虚拟仪器 第一章-4

1虚拟仪器授课教师：贾惠芹联系电话：131861807052§1课程介绍教学内容参考文献考核方式课程性质教学内容参考文献教学内容考核方式3《虚拟仪器》课程的性质虚拟仪器是测控专业的一门专业课，是面向二十一世纪的反映现代科技水平的专业课程。虚拟仪器是一场真正意义上的仪器革命，是现代测试技术、计算机软、硬件技术相结合的产物。本课程的教学以仪器总线技术与计算机技术的软、硬件结合为主干，并配以相应的实验，致力于拓宽学生的专业面，培养学生的实践动手能力，增强学生对社会的适应性，为今后从事工程技术工作、科学研究以及开拓新技术领域打下坚实的基础。4授课思路以虚拟仪器的基本系统组成为核心来讲解，针对每个模块进行演示并详细介绍相应模块的工作原理，同时配合相应的上机操作。5授课内容•第一章：虚拟仪器概论•第二章：信号采集与调理•第三章：虚拟仪器系统总线接口技术•第四章：虚拟仪器驱动程序设计•第五章：虚拟仪器软件平台介绍•第六章：基于LabVIEW的数据采集与信号分析方法6考核办法成绩考核：•1.平时考核：占20%（考勤、课堂提问、作业）•2.结课成绩：闭卷考试（占80%）7虚拟仪器概论（generalityofvirtualinstrument）重点掌握内容：虚拟仪器的基本概念；虚拟仪器的组成与特点；虚拟仪器的含义；虚拟仪器的设计实现方法。了解的内容：虚拟仪器的发展过程；虚拟仪器的分类；虚拟仪器的发展趋势。8§1.1虚拟仪器的基本概念（conceptofvirtualinstrument)A基本定义第一章：虚拟仪器概论传统仪器：特定功能和仪器外观。9虚拟仪器的定义•利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；•利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理；•利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；•从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。10–如：虚拟示波器11–虚拟数字电压表–基于虚拟仪器的温度检测与控制12虚拟仪器定义的主要含义•虚拟仪器的硬件是通用的；•虚拟仪器的面板是虚拟的；•虚拟仪器测量功能是由用户软件来定义的。13如何理解软件就是仪器的说法？•软件就是仪器，但软件不等于仪器。应该确切地说，软件就是仪器的一部分，但不是全部。•虚拟仪器之所以称为仪器，就在于它直接面对和处理的对象是信号，而计算机则只能处理数字信号。•软件加硬件才能构成一个功能完整的仪器。14B虚拟仪器的特点虚拟仪器与传统仪器的比较外观功能性价比，开发费用升级性系统集成性15•传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件。由此导致许多认读与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。外观16功能传统仪器的功能都是通过硬件电路或者固化的软件来实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。同时与其它设备的连接受到限制。17•价格昂贵，技术更新慢，开发费用高。性价比，开发费用18虚拟仪器-仪器功能•在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。•仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。19虚拟仪器-用户功能•用户界面友好，美观；•功能复杂的仪器面板可以划分成几个分面板。从而使面板更加简洁和单纯；•软面板可以根据用户的需求自行设计。具有极大的灵活性和创新性。20虚拟仪器-系统升级方面仪器性能的改进和功能扩展只需相关软件设计更新，而不需购买新的仪器。研制周期较传统仪器大为缩短，所以性价比较高。21虚拟仪器-系统集成性•由于虚拟仪器的硬件和软件都制定了开放的工业标准和基于计算机的开放式标准体系结构，因此可以把不同厂家的产品集成到一个系统中；•基于标准化的计算机总线和仪器总线以及硬件实现了模块化、系列化，大大方便了系统集成；•虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。22§1.2虚拟仪器的形成和发展（formationanddevelopmentofvirtualinstrument)•1.2.1虚拟仪器形成的背景•1.2.2虚拟仪器的提出23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24•第一代模拟仪器。指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表；以电子管或晶体管电子电路为基础。•第二代数字化仪器。数字电压表、数字频率计。•第三代智能仪器。内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理功能。•第四代个人仪器。以计算机总线为基础。•第五代虚拟仪器。1电子测量仪器的发展252自动测试系统的发展（1）特定设计专用型：接口不标准，导致研制周期长，研制费用高，可维护性差。（2）台式仪器积木型：系统中的各个模块均为台式设备。每台设备都有标准的总线。典型应用（以GPIB总线为核心的自动测试系统）（3）模块化仪器集成型：VXI,PXI。可从软件和硬件方面来分析。硬件平台采用了模块化的仪器结构形式；软件平台集成了计算机的很多功能。261.2.2虚拟仪器的提出和发展的原因•由于个人仪器和第三代测试系统的发展，也就是软、硬件平台的模块化和通用化；•计算机技术、面向对象技术；•虚拟仪器软、硬件规范的完善；•导致了虚拟仪器的产生。27几个常识性问题•在何时由哪家公司提出了虚拟仪器的概念？•LabVIEW软件是何时发布的？•Windows版本的LabVIEW是何时发布的？•VPP的全拼是什么？哪一年发布的？VPP包含哪些内容？