第九章智能儀器的新發展林君lin_jun@吉林大學儀器科學與電氣工程學院虛擬儀器技術主要內容從智能儀器到虛擬儀器虛擬儀器的定義虛擬儀器的分類虛擬儀器的特點虛擬儀器的應用國內外虛擬儀器發展現狀虛擬儀器開發相關資源自主研發的虛擬儀器實驗平臺9.1.1從智能儀器到虛擬儀器電子儀器的發展歷程模擬儀器數字儀器智能儀器個人儀器虛擬儀器20世紀70年代20世紀80年代20世紀50年代20世紀60年代誕生了第一代自動測試系統VXIChassisDAQBoardswithRTSIFullyProgrammableSystemGUIIEEE488RackandStackSystemAnalogInstrumentationVirtualInstrumentation智能儀器結構框圖回顧智能儀器動態信號分析儀器典型智能儀器－

動態信號分析儀功能固定從智能儀器到虛擬儀器--信號發生器(1)臺式儀器(2)虛擬儀器軟面板從智能儀器到虛擬儀器--示波器(1)臺式儀器(2)虛擬儀器軟面板從智能儀器到虛擬儀器--數字多用表(1)臺式儀器(2)虛擬儀器軟面板虛擬儀器虛擬信號發生器虛擬數字存儲示波器虛擬數字多用表軟件和硬件虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。9.1.2什么是虛擬儀器技術？NI定義：1986年，美國NI公司（NationalInstruments）提出了“軟件即儀器”的口號，將日益普及的計算機技術與儀器儀表技術完美地結合起來，使用戶在操作計算機時，如同在操作自己定義的儀器，方便靈活，不僅減少了單個傳統儀器的成本，更是提高了用戶的工作效率，從而為現代儀器測控技術掀起了嶄新的一頁。虛擬儀器技術的出現，徹底打破了傳統儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，引起了測控領域的一場革命。

（1）虛擬儀器面板（人機交互）軟件化傳統儀器中，操作人員通過操作儀器物理面板上安裝的各種開關、旋鈕等來實現諸如電源的通斷、通道選擇、量程切換、放大倍數等參數的設置，并通過面板上的LED、CRT等來顯示儀器狀態和測量結果。虛擬儀器通過基于計算機平臺的軟件操作界面替代物理面板，操作人員通過鼠標或鍵盤操縱軟件界面中的控件實現對儀器的控制。傳統儀器面板虛擬的儀器面板虛擬儀器一詞中“虛擬”有以下兩方面含義在虛擬儀器系統中，儀器功能是由軟件編程來實現，測量所需的各種激勵信號可由軟件產生波形數據，再通過D/A轉換實現；系統硬件很難實現的一些強大數據處理功能，如FFT分析、小波分析、數字濾波、回歸分析、統計分析等，可以由軟件編程來實現。通過不同軟件模塊的組合，可以實現多種自動測試功能。儀器功能自定義基于相同硬件設備實現不同儀器功能。也就是所謂“軟件即儀器”說法由來采集卡＋軟件＝示波器／頻譜分析儀／……（2）儀器功能的軟件化這句話說明了軟件就是儀器，但并沒有說儀器就是軟件。它只是突出軟件在虛擬儀器中的地位，因為虛擬儀器的功能基于一定硬件平臺之上的用戶自定義的軟件。基于相同的硬件平臺，開發不同的軟件，可以實現不同的儀器功能。從這一點上來說，軟件在虛擬儀器中占核心主導地位。但是，不同的應用，有不同的信號獲取方法、不同的指標要求，除了共性之外，還存在個性差異。因此，虛擬儀器不僅離不開硬件，而且硬件的地位十分突出，它是整個儀器系統成敗的關鍵。只不過，虛擬儀器技術使得軟件和硬件聯系的更加緊密，渾然一體?！癝oftwareisInstrument”的認識虛擬儀器的本質是一種創新的儀器設計思想，是計算機軟件技術應用于儀器儀表領域的一次升華；“虛擬”不代表不存在，而是體現一種軟件思想；虛擬儀器技術不同于計算機仿真技術和虛擬現實(VR)技術，它需要有硬件的支持。特別強調：虛擬儀器測試系統高效的軟件平臺測試總線平臺模塊化IO硬件示波器板卡信號發生器板卡動態信號分析卡……NI的LabVIEW和LabWindows/CVIAgilent的VEE……GPIBVXIPXI，PXIE……9.1.3虛擬儀器的組成測試總線儀器總線計算機總線GPIBVXIPXILXIISARS-232PCIUSB1394實現軟硬件接口的平臺－測試總線測試總線平臺硬件模塊示波器類數字萬用表類信號發生器類直流電源類開關、數字I/O類功率表類頻譜分析儀類射頻信號發生器類模塊化IO硬件軟件平臺通用可視化軟件平臺C++Builder虛擬儀器軟件平臺DelphiVisualBasicVisualC++VPPAgilentVEELabWindows/CVILabVIEWLabScene軟件開發平臺VI框圖程序每一個前面板都有一個框圖程序與之相對應，它用G語言編寫，由節點(Node)、端口和數據連線(Wire)組成。節點：類似硬件中的芯片，執行某些功能的單元，它有四類：功能函數、結構、代碼及文本接口節點(CIN)、子VI(SubVI)。端口：類似硬件中的管腳，是數據在前后面板、節點之間傳遞的通道。數據連線：它是數據端口之間的數據通道，在線中數據是單向樹狀流動。虛擬儀器體系結構虛擬儀器體系結構測控對象信號調理模塊化儀器儀器驅動應用程序硬件層I/O層驅動層應用層虛擬儀器有多種分類方法，既可以按應用領域分，也可以按測量功能分，但最常用的還是按照構成虛擬儀器的接口總線不同，分為：★串口虛擬儀器★并口虛擬儀器★PCI虛擬儀器★USB虛擬儀器★IEEE1394接口虛擬儀器★……★GPIB虛擬儀器★VXI虛擬儀器★PXI虛擬儀器★LXI虛擬儀器9.1.4虛擬儀器的分類GPIB系列測試總線系列模塊化儀器系列模塊化儀器9.1.5虛擬儀器的特點1．軟件是核心根據系統設計要求，在選定系統控制用計算機以及一些標準化的儀器硬件模塊或板卡后，軟件部分就成為構建和使用虛擬儀器的關鍵所在。其中，儀器驅動的功能是實現與儀器硬件的接口和通信，應用軟件則完成用戶定義的測試和儀器功能，并提供人機交互界面。2．靈活性和可擴展性虛擬儀器打破了傳統儀器由廠商定義功能和控制面板、用戶無法改變的模式。儀器用戶可以根據自己不斷變化的需求，方便靈活地重組測量系統，系統的擴展、升級可隨時進行，而且系統更新的周期短、見效快，能充分地滿足用戶在不同場合的應用需求。3．性價比高虛擬儀器可以將在傳統儀器中一些由硬件完成的功能轉為軟件實現，減少了自動測試系統的硬件環節，降低了系統的開發成本和維護成本；虛擬儀器能夠同時對多個參數進行實時高效的測量，信號傳輸大部分采用數字信號的形式，數據處理也主要依賴軟件來實現，大大降低了環境干擾和系統誤差的影響；用戶可以隨時根據需要調整虛擬儀器的功能，實現一機多用。4．良好的人機界面虛擬儀器的操控界面是采用圖形化編程技術實現的一種虛擬面板。虛擬面板可以模擬傳統儀器面板的設計風格，也可以由用戶根據需要定制。測量結果通過計算機以曲線、圖表等形式顯示。5．與其它設備互聯的能力虛擬儀器通常具備標準化總線或通信接口，具有與其它設備互聯的能力。例如，虛擬儀器可以通過Internet實現互聯，或者通過現場總線完成設備監控和管理等。虛

