章虚拟仪器概述.ppt
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1、,第1章 虚拟仪器概述,本章概述 1.1 虚拟仪器的基本概念 1.2 虚拟仪器的形成和发展 1.3 虚拟仪器的系统结构 1.4 虚拟仪器的软件系统 1.5 虚拟仪器系统设计及系统集成 1.6 虚拟仪器技术应用 本章总结,1.1 虚拟仪器的基本概念,1. 虚拟仪器的定义 传统仪器:特定功能和仪器外观。 虚拟仪器(VI,Virtual Instrumentation):是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的,并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板,以及由计算机所完成的仪器功能,都可由用户软件来定义的计算机仪器。,如:虚拟示波器,虚拟数字电压表 基于虚拟仪器的 温度检测与控制
2、,2. 虚拟仪器的特点 从虚拟仪器的组成结构上来看: (1)虚拟仪器的硬件是通用的(包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件); (2)良好的人机界面。虚拟仪器的面板(或称软面板)是虚拟的(通过“控件”虚拟出面板); (3)功能强。虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。,(4)虚拟仪器之“虚拟”含义: 虚拟仪器面板; 软件实现仪器功能。如:基于高速数据采集硬件,通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。 (5)因此,软件是虚拟仪器的核心,NI 提出“软件即仪器”(The software is the instrum
3、ent)。,与传统仪器相比,虚拟仪器技术特点: (1)功能强、性价比高、开放性(可扩充性)好; 充分利用计算机丰富的软硬资源。 仪器功能可通过软件灵活设计(基于相同的硬件,通过软件设计可实现不同的虚拟仪器)。 仪器升级方便,性价比高(一机多用)。 基于计算机网络技术,可实现“网络化虚拟仪器”。 (2)操作方便; 通过图形用户界面(GUI)操作虚拟仪器面板。 (3)硬件模块化、系列化; 基于仪器总线技术,设计出模块化、系列化硬件。,虚拟仪器与传统仪器的比较:,1.2 虚拟仪器的形成和发展,1. 虚拟仪器形成的背景 (1)电子测量仪器(Electronic Instruments)及自动测试系统(
4、Automatic Test System, ATS)的发展,(2)仪器与自动测试系统总线技术 总线(bus):信号或信息传输的公共路径。 片内总线:微处理器芯片内连接内部各逻辑单元; 片间总线:元件级总线(如典型的微机“三总线结构”)。还有串行总线,如:Motorola的SPI(Serial Peripheral Interface,串行外围接口)、Philips的I2C(Inter IC bus,片间总线)、NS的MicroWire(串行同步双工通信接口)等。 内总线:板级总线。如个人计算机的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI,及工业控制的STD、VME、Compat
5、PCI,仪器与测量系统的CAMAC、VXI、PXI等。 外总线:外部通信总线。如RS-232/485、USB、IEEE1394、EPP、SCSI;现场总线CAN、LONworks、FF;仪器与测量系统的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等。,通过总线技术,可实现: 模块化硬件设计; 标准化; 便于生产、维护(维修)、升级; 较好的经济性。,仪器与自动测试系统几种常用总线的比较 摘自:Evaluating PXI and VXI Platforms for your Measurement and Automation Needs,NI,(2)虚拟仪器是技术发展的结果 计算机技术、软件技术
6、、总线技术、网络技术、微电子技术的发展,及其在电子测量技术与仪器领域中的应用,使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现,仪器与系统的结构不断推陈出新,电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化,功能与性能得到不断提高。 计算机(PC机)处于核心地位,计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。 在上述的背景下,提出了全新概念的仪器虚拟仪器。 1986年,美国国家仪器公司(NI, National Instrument)提出了虚拟仪器(Virtual Instrumentation)的概念。,1990年代,虚拟仪器得到业界广泛认可和应用,相继推出了基于GPIB总线(Gener
7、al Purpose Interface Bus)、PC-DAQ(Data Acquisition)和VXI总线(VMEbus eXtension for Instrumentation,1987年)、PXI总线(PCI eXtension for Instrumentation,1997年)等多种虚拟仪器系统。 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术。 底层驱动和上层应用软件融为一体。 虚拟仪器软件的标准化: VPP(VXI即插即用,VXIplug&play,1993年) 和VISA(Virtual Instrument Software Architecture, 虚拟仪器软件体系结构)
8、。 IVI(Interchangeable Virtual Instruments,可互换式虚拟仪器,1997年)。,(3)虚拟仪器技术的发展与展望 虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物。多门学科多种技术的融合,如测试技术、计算机技术、软件技术、数字信号处理、总线与接口、网络与通信、传感技术、光电技术、微机械技术等。 (1)新的总线技术的应用(如HS488,1394b等)。 (2)速度不断提高。 (3)智能化、模块化、集成化是硬件发展的主流。 (4)软件技术。第一是软件标准化问题;第二是如何利用各种软件开发环境及工具,编制出符合标准的应用软件。 (5)网络化仪器系统。 (6)应用范围
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