《電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第9章 虛擬儀器

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XXX學(xué)院第九章虛擬儀器——XXX學(xué)校9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1

虛擬儀器概述9.2

虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3

虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程目錄9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程

電子測(cè)量?jī)x器按照功能模塊通?？蓜澐譃槿齻€(gè)部分：(1)信號(hào)采集(2)信號(hào)處理(3)結(jié)果顯示

對(duì)于傳統(tǒng)電子測(cè)量?jī)x器而言，這三個(gè)功能模塊都是由硬件功能模塊和固化軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體見(jiàn)圖9-1所示。

9.1概述9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程圖9-1傳統(tǒng)儀器到虛擬儀器的演化過(guò)程9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程

進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著科技的迅速發(fā)展，對(duì)各類大規(guī)模、自動(dòng)化、智能化電子測(cè)量系統(tǒng)的需求愈發(fā)迫切，從而導(dǎo)致了基于計(jì)算機(jī)、儀器和通訊等技術(shù)，出現(xiàn)了一類新型測(cè)試儀器開(kāi)發(fā)技術(shù)——虛擬儀器技術(shù)。虛擬儀器是將信號(hào)采集部分由儀器模塊完成，而信號(hào)處理和結(jié)果顯示部分則由通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成，開(kāi)啟了一種全新的電子測(cè)量?jī)x器開(kāi)發(fā)方式，見(jiàn)圖9-1所示。9.4

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虛擬儀器概念早在20世紀(jì)70年代就已提出，但真正得以實(shí)現(xiàn)則是在GP-IB、VXI、PXI等總線標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)之后才變?yōu)榭赡埽㈦S著GPIB總線儀器、VXI總線儀器、PXI總線儀器等的推廣而得到迅速發(fā)展。虛擬儀器主要由儀器硬件模塊、通用計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件三部分夠成。(1)儀器硬件模塊：獲取被測(cè)信號(hào)，產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)等；(2)通用計(jì)算機(jī)：提供虛擬儀器通用平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示等；(3)應(yīng)用軟件：控制被測(cè)信號(hào)的采集、處理和顯示等，是虛擬儀器的核心。9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程表9-1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較一覽表項(xiàng)目傳統(tǒng)儀器虛擬儀器儀器定義廠商定義儀器功能用戶定義儀器功能開(kāi)放性系統(tǒng)封閉、固定系統(tǒng)開(kāi)放、靈活，與計(jì)算機(jī)的發(fā)展同步技術(shù)更新慢（5~10年）快（1~2年）性能/價(jià)格比價(jià)格高價(jià)格低，并且可重復(fù)性與可配置性強(qiáng)開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用高開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用低中心環(huán)節(jié)硬件是關(guān)鍵軟件是關(guān)鍵功能設(shè)定儀器的功能、規(guī)模均已固定系統(tǒng)功能和規(guī)?？赏ㄟ^(guò)軟件修改和增減應(yīng)用情況多為實(shí)驗(yàn)室擁有個(gè)人可以擁有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備連接不易與其他設(shè)備連接容易與其他設(shè)備連接集成度集成度低集成度高，可形成儀器庫(kù)分析處理數(shù)據(jù)分析處理能力弱具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力儲(chǔ)存能力數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力弱，大部分儀器完全沒(méi)有所有儀器具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程第一階段：基于PC總線的虛擬儀器9.1.1發(fā)展歷程隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了四代。9.4

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可以按應(yīng)用領(lǐng)域分類，也可以按測(cè)量功能分類，最常用是按總線接口類型劃分：(1)插卡式（DAQ）虛擬儀器(2)串行口（RS232/422）虛擬儀器(3)GPIB虛擬儀器(4)VXI虛擬儀器(5)PXI虛擬儀器(6)LXI虛擬儀器9.1.2產(chǎn)品分類9.4

