智能儀器-虛擬儀器

第九章智能儀器的新發(fā)展林君lin_jun@吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院虛擬儀器技術(shù)主要內(nèi)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(diǎn)虛擬儀器的應(yīng)用國內(nèi)外虛擬儀器發(fā)展現(xiàn)狀虛擬儀器開發(fā)相關(guān)資源自主研發(fā)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺9.1.1從智能儀器到虛擬儀器電子儀器的發(fā)展歷程模擬儀器數(shù)字儀器智能儀器個(gè)人儀器虛擬儀器20世紀(jì)70年代20世紀(jì)80年代20世紀(jì)50年代20世紀(jì)60年代誕生了第一代自動測試系統(tǒng)VXIChassisDAQBoardswithRTSIFullyProgrammableSystemGUIIEEE488RackandStackSystemAnalogInstrumentationVirtualInstrumentation智能儀器結(jié)構(gòu)框圖回顧智能儀器動態(tài)信號分析儀器典型智能儀器－

動態(tài)信號分析儀功能固定從智能儀器到虛擬儀器--信號發(fā)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(shù)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(fā)生器虛擬數(shù)字存儲示波器虛擬數(shù)字多用表軟件和硬件虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。9.1.2什么是虛擬儀器技術(shù)？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(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器儀表技術(shù)完美地結(jié)合起來，使用戶在操作計(jì)算機(jī)時(shí)，如同在操作自己定義的儀器，方便靈活，不僅減少了單個(gè)傳統(tǒng)儀器的成本，更是提高了用戶的工作效率，從而為現(xiàn)代儀器測控技術(shù)掀起了嶄新的一頁。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，引起了測控領(lǐng)域的一場革命。

（1）虛擬儀器面板（人機(jī)交互）軟件化傳統(tǒng)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(guān)、旋鈕等來實(shí)現(xiàn)諸如電源的通斷、通道選擇、量程切換、放大倍數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，并通過面板上的LED、CRT等來顯示儀器狀態(tài)和測量結(jié)果。虛擬儀器通過基于計(jì)算機(jī)平臺的軟件操作界面替代物理面板，操作人員通過鼠標(biāo)或鍵盤操縱軟件界面中的控件實(shí)現(xiàn)對儀器的控制。傳統(tǒng)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(tǒng)中，儀器功能是由軟件編程來實(shí)現(xiàn)，測量所需的各種激勵(lì)信號可由軟件產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)，再通過D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)硬件很難實(shí)現(xiàn)的一些強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能，如FFT分析、小波分析、數(shù)字濾波、回歸分析、統(tǒng)計(jì)分析等，可以由軟件編程來實(shí)現(xiàn)。通過不同軟件模塊的組合，可以實(shí)現(xiàn)多種自動測試功能。儀器功能自定義基于相同硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)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?yàn)樘摂M儀器的功能基于一定硬件平臺之上的用戶自定義的軟件?；谙嗤挠布脚_，開發(fā)不同的軟件，可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能。從這一點(diǎn)上來說，軟件在虛擬儀器中占核心主導(dǎo)地位。但是，不同的應(yīng)用，有不同的信號獲取方法、不同的指標(biāo)要求，除了共性之外，還存在個(gè)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(gè)儀器系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。只不過，虛擬儀器技術(shù)使得軟件和硬件聯(lián)系的更加緊密，渾然一體。“SoftwareisInstrument”的認(rèn)識虛擬儀器的本質(zhì)是一種創(chuàng)新的儀器設(shè)計(jì)思想，是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)應(yīng)用于儀器儀表領(lǐng)域的一次升華；“虛擬”不代表不存在，而是體現(xiàn)一種軟件思想；虛擬儀器技術(shù)不同于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)，它需要有硬件的支持。特別強(qiáng)調(diào)：虛擬儀器測試系統(tǒng)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(fā)生器板卡動態(tài)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(jì)算機(jī)總線GPIBVXIPXILXIISARS-232PCIUSB1394實(shí)現(xiàn)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(shù)字萬用表類信號發(fā)生器類直流電源類開關(guān)、數(shù)字I/O類功率表類頻譜分析儀類射頻信號發(fā)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(fā)平臺VI框圖程序每一個(gè)前面板都有一個(gè)框圖程序與之相對應(yīng)，它用G語言編寫，由節(jié)點(diǎn)(Node)、端口和數(shù)據(jù)連線(Wire)組成。節(jié)點(diǎn)：類似硬件中的芯片，執(zhí)行某些功能的單元，它有四類：功能函數(shù)、結(jié)構(gòu)、代碼及文本接口節(jié)點(diǎn)(CIN)、子VI(SubVI)。端口：類似硬件中的管腳，是數(shù)據(jù)在前后面板、節(jