智能检测技术与系统课件chap04虚拟仪器.pptVIP

第4章　虚拟仪器 4.1 概述 4.2 虚拟仪器的构成 4.3 虚拟仪器的软件开发平台 4.4 虚拟仪器的关键技术 4.5 虚拟仪器的数据采集原理 4.6 虚拟仪器的实现实例 4.1 概述 科学仪器的发展经历了四个阶段，即模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和以软件为核心的虚拟仪器。 虚拟仪器是是在通用计算机上加上必要的数据采集硬件，并通过软件来实现仪器的部分或全部功能，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成的仪器，使得使用者在操作这台计算机时，就像是操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。 虚拟仪器最核心的思想就是：利用计算机的硬件和软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。故有“软件就是仪器”、“软件就是系统”之说。 4.1.1 智能仪器的特性 虚拟仪器的特性主要体现在以下几个方面： 增强了传统仪器的功能，将信号分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输和数据表达能力。 “软件就是仪器”，实现部分仪器硬件的软件化，增加系统灵活性。 自由定义仪器，仪器开放灵活，虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，可以方便地修改仪器功能和面板，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。 开发费用更低、技术更新更快。 表4.1　传统检测设备与虚拟仪器的综合性能比较 4.1.2 虚拟仪器的发展 虚拟仪器的发展主要经历了三个方面的变革，一是利用计算机增强传统仪器的功能，只要把传统仪器与计算机通过GPIB和RS-232连接起来，用户就可以用计算机控制仪器，随着计算机性价比的提高，这种变革有增无减；二是构成开放式仪器，插入式数据采集卡和VXI总线标准的确立，使仪器系统构成的开放性得以增强，用户参与仪器功能的定义更加方便；三是虚拟仪器框架得到广泛认同和采用，面向对象的软件编程技术、行业标准和LabVIEW等虚拟仪器开发平台等得到应用，人们也认识到虚拟仪器软件框架是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。 目前，虚拟仪器的发展有两条主线：一是面向大型高精度集成系统的GPIB、VXI、PXI总线方式；二是面向普通廉价型系统的PC插卡、LPT并口、USB串口、IEEE标准1394接口方式。 4.2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器构成的基本框图如图4.1所示。虚拟仪器由信号采集与控制单元、信号分析与处理单元、结果表达与输出单元等三大部分组成。 虚拟仪器的硬件一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件两部分；前者是指各种类型的计算机，用于管理虚拟仪器的硬件和软件资源；后者主要完成被测信号的放大、A/D转换与采集，包括各种传感器、信号调理电路、ADC、DAC等。 虚拟仪器的软件一般分为I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件。 4.3 虚拟仪器的软件开发平台 软件是虚拟仪器的关键，由它控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能。在虚拟仪器系统的设计中，应充分利用计算机软件技术来实现和扩展传统仪器功能。美国国家仪器公司(National Instruments，简称NI)的虚拟仪器编程开发平台LabVIEW作为国际上出现最早、使用最广泛的编译型图形化编程语言（G语言），把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示方法，通过选择功能（图形），并用线条把各种功能（图形）连接起来的简单图形编程方式来实现仪器的功能。 LabVIEW的集成开发环境如图4.2所示。所有基于LabVIEW开发的虚拟仪器都由前面板（front panel）、框图（block diagram）和图标/连接器（icon/connector）三部分组成。 4.4 虚拟仪器的关键技术 4.4.1 虚拟仪器系统集成： 虚拟仪器将计算机资源与仪器硬件、数字信号处理器DSP技术结合，在系统内共享软硬件资源，既有普通仪器的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能。它把由厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，用户可根据测试功能的需要，自己设计所需要的仪器系统，只要将具有一种或多种功能的通用模块相组合，并且调用不同功能的软件模块，就能组成不同的仪器功能。 4.4.2 虚拟仪器的总线技术 虚拟仪器是一种以计算机为核心的，硬、软件模块化的开放系统。最初的虚拟仪器大多是在微机内部总线的插槽上进行开发，没有统一标准，各厂家生产的插件卡尺寸大小不一，设备兼容性差，因此提出了标准化的要求，VXI总线是适应这一要求而提出的一种比较成熟的方案。 VXI总线将传统的消息基仪器和寄存器基仪器统一在同一环境下，不仅为各个仪器模块提供了定时和同步能力，而且还提供了开放的、标准化的高速处理器总线。VXI总线标准得到了许多仪器厂家的支持，因此用户可以选用不同厂家的仪器