虚拟仪器实验室

计算机科学与技术系/zjtcm虚拟仪器技术www.pansino.com.cn计算机科学与技术系/zjtcm虚拟仪器vs传统仪器计算机科学与技术系/zjtcm什么是虚拟仪器？虚拟仪器技术就是用户自定义的基于PC技术的测试和测量解决方案，其4大优势在于：性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成功能。•性能高虚拟仪器是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。随着数据传输到硬驱功能的不断加强，以及与PC总线的结合，高速数据记录已经较少依赖大容量的本地内存。以一台60G的示波器为例，在采用虚拟仪器技术的情况下，构建这样一台示波器是相当简单的，只要将一台基于PC的数字转换器放置在PC机中，就能以高达每秒100MB的速度将数据导入磁盘。计算机科学与技术系/zjtcm虚拟仪器技术的另一突出优势就是不断提高的网络带宽。因特网和越来越快的计算机网络时的数据分享进入了一个全新的阶段，将因特网和NI的软硬件产品相结合，您就能够轻松地与地球另一端的同事共享测量结果，分享“天涯若比邻”的便捷•扩展性强NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于NI软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。计算机科学与技术系/zjtcm•开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、部署、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。计算机科学与技术系/zjtcm•完美的集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，但是这些不同设备间的连接和集成总是耗费大量时间，不是轻易可以完成的。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，例如数据采集、视觉、运动和分布式I/O等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。为了获得最高的性能、简单的开发过程和系统层面上的协调，这些不同的设备必须保持其独立性，同时还要紧密地集成在一起。NI的结构可以使开发者们快速创建测试系统，并随着要求的改变轻松地完成对系统的修改。得益于这一集成式的构架带来的好处，您的系统可以更具竞争性，因为您可以更高效地设计和测试高质量的产品，并将它们更快速地投入市场。计算机科学与技术系/zjtcm•虚拟仪器的概念虚拟仪器是一种概念仪器，迄今为止，业界还没有一个明确的国际标准和定义。虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。业界一般认为，所谓虚拟测量仪器，就是采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，对各种各样的数据进行计算机处理、显示和存储。虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术结合，从而开拓了更多的功能，具有很大的灵活性，由于虚拟仪器的设备利用率高、维修费用低、能够获得较高的经济效益。用户购买了这种虚拟仪器，就不必再担心仪器会永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过对软件的不同应用，拓展VI功能，以便适应实际生产的需要。虚拟仪器的另外一个突出的优点是能够和网络技术结合，能够通过网络借助OLE、DDE技术与企业内部网Intranet联接，与外界进行数据通信，将虚拟仪器实时测量的数据输送到Intranet计算机科学与技术系/zjtcm“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I／O部件来构建虚拟仪器。I／O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。虚拟仪器功能由用户自己定义；面向应用的系统结构，可方便地与网络外设、应用等连接；展现全汉化图形界面、计算机接读数、分析处理；数据可编辑、存储、打印；软件是关键部分；价格低廉（是传统仪器价格的五至十分之一）；基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器；技术更新快（周期为1－2）；基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用；个人可以拥有一个实验室。计算机科学与技术系/zjtcmNI推出的虚拟仪器开发平台软件LabWindows／CVI和LabVIEW，能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。LabVIEW由于能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如，用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作，以便满足各种不同的测量、测试和分析系统的需要，还可以将其用于对仪器的监控和工业过程自动化控制，使虚拟仪器能够在更广泛的范围内发挥更大的作用。计算机科学与技术系/zjtcm仪器概念的转变传统仪器厂商定义功能虚拟仪器用户定义功能PROCESSORBUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAYANDCONTROL488PORT礟MathMEMORY礟ROMPROCESSORBUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAYANDCONTROL488PORT礟MathMEMORY礟ROMControlPanelFlowPressureAlarmConditionsSTOPTemperature计算机科学与技术系/zjtcm虚拟仪器的构成元素数据采集和控制分析SignalProcessingDigitalFilteringStatisticsArrayOperations显示GraphicalUserInterfaceHardcopyOutputFileI/O信号Plug-InDAQBoardsIEEE488(GPIB)RS-232计算机科学与技术系/zjtcmVirtualInstrumentation--ComputerBasedInstruments计算机科学与技术系/zjtcmGPIBSerialDAQProcessorUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&DriverSoftware•MeasurementStudio•LabVIEW虚拟仪器系统计算机科学与技术系/zjtcm数据采集系统采集分析显示计算机科学与技术系/zjtcm基于PC的数据采集和仪器控制开发软件Source:Surveyof400USreadersfromT&MWorld,EDN,DesignNews,andR&Dmagazines,March2002测试系统开发软件计算机科学与技术系/zjtcm虚拟仪器技术应用领域•航空•航天•教学•核工业•军工•通信测试•铁道•…….计算机科学与技术系/zjtcm虚拟仪器——仪器发展的新时代由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在这种背景下，八十年代未美国研制成功虚拟仪器。所谓虚拟仪器就是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。虚似仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。虚拟仪器是利用PC计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立中英文界面的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可以广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多方面。计算机科学与技术系/zjtcm国际上从1988年开始陆续有虚拟产品面市，当时有五家制造商推出30种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿美元的4％。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大虚拟仪器制造国。生产虚拟仪器的主要厂家有HP公司，目前生产100多种型号的虚拟仪器。还有Tekronix公司，目前生产约80多种型号的虚拟仪器。这些厂家的产品在国际市场上有较强的竞争力，目前已开始进入中国市场，但价格较高，因为没有中文界面，还没有广泛地被用户所接受。现代化生产要求电子仪器品种多，功能强，精度高，自动化程度高，而且要求测试速度快，实时性好，具有良好的人机界面。虚拟仪器与传统仪器相比有以下几个特点：传统仪器功能由仪器厂商定义；与其它仪器设备的连接十分有限；图形界面小，人工读数，信息量小；数据无法编辑；硬件是关键部分；价格昂贵；系统封闭，功能固定，扩展性低；技术更新慢（周期为5－10年）；开发和维护费用高；多为实验室所拥有。计算机科学与技术系/zjtcm与其它基于计算机的自动化测试系统一样，虚拟仪器是最新的PC技术（例如PentiumⅢ）、先进的测试技术（如VXI／PXI功能模块仪器）和强大的软件包等多种技术的大集成。虚拟仪器与传统独立仪器的应用领域，既相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的。例如，利用虚拟仪器系统可开发复杂的汽车驾驶室模拟仿真测试台，并且在开发时可以获得极高的工作效率，这对于传统仪器系统而言，是不可思议的。专家们指出，在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在21世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命。计算机科学与技术系/zjtcm虚拟仪器的硬件构成计算机科学与技术系/zjtcm如图所示，虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种：(1)基于数据采集的虚拟仪器系统这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)相结合，通过A/D变换将模拟、数字信号采集到计算机进行分析、处理、显示等，并可通过D/A转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。(2)基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用GPIB接口卡将若干GPIB仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易。它可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任