虚拟仪器课件 概述

自动化测试与控制研究所虚拟仪器技术TechniqueofVirtualInstruments乔立岩:[e-mail]:[e-mail]:86413532/33ext.526Office:科学园2A栋5262/342020/2/18Contents1.虚拟仪器概述（4学时）2.虚拟仪器软件开发环境——LabWindows/CVI（16学时）3.仪器驱动程序设计（4学时）4.实验（6学时）3/342020/2/18Backgrounds1.计算机基础2.C语言3.数字信号处理4.自动测试系统4/342020/2/18References1.《虚拟仪器软件开发环境—LabWindows/CVI6.0编程指南》机械工业出版社2.《LabWindows/CVI开发入门和进阶》北京航空航天大学出版社3.《虚拟仪器技术概论》电子工业出版社4.《VXI总线即插即用规范》哈尔滨工业大学出版社5/342020/2/18Arrangement机房授课安排：地点：G501时间：第四~九周的周一，7～8节实验安排地点：电机楼4楼时间：10.14下午6/342020/2/18Checking1.平时30%（出勤、课堂报告）2.上机60%（三次，每次20%）3.期末总结10%7/342020/2/188/342020/2/18第一讲虚拟仪器概述1.虚拟仪器的产生a.传统仪器满足不了测试需求现代测控不仅仅要求单台仪器进行测量，要求多台仪器数据共享，测试结果实时分析处理；仪器越来越复杂，仪器硬件存在冗余，使用率低，对使用者的要求提高b.计算机技术的进步为新型仪器提供了基础电子技术和计算机技术的进步改变了传统的设计思想，许多过去由硬件实现的功能可以由软件实现；专业化的设计软件为高效、易用的仪器软件开发提供了工具9/342020/2/182.虚拟仪器的概念a.英国国家物理实验室（NPL）定义（）虚拟仪器是在通用计算机（如PC机、Mac或工作站）中加上软件和/或硬件，并使用计算机屏幕提供仪器虚拟界面的可重用测量仪器。b.NI公司的定义（）虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和／或硬件，使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用电子仪器。虚拟仪器是一种软件定义的系统，基于用户需求的软件定义了一般测量硬件的功能。c.VXIplug&play规范定义（）实现传统分立仪器功能的一组软件模块，也包括与其相关或必须的硬件资源。10/342020/2/183.虚拟仪器的发展历程第一阶段：利用计算机增强传统仪器的功能使用通讯总线（GPIB等）控制台式仪器11/342020/2/18第二阶段：开放式的仪器构成出现了插卡式仪器和仪器总线(VXI&PXI)，计算机成为仪器的重要组成部分。12/342020/2/18VXI机箱和模块VXI:VME总线在仪器领域的扩展13/342020/2/18PXI机箱和模块PXI:PCI总线在仪器领域的扩展14/342020/2/18第三阶段：虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用虚拟仪器成为主流，几个虚拟仪器平台成为标准工具，产生了虚拟仪器软件标准。15/342020/2/18LXI—LANeXtensionsforInstrumentation概述产生背景生命期计算机背板—ISA、EISA、VME、PCI、CompactPCI—每隔几年就发生变化，但它们通常只有很少，甚至没有后向兼容性。其仪器版本—VXI、PXI—也有着同样的缺点。性能和成本如GPIB和MXI这样的标准测试和测量（T&M）接口在速度上有所不足，也不像LAN和USB那样被广泛接纳。因此在计算机体系结构改变时，必须开发和购买新的GPIB或MXI卡。18/342020/2/18参照规范IEEE802.3（以太网）TCP/IPWeb浏览器XMLIVI-COM驱动程序IEEE1588精密定时协议（PTP）机械尺寸标准19‘机柜模块化结构（1U～4U高度，全宽或半宽）信号线从前面板接入，电源线、触发和网线从后面板接入19/342020/2/18仪器扩展冷却触发中断处理机械接口软件接口电磁和射频干扰网络路由和交换发现跨多装置的同步20/342020/2/18定义了三类仪器C类仪器它包括对LAN接口和协议的全部要求，LAN查询功能，IVI驱动程序接口，仪器网页，以及推荐的电源、冷却、尺寸、指示灯和复位按钮。所有LXI仪器必须达到C类要求。B类仪器包括全部C类要求并加上IEEE1588时间同步。因此有可能实现位于网络任何位置LXI设备的亚微秒级同步。B类还增加对等和一对多的LAN信息传送模式(B类和A类要求，C类允许。A类仪器包括C类和B类要求，并增加了使能相邻LXI仪器触发的硬件触发总线。该触发总线类似于VXI的背板总线:这是8路的低电压差分总线，对相邻仪器能达到5ns/m的定时精度。预期合成仪器将是符合A类标准的仪器。21/342020/2/18优点系统I/O使用当前绝大多数PC中已有的PC标准LAN。系统中的仪器数量只受机架尺寸和可用路由器端口数的限制。每一设备都有独有的IP地址，它可以手动或自动设置。能为各测试系统容易地建立专网，把一组仪器分配到子网中。