選擇VXI主框架(5)選擇VXI儀器

(6)堆疊組合VXI總線的運(yùn)用4虛擬儀器總線在VI系統(tǒng)中，用靈活、強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測試信號(hào)的產(chǎn)生和測量特征的解析，使儀器中的一些硬件，甚至整個(gè)由電路組成的儀器從系統(tǒng)中“消失”，而由計(jì)算機(jī)的軟/硬件資源來完成它們的功能已經(jīng)是一種發(fā)展趨勢。但是，在GPIB、PC-DAQ和VXI三種VI體系結(jié)構(gòu)中，GPIB實(shí)質(zhì)上是通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)儀器功能的擴(kuò)展與延伸的；PC-DAQ直接利用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)總線，為設(shè)計(jì)各種測試儀器提供了更強(qiáng)的數(shù)據(jù)釆集和控制能力。PXI總線5虛擬儀器總線長期以來，互換性成為建造測試系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，儀器硬件不是過時(shí)就是需要更換，因此迫切需要一種無須改變測試程序代碼，便能釆用新的儀器硬件改進(jìn)系統(tǒng)的方法。為了解決這一技術(shù)上的不足和缺點(diǎn)，在1998年9月成立了IVI（InterchangeableVirtualInstrument）基金會(huì)。IVI基金會(huì)是最終用戶、系統(tǒng)集成商和儀器制造商的一個(gè)開放的聯(lián)盟。目前，該聯(lián)盟已經(jīng)制定了五類儀器的規(guī)范——示波器/數(shù)字化儀器（IVIScope）、數(shù)字萬用表（IVIDmm）、任意波形發(fā)生器/函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（IVIFGen）、開關(guān)/多路復(fù)用器/矩陣（IVISwitch）及電源（IVIPower）。美國國家儀器公司（簡稱NI）作為IVI的系統(tǒng)聯(lián)盟之一，積極響應(yīng)IVI的號(hào)召，開發(fā)了基于虛擬儀器軟件平臺(tái)的IVI驅(qū)動(dòng)程序庫。IVI技術(shù)606虛擬儀器編程環(huán)境虛擬儀器編程環(huán)境LabWindows/CVI——完整的交互式C語言開發(fā)環(huán)境，也就是虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。它以標(biāo)準(zhǔn)C語言為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來。它的交互式開發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)增強(qiáng)了C語言的功能，為建立自動(dòng)化檢測系統(tǒng)、自動(dòng)測量環(huán)境、數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。作為交互式的集成開發(fā)環(huán)境，LabWindows/CVI是使用C語言進(jìn)行編寫檢測、數(shù)據(jù)釆集、監(jiān)控程序的理想工具。LabWindows/CVI1虛擬儀器編程環(huán)境LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineering)是一種圖形化的編程語言，它應(yīng)用廣泛，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)釆集和儀器控制軟件。LabVIEW集成與滿足了GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)釆集卡通信的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP.ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用它能方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面