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虚拟仪器与网络测试技术罗光坤luke0011@163.com虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院《虚拟仪器设计》“十一五”国家级规划教材詹惠琴、古军、袁亮编高等教育出版社2008虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22第1章虚拟仪器概述§1.1虚拟仪器的基本概念§1.2虚拟仪器的形成和发展§1.3虚拟仪器的系统结构§1.4虚拟仪器的软件系统§1.5虚拟仪器技术应用虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22§1.1虚拟仪器的基本概念1虚拟仪器的定义传统仪器※具有特定功能和仪器外观虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22虚拟仪器※一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机屏幕上显示虚拟的仪器面板，可由用户软件来定义仪器功能的仪器虚拟数字存储示波器虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22虚拟直流数字电压表虚拟温度检测与控制系统虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22激励信号调理、采集硬件计算机仪器面板、鼠标、键盘软件采集信号测量数据输出数据控制参数键入命令被测对象用户采集和产生显示和输出数据命令控制和处理2虚拟仪器的特点①硬件是通用的②面板是虚拟的，具有良好的人机界面③功能是由用户软件定义的，功能强测量仪器的三个基本功能组成虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22采集和产生控制和处理显示和输出硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（显示器与旋钮）硬件（电子线路）计算机软件（算法）计算机硬件（显示器与虚拟旋钮）传统仪器虚拟仪器计算机系统资源3传统仪器与虚拟仪器比较虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22比较内容虚拟仪器传统仪器系统构成软件和通用硬件。软件是关键专用硬件系统开发周期开发时间短、技术要求低、系统通用性强开发时间长、技术要求高、系统功能较专一开发费用软件使得开发和维护费用降至最低开发与维修开销高技术更新周期短（1－2年）长（5－10年）价格价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵功能可塑性用户定义仪器功能，柔性厂商定义仪器功能，刚性系统开放性开放、灵活，与计算机技术同步发展封闭、固定构成复杂系统能力易与网络及其他周边设备互连功能单一的独立设备人机交互无限的显示选项、界面友好有限的显示选项虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22§1.2虚拟仪器的形成和发展1虚拟仪器形成的背景第一代测试系统模拟仪器第一代电子仪器数字仪器智能仪器个人仪器数字化计算机化模块化第二代电子仪器第三代电子仪器第四代电子仪器虚拟仪器及系统第四代仪器系统软件仪器自定义型仪器模块嵌入计算机中计算机嵌入到仪器中扫描测试系统专用测试系统GPIB仪器系统模块化仪器系统数字化标准化模块化第二代测试系统第三代测试系统模拟式自动测试系统特定设计专用型台式仪器积木型模块仪器集成型电子测量仪器(ElectronicInstruments)及自动测试系统(AutomaticTestSystem,ATS)的发展结果虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22内置微处理器，具有自动测量和数据处理能力，功能以硬件（或固化的软件）形式存在，缺乏灵活性。将模拟信号测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果。采用模拟电子技术实现，用指针显示结果。模拟仪器数字仪器智能仪器I/O插卡个人计算机的扩展插槽个人仪器虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:222虚拟仪器的提出个人仪器和第三代测试系统的发展，形成了以VXI总线和PXI总线等为标准的通用模块化仪器系统计算机软件在仪器控制与通信、数据分析与处理、结果显示与输出等方面所起的重要作用1986年，美商国家仪器公司（NationalInstrumentNI）提出了虚拟仪器（VirtualInstrumentation）的概念虚拟仪器软件采用面向对象和可视化图形编程技术相继推出了基于GPIB总线、PC-DAQ（DataAcquisition）和VXI总线等多种虚拟仪器系统。虚拟仪器软件的标准化VPP和VISA，可交互仪器驱动器模型——IVI虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:223虚拟仪器的发展与展望①新的总线技术的应用②模块化、集成化是硬件发展的主流③软件技术软件标准等问题如何利用各种软件开发环境及工具，编制出符合标准的应用软件④网络化仪器系统虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22§1.3虚拟仪器的系统结构1虚拟仪器的系统构成和内部功能构成系统构成※硬件+软件：硬件是基础，软件是核心软件系统通用硬件平台I/O接口仪器驱动软件计算机操作系统通用计算机测试硬件设备应用软件——虚拟面板应用软件——仪器功能用户被测系统虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22内部功能构成※信号采集与产生+数据分析与处理+结果表达与输出信号采集与产生主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器驱动程序共同完成，而数据分析与处理、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成仪器驱动程序信号采集与控制PC-DAQ采集卡串口仪器GPIB仪器VXI或PXI仪器测试功能应用程序数值分析信号处理统计处理数字滤波面板功能应用程序图形用户接口文件I/O磁盘复制网络传输数据采集与产生数据分析与处理结果表达与输出虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:222虚拟仪器的通用硬件平台通用硬件平台的基本功能※①信号采集（模拟、数字输入）②信号产生（模拟、数字输出）③信号调理（如幅度放大、抗混滤波等）④大容量数据存储⑤实时信号处理⑥总线与通信核心功能虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22通用硬件平台的组成框图※采集多路器信号调理A/D变换器数据存储器信号调理D/A变换器数