擬

儀

器傳

統

儀

器關鍵是軟件關鍵是硬件用戶定義功能廠商定義功能軟件的應用使得開發與維護費用降至最低開發與維護費用高開放、靈活，與計算機技術保持同步發展封閉、固定技術更新周期短（1-2年）技術更新周期長（5-10年）與網絡及其它周邊設備互聯方便功能單一，互聯能力有限價格低、可復用、可重配置性強價格昂貴虛擬儀器與傳統儀器的比較工業自動化航空航天冶金地質教學科研虛擬儀器9.1.6虛擬儀器的應用鋼絲探傷虛擬儀器系統檢測鋼絲的質量工程應用原油管道泄漏監測系統基于LabVIEW的中心計算機主界面系統的總體構成示意圖工程應用數字化大壩監測系統利用NI公司提供的虛擬測試系統軟硬件設備開發的大壩管理監測系統（大連理工大學）通過虛擬儀器平臺監測大壩的應力變化以及三維變形來預測未來趨勢，實現對大壩的評估。水利監測基于PXI總線的數字地震監測系統應用NI系統開發平臺LabVIEW軟件、PXI硬件設備、和相應檢波器構建核電站數字地震監測系統。支持中國核電站的發展。(清華大學)監測界面地震監測低成本高效鎮流器ATE平臺基于工業計算機的測試系統實際應用流水線測試車間基于LabVIEW的測試軟件界面電力應用PXI總線分布式遠程測控系統遠程監控航空機載附件的自動測試系統基于PXI總線航空綜合測試系統PXI綜合測試系統測試界面航空領域虛擬儀器技術在衛星測控中的應用基于PXI總線的虛擬測試系統基于虛擬儀器技術的自動測試平臺衛星測控磁滯回線測試圖特性測試界面納米性材料動態特性測試系統使用NI的虛擬儀器技術和相關的軟硬件平臺實現納米性材料動態特性測試使國內軟磁材料的測量迅速得以改變材料領域利用NI公司的虛擬測試系統實現鋼軌頂面短波不平順在線自動檢測系統，填補中國該技術領域空白。(清華大學)在線檢測系統LabVIEW界面事后回放子系統前面板鋼軌頂面短波不平順檢測系統鐵路領域手機在線射頻測試開發一套手機在線測試系統，可以完成手機電路板和整機的射頻校準與收發質量(信令和非信令)測試。手機射頻測試電信領域低成本產品在線測試與功能測試深圳振華微電子有限公司產品測試汽車速度傳感器測試系統該系統主要應用于汽車速度傳感器生產線，對生產過程中的產品進行檢查，并判定產品的優劣.（北京中科泛華的案例）汽車檢測晶體管直流特性測試面板晶體管直流特性實驗儀仿真面板β-I之間的關系測試圖基于NI公司虛擬測試系統實驗教學平臺教學領域(電子科技大學)基于NI提供的軟硬件開發平臺提升實驗教學水平（清華大學）一階RC電路測量結果二階RLC電路測量結果電路動態過程狀態圖虛擬頻率相位計虛擬頻率相位計教學領域NIELVIS實驗教學系統教學領域基于NI的ELVIS實驗系統一句話:哪里有測試,哪里就會有虛擬儀器!9.1.7國內外虛擬儀器發展現狀國外虛擬儀器產業已經發展的很成熟！卡式臺式NI中國代理公司：中科泛華測控技術有限公司http://http://http://