1、虚 拟 仪 器 设 计,西安电子科技大学测控工程与仪器系,主讲教师： 贺华,老师联系方式： 电话： 13709294007 虚拟仪器设计 课程公共邮箱: 密码:vixidian,第一章 概 论,仪器技术的相关概念,测量是人类认识客观世界的最基本方法。测量技术也是人类科学技术和改造客观世界能力的重要标志。从广义上讲，测量本身是一种试验方法，也是通过试验，对客观事物取得定量意义（或叫信息）的过程。事实上，这种过程就是把待测量直接或间接的与另一同类的已知量进行比较，用已知量作为计量单位，求得待测量的过程，人们通过测量可以建立对客观事物属性量度的认识，并可通过对测量结果数据进行必要的归纳和演绎，从中
2、找到客观事物的演变规律，提出科学的理论。 “测量是科学进步的阶梯”“没有测量，就没有科学”,测量：,检测一般指现代自动化大生产中为确保产品质量对生产流程中某些物理量值和工艺质量进行的监控性测量过程。检测技术就是要研究那些被监测的非电物理对象如何变换成一般计量测试仪器所能测量到的电量参数，并经过校准换算使之变为被测对象应有的单位量值。在这一过程中工艺规范和质量标准的建立是十分重要的，没有规范和标准的检测是无意义的。检测也可以指那些对成品质量实行抽样检查而进行的测量过程。,检测：,一般泛指生产和科学实验中经常进行的满足一定准确度要求的试验性测量过程。“测试”与“测量”、“检测”在理解上稍有区别：
3、(1) 测试可指那些实验研究性质的测量过程，这种测量一般没有建立正式的计量标准，我们只能用一些有意义的参数和方法去“测评”被测对象的状态、性能或能力。这种“测评”是无法计量的，只能是试验性质的，这种测评过程一般只能称为测试 。例如，我们对一个人能力的考查 ，只能用有某种公认水准的题目或项目来考查他，看他能否应答自如或高质量完成，这就是一种测试过程。,测试：,(2) 测试也可指只着眼于定性而不重定量的测量过程，例如，逻辑电路中对逻辑电平的测量，我们只着重判别测试点逻辑电平的高低，逻辑状态是否正确，而不去追求该电平的精确量值。这种只求定性，不求精确测定量的测量过程也称为测试过程。(3) 测试也可以
4、指试验和测量的全过程，这种过程即是定量的，也是定性的。在这种情况下，可以把测试理解为一种手段或过程，其目的在于鉴别被测对象的性质和特征。例如，一般对各种产品的鉴定工作就是一种既定量又定性的测试过程。 (4) 在生产流程和成品鉴定中的检测过程，从过程的作用和意义来讲实际上也是一种测试过程。,一个典型的传统测试系统常由试验装置、测量部分、数据处理和输出设备等几部分组成。,测试系统的组成：,测试工作：根据不同的测试对象，选择适当的传感器，设计或选择有效而准确的中间变换电路、测量仪器和信号处理部件，以最方便、科学的形式把测试结果显示出来。,科学技术的迅速发展使生产效率愈来愈高，科学研究也愈来愈深入和复
5、杂。在大规模的生产和科学研究中，要求测试的项目和研究的问题也愈来愈多和复杂，不但工作量大，而且要求高，还常伴随着大量的数据处理和统计运算的工作。在这种情况下，靠人工或功能简单的仪器测试已经无法适应这种形势的发展了，自然提出了测试技术的自动化问题。计算机技术、实时采样技术、频率合成技术的发展和成熟给自动测验技术奠定了良好的基础。近代检测技术、传感器技术、显示技术、数据传输和处理技术以及大规模集成电路技术的发展，尤其是单片计算机技术和计算机科学的飞速发展和成就，为测试技术的自动化提供了必要的技术条件和手段。,测试技术的自动化,仪器的发展历史,第一代仪器：模拟仪器 第二代仪器：数字化仪器 第三代仪器
6、：智能仪器 第四代仪器：虚拟仪器,仪器的发展历史,第一代仪器：模拟仪器 如指针式万用表，它们的基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。 第二代仪器：数字化仪器 数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果。,仪器的发展历史,第三代仪器：智能仪器 智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动。它的全部功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 第四代仪器：虚拟仪器 虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革
7、，是将来仪器发展的一个重要方向。,仪器技术革命,第一次仪器革命是由于数字电子技术的发展引起的，使仪器形态进入了数字化仪器时代； 第二次仪器革命是由于微处理器的大量应用引起的，使仪器形态进入了智能仪器时代； 目前，仪器领域正在进行第三次仪器革命，这次革命是由通用计算机硬软件技术的进步引起的，这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时期：虚拟仪器时代。,仪器的构成元素,数据采集,信号处理,硬件（电子线路）,硬件（电子线路）,硬件（显示器与旋钮）,硬件（电子线路）,计算机软件（算法）,计算机硬件 （显示器与虚拟旋钮）,传统仪器,虚拟仪器,计算机系统资源,传统仪器 厂商定义功能,虚拟仪器 用户定义功能,仪器