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在電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，信號(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表、示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等是高等院校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)單位等的必備測(cè)量?jī)x器。由于傳統(tǒng)儀器設(shè)備缺乏相應(yīng)的計(jì)算機(jī)通信接口，因而，配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理十分困難。在完成某項(xiàng)測(cè)試任務(wù)時(shí)，可能需要多臺(tái)儀器，如電壓表、示波器、頻率計(jì)等，對(duì)復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)還需要邏輯分析儀、IC測(cè)試儀等，難以滿足科技發(fā)展的需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在測(cè)試領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了虛擬儀器這一新型儀器設(shè)備，從簡(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)試和工業(yè)自動(dòng)化，從科研到生產(chǎn)，從應(yīng)用到探索，虛擬儀器技術(shù)都能派上用場(chǎng)。9.1.3主要用途9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程虛擬儀器技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍工、科研、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，尤其在測(cè)試與測(cè)量和工業(yè)自動(dòng)化這兩大領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯得尤為突出：(1)測(cè)試與測(cè)量：計(jì)算機(jī)、通訊、半導(dǎo)體、汽車等產(chǎn)業(yè)。(2)工業(yè)自動(dòng)化：石油化工、加工制造、醫(yī)藥生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)。9.4

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VXIbus(VMEbusExtensionforInstrumentation)，VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。(2)

發(fā)展歷史1979年，誕生了一種被稱為“Eurocard”（IEC297-3）的印刷電路板標(biāo)準(zhǔn)。1981年10月，Motorola、Mostek和Signetics宣布他們共同支持基于VERSAbus和Eurocard模塊尺寸的系列板卡，這就是著名的VMEbus。1987年，VMEbus被IEEE正式接受為萬(wàn)用背板總線（VersatileBackplaneBus）標(biāo)準(zhǔn)——VMEbus（ANSI/IEEE1014-1987）。9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程1987年7月，ColoradoDataSystem、HewlettPackard、RacalDana、Tektronix和Wavetek五家著名儀器公司共同制定了VXI規(guī)。1993年9月

，VXIplug&play

聯(lián)盟的成立，是VXI發(fā)展道路上的一個(gè)里程碑，該聯(lián)盟對(duì)VXI模塊的軟件作了進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化，從而可以保證不同廠家生產(chǎn)的模塊可以很容易地應(yīng)用于同一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。版本0.01.01.11.21.31.4IEEE-1155日期1987.7.91987.8.241987.10.71988.6.211989.7.141992.4.211993.9.20表9-2VXI規(guī)范版本一覽表9.4

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國(guó)際上現(xiàn)有兩個(gè)VXIbus組織——VXIbus聯(lián)合體和VPP系統(tǒng)聯(lián)盟。VXIbus聯(lián)合體主要負(fù)責(zé)VXIbus硬件（即儀器級(jí)）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂；

VPP系統(tǒng)聯(lián)盟的宗旨是通過(guò)制訂一系列的VXIbus軟件（即系統(tǒng)級(jí)）標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提供一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其更容易集成和使用。

所謂VXIbus標(biāo)準(zhǔn)體系就由這兩套標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成。(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)VXI總線虛擬儀器的硬件基本結(jié)構(gòu)如下圖9-7所示。

其中，VXI主機(jī)箱是為保證各模塊恰當(dāng)?shù)剡B接到底板而設(shè)的；底板(Backplane)是一塊印刷電路板(PCB)，其中有96腳J型連接器和信號(hào)通路，主機(jī)箱有13個(gè)插槽，面插入方向從左到右其編號(hào)從0到12。9.4

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PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程Motorola：美國(guó)摩托羅拉公司，由JosephGalvin和PaulGalvin創(chuàng)辦，1928年創(chuàng)立。

1969年，阿波羅11號(hào)使用摩托羅拉無(wú)線電從月球傳來(lái)第一句話。Mostek：美國(guó)莫斯特克公司，由來(lái)自德州儀器的創(chuàng)辦人創(chuàng)辦，1969年創(chuàng)立、1983年底破產(chǎn)。Signetics：美國(guó)西格尼蒂克公司，由來(lái)自仙童半導(dǎo)體的工程師創(chuàng)立（DavidAllison、DavidJames、LionelKattner、MarkWeissenstern），1960年創(chuàng)立，1975年被收購(gòu)。

最著名產(chǎn)品：NE555計(jì)時(shí)器器（1971年推出）9.4

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PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程2、PXI總線虛擬儀器(1)概述PXI(PCIextensionsforInstrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展)是一種由NI公司發(fā)布的堅(jiān)固的基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)。(2)

發(fā)展歷史

是由NationalInstruments（NI）公司在1997年發(fā)起，先已超過(guò)60個(gè)廠家加入PXI系統(tǒng)聯(lián)盟，超過(guò)100個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)商，全球大約有1000種產(chǎn)品(包括300多種cPCI)。(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PXI總線虛擬儀器的硬件基本結(jié)構(gòu)與VXI總線虛擬儀器的基本相同，可參考圖9-7。它也由主機(jī)箱、控制器模塊、通用儀器模塊等構(gòu)成。9.4