•IVI的全拼是什么？哪一年发布的？IVI包含哪些内容？281.2.3虚拟仪器的发展方向•总线技术的应用；•网络技术的应用；•模块化、集成化是虚拟仪器硬件发展的主流；•无线传感器网络技术的应用；•虚拟仪器软件技术的发展；•仪器与计算机融为一体；•测试及仿真软件在仪器中广泛应用。291.3虚拟仪器的系统结构及其应用（ArchitectureandApplicationofVirtualInstrument)本节课学习重点虚拟仪器的基本构成及其各模块的作用.本节课熟悉的内容虚拟仪器的应用301.3虚拟仪器的系统结构•1.3.1虚拟仪器系统组成及各部分基本功能（1）虚拟仪器系统的构成模型•硬件和软件两大部分构成。•硬件是基础，软件是核心。3132（2）虚拟仪器的功能模型•划分为信号采集与控制、数据分析与处理、结果表示与输出三大功能模块。•信号采集与控制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。3334•1.3.2虚拟仪器的通用硬件平台（1）通用硬件平台的基本定义是以计算机为基础，以各种测量设备或仪器模块作为外围I/O接口硬件设备组成的，它主要完成被测信号的采集和测试信号的产生，基本的I/O功能是模/数转换和数/模转换。35（2）通用硬件平台的组成信号输入采集多路器信号调理A/D变换器数据存储器信号分析处理及控制单片机DSP、FPGA）计算机显示器键盘标准接口数字I/O信号输出信号调理数据存储器波形数据发生D/A变换器人机接口定时计数器整形电路36（3）通用硬件平台的基本功能1)基本功能•信号采集（模拟、数字输入）；•信号产生（模拟、数字输出）.2)扩展功能•信号调理（信号幅度、频率、驱动、隔离等）；•定时与计数；•大容量数据存储。•实时信号处理。•总线与通信。37(4)基本功能模块简介1)数据采集模块主要作用:将模拟信号变为数字信号。其核心器件是A/D转换器。主要指标：采样速率，分辨率，输入动态范围、采集通道数、建立时间等。38(4)基本功能模块简介2)信号前端调理模块主要作用：将外部输入信号加以调节，向高速数据采集模块提供符合要求的信号。主要指标：放大倍数、滤波器39(4)基本功能模块简介3)模拟信号产生模块•主要作用：用于向外部提供激励信号。•主要指标：输出更新率，位数40(4)基本功能模块简介4)大容量存储器阵列模块主要作用：缓存5）数字信号输入/输出模块主要作用：主要用于工业过程控制的场合。41•1.3.3外围硬件测试设备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42（1）基于PC总线的虚拟仪器内置PC总线（如ISA、PCI、PC/104）的通用数据采集卡（DAQ，DataAcQuisition）。（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，对测试速度要求很高的场合不太适用。43（3）基于VXl总线的虚拟仪器具有模块化、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。（4）基于PXI总线的虚拟仪器兼容PCI总线产品。集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性价比最好。441.4虚拟仪器的软件系统•1.4.1虚拟仪器的软件层次结构虚拟仪器系统的软件结构包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。应用软件仪器驱动程序I/O接口软件（VISA库）SerialVXIGPIB等45（1）I/O接口软件（VISA库）定义：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的操作，并为仪器设备与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件。46（1）I/O接口软件（VISA库）内容：•VPP规范了虚拟仪器的I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器I/O接口软件定义为VISA（虚拟仪器软件结构）软件。•VISA库，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。•VISA函数库驻留于计算机系统中，是计算机与仪器之间的标准软件通信接口，用以实现对仪器的控制。47（2）仪器驱动程序•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。•仪器厂商提供有相应仪器的驱动程序（原代码），为用户提供对仪器操作的较抽象的操作函数集。48（3）程控仪器标准命令SCPI•SCPI（StandardCommandsforProgrammableInstruments，可程控仪器标准命令）。•面向测试功能而非仪器。494）应用软件•建立在仪器驱动程序之上，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（时域、频域、数字滤波等）功能，完成自动测试任务。•通常，包括测试管理软件和测试功能软件两部分。50511.4.2虚拟仪器软件系统的标准化•1.VPP规范•2.IVI规范52思考问题-VPP规范•VPP规范制订的目的？•何为即插即用？•VPP定义了哪些内容？•VPP规范有何优势？53思考问题-IVI规范•IVI规范制订的目的？•IVI规范制订的原则是什么？•VPP目前制订了哪几类仪器的规范？•VPP规范有何优势？54IVI体系结构测试应用程序类驱动程序特定驱动程序2特定驱动程序1测试仪器：万用表，信号源测试仪器：万用表，信号源55•1.4.3虚拟仪器软件开发平台（1）虚拟仪器软件框架结构应用软件（软面板）应用软件开发环境（LabVIEW，LabWindows/CVI，HP-VEE，VC、VB）仪器驱动器操作系统VXI总线接口软件VISI/O库，NI-VXI，HP-SICL等VXI总线系统硬件5