8、概念的转变,Virtual Instrumentation-Computer Based Instruments,习惯把具有自动化、智能化、可编程化等功能的测试系统称为自动测试系统，也称作现代测试系统。它的主要表现形式有： 1、智能仪器 2、自动测试系统 3、虚拟仪器,自动测试系统定义：,1、智能仪器,所谓智能仪器是用以形容新的一代测量仪器这类仪器仪表中含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器。这类仪器，因为功能丰富又很灵巧，国外书刊中常简称为智能仪器。,智能仪器的特点（1）具有自动校准的功能；（2）具有强大的数据处理能力；（3）具有量程自动切
9、换的功能；（4）具有操作面板和显示器； （5）具有修正误差的能力；（6）有简单的报警功能。,自动校准功能,一般仪器在使用前都要进行刻度校准。 在使用中，随着仪表温度升高，元件的参数往往会发生变化，还有诸如电网干扰、噪声等因素的影响，原来校准好的状态会受到破坏，导致前后测量的数据不一致。 智能仪器不仅可以自动校准还可以在测量过程中定期校准。这样测量的一致性条件校好，减小了误差。,电压输入自动校正,智能仪器的一般结构：一、在物理结构上，微型计算机内含于测量仪器。微处理器及其支持部件是整个测试电路的一个组成部分，但是，从计算机的观点来看，测试电路与键盘、GPIB接口、显示器等部件一样，仅是计算机的一
10、种外围设备。 二、智能仪器的管理程序也称监控程序，分析、接受、执行来自键盘或接口的命令，完成测试和数据处理等任务。软件存于ROM或EPROM。软件是智能仪器的灵魂。,智能仪器的基本组成,智能仪器工作过程,1、微处理器接收来自键盘或GPIB接口命令，解释并执行这些命令； 2、微处理器通过接口发出各种控制信息给测试电路，以规定功能、启动测量、改变工作方式等， 3、当测试电路完成一次测量后，微处理器读取测量数据，进行必要的加工、计算、变换等处理，最后以各种方式输出。,2、自动测试系统,一个自动测试系统，一般由四部分组成：第一是微机或微处理器，它是整个系统的核心；第二是被控制的测量仪器或设备，称为可程
11、控仪器；第三是接口；第四是软件。,自动测试系统基本构成,(一)微机(或微处理器)这是整个系统的核心。在软件控制下，微机控制够个自动测试系统正常运转，并对测量数据进行某种方式的处理，如计算、变换、数据处理、误差分析等；最后将测量结果通过打印机、显示器、磁盘磁卡或电表、数码显示等方式输出。,(二)可程控仪器或设备在自动测试过程中，测量仪器或设备的工作，如测量功能、工作频段、输出电平、量程等的选择和调节都是由微机所发控制指令的控制下完成的。这种能接受程序控制并据之改变内部电路工作状态，以及完成特定任务的测量仪器称为仪器的可程序控制，简称可程控，或称程控仪器。显然程控仪器是组成自动测试系统的基本部分。
12、,(三)接 口,一个自动测试系统中，各仪器和设备之间的接口的总体称为该自动测试系统的接口系统。显然，接口系统是自动测试系统达到自动测试目的，使自动测试系统各仪器和设备之间进行有效通信的重要环节。60年代中期以前，接口是专用的和非标准化的，即是专门为某一自动测试系统而设计制造的，设计和制造不具有重复性。,接口的主要任务是在下列方面提供仪器与计算机连接需要的兼容。机械兼容 对接口的最简单的要求是提供机械兼容，就是要有适当的连接器和它们之间的连线。电磁兼容 接口的第二种作用是使计算机和探器之间有适配的电器特性即在逻辑电平方面要相符合。数据兼容 一旦接口已使计算机和仪器实现了机械和电器兼备它们就能通过
13、数据线交换电信号信息，但需要某种格式翻译，有种种编程能力的计算机通常能执行这种功能，考虑到速度，往往把这个任务交给接口完成。,自动测试技术源于70年代，发展至今大致可分为三代，其系统组成结构也有较大的不同。第一代自动测试系统 （50年代-70年代初）第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。如数据自动采集和自动分析，只能用于大量的要求重复、快速、高可靠和对人员健康有害又难于接近的测试场合。其结构特点是采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是专用的。因此，第一代测试系统通用性比较差。,自动测试系统发展历程,第二代自动测试系统 （ 70年代初出现）第二代自动测试系统
14、典型方块图如图所示。与第一代自动测试系统的主要不同在于：采用了标准化的通用可程控测量仪器接口总线(IEEE 488)及可程序控制的仪器和测控计算机(控制器)，从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。,第三代自动测试系统第二代自动测试系统虽然比人工测试显示出前所未有的优越性，但是在这些系统中，电子计算机并没有充分发挥作用，系统中仍是使用传统的测试设备(只不过是配备了新的标准接口)，整个系统的工作过程基本上还是对传统人工测试的模拟。于是出现了虚拟仪器。,虚拟仪器（Virtual Instrument, 简称VI）是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大
15、突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器模拟式仪表、第二代仪器分立元件式仪表、第三代仪器数字式仪表、第四代仪器智能化仪器之后的新一代仪器。,虚拟仪器,所谓的虚拟仪器，就是在以通用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，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。“虚拟”的含义 虚拟的仪器面板 由软件实现仪器的测量功能（软件就是仪器）,虚拟仪器的定义,虚拟仪器技术降低了市场门栏 长期以来，我国仪器行业作出了巨大的努力，但始终没有能力与国外竞争。思考其中缘由，国外先进国家在长期的仪器发展中，形成了以知识产权为核心的技术壁垒，这个我们很难突破。也就是说，仪器市场准入门栏太
16、高。 虚拟仪器技术采用通用计算机平台，用软件算法代替硬件实现仪器功能，这使得我们可以绕过复杂的工艺问题和传统仪器的知识产权，进入一个全新的市场，与国外公司在一个全新的领域，展开竞争。我国仪器行业应抓住现在的大好时机，大力发展虚拟仪器。就能够迅速缩短我们与发达国家的差距。,发达国家的市场退出成本较高，我们及时进入市场，能形成后发比较优势。 发达国家已形成一套仪器工业体系和销售服务网络，在发展虚拟仪器方面，他们只能采用渐变的方式，逐步实现传统仪器退出市场，如果退出太快，就会造成巨大的退出成本。 我们作为发展中国家，在传统仪器领域未能形成比较优势。如果我们集中力量，迅速进入下一代虚拟仪器市场，我们不
17、存在退出成本的问题，能够迅速形成后发比较优势。略过传统仪器的发展阶段，迅速进入下一代仪器发展阶段，造成仪器技术的跨跃式发展态势。跨跃式发展模式也是发展中国家赶超发达国家的基本模式。,虚拟仪器的架构,模块化 仪 器,软 件 算 法,1 虚拟仪器的内部功能测量仪器的内部功能可划分为：输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结果的显示四个部分。虚拟仪器也不例外，但是实现上述功能的方式不同，下面按三个部分来叙述。 （1）信号采集与控制功能虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成的硬件平台，实现对信号的采集、测量/转换与控制的。硬件平台由两部分组成： 1、计算机可以是笔记本计算机、PC机或工作站； 2、仪器硬件
18、：可以是插入式数据采集板（含信号调理电路、AD转换器、数字 IO、定时器、DA转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如 GPIB仪器、VXI仪器、RS232仪器等)。,(2)数据分析处理功能虚拟仪器充分利用了计算机的存储、运算功能，并通过软件实现对输入信号数据的分析处理。处理内容包括进行数字信号处理数字滤波统计处理、数值计算与分析等。虚拟仪器比传统仪器以及以微处理器为核心的智能仪器有更强大的数据分析处理功能。(3) 测量结果的表达虚拟仪器充分利用计算机资源如内存、显示器等，对测量结果数据的表达与输出有多种方式，这也是传统仪器远不能及的。例如，虚拟仪器可以实现：通过总线网络进行数据传输；通过磁
19、盘、光盘硬拷贝输出；通过文件存于硬盘内存中；计算机屏幕显示。,VI构成要素,虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成的。计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。,软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用开发软件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以LabVIEW为例，这是基于图形化编程语言G的开发环境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力。,VI系统有多种构成方式：PCDAQ测量系统：是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系
20、统。GPIB系统：是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。VXI系统：是以VXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。串口系统：是以Serial标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。现场总线系统：是以 Fieldbus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。,VI构成方式,I/O接口设备,虚拟仪器的构成方式,无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与各类计算机相结合，其中PC-DAQ测试系统是构成VI的基本方式。因为，实际上数据采集系统DAS是构成各种标准总线仪器的基础，故虚拟仪器是基于“信息的数据采集(ADC)-信号的分析与处理(DSP)-输出