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虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分組成。虛擬儀器是利用計(jì)算機(jī)和一組專用軟件，加上硬件設(shè)備，以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，建立中英文界面的虛擬儀器面板。提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示，形成既有普通儀器的功能，又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。

9.4

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虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件兩部分。1、計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)

可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。2、測(cè)控功能硬件按照測(cè)控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等。9.2.1硬件平臺(tái)基本構(gòu)成9.4

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PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成：1、應(yīng)用程序：應(yīng)用程序含兩個(gè)方面：實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序；定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序。2、I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序：I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)與通信。開(kāi)發(fā)虛擬儀器必須有合適的軟件工具，目前的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具有如下兩類：文本式編程語(yǔ)言如VisualC++、VisualBASIC、LabWindows/CVI等；圖形化編程語(yǔ)言如LabVIEW、HP-VEE等。這些軟件開(kāi)發(fā)工具為用戶設(shè)計(jì)虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。9.2.2軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境架構(gòu)9.4

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虛擬儀器的軟件包括操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件三個(gè)層次。

操作系統(tǒng)：是虛擬儀器軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，它可以選擇Windows98、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，他建立在I/O接口操作軟件的基礎(chǔ)上，是連接應(yīng)用軟件與外圍硬件模塊的橋梁。

應(yīng)用軟件：包括實(shí)現(xiàn)儀器功能的測(cè)試程序和實(shí)現(xiàn)虛擬面板的界面程序。用戶通過(guò)虛擬面板與虛擬儀器進(jìn)行對(duì)話。以VXI總線虛擬儀器為例，其軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖9-9所示，包括應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動(dòng)器、VISAAPI三部分。9.4

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圖9-9

VXI總線虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)示意圖9.4

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PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程平臺(tái)特性GPIBPC-DAQVXI傳輸寬度88，16，32(可拓展至64)8，16，32(可拓展至64)吞吐率1MB/s(3線)8MB/s(HS488)1-2MB/s(ISA)132MB/s(PCI)40MB/s80MB/s(VME64)定時(shí)與控制能力無(wú)無(wú)8根TTL觸發(fā)線2根ECL觸發(fā)線面市產(chǎn)品種類>10000>1000>1000擴(kuò)展能力眾多接口卡眾多第三方產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)MXI接口結(jié)構(gòu)大小大小中表9-3不同體系結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)性能比較9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程9.3.3驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)通常，儀器驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)包括以下幾個(gè)部分：(1)函數(shù)庫(kù)；(2)交互式操作接口；(3)編程接口；(4)I/O接口；(5)功能庫(kù)；(6)子程序接口；

9.4

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通常，虛擬儀器應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)需要注意以下幾點(diǎn)：(1)

軟面板應(yīng)設(shè)計(jì)成能在不同平臺(tái)和計(jì)算機(jī)顯示器上完成各種操作，所以必須保證每個(gè)軟面板在不同平臺(tái)和不同分辨率的顯示器之間是可移植的。(2)

字體選擇應(yīng)基于可移植性和易讀性。

(3)

根據(jù)外觀、效果、可移植性及打印的要求來(lái)選擇顏色。(4)儀器或公司的圖標(biāo)顯示在主面板上。

(5)不同面板上的控制器和指示器應(yīng)該是一致的、易讀的，應(yīng)能足夠容納所表示的最大數(shù)字或選項(xiàng)。(6)軟面板應(yīng)支持鼠標(biāo)和鍵盤操作，應(yīng)提供在線幫助功能。9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程9.4PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.4.1PXI總線虛擬儀器硬件平臺(tái)PXIe總線虛擬儀器硬件平臺(tái)主要由機(jī)箱、控制器、儀器模塊等部分組成。1、機(jī)箱

2、控制器3、儀器模塊9.4

PXI總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺(tái)架構(gòu)9.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)流程9.4.2PXI總線虛擬儀器軟件環(huán)境目前，市場(chǎng)上可供選擇的面向工程的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)較多，其大致可分為兩類：第一類是圖形化編程環(huán)境，如原HP公司的HP-VEE和NI公司的LabVIEW；第二類是程序語(yǔ)言編程環(huán)境，如NI公司的LabWindows