据存储器波形数据发生信号分析处理及控制(单片机、DSP、FPGA)显示器键盘标准接口数字I/O计算机人机接口信号输入信号输出说明以实现A/D及D/A转换功能为核心，再配备适当的前端信号调理、数据存储、数字I/O等功能，共同完成虚拟仪器的信号采集、产生和控制功能虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22通用硬件平台的构成形式※通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备（分立式或模块式仪器）主要有PC总线的数据采集模块（PC-DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型，或多种类型的组合被测信号PC-DAQ系统I/O接口设备GPIB系统VXI系统PXI系统串口系统计算机虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22(3)基于VXl总线的虚拟仪器内置PC总线（如ISA、PCI）的通用数据采集卡DAQ(1)基于PC总线的虚拟仪器(2)基于GPIB通用接口总线的虚拟仪器国际标准（IEEE488.1和IEEE488.2），技术成熟但其数据传输速度一般低于500Kb/s具有模块化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI仪器的互换性和互操作性但价格相对较高，适合于高端的测试领域，速度约为40MB/s(4)基于PXI总线的虚拟仪器兼容PCI总线(132~264MB/s)产品，集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性价比最好虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22§1.4虚拟仪器的软件系统1虚拟仪器的软件层次结构三个层次部分：I/O接口软件+仪器驱动程序+应用软件应用软件仪器驱动程序I/O接口软件（VISA库）SerialVXIGPIB等虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22I/O接口层（VISA库）※I/O接口软件存在于仪器设备（即I/O接口设备）与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器设备与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件。VISA（VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture）库，实质是标准的I/O函数库及其相关规范总称。仪器驱动层※连接上层应用程序与底层I/O接口仪器的纽带和桥梁。是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合应用软件层※直接面对用户操作，提供直观、友好的操作界面、丰富的数据分析与处理功能，完成自动测试任务虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22通用的可视化编程环境※Microsoft公司的VisualC++和VisualBasic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等2虚拟仪器的软件开发平台专用于虚拟仪器开发的软件编程环境※图形化编程（G语言）环境：NILabVIEW、AgilentVEE文本编程环境：NILabWindows/CVI其中，LabVIEW是目前最流行、应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。非常适于仪器、测量与控制领域的虚拟仪器软件开发虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22其它※NI公司还推出了LabVIEWToolkits工具箱，应用领域如：①高级分析函数：小波、联合时频分析②特定应用的分析：声音和振动、阶次分析、频谱③现成即用的数据管理用于测试文件④数据记录、警报、安全机制和机器视觉⑤报告的生成和连接：SQL、ODBC、MicrosoftExcel虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22AdvancedSignalProcessingToolkitNISoundandVibrationToolkitDatabaseConnectivityToolkitAdaptiveFilterToolkitDigitalFilterDesignToolkitSystemIdentificationToolkitMathInterfaceToolkitSimulationInterfaceToolkitReportGenerationToolkitNILabVIEWInternetToolkit虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:223虚拟仪器系统的设计过程系统软件需求分析测试需求分析总体方案设计硬件需求分析硬件设计订购通用仪器研制专用硬件硬件系统集成适配器研制软件系统设计（开发要求）软件算法设计编程与调试软件系统集成软件平台研制仪器驱动程序开发硬件和软件系统集成维护和修改、完善虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22测试需求分析※分析被测参数的形式（电量还是非电量、数字量还是模拟量）、范围（幅度、频率）和数量（通道数），激励信号的形式和范围要求性能指标（测量精度、速度）要求功能（用户接口界面、数据分析与处理、存储与显示、外部通信接口等）要求系统总体方案设计※根据测试任务要求，确定测试方法系统组成结构设计虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22系统硬件设计※自制或购买硬件系统集成系统软件设计※选择软件开发环境底层驱动设计上层应用软件设计（用户界面设计、测量数据分析与处理、算法设计、测量结果表达）软硬件集成与调试※功能测试指标测试系统优化虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22§1.5虚拟仪器技术应用从军用到民用，虚拟仪器无处不在。85%的世界500强制造型企业已经选择了虚拟仪器技术，NI提供的1000多款软硬件产品应用遍布电子、机械、通信、生物医药、科研、教育等各个行业领域。虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22测试测量工业自动化声学测试设备测试工业自动化食品加工汽车测试生物医学研究控制工程机器视觉计量校准电子与非电子测试石油和天然气工程制药生产光纤校准光学度量和测定工业机器人过程自动化研发调试半导体测试SCADA统计流程控制通信测试振动测试晶片传送手臂机械制造虚拟仪器的应用领域虚拟仪器与网络测试技术电子科技大学自动化工程学院14:22(1)消费电子微软公司使用LabVIEW和PXI模块化