虚拟仪器技术概论

虚拟仪器技术概论

杨乐平李海涛肖凯杨磊编著

电子工业出版社

课程脉络

什么是虚拟仪器虚拟仪器的组成和分类虚拟仪器的软件标准虚拟仪器的开发环境详述各种不同总线接口的虚拟仪器网络化虚拟仪器及网络实验室

仪器的发展历史

VXI Chassis

DAQ Boardswith RTSI

Fully Programmable System

GUI

IEEE 488 Rack and Stack System

Analog Instrumentation

Virtual Instrumentation

什么是虚拟仪器？

Virtual Instrument ，简称 VI

就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试性能，使得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测试仪器一样。

虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（ National Instru

ment ）在 1986 年提出的，但其雏形可以追溯到 1981 年由美国西北仪器系统公司推出的 Apple II 为基础的数字存储示波器。这种仪器和个人计算机的概念相适应，当时被称为个人仪器。（ Personal Instrument ）。

一、虚拟仪器概念的提出

1986 年， NI 公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境 LabVIEW ，标志着虚拟仪器软件设计平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。

特别指出：虚拟仪器实质上是一种创新的仪器设计思想，而非一种具体的仪器。换言之，虚拟仪器可以有各种各样的形式，完全取决与实际的物理系统和构成仪器数据采集单元的硬件类型。

SOFTWARE IS INSTRUMENT

最简单，最本质的表述

http://www.giscogeo.com/pages/emgprtm.html

二、虚拟仪器 VS 传统仪器

传统仪器厂商定义功能

虚拟仪器用户定义功能

DISPLAY AND

CONTROL

VI 与传统仪器的比较VI 传统仪器

软件使得开发与维护费用降至最低

开发与维护开销高

技术更新周期短 (1 ～ 2年 )

技术更新周期长(5 ～ 10 年 )

关键是软件关键是硬件

价格低、可复用与可重配置性强

价格昂贵用户定义仪器功能厂商定义仪器功能

开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展

封闭、固定与网络及其它周边设备方便互联的面向应用的仪器系统

功能单一、互联有限的独立设备

特点概括丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、

显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理。

仪器由用户自己定义。

开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。

便于构成复杂的测试系统。可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控、和诊断。可节约仪器购买和维护费用。

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一、虚拟仪器的组成

两个基本要素

硬件

软件

主要功能是获取真实世界中的被测信号

控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。

二、虚拟仪器的分类按接口总线类型不同划分

数据采集卡式 DAQ

RS232/RS485 虚拟仪器

并行接口虚拟仪器

USB 虚拟仪器

GPIB 虚拟仪器

VXI 虚拟仪器

PXI 虚拟仪器

IEEE1394 接口虚拟仪器

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两个重要的软件标准

SCPI

Standard Commands for Programmable Instruments VISA

Virtual Instrments Software Architecture

仪器驱动仪器的驱动软件是专门控制某种仪器的软件。LabVIEW 因为具有面板控制的概念，特别适合于创建仪器的驱动程序。软件的前面板部分可以模拟仪器的前面板操作。软件的框图部分可以传送前面板指定的命令参数到仪器以执行相应的操作。当建立了一个仪器的驱动程序后，就不必再记住仪器的控制命令，而只要从前面板输入简单数据即可。仅仅拥有控制单台仪器的软件，意义并不大。其真正意义在于可以把仪器驱动程序作为子程序调用，与其他子程序一道组成一个大控制程序，从而控制整个系统。

仪器驱动模型仪器驱动模型

应用软件启动 VI

初始化

函数体应用 VLs

配置

支持 VIs

VISA

数据功能动作 &状态

关闭

从 VXI 到 IVI VXIbus 是 VMEbus在仪器领域的扩展（ VM

Ebus eXtensions for Instrumentation），是计算机操纵的模块化自动仪器系统。经过十年的发展，它依靠有效的标准化，采用模块化的方式，实现了系列化、通用化以及 VXIbus仪器的互换性和互操作性。其开放的体系结构和 P&P方式完全符合信息产品的要求。今天， VXIbus仪器和系统已为世人普遍接受，并成为仪器系统发展的主流。

What is IVI?What is IVI?

The IVI Foundation is a new, open consortium f

ounded to promote specifications for programming t

est instruments that simplify interchangeability, pro

vide better performance, and reduce the cost of prog

ram development and maintenance.

Next->

IVI drivers define a new level of quality, completeness, usability, and functionality that reduces the cost of test system development and ownership.

