-虛擬儀器講稿

第二章虛擬儀器技術(shù)

第二章虛擬儀器技術(shù)

PXI總線與虛擬儀器什么是虛擬儀器PXI與VXI總線比較與選擇PXI虛擬儀器技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀與應(yīng)用實(shí)例虛擬儀器的軟件平臺PXI總線與虛擬儀器什么是虛擬儀器一、什么是虛擬儀器一、什么是虛擬儀器儀器的發(fā)展歷史第一代儀器：模擬儀器第二代儀器：數(shù)字化儀器第三代儀器：智能儀器第四代儀器：虛擬儀器儀器的發(fā)展歷史第一代儀器：模擬儀器儀器的發(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、頻率計等。這類儀器將模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的測量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果。儀器的發(fā)展歷史第一代儀器：模擬儀器儀器的發(fā)展歷史第三代儀器：智能儀器智能儀器內(nèi)置微處理器，能進(jìn)行自動測量，具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，可取代部分腦力勞動。它的全部功能全部都是以硬件（或固化的軟件）的形式存在，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。第四代儀器：虛擬儀器虛擬儀器是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和測量技術(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)展的一個重要方向。儀器的發(fā)展歷史第三代儀器：智能儀器儀器技術(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)入了智能儀器時代；目前，儀器領(lǐng)域正在進(jìn)行第三次儀器革命，這次革命是由通用計算機(jī)硬軟件技術(shù)的進(jìn)步引起的，這次儀器革命將使儀器形態(tài)進(jìn)入第四個時期：虛擬儀器時代。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，使儀器的構(gòu)成元素數(shù)據(jù)采集信號處理結(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）計算機(jī)軟件（算法）計算機(jī)硬件（顯示器與虛擬旋鈕）傳統(tǒng)儀器虛擬儀器計算機(jī)系統(tǒng)資源儀器的構(gòu)成元素數(shù)據(jù)采集信號處理結(jié)果表達(dá)硬件（電子線路）硬件（傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器實(shí)現(xiàn)測量原理比較傳統(tǒng)儀器信號有效值測量虛擬儀器信號有效值測量算法傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器實(shí)現(xiàn)測量原理比較傳統(tǒng)儀器信號有效值測量虛擬傳統(tǒng)儀器廠商定義功能虛擬儀器用戶定義功能儀器概念的轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)儀器虛擬儀器儀器概念的轉(zhuǎn)變VirtualInstrumentation--ComputerBasedInstrumentsVirtualInstrumentation--所謂的虛擬儀器，就是在以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計算機(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)儀器的測量功能（軟件就是儀器）虛擬儀器的定義所謂的虛擬儀器，就是在以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶虛擬儀器的架構(gòu)模塊化儀器軟件算法虛擬儀器的架構(gòu)模塊化軟件PXI模塊PXI模塊PXI模塊PXI模塊VXI模塊VXI模塊虛擬儀器軟件例子虛擬儀器軟件例子--虛擬儀器講稿傳統(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)備總結(jié)虛擬儀器是新一代儀器，是儀器的發(fā)展方向；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；常用總線：PXI和VXI總結(jié)虛擬儀器是新一代儀器，是儀器的發(fā)展方向；二、PXI與VXI的比較與選擇PXI總線介紹VXI總線介紹PXI與VXI選擇二、PXI與VXI的比較與選擇PXI總線介紹廣泛的工業(yè)支持即插即用能力幾千種軟件支持32位數(shù)據(jù)總線傳輸（33MHz時鐘）

