《電子測量技術(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總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1

虛擬儀器概述9.2

虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3

虛擬儀器開發(fā)流程目錄9.4

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

電子測量儀器按照功能模塊通常可劃分為三個(gè)部分：(1)信號采集(2)信號處理(3)結(jié)果顯示

對于傳統(tǒng)電子測量儀器而言，這三個(gè)功能模塊都是由硬件功能模塊和固化軟件來實(shí)現(xiàn)的，具體見圖9-1所示。

9.1概述9.4

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

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

進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著科技的迅速發(fā)展，對各類大規(guī)模、自動化、智能化電子測量系統(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)了一類新型測試儀器開發(fā)技術(shù)——虛擬儀器技術(shù)。虛擬儀器是將信號采集部分由儀器模塊完成，而信號處理和結(jié)果顯示部分則由通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成，開啟了一種全新的電子測量儀器開發(fā)方式，見圖9-1所示。9.4

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

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：獲取被測信號，產(chǎn)生激勵(lì)信號等；(2)通用計(jì)算機(jī)：提供虛擬儀器通用平臺，完成數(shù)據(jù)存儲、顯示等；(3)應(yīng)用軟件：控制被測信號的采集、處理和顯示等，是虛擬儀器的核心。9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(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放性系統(tǒng)封閉、固定系統(tǒng)開放、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)開發(fā)維護(hù)費(fèi)開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高開發(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^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)處理能力儲存能力數(shù)據(jù)儲存能力弱，大部分儀器完全沒有所有儀器具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)儲存能力9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(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

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程第二階段：基于GPIB總線的虛擬儀器9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程第三階段：基于VXI總線的虛擬儀器9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程第四階段：基于PXI總線的虛擬儀器9.4

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

可以按應(yīng)用領(lǐng)域分類，也可以按測量功能分類，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

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

在電子測量儀器領(lǐng)域，信號發(fā)生器、萬用表、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)單位等的必備測量儀器。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)測試任務(wù)時(shí)，可能需要多臺儀器，如電壓表、示波器、頻率計(jì)等，對復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)還需要邏輯分析儀、IC測試儀等，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，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè)自動化，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。9.1.3主要用途9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(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，尤其在測試與測量和工業(yè)自動化這兩大領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢顯得尤為突出：(1)測試與測量：計(jì)算機(jī)、通訊、半導(dǎo)體、汽車等產(chǎn)業(yè)。(2)工業(yè)自動化：石油化工、加工制造、醫(yī)藥生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)。9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程9.1.4典型產(chǎn)品1、VXI總線虛擬儀器(1)概述

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正式接受為萬用背板總線（VersatileBackplaneBus）標(biāo)準(zhǔn)——VMEbus（ANSI/IEEE1014-1987）。9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(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

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

國際上現(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）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂；

VPP系統(tǒng)聯(lián)盟的宗旨是通過制訂一系列的VXIbus軟件（即系統(tǒng)級）標(biāo)準(zhǔn)來提供一個(gè)開放的系統(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型連接器和信號通路，主機(jī)箱有13個(gè)插槽，面插入方向從左到右其編號從0到12。9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程圖9-7VXI總線虛擬儀器的硬件基本結(jié)構(gòu)9.4

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

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

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

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程ColoradoDataSystem：美國科羅拉多數(shù)據(jù)系統(tǒng)公司HewlettPackard：美國惠普公司RacalDana：美國雷卡達(dá)那公司Tektronix：美國泰克公司W(wǎng)avetek：美國威爾泰克公司9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(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的測量和自動化平臺。(2)

發(fā)展歷史

是由NationalInstruments（NI）公司在1997年發(fā)起，先已超過60個(gè)廠家加入PXI系統(tǒng)聯(lián)盟，超過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

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

虛擬儀器由通用儀器硬件平臺（簡稱硬件平臺）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。提供對測量數(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)硬件平臺和測控功能硬件兩部分。1、計(jì)算機(jī)硬件平臺

可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如臺式計(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、測控功能硬件按照測控功能硬件的不同，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)，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等。9.2.1硬件平臺基本構(gòu)成9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程圖9-8虛擬儀器硬件平臺框圖9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(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；定義測試功能的流程圖軟件程序。2、I/O接口儀器驅(qū)動程序：I/O接口儀器驅(qū)動程序完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動與通信。開發(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發(fā)工具有如下兩類：文本式編程語言如VisualC++、VisualBASIC、LabWindows/CVI等；圖形化編程語言如LabVIEW、HP-VEE等。這些軟件開發(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發(fā)環(huán)境。9.2.2軟件開發(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，它可以選擇Windows98、SUNOS\Linux等。

儀器驅(qū)動器軟件：是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，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)儀器功能的測試程序和實(shí)現(xiàn)虛擬面板的界面程序。用戶通過虛擬面板與虛擬儀器進(jìn)行對話。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)用軟件開發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動器、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

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程9.3虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3.1測試需求分析明確用戶想解決什么問題，即儀器要完成哪些測試項(xiàng)目，以及用戶對面板操作上的要求，從而確定面板需要什么控制部件和指示部件，并進(jìn)行面板布局設(shè)計(jì)。9.3.2硬件平臺構(gòu)建虛擬儀器的硬件一般分為基礎(chǔ)硬件平臺和儀器硬件設(shè)備。采用不同硬件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)性能比較如下表9-3所示，用戶須根據(jù)測試功能與性能需求、預(yù)算情況等進(jìn)行合理選擇。9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程平臺特性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)與控制能力無無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總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程9.3.3驅(qū)動程序開發(fā)通常，儀器驅(qū)動程序的開發(fā)包括以下幾個(gè)部分：(1)函數(shù)庫；(2)交互式操作接口；(3)編程接口；(4)I/O接口；(5)功能庫；(6)子程序接口；

9.4

PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程9.3.4應(yīng)用程序開發(fā)

通常，虛擬儀器應(yīng)用程序的開發(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總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程9.4PXI總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.4.1PXI總線虛擬儀器硬件平臺PXIe總線虛擬儀器硬件平臺主要由機(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總線虛擬儀器開發(fā)基礎(chǔ)9.1概述9.2虛擬儀器平臺架構(gòu)9.3虛擬儀器開發(fā)流程9.4.2PXI總線虛擬儀器軟件環(huán)境目前，市場上可供選擇的面向工程的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺較多，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；第二類是程序語言編程環(huán)境，如NI公司的LabWindows