21、(DAC)及显示”的结构模式建立通用仪器硬件平台。在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪器。,PXI模块,VXI模块,虚拟仪器软件平台,Labview/Labwindows/CVI 事实上的虚拟仪器软件平台 HP-VEE VB VC+ 其它,1、编程设计图形化软件模块 提供图形化编程环境，通过调用控件、库函数原码模块进行仪器面板设计和数据分析处理。 2、仪器驱动程序（Instrument Drivers)与用户接口开发工具（User Interface Development)标准软件模块。,LabView软件组成,虚似仪器和传统仪器的比较,虚拟仪器的分类: 从技术发
22、展的角度来看，虚拟仪器走的是两条技术路线： 一条是向高速、高精度、大型自动测试设备（ATE）方向发展，即GPIB（1975）VXI（1987）PXI（1997）的发展路线； 另一条是向高性能、低成本、普及型系统方向发展，即PC插卡（1987）并口式（1995）串口USB（1999）的技术路线。,虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：第一类：PC总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，IS
23、A总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。,第二类：并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。,第三类：GBIB总线方式的虚拟仪器,GPIB总线(General
24、Purpose Interface Bus), 即IEEE488通用接口总线,是HP公司在70年代推出的台式仪器接口总线, 因此又叫HPIB(HPInterfaceBus)。 该标准总线在仪器、仪表及测控领域得到了最为广泛的应用。这种系统是在微机中插入一块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,其余部分可保持不变, 从而使GPIB系统能适应微机总线的快速变化。由于GPIB系统在PC出现的初期问世, 所以有一定的局限性。如其数据线只有8根, 用位并行、字节串行的方式传输数据,传输速度最高1y/,传
25、输距离20(加驱动器能达500) 。,第三类 GPIB总线方式虚拟仪器,第四类：VXI总线方式虚拟仪器 VXI总线(VME busextension for instrumentation)。该总线是VME计算机总线在仪器领域中的扩展, 其中VME总线是一种工业微机的总线标准, 主要用于微机和数字系统领域。 优点：系统具有小型便携、高速数据传输、模块式结构、系统组建灵活等特点。1998年修订的2 0版本规范提供了64位扩展能力,使数据传输率最高进一步提高到80y/。 缺点：组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。,第五类：PXI总线方式虚拟仪器 PXI（PCI eXte
26、nsions for Instrumentation）充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构PCI。,PXI是一个模块化的平台。系统的物理主机是一个拥有2至31个槽位的机箱，有的机箱还带有内置的显示器和键盘。机箱的第一槽（Slot 1）是控制器槽。目前可以使用的控制器有很多，最常见的两种是嵌入式控制器和MXI-3总线桥。嵌入式控制器是专为PXI机箱空间设计的常规计算机。MXI-3 则是一种通过台式计算机控制PXI机箱的扩展器，机箱中的其它槽位被称为外部设备槽，用于插置功能模块，就像计算机里的PCI槽（23）一样。,一个PXI 系统通过MXI-2 连接VXI 机箱，就像在VXI 背板上直接
27、插入了一个VXI嵌入式控制器一样。工程师可以由PXI控制器设置所有的系统设备并与之通信，从而将一个已有的VXI 系统合并到一个新的PXI 系统中。工程师们可以根据需要逐步的将他们的VXI系统升级到PXI。,使用MXI-3，台式计算机上的CPU 可以透明地设置和控制PXI/CompactPCI 模块。在BIOS和操作系统看来，PXI模块就像插在PC上的PCI板卡一样。MXI-3和PXI 机箱组合是扩展系统I/O 的一个极佳选择。从结构上说，MXI-3 是一个PCI到PCI的桥（PCI-PCI bridge）。一块PCI MXI-3板卡插在台式计算机上，并与插在PXI机箱控制器槽内的PXI MXI-3模块通过电缆相连，实现通信。,智能仪器和虚拟仪器区别,智能仪器和虚拟仪器的区别在于它们所用的微机是否与仪器测量部分融合在一起，也即采用专门设计的微处理器、存储器、接口芯片组成的系统，还是用现成的PC机配以一定的硬件及仪器测量部分组合而成的系统。,Thanks,