(132Mbytes/sec)PCI是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為什么使用PCI總線?廣泛的工業(yè)支持為什么使用PCI總線?PCI總線歐洲卡封裝優(yōu)良的IEC連接器CompactPCI關(guān)于CompactPCI總線PCI總線歐洲卡優(yōu)良的IECCompactPCI關(guān)于Com更多數(shù)量的管腳更加可靠屏蔽阻抗匹配可提供更多的擴(kuò)展槽J1J2為什么采用不同的連接器?更多數(shù)量的管腳J1J2為什么采用不同的連接器?為什么采用歐卡標(biāo)準(zhǔn)?多年工業(yè)應(yīng)用所證明(VME,VXI,etc.)IEEE1101標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械性能優(yōu)異模塊化且結(jié)構(gòu)緊湊為什么采用歐卡標(biāo)準(zhǔn)?多年工業(yè)應(yīng)用所證明(VME,VXI,PXI基本構(gòu)成CompactPCIPCIPXI基本構(gòu)成CompactPCIPCI軟件規(guī)范電氣規(guī)范機(jī)械規(guī)范S規(guī)范版本：1.01997.8.20開放的PXI系統(tǒng)規(guī)范軟件規(guī)范電氣規(guī)范機(jī)械規(guī)范S規(guī)范開放的PXI系統(tǒng)規(guī)范機(jī)械規(guī)范冷卻系統(tǒng)級環(huán)境規(guī)范：EMC，抗振，防塵等控制器定義在最左邊的槽位上機(jī)械規(guī)范PXI環(huán)境要求PXI模塊進(jìn)行溫度測試，推薦進(jìn)行濕度、振動、沖擊測試。EMC執(zhí)行IEC61326-1標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于GB/T18268-2000標(biāo)準(zhǔn)。PXI環(huán)境要求PXI模塊進(jìn)行溫度測試，推薦進(jìn)行濕度、振動、沖--虛擬儀器講稿觸發(fā)總線系統(tǒng)控制器星形觸發(fā)控制器外部設(shè)備外部設(shè)備外部設(shè)備10MHz時鐘132Mb/s,33MHz,32-bit計算機(jī)總線星形觸發(fā)本地總線電氣規(guī)范PXI總線的定時和觸發(fā)提高了測試性能：觸發(fā)總線系統(tǒng)星形觸發(fā)外部設(shè)備外部設(shè)備外部設(shè)備10MHz軟件規(guī)范PXI控制器必須支持標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件結(jié)構(gòu)，其預(yù)裝操作系統(tǒng)：WindowsNTWindows9x/2000／XP擴(kuò)展模塊必須提供32位的驅(qū)動程序軟件規(guī)范PXI和PC軟件是同樣的！操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件不用修改即可在PXI上運(yùn)行。配置工具把PXI模塊識為PCI設(shè)備！！PXI和PC軟件是同樣的！操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件不用修改即電氣機(jī)械軟件InstrumentationExtensionsCompactPCIPCI總線歐卡標(biāo)準(zhǔn)高性能連接器組成部分系統(tǒng)PXI結(jié)構(gòu)總結(jié)PXI構(gòu)架在CompactPCI之上，定義了一個完整的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電氣機(jī)械軟件InstrumentationExtensio組織目的

-提高PXI

-保證PXI可交互操作性

-控制PXI規(guī)范應(yīng)用集中在測試控制領(lǐng)域超過50家公司成員

SystemsAlliancePXI規(guī)范組織組織目的

-提高PXI

-保證PXI可交互操作性

-控PXI系統(tǒng)聯(lián)盟成員GenRadGespacGoepelElectronicGDESystems(Marconi)GTE-ERSInnovativeIntegrationKineticSystemsLeCroyMACPanelMENMikroElektronikTalonInstrumentsAcqirisAdvancedPowerDesignsAdvancedTestMethodsAlphiTechnologyAMPAnalogicASCORARVOOEngineeringATEMEA&TEngineeringTech.Ctr.B&BTechnologiesBittWareResearchSystemsBodeEnterprisesBRIMEC&HTechnologiesCHROMAATEDataPatternsDateppliDatumDolchComputerSystemsNationalInstrumentsPickeringInterfacesPXInstrumentTech.RacalInstrumentsRohdeandSchwarzQuantumControlsSBSGreenSpringSRCTestWareTracewellSystemsTTITestronVeroElectronics(APW)VirginiaPanelCorp.ZYNXSchroffMarekMicroERNIBallardTechnologyPXI系統(tǒng)聯(lián)盟成員GenRadAcqirisNation小結(jié)PXI是一個完整的系統(tǒng)規(guī)范，它在測試與控制領(lǐng)域擴(kuò)展了CompactPCI／PCI規(guī)范；PXI是一個被眾多廠商支持的開放標(biāo)準(zhǔn)；目前有上千種產(chǎn)品在PXI系統(tǒng)中可用。小結(jié)PXI是一個完整的系統(tǒng)規(guī)范，它在測試與控制領(lǐng)域擴(kuò)展了C--虛擬儀器講稿--虛擬儀器講稿PXI和VXI性能比較PXI和VXI性能比較

出現(xiàn)時間 軟件支持 開發(fā)成本 使用成本VXI 1987年 少 高 高

PXI 1997年 多 低 低PXI和VXI性能比較PXI和VXI性能上的比較：

本地總線 觸發(fā)線 總線速率 星形總線VXI 12lines 8TTL,2ECL 40MB/s D-sizeonly

PXI 13lines 8TTL 132MB/s 1perslot 出現(xiàn)時間 軟件支持 開發(fā)成本 使用成本PXI和VXI性能MXIGPIBPXI系統(tǒng)模塊模塊CompactPCIPXI模塊與其它標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)MXI-3MXIGPIBPXI系統(tǒng)模塊模塊CompactPCIPXI價格性能DesktopPCVXI模塊化測試系統(tǒng)總線填補(bǔ)空白PXI定位價格性能DesktopPCVXI模塊化測試系統(tǒng)總線填補(bǔ)空白PXI與VXI世界市場情況

