第19章虚拟仪器（课件）- 《传感器与检测技术（第4版）》同步教学（机工版）

第19章　虚拟仪器 知识单元与知识点 虚拟仪器的概念、构成、特点； 虚拟仪器的开发环境； 虚拟仪器的数据采集系统； 基于虚拟仪器的综合工程实例。 能力点 理解虚拟仪器的概念、构成、特点； 了解虚拟仪器的开发环境； 了解虚拟仪器的数据采集系统； 会分析基于虚拟仪器的综合工程实例。 重难点 重点：虚拟仪器的概念、构成、特点；虚拟仪器的开发环境。 难点：基于虚拟仪器的综合工程的开发。 学习要求 了解虚拟仪器的概念、构成、特点； 了解虚拟仪器的开发环境； 了解虚拟仪器的数据采集系统； 会初步设计基于虚拟仪器的工程项目。 19.1 概述 19.1.1虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统 虚拟仪器是利用计算机显示器模拟传统仪器控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计算机软件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，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统 VI内部功能划分 采集与控制 插入式数据采集 GPIB仪器 VXI仪器 RS-232仪器 数据分析 数字信号处理 数字滤波 统计 数字分析 数据表达 网络 硬拷贝输出 文件I/O 图形用户接口 19.1.2 虚拟仪器的构成与特点 虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两个部分构成 虚拟仪器的硬件平台一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件（I/O接口设备） 虚拟仪器的硬件构成框图 被测信号 数据采集卡 GPIB接口仪器 串行接口仪器/PLC VXI模块 Labview Labwindows 其它软件 开发平台 PC/工作站 信号调理 GPIB接口卡 现场总线设备 其他计算机硬件 虚拟仪器软件主要由两部分组成，即应用程序和I/O接口仪器驱动程序 应用程序主要包括实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序 I/O接口仪器驱动程序主要完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通讯 最核心的思想：利用计算机的硬件/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 虚拟仪器开发所遵从的软件标准 SCPI标准 SCIP（standard commands for programmable instruments,可编程仪器标准命令）标准是自动测试领域最重要的软件标准，它是为了解决程控软件编程进一步标准化而制定的标准程控语言，由仪器制造商国际协会于1990年在IEEE488.2的基础上提出。 VISA标准 VISA（virtual instrumentation software architecture,虚拟仪器软件体系）标准是虚拟仪器领域最重要的软件标准。即插即用系统联盟于20世纪90年代提出VXI即插即用标准，该标准规定的软件I/O被称为VISA，就是用于仪器编程的标准I/O函数库以及相关规范的总称，是一个高层API（应用程序接口），通过调用底层的驱动程序来控制仪器。 IVI标准 IVI（interchangeable virtual instrument,可互换虚拟仪器）标准是一组基于状态管理的仪器驱动器模型和规范，由美国NI公司于1998年最先提出，并开发了基于虚拟仪器软件平台的IVI驱动程序库。IVI独立于仪器硬件，提高了程序代码的复用性，大大降低了应用系统的开发和维护周期，已成为新的仪器驱动器标准 虚拟仪器的特点 虚拟仪器可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。虚拟仪器凭借计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，增强了传统仪器的功能 在通用硬件平台确定后，虚拟仪器可以由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 虚拟仪器的功能可以由用户根据需要通过软件自行定义，而不是由厂家事先定义，增加了系统灵活性。 仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计，而不需购买新的仪器，节省了资源。 研制周期较传统仪器大为缩短 虚拟仪器是基于计算机的开放式标准体系结构，可随计算机同步发展 19.1.3 虚拟仪器技术的应用 工业自动化 仪器产业改造 实验室应用 19.1.4 虚拟仪器的整体设计 确定所用仪器或设备的接口形式 确定所选择的接口卡是否具有设备驱动程序 确定应用管理程序的编程语言 编写用户的应用程序 调试运行应用程序 19.1.5 虚拟仪器的发展方向 虚拟仪器的发展方向主要有两个： 一是GPIB-VXI-PXI总线方式，适用于大型高精度的集成系统，成本高； 一是PC插卡式-并口式-USB串口方式，适用于普及型系统，成本相对廉价、应用空间广泛。 由于虚拟仪器系统都是将传感器、信号调理电路、A/D转换卡等硬件搭载