1、1,虚拟仪器技术 Technique of Virtual Instruments,徐涛,2,课程内容,虚拟仪器的概念（2学时） 虚拟仪器编程语言LabVIEW （8学时） 虚拟仪器的数据采集 （6学时） 基于虚拟仪器的信号分析与处理（6学时） 基于LabVIEW的虚拟仪器设计实例（2学时） 虚拟仪器发展路线及研究方向,3,成绩评定（8407101-8407102）,平时成绩（出勤、课题表现、作业） 20% 实验30% 随堂测验50%,4,成绩评定（8407301）,平时成绩（出勤、课题表现、作业） 10% 实验10% 期末考试80%,5,第一讲虚拟仪器概述,6,主要内容,虚拟仪器的概念 虚拟
2、仪器的发展阶段 虚拟仪器的组成（*） 虚拟仪器的特点（*） 虚拟仪器的设计与实现步骤（*） 虚拟仪器发展路线及研究方向 国内虚拟仪器研究现状,7,虚拟仪器的概念,仪器概念的转变,8,虚拟仪器的概念,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，可以方便灵活地完成对被测试量的采集、分析、判断、显示及数据存储等。,9,虚拟仪器的概念,在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有 “软件就是仪器” 的说法。,
3、10,虚拟仪器的概念,虚拟仪器的“虚拟”含义： 虚拟仪器的面板是虚拟的器件（传统仪器面板的开关、按钮、显示器）。 虚拟仪器的测控功能由软件编程实现,11,虚拟仪器的发展阶段,第一阶段：基于计算机技术来提升传统仪器功能阶段（PC机+数据采集卡+开发软件） 第二阶段：内在标准统一阶段（硬件标准化、软件标准化） 第三阶段：虚拟仪器软件封装及组合阶段,12,13,虚拟仪器的组成,硬件平台 计算机：PC机、工作站； I/O接口设备：PC-DAQ、GPIB仪器、串口仪器、VXI模块、PXI模块。 软件平台 专用工具：LabVIEW、VEE。,14,虚拟仪器的设计与实现步骤,15,虚拟仪器的设计与实现步骤,
4、16,虚拟仪器的设计与实现步骤,PCDAQ系统：是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用PCI或ISA计算机本身的总线。 GPIB/VXI/PXI/串口系统：以GPIB/VXI /PXI/Serial 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。,17,工业标准结构总线(Industrial Standard Architecture - ISA)，1984年，实际上属于PC总线。 8/16位的非同步数据总线，工作频率8MHz，数据传输率为1Mbps(8位)或2Mbps(16位)。 虽未被标准化组织正式定为标准，但在测试领域内以PC为基础的
5、数据采集应用中长期占据着主导地位。 ISA总线虽然扩展了对微处理器的支持能力，但仍存在许多不足之处，如I/O扩展能力差，边缘式印制插头(座)接触不良，耐振动、冲击能力差，对温湿度比较敏感而不适应工业现场工作等，在速度上已成为系统的瓶颈，已逐渐被PCI、CompactPCI总线所取代。,ISA总线,18,VXI (VMEbus eXtension for Instrumentation)总线是VME计算机总线在仪器领域中的扩展，由HP等公司于1987年提出，1992年成为IEEE1155标准。 在该系统中围绕机械、电气、控制方式、通信协议、电磁兼容、软面板、驱动程序、I/O控制乃至机箱、印制电路
6、板的VXI总线产品相互兼容。 VXI系统综合了计算机技术、GPIB技术、PC仪器技术、接口技术、VME总线和模块化结构技术的成果，VXI 2.0版本提供了64位扩展能力，数据传输率最高可达80Mbps。 VXI系统最多可包含256个器件(装置)，可组成一个或多个子系统，每个子系统最多可包含13个插入式模块，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。 VXI总线支持即插即用、人机界面良好、资源利用率高、容易实现系统集成，大大地缩短了研制周期，且便于升级和扩展。不足的是VXI系统的成本相对较高。,VXI总线,19,基于GPIB通信的VXI检测模块,VXI嵌入式CPU检测模块,2
7、0,PCI、CompactPCI及PXI总线PCI (Peripheral Component Interconnect ，外围设备互连总线) 规定了微型机上的处理器 /存储器与外围控制部件、外围卡之间的互连机构的协议、电气、机械以及配置空间规范，是地址、数据多路复用的高性能32 位或64 位同步总线。 Intel公司1993年提出，很快成为PC行业新的标准。 最高工作频率33MHz，数据传输率为132Mbps(32位)和264Mbps(64位)，很好地解决了ISA总线的瓶颈问题。 真正的即插即用(PnP)功能，大大提高了系统的数据采集率。,21,PCI、CompactPCI及PXI总线 Co
8、mpactPCI总线，1994年提出，是PCI总线的12种规范之一，也是PCI总线的增强和扩展，在电气上完全与PCI兼容，具有抗振颤和利于散热等，更适合于工业测控的应用。其数据宽度同PCI，最高传输速率可达528Mbps。 PXI (PCI eXtensions for Instrumentation)总线，1997年，美国国家仪器公司(NI)发布的一种高性能低价位的开放性、模块化仪器总线。 PXI在机械结构方面与CompactPCI总线的要求基本相同，对机箱和印制电路板的温度、湿度、振动、冲击、电磁兼容性和通风散热的要求与VXI总线的要求相似。,22,PCI、CompactPCI及PXI总线
9、 在电气方面，PXI总线完全与CompactPCI总线兼容。PXI总线增加了系统参考时钟、触发器总线、星型触发器和局部总线等内容。 PXI系统具有8个插槽(1个系统槽和7个仪器模块槽)，利用PCI-PCI桥技术扩展多台PXI系统，可以使扩展槽的数量在理论上最多能达到256个。 PXI将Windows NT和Windows 95定义为其标准软件框架，并要求所有的仪器模块都必须带有按VISA规范编写的WIN32设备驱动程序，使PXI成为一种系统级规范，保证系统的易于集成与使用，从而进一步降低用户的开发费用， 在数据采集、工业自动化系统和图像处理等方面获得了广泛应用。,23,主板上的PCI 插槽,2
10、4,虚拟仪器的设计与实现步骤,确定硬件 软件编程 I/O接口仪器驱动程序 虚拟仪器的功能设计 实现虚拟面板功能的软件程序设计,25,虚拟仪器技术发展路线总线技术,PC机插卡RS232USBIEEE1394串行总线方式，构造普及型廉价测试设备； GPIB(IEEE488,1M)VXI(IEEE1155,40M)PXI(500M)总线方式，构造大型、高速、高精度集成测试系统。,26,RS-232C RS-232C(Recommended Standard)串行接口是计算机与外设之间以及计算机与测试系统之间最简单、最普遍的连接方法。 采用23线连接器，最高的单向数据传输率为20kbps，此时的最大传
11、输距离为15米。适当降低速率，其最大传输距离可达60米。但它只是一对一的传输，仅用于简单或低速的系统，在实际应用中还有一定的市场。,RJ-45 connectors,27,通用串行总线USB USB(Universal Serial Bus)是由美国多家公司在1995年提出的一种高性能串行总线规范。 具有传输速率高、即插即用、热切换(带电插拔)和可利用总线传送电源等特点，能连接127个装置。其电缆只有一对信号线和一对电源线，最高传输速度为480Mbps，轻巧便宜，适用于传递文件数据和音响信号，新的PC机都已配上USB总线接口。,28,IEEE 1394串行总线 IEEE1394串行总线(又叫火
12、线-FireWire)是由苹果公司于80年代提出的，1995年被IEEE接受，当时最高传输速率400Mbitps，传输距离72米，以后还要按800M、1.6G及3.2 Gbitps分段提高。 两对信号线和一对电缆线，在无HUB时可用任何方式连接63个装置。而且支持即插即用、带电插拔。 应用前景非常广阔的串行总线，和USB总线工作于不同的频率范围，可相互配合使用，适用于动画等视频信号的传输，可用于连接计算机的高速外部设备，也可用于连接数字电视、DVD等消费类电子设备以及作为测试仪器的数据传输总线。在测控系统中，它可作为机箱底板总线的备份总线，以及用作计算机与高速数据采集系统互连总线。,29,13
13、94接口,30,GPIB(General Purpose Interface Bus) 又称IEEE 488标准， IEC 652标准，是HP公司在70年代推出的台式仪器接口总线，因此也称HPIB(HP Interface Bus)。 在微机中插入一块GPIB接口卡，通过24或25线电缆连接到仪器端的GPIB接口。当微机的总线变化时，例如采用ISA或PCI等不同总线，接口卡也随之变更，从而使GPIB系统能适应微机总线的快速变化。 GPIB系统在PC出现的初期问世，其数据线只有8根，传输速率最高1Mbps，传输距离20米(加驱动器可达500米)。 仍是仪器、仪表及测控系统与计算机互连的主流并行总
14、线。因为装有GPIB接口的台式仪器的品种和数量都明显超过VXI仪器，目前应用的VXI系统、PXI系统中与GPIB混合应用的比例很大。,31,ISA-GPIB接口卡,GPIB线缆,PCI-GPIB通信接口卡,32,虚拟仪器发展路线软件技术,National Instrument：LabVIEW和Labwindows/CVI； HP公司：HP-VEE、HP-TIG； Tektronix：Ez-Test、Tek-TNS HEM Data：Snap-Master,33,虚拟仪器技术研究方向,网络VI VI的标准化IVI基金会 硬件的软件化CPLD、FPGA,34,虚拟仪器国内研究现状,吉林大学 吉林大
15、学图形化虚拟仪器开发平台研究项目日前通过省级鉴定，专家认为此项目在国内处领先地位，部分技术达到国际先进水平。 此前，虚拟仪器开发平台技术主要被美国垄断。我国引进一套开发软件需要5000美元，引进一套虚拟仪器硬件设备需10万元人民币。而吉大开发的产品价格低，兼容性好，建设同样的虚拟仪器研究实验室能够节约近2/3的资金。,35,虚拟仪器国内研究现状,重庆大学 秦树人教授主持研发的“一体化虚拟仪器”是一种不同于欧美虚拟仪器的新技术，将支撑平台由通用的计算机改为嵌入式CPU系统，与通用虚拟仪器系统相比，一体化虚拟仪器可以实现系统的整体校正，达到很可靠的高精度，具有更强的防止电磁干扰能力。,36,重庆大
16、学研究成果,虚拟仪器国内研究现状,机型动态测试仪器,齿轮传动链动态精度测量仪器,37,现代测控系统实例,电子枪扭曲与弯曲度智能测量仪,38,第二讲LabVIEW概述,39,主要内容,LabVIEW简介 LabVIEW程序的基本构成 LabVIEW的模板 LabVIEW文档和帮助 创建一个VI 子VI 数据流编程 简单数据类型及操作,40,LabVIEW简介,LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司(National Instrument Company)推出的一种基于G语言(
17、Graphics Language，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具。,41,LabVIEW简介,LabVIEW的特点 图形化的编程方式 LabVIEW设计的虚拟仪器可脱离LabVIEW开发环境 32位的编译器 强大的Internet功能,42,LabVIEW程序的基本构成,前面板：功能等效于传统测试仪器的面板。 框图：功能等效于传统测试仪器功能部件。 前面板工具栏：Run、Run Continuously、Abort Execution 框图工具栏：Highlight Execution、Step single step 例子：创建一个空白的VI,43,简单实例,NewVI from
18、 TemplateGenerate and Display 前面板：波形指示器、按钮工具栏使用（右键Visible Items Label） 后面板：Simulate Signal (Express VI及特点) （加亮执行） 自己创建一个空白VI（波形显示、循环、延时）,44,前面板图形用户界面,内容：数值显示框、滑动杆、滚动条、旋钮 对象的常用属性 ： 标签：前面板和程序框图对象的标识 标题：用于进一步描述对象,45,框图定义VI功能的G代码,程序框图：是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。 节点：类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。 LabVIEW有二种节点类型-函数节点和子V