IVI drivers simplify upgrading or replacing components in complex test systems intended to be used over a long period of time

HP 34401DMM

Test Program

IVI Engine

IVI Configuration Utility

IVI Configuration File

VISA

IVI Specific DriverIVI Specific Driver

Fluke DMM45

IVI Class DriverIVI Class Driver

IVIIVI体系结构体系结构

从图中可以看出， IVI 驱动程序比 VXIPlug&Play( 简称 VPP) 联盟制订的 VISA 规范更高一层。它扩展了 VPP 仪器驱动程序的标准并加上了仪器的可互换性、仿真和状态缓存等特点，使得仪器厂商可以继续用他们的仪器特征和新增功能。因此 IVI 基金

会是对 VPP 系统联盟的一个很好的补充。

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要说明的几点1 、原则上，目前常用的可视化编程语言

Visual C++ 、 Visual Basic 等都可以

用作虚拟仪器的软件开发环境。

2 、 NI 公司的 LabVIEW 和 HP 公司的 HP-VEE 为

代表的新一代图形化编程语言环境是目

前开发虚拟仪器最佳的软件平台

LabWindows/CVI

ANSI CStandard Language

CompilerEditor

DebuggerOpen System

Built-in Built-in Instrumentation Instrumentation Libraries Libraries

I/O (GPIB, VXI, DAQ, Serial, IMAQ, etc)

Analysis

DataSocket ActiveX

TCPGUI

Productivity ToolsProductivity Tools for faster development for faster development

CodeGeneration Tools

Interactive Execution ™

Standard ANSI C Standard ANSI C Language Language

• Open, powerfulOpen, powerful• MultithreadedMultithreaded

详细 LabVIEW 和 Labwindows/CVI教程可以到www.pansino.com.cn下载

http://www.pansino.com.cn/

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DAQDAQ （（ Data Acquisition)Data Acquisition) 仪仪器器 DAQ 仪器是以微型计算机为平台，配以用于测量

和测试的数据采集卡（仪器卡）及专用软件，为实现某些测量和测试功能而构成的通用或专用仪器系统。

DAQ 仪器设计都是基于某一种总线进行的。这种总线可以是计算机总线中的内总线如 ISA总线、 PCI总线等，也可以是计算机总线中的外总线如 IEEE488（ GPIB ）、 RS232C 、 USB总线等。

1.1.

数据采集功能

模拟输入 /输出

数字输入 /输出

时钟输入 /输出ADC

DAC

cntr/timer

digital

DAQ Board

On Off

1-

0

2. GPIBGPIB 仪仪器器即 General Purpose Interface Bus

1965 年惠普公司设计 HP-IB1975 年 HP-IB 变成 IEEE-488 标准1987 年 IEEE488.2 被采纳 , IEEE 488-1978变成 IEEE488.1-1

987

1990 年 SCPI 规范被引入 IEEE 488 仪器1992 年修订 IEEE 488.2

1993 年 NI 公司提出 HS488

多仪器的星型组合和线型组合

GPIB 产品示例

NI 的 PCI-GPIB卡

操作系统： DOS, Windows2000/9x/NT

最大 I/0速度：

1.5 Mbytes/s （ IEEE488.1) 7.7 Mbytes/s (HS488)尺寸： 133x107 mm

GPIB 产品示例

屏蔽的 24芯 GPIBcable及定义

3. VXIVXI 仪仪器器

VXI （ eXtentions for Instrument ）总线系统是一种在世界范围内完全开放的、适用于多厂商的模块化仪器总线系统，是目前世界上最新的仪器总线系统。 VXI总线把已经经过长期应用考验的 VME总线扩展应用到仪器领域，它的先进设计思想体现在作为一个彻底开放的标准，使用户能以最短的时间组建具有极高测试吞吐量的系统。

VXI总线系统规范简介 VXI总线系统或者其子系统由一个 VXIbus主机箱、若干 VXIbus 器件、一个 VXIbus零槽模块、 VXIbus 资源管理器和主控制器组成。零槽模块完成系统背板管理，包括提供时钟源和背板总线仲裁等，当然它也可以同时具有其它的仪器功能。资源管理器在系统上电或者复位时对系统进行配置，以使系统用户能够从一个确定的状态开始系统操作。在系统正常工作后，资源管理器就不再起作用。主机箱容纳 VXIbus 仪器，并为其提供通信背板、供电和冷却。

（续） VXIbus不是设计来替代现存标准的，其目的只是为提高测试和数据采集系统的总体性能提供一个更先进的平台。因此， VXIbus规范定义了几种通信方法，以方便 VXIbus系统与现存的 VMEbus 产品、 GPIB 仪器以及串口仪器的混合集成。

4. PXIPXI 仪仪器器What is PXI

PXI (PCI extensions for Instrumentation) is an open industrial specif

ication which extends CompactPCI for test and measurement and

automation. It maintains complete interoperability with CompactPCI while

adding the trigger bus, system reference clock and local bus to provide

the system timing capability for many instrumentation applications. A Co

mpactPCI plug-in module can be used in a PXI system likewise a PXI mo

dule can be used in a CompactPCI system if PXIspecific function is not r

equired.

PXI总线方式是 PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。 PXI 的高度可扩展性。 PXI具有 8 个扩展槽，而台式 PCI 系统只有 3~4 个扩展槽，通过使用 PCI—PCI 桥接器，可扩展到 256 个扩展槽，台式 PC 的性能价格比和 PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。

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详见谢宣松同学的电子文档，

以免有班门弄斧之嫌！

THE END . THANKSTHE END . THANKS

林老师：

您好，在 DAQ章节中，书上还分别讲了 ISA 、 PCI 、USB 、 1394等总线，但我看书上讲的也不细，而且林老师已有更详细的 powerpoint文挡，我在这里就不再叙述。

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