Virtual Instrumentation-- Computer Based Instruments

虚拟仪器

主要内容

从智能仪器到虚拟仪器 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的体系 虚拟仪器的硬件 虚拟仪器的软件 虚拟仪器的应用

一、从智能仪器到虚拟仪器

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

RTSI 是 Real-Time System Integration 的缩写。这种总线接口存在于许多 National Instruments 的设备上，利用一根 RTSI 总线电缆，就可以在多块板卡之间共享和交换时钟和控制信号。它通常被用来做同步。　　 RTSI 总线可以进行板卡之间的定时和同步 　　许多 NI PCI 板卡都配有 RTSI 总线，该总线可以通过安装在板卡上方的扁平电缆连接器连接。 该种板卡可以共享触发信号和时钟，从而有效地将多块板卡整合成一台多功能仪器。 配有 RTSI总线的 PCI 板卡的功能包括多功能数据采集 (DAQ) 、高速数字 I/O 、高速数字化仪、动态信号采集 (DSA) 、信号发生器、高速定时 I/O 、图像采集、运动控制和 CAN 总线接口连接。

GPIB （ General-Purpose Interface Bus ） - 通用接口总线， 是国际通用的仪器接口标准。

20 世纪 80 年代后期，仪器制造商发现 GPIB 总线产品无法再满足军用测控系统的需求了。在这种情况下， HP 、Tekronix 等五家国际著名的仪器公司成立了 VXIbus 联合体，并于 1987 年发布了 VXI 规范的第一个版本。几经修改和完善，与 1992 年被 IEEE 接纳为 IEEE-1155-1992 标准。

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation

面向仪器系统的 PCI 扩展 ) 是一种由 NI公司发布的坚固的基于 PC 的测量和自动化平台。。制订 PXI 规范的目的是为了将台式 PC 的性能价格比优势与 PCI 总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。

PXI 在 1997 年完成开发，并在 1998 年正式推出，它是为了满足日益增加的对复杂仪器系统的需求而推出的一种开放式工业标准。如今， PXI 标准由 PXI 系统联盟（ PXISA ）所管理。该联盟由 60 多家公司组成，共同推广 PXI 标准，确保 PXI 的

互换性，并维护 PXI 规范。

微处理器MPU

程序存储器（ ROM）

数据存储器（ ROM）

I/O 接口 键盘显示接口 标准仪用通信接口

A/D转换器

D/A转换器

键盘 显示外部仪用标准总线

信号调理

模拟执行器

通信接口人机接口模拟量输入输出

被测量

 

智能仪器的基本结构

ISA/PCI插卡式仪器

RS232/485串行通信 仪器

打印口并行通信 仪器

GPIB/VXI/PXI总线仪器

计算机

USB串行通信 仪器

测控对象

INTERNET

基于计算机的仪器系统

虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（ National Instrument ）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 ）。

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。

VI 定义虚拟仪器 ( VI - Virtual Instrumentation ) 是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。与传统仪器一样，如果忽略它的跨网络的位置透明性，它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。

插入式 DAQ卡

VXI 仪器GPIB 仪器

RS232

信号处理

统计数字滤波

分析

网络传输

文件 I/O硬复制

图形用户接口

虚拟仪器功能模块划分

二、虚拟仪器的特点

仪器 = A/D + CPU+ 软件The Software Is Instruments

传统仪器 虚拟仪器关键是硬件 关键是软件开发与维护费用高 开发与维护费用低技术更新周期长 技术更新周期短价格高 价格低，并且可重用性与可配置性强厂商定义仪器功能 用户定义仪器功能系统封闭、固定 系统开放、灵活，与计算机的进步同步

不易与其他设备连接 容易与其他设备连接

VI 与传统仪器的比较

虚拟仪器的优势： 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。

三、虚拟仪器的体系

虚拟仪器典型的体系结构

测控对象

现场总线设备

VXI仪器

串行口仪器PLC

GPIB接口仪器

GPIB接口卡

信号调理

数据采集卡

DAQ

图象采集卡DSP

工业自动化软件.Bridge VIEW.Lockout.Conmponentwork

测量与分析软件.Lab VIEW(VEE).Lab Windows/CVI.Component Works HiQ.Virtual Bench IVI

传统编程语言.Visual C++.Visual Basic.C++ Builder.Delphi等等

PC /机 工作站

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

四、虚拟仪器的硬件

自行研制的基于 USB 总线的数据采集卡

自行研制的 Seed-2000PCI 总线数据采集卡

自行研制的基于 USB 的信号发生卡及 LCR 测试仪

自行研制的嵌入式 TCP/IP模块

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

NI 的 DAQ 及 VXI 产 品示例

PXI 产品

MXIMXIGPIBGPIB

bus

VXI or VME

Stand-aloneStand-alone

InstrumentInstrumentPXI SystemPXI System

ModulesModules ModulesModulesCompactCompactPPCICICompactCompactPPCICI

PXI Modules Link to Other Standards PXI Modules Link to Other Standards

MXI-3MXI-3

五、虚拟仪器的软件

用 LabVIEW开发的虚拟仪器的软面板示例

虚拟数字示波器的软面板

OLE DLL

SQC

测试执行 测试报告

SPC

虚拟仪器

仪器驱动软件

IEEE488.

2

VXI/VISA DAQ驱动 IMAG驱动

GPIB

仪器

串行

仪器

VXI/PXI

仪器

DAQ

卡

IMAG

卡 仪器硬件

I/O接口层

仪器驱动层

测试程序层

测试管理层

虚拟仪器软件分层结构

软件平台LabVIEW

美国的 NI （ National Instrument ）公司开发。

LabScene

吉林大学智能仪器与测控技术研究所研制开发。

其他： LabWindows ， VEE 等

基于图形的程序 每一个前面板都有一个框图程序与之相对应，它用 G语言编写，由节点 (Node) 、端口和数据连线 (Wire)组成。 节点：类似硬件中的芯片，执行某些功能的单元，它有四类：功能函数、结构、代码及文本接口节点 (CIN) 、子 VI(SubVI) 。 端口：类似硬件中的管脚，是数据在前后面板、节点之间传递的通道。有两类端口：控制和指示端口、节点端口。 数据连线：它是数据端口之间的数据通道，在线中数据是单向树状流动。

LabVIEW 和 LabWindows/CVI详 细 教 程 可 以 到www.pansino.com.cn

或 ni.com/china 下载

六、虚拟仪器的应用

虚拟仪器技术应用领域

航空航天教学核工业军工通信测试铁道…….

虚拟仪器的实际应用

ni.com/china

教学实验（ LabVIEW ）——虚拟调制解调器

教学实验（ LabScene ）——波形分析

数据采集（ LabScene ）——基于 USB 的硬件卡

工业监测

实验室应用

远程地质灾害监测研究

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网络化仪器的应用示例

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