19、I节点。 端点：是只有一路输入/输出，且方向固定的节点。LabVIEW有三类端点-前面板对象端点、全局与局部变量端点和常量端点。,46,框图,图框：是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示，如循环控制、条件分支控制和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方式。 连线: 是端口间的数据通道，数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动。,47,LabVIEW的模板,工具模板(Tools): 提供各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。 控件模板(Controls):用来给前面板添加各种输出显示对象和输入控制对象的。 函数模板(Functions):提供VI的框图，所需的各
20、种“功能函数”(包括各种数学运算函数、信号分析函数、仪器驱动函数等等) 。,48,LabVIEW的模板,工具模板自动工具选择：可根 据鼠标指针下对象的类型和位置 的不同而自动选择合适的工具,49,LabVIEW的模板,控件模板,50,LabVIEW的模板,函数模板,51,LabVIEW的文档和帮助,上下文帮助（Context Help）：鼠标移到某些对象上， Context Help窗口就会给出基本的帮助信息。 LabVIEW帮助,52,创建一个VI,NewBlank VI 前面板添加2个Numeric Control，1个Numeric Indicator 框图添加加法及除法函数，实现Res
21、ult=(A+B)/2 除法函数右键，Create constant，输入2,53,创建子VI,定义：可以被其它VI调用的VI。 编辑子VI图标：前面板或框图窗口的右上角图标右键Edit Icon 定义子VI连接器：定义了子VI和主调程序之间的参数形式和接口。 实现方法：前面板图标Show Connector Pattern，选择不同的模式；实现前面板控件与连接器的端子关联关系（选中端子，再选择控件）。,54,调用子VI,创建子VI（Average）实例：图标(a+b)/2，建立连接器 调用子VI：框图模板，FunctionsAll Functions Select a VI（给出调用实例）,
22、55,数据流编程,任何一个函数、子VI或者其它程序节点必须获得所有输入数据之后才能运行，这些函数，子VI或者其它程序节点必须完全运行完毕之后，才能在输出端子上输出数据。 实例：Average.vi（加亮）,56,简单数据类型,数值型：浮点数、整数和复数操作：数值类型控件、指示器Representation,57,简单数据类型数值型,数值型数据类型的LabVIEW对象有两种，一种是前面板的数值控制器和指示器；另一种是框图上的数值常量。 说明：不同的显示控制对于框图的编程没有区别。 例子：Num Indicator Gauge Thermometer,58,控件及函数的一般操作（快捷菜单）,Vis
23、ible Items：添加附加显示部分 Find Terminal：从前面板定位到控制器的框图端子 Change To Indicator (Change To Control)：改变指示器或控制器 Replace：代替当前控制器 Properties：属性对话框 View As Icon：按照显示图标（函数图标）,59,数据操作,数值常量：Functions-All Functions-Numeric or Arith/Compare-Numeric (固定常量及自定义常量） 操作函数： Functions- Arith/Compare-Numeric （加、减、乘、除，Trigonomet
24、ric，logarithmic）,60,简单数据类型布尔型,布尔型取值：True、False 例子：Controls-Buttons or LEDs 常数：Functions-All Functions-Boolean 操作：Functions-Arith/Compare-Boolean (and or not) or Comparison (equal Greater Less) 重要属性：机械动作（Mechanical Action),Switch When Pressed , Switch When Released, Switch Until ReleasedLatch When Pressed , Latch When Released, Latch Until Released,例子：boolean.llb,61,作业：,虚拟仪器由几部分组成，分别是什么？ 写出子VI的编写及调用步骤,