（ByFrost）PXI與VXI世界市場情況

（ByFrost）--虛擬儀器講稿PXI與VXI的選擇從虛擬儀器的概念出發(fā)，考慮總線選擇；從國內(nèi)外的工業(yè)現(xiàn)狀出發(fā)，考慮總線選擇；從市場表現(xiàn)角度，考慮總線選擇PXI與VXI的選擇從虛擬儀器的概念出發(fā)，考慮總線選擇；從虛擬儀器概念出發(fā)虛擬儀器概念的核心：用軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)測量功能；PXI總線傳輸速度快，有利于CPU實(shí)時處理數(shù)據(jù)；VXI速度慢，是CPU實(shí)時處理的瓶頸；根據(jù)Moore定律，從發(fā)展角度講，應(yīng)選擇PXI。從虛擬儀器概念出發(fā)虛擬儀器概念的核心：用軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)測量從國內(nèi)外儀器工業(yè)現(xiàn)狀出發(fā)虛擬儀器技術(shù)降低了市場門欄

長期以來，我國儀器行業(yè)作出了巨大的努力，但始終沒有能力與國外競爭。思考其中緣由，國外先進(jìn)國家在長期的儀器發(fā)展中，形成了以知識產(chǎn)權(quán)為核心的技術(shù)壁壘，這個我們很難突破。也就是說，儀器市場準(zhǔn)入門欄太高。虛擬儀器技術(shù)采用通用計算機(jī)平臺，用軟件算法代替硬件實(shí)現(xiàn)儀器功能，這使得我們可以繞過復(fù)雜的工藝問題和傳統(tǒng)儀器的知識產(chǎn)權(quán)，進(jìn)入一個全新的市場，與國外公司在一個全新的領(lǐng)域，展開競爭。我國儀器行業(yè)應(yīng)抓住現(xiàn)在的大好時機(jī)，大力發(fā)展虛擬儀器。就能夠迅速縮短我們與發(fā)達(dá)國家的差距。

從國內(nèi)外儀器工業(yè)現(xiàn)狀出發(fā)虛擬儀器技術(shù)降低了市場門欄從國內(nèi)外儀器工業(yè)現(xiàn)狀出發(fā)PXI總線研發(fā)、生產(chǎn)成本大大低于VXI總線我們是發(fā)展中國家，對總線的成本比較敏感，就目前的情況而言，PXI總線產(chǎn)品價格約為VXI產(chǎn)品的1/2左右。近些年，雖然有很多VXI產(chǎn)品在國內(nèi)推廣，但能夠大面積應(yīng)用的不多，還沒有VXI直接用于武器裝備的例子。一個很大的制約因素就是價格，過高的價格限制了VXI產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。從國內(nèi)外儀器工業(yè)現(xiàn)狀出發(fā)PXI總線研發(fā)、生產(chǎn)成本大大低于VX從國內(nèi)外儀器工業(yè)現(xiàn)狀出發(fā)發(fā)達(dá)國家的市場退出成本較高，我們及時進(jìn)入市場，能形成后發(fā)比較優(yōu)勢。發(fā)達(dá)國家已形成一套儀器工業(yè)體系和銷售服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)展虛擬儀器方面，他們只能采用漸變的方式，逐步實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器退出市場，如果退出太快，就會造成巨大的退出成本。我們作為發(fā)展中國家，在傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域未能形成比較優(yōu)勢。如果我們集中力量，迅速進(jìn)入下一代虛擬儀器市場，我們不存在退出成本的問題，能夠迅速形成后發(fā)比較優(yōu)勢。略過傳統(tǒng)儀器的發(fā)展階段，迅速進(jìn)入下一代儀器發(fā)展階段，造成儀器技術(shù)的跨躍式發(fā)展態(tài)勢。跨躍式發(fā)展模式也是發(fā)展中國家趕超發(fā)達(dá)國家的基本模式。從國內(nèi)外儀器工業(yè)現(xiàn)狀出發(fā)發(fā)達(dá)國家的市場退出成本較高，我們及時從PXI與VXI的市場表現(xiàn)角度出發(fā)

從PXI與VXI的市場表現(xiàn)角度出發(fā)從PXI與VXI的市場表現(xiàn)角度出發(fā)

從圖中可以看出，整個虛擬儀器市場都在增長。VXI總線市場也在增長，PXI總線市場增長的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了VXI總線，平均年增長率為37.9%。到2008年，PXI總線短短10年的發(fā)展時間，市場銷售額已達(dá)到經(jīng)過20年發(fā)展的VXI總線的2/3。可以預(yù)測，未來的虛擬儀器領(lǐng)域?qū)⑹荘XI總線的天下，但近6~8年間，VXI和PXI會平分天下。這是就全球虛擬儀器市場而言，就國內(nèi)市場，我們可以大力發(fā)展PXI總線，形成后發(fā)比較優(yōu)勢。

從PXI與VXI的市場表現(xiàn)角度出發(fā)從圖中可以看出，整個總結(jié)PXI和VXI都是成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；PXI與VXI的主要性能差別是總線速度；認(rèn)為PXI產(chǎn)品性能較低，是個錯誤；PXI產(chǎn)品價格較低；近6－8年內(nèi)PXI和VXI將平分天下；未來的虛擬儀器領(lǐng)域?qū)⑹荘XI的天下；我國應(yīng)大力發(fā)展PXI總線產(chǎn)品?？偨Y(jié)PXI和VXI都是成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；三、PXI虛擬儀器技術(shù)

應(yīng)用實(shí)例三、PXI虛擬儀器技術(shù)

應(yīng)用實(shí)例澳大利亞皇家空軍

采用PXI虛擬儀器測量飛行參數(shù)澳大利亞皇家空軍

采用PXI虛擬儀器測量飛行參數(shù)--虛擬儀器講稿--虛擬儀器講稿--虛擬儀器講稿--虛擬儀器講稿PXI虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用實(shí)例數(shù)字化激光彈丸速度測量系統(tǒng)，北京鵬博達(dá)虛擬儀器技術(shù)公司；5124廠空氣炮測控系統(tǒng)改造，北京鵬博達(dá)虛擬儀器技術(shù)公司；虛擬儀器在航空測試中的應(yīng)用，海軍航空工程學(xué)院；虛擬儀器在標(biāo)準(zhǔn)電阻檢定中的應(yīng)用，上海市計量測試研究院；基于PXI總線的多通道瞬態(tài)測試記錄系統(tǒng)，西北工業(yè)大學(xué)；在虛擬儀器平臺上構(gòu)建便攜式車輛綜合測試系統(tǒng)，太原機(jī)械學(xué)院；虛擬儀器在醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用，廣州南方醫(yī)院；PXI虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用實(shí)例數(shù)字化激光彈丸速度測量系統(tǒng)，北京鵬PXI示波器模塊

2.5GSa/sPXI示波器模塊

2.5GSa/sPXI萬用表模塊PXI萬用表模塊RF信號分析

頻率計、峰值功率表、時間間隔分析RF信號分析

頻率計、峰值功率表、時間間隔分析任意波形發(fā)生器

300MSa/s任意波形發(fā)生器

300MSa/s多用表（Team公司）

（電壓、電流、電阻、電容、電感、溫度、二極管、頻率、信號源）多用表（Team公司）

（電壓、電流、電阻、電容、電感、溫度程控電源(Team公司)

（直流30V/2A）程控電源(Team公司)

（直流30V/2A）PXI機(jī)箱(GEOTEST公司)

14slotsFor3U/6UPXI機(jī)箱(GEOTEST公司)

14slotsFor機(jī)箱

（3U）機(jī)箱

（3U）機(jī)箱＋控制器

（3U、18槽）機(jī)箱＋控制器

（3U、18槽）帶顯示屏機(jī)箱帶顯示屏機(jī)箱PXIS-2506

6槽

PXI/CompactPCI平臺6CompactPCI/PXI槽自帶冷卻風(fēng)扇可選6.4”TFTLCD和250W電源便攜/墻安裝/面板安裝PXIS-2506

6槽PXI/CompactPCI平--虛擬儀器講稿PXIS-2650:8-槽3UCompactPCI/PXI機(jī)箱帶LCD顯示PXIS-2630:8-槽3UCompactPCI/PXI機(jī)箱PXIS-2600

8-槽

PXI/CompactPCI平臺PXIS-2650:8-槽3UCompactPCI/PPXIS-2700

18-槽

PXI/CompactPCI平臺一個系統(tǒng)槽17個外圍槽400W+400W冗余電源可移除的冷卻風(fēng)扇風(fēng)扇及溫度報警LEDPXIS-2700

18-槽PXI/CompactPCIPXI-2000系列PXI-20XX同步采集系列PXI-22XX64通道多功能系列PXI-20104-CH2MS/s,14-bitA/D,2-CH,1MS/s12-bitD/APXI-20054-CH500KS/s,16-bitA/D,2-CH,1MS/s12-bitD/APXI-20064-CH250KS/s,16-bitA/D,2-CH,1MS/s12-bitD/APXI-220464-CH3MS/s,12-bitA/D,2-CH,1MS/s12-bi