仪器可靠近或远离控制器—实际上能放置在公司intranet或Internet上的任何地方。IT世界久经证明的安全工具和技术也可用于保证设备和数据安全。基于浏览器的接口简化系统配置和查错—任何安捷伦仪器都带有交互式的设置、控制和监视网页。IEEE1588PTP使能本地和远地的仪器实现精密定时和同步(B类和A类仪器)。IVI驱动程序可在流行的测试软件开发环境中使用。22/342020/2/184.虚拟仪器软件标准VXIplug&play(VPP);VirtualInstrumentSoftwareArchitecture(VISA)InterchangeableVirtualInstruments(IVI)ABroad-BasedEnvironmentforTest(ABBET)IEEE1226早期的仪器命令标准：StandardCommandsforProgrammableInstrument(SCPI)IEEE488.223/342020/2/185.虚拟仪器的组成按照虚拟仪器的组成划分，它可以分为计算机、应用软件和仪器硬件三个部分。计算机：提供虚拟仪器通用平台，数据存储，显示等仪器硬件：获取被测信号，产生激励信号等应用软件：控制数据采集、控制、分析、处理和显示等，是虚拟仪器的关键24/342020/2/18按照虚拟仪器的功能划分，可以分为数据采集数据分析结果表达虚拟仪器的内部功能划分25/342020/2/186.虚拟仪器的分类可以按应用领域分类，也可以按测量功能分类，最常用是按总线接口类型划分：插卡式（DAQ）虚拟仪器串行口（RS232/422）虚拟仪器USB接口虚拟仪器IEEE1394虚拟仪器GPIB虚拟仪器VXI虚拟仪器PXI虚拟仪器LXI虚拟仪器……26/342020/2/187.虚拟仪器的结构27/342020/2/188.虚拟仪器使用通用计算机的资源和开发环境a.计算机资源：标准I/O硬件（如串行口，PCI/ISA扩展槽或其它硬件标准）用户界面，特别是图形用户界面（GUI）通用软件执行平台，如操作系统和各种动态连接库和其它计算机和设备连网，用于分布式测控互联网，为用户提供远程测量和监控功能28/342020/2/18b.软件开发环境：通用软件开发环境，包括各种版本的C/C++（包括VisualC++、BorlandC++Builder等），VisualBasic，Delphi，Java，VisualStudio.net等测控专用软件开发环境，LabVIEW、LabWindows/CVI、AgilentVEE等其它测控软件工具（如NI公司的ComponentWorks、HIQ、SPCToolkit、SQLToolkit等，Agilent公司的T&MProgrammersToolkit等，以及其他厂商的ActiveX控件等）29/342020/2/189.与传统仪器比较项目传统仪器虚拟仪器仪器定义仪器厂商用户中心环节硬件是关键软件是关键功能设定仪器的功能、规模均已固定系统功能和规模可通过软件修改和增减开放性封闭的系统，与其它设备连接受限基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网络及其它设备连接性能/价格比价格昂贵价格低，可重复使用技术更新慢（5～10年）快（1～2年）开发维护费用开发维护费用高软件结构可大大节省开发和维护费用应用情况多为实验室拥有个人可以拥有一个实验室30/342020/2/1810.虚拟仪器的特点（1）用户定义仪器功能（2）软件是关键（3）测试精度高、功能强大（4）开放式系统（5）价格低、技术更新快（6）便于组件自动测试系统31/342020/2/1811.虚拟仪器设计的关键（1）虚拟仪器软硬件标准的研究（2）硬件接口的设计（3）仪器驱动程序和应用软件设计（4）设计过程中使用货架产品（COTS）提高设计效率32/342020/2/1812.虚拟仪器的发展趋势（1）和计算机的结合更加紧密，集成化程度更高（2）仪器接口更加灵活，新型总线接口应用-USB等（3）网络化趋势-LXI（4）组件化趋势-硬件和软件（5）合成仪器将大量出现33/342020/2/18术语缩写VIVirtualInstrument虚拟仪器GPIBGeneralPurposeInterfaceBus通用接口总线(1972)VXIVMEeXtensionsforInstrumentationVME在仪器的扩展(1987)PXIPCIeXtensionsforInstrumentationPCI在仪器的扩展(1997)LXILANeXtensionsforInstrumentation网络在仪器的扩展(2005)SCPIStandardCommandsforProgrammableInstruments程控仪器标准命令(1990)VPPVXIPlug&PlayVXI即插即用(1993)VISAVirtualInstrumentSoftwareArchitecture虚拟仪器软件结构(1993)IVIInterchangeableVirtualInstruments可互换虚拟仪器(1998)DAQDataAcquire数据采集GUIGraphicalUserInterface图形用户界面IDEIntegratedDevelopmentEnvironment集成开发环境APIApplicationProgrammingInterface应用编程接口