LabVIEW虛擬儀器入門與測(cè)控應(yīng)用100例 課件 第1章 虛擬儀器概述

虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用虛擬儀器概述1.1虛擬儀器含義及特點(diǎn)虛擬儀器是用通用計(jì)算機(jī)硬件和軟件來仿真?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量儀器的設(shè)備，是一種以測(cè)量、分析、顯示為主，控制為輔的更加先進(jìn)的科學(xué)儀器。虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)的重要分支。1.1.1虛擬儀器的產(chǎn)生測(cè)量儀器發(fā)展階段：模擬儀器數(shù)字儀器智能儀器虛擬儀器虛擬儀器發(fā)展階段：利用計(jì)算機(jī)來增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能在功能硬件上實(shí)現(xiàn)進(jìn)步形成虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)基本框架1.1.2虛擬儀器的概念利用計(jì)算機(jī)顯示器模擬傳統(tǒng)儀器控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果；利用計(jì)算機(jī)軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理；利用I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)試，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。1.1.2虛擬儀器的概念“虛擬”的兩個(gè)含義：（1）虛擬儀器的面板是虛擬的。（2）虛擬儀器的測(cè)量功能是通過對(duì)圖形化軟件流程圖的編程來實(shí)現(xiàn)的。1.1.3虛擬儀器的特點(diǎn)特點(diǎn)：以軟件為核心，擴(kuò)展性強(qiáng)，性價(jià)比高，具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。傳統(tǒng)測(cè)量儀器與虛擬儀器特點(diǎn)對(duì)比如表1-1所示。傳統(tǒng)儀器虛擬儀器硬件是關(guān)鍵，必須由專業(yè)廠家升級(jí)軟件是關(guān)鍵，升級(jí)方便基于硬件體系，開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高基于軟件體系，開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低數(shù)據(jù)無法編輯數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印硬件技術(shù)更新周期長軟件技術(shù)更新周期短通用性差，價(jià)格高價(jià)格低，并且可重用性與可配置性強(qiáng)廠商定義儀器功能用戶定義儀器功能系統(tǒng)封閉、功能固定不可更改系統(tǒng)開放、靈活，功能可更改，構(gòu)成多種儀器不易與其他設(shè)備連接容易與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其他設(shè)備連接圖形界面小，信息量小圖形界面大，信息量大部分具有時(shí)間記錄和測(cè)試說明完整的時(shí)間記錄和測(cè)試說明信號(hào)電纜和開關(guān)多，操作復(fù)雜信號(hào)電纜少，采用虛擬旋鈕，故障率低，有操作保護(hù)測(cè)試部分自動(dòng)化測(cè)試過程完全自動(dòng)化表1-1傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較1.1.4虛擬儀器的應(yīng)用虛擬儀器廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機(jī)械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。1.2虛擬儀器組成與構(gòu)成方式虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)硬件、儀器硬件和虛擬儀器軟件三部分構(gòu)成，如圖1-1所示。圖1-1虛擬儀器系統(tǒng)的組成框圖儀器硬件：完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸和顯示測(cè)量結(jié)果。計(jì)算機(jī)硬件：管理虛擬儀器的硬件、軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。虛擬儀器軟件：實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器硬件通信和控制，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，對(duì)結(jié)果表達(dá)和輸出。是虛擬儀器核心、關(guān)鍵部分。1.2.2虛擬儀器構(gòu)成方式虛擬儀器的硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)和其I/O接口設(shè)備兩部分組成。根據(jù)I/O接口設(shè)備總線類型的不同，有六種標(biāo)準(zhǔn)硬件體系結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示。圖1-2虛擬儀器的構(gòu)成方式PC-DAQ：基于PC的插卡式虛擬儀器。優(yōu)點(diǎn)：插卡式儀器價(jià)格便宜，適合于工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門使用。缺點(diǎn)：電源功率不足、機(jī)箱內(nèi)噪聲電平較高、無屏蔽、插槽數(shù)目不多、尺寸較小。1.PC-DAQGPIB總線：最早的儀器總線。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和命令簡單，造價(jià)較低，主要用于臺(tái)式儀器，精確度高。缺點(diǎn)：計(jì)算機(jī)速率和總線控制實(shí)時(shí)性低。2.GPIB總線VXI總線：高速計(jì)算機(jī)總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)開放、即插即用、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)與同步精確、模塊可重復(fù)利用。缺點(diǎn)：價(jià)格高昂。3.VXI總線PXI總線：在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加包括多板同步觸發(fā)總線技術(shù)以及用于相鄰模塊的高速通信的局部總線技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：高度的可擴(kuò)展性，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。4.PXI總線串口總線：RS-232總線是早期采用的PC機(jī)通用串行總線，適合于單臺(tái)儀器與計(jì)算機(jī)的連接，但控制性能較差。目前采用較多的是USB總線，但其只用于較簡單的測(cè)試系統(tǒng)。目前最有發(fā)展前景的是采用IEEE1394高速串行總線。5.串口總線現(xiàn)場總線：全數(shù)字化、串行、雙向、多站的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)：以現(xiàn)場總線為紐帶，把多個(gè)分散的智能儀表、控制設(shè)備（包括智能傳感器）連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)。6.現(xiàn)場總線1.2.3構(gòu)建虛擬儀器步驟1．確定所用儀器或設(shè)備的接口形式2．確定所選擇的接口卡是否具有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序3．確定應(yīng)用程序的編程語言4．編寫用戶的應(yīng)用程序5．調(diào)試運(yùn)行應(yīng)用程序1.3虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)與開發(fā)平臺(tái)從低層到頂層，虛擬儀器的軟件系統(tǒng)框架包括三個(gè)部分：VISA庫、儀器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。圖1-3虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)1.VISA庫：標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱，是可調(diào)用的操作函數(shù)集，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接。2.儀器驅(qū)動(dòng)程序：初始化虛擬儀器，設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)。3．應(yīng)用程序：實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序和定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)目前主要有兩類：1.基于傳統(tǒng)語言如C、VisualBasic、VisualC++等通用的軟件開發(fā)平臺(tái)。優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)面廣、開發(fā)靈活的特點(diǎn)。缺點(diǎn)：開發(fā)測(cè)試工程軟件難度大、周期長、費(fèi)用高、可擴(kuò)展性差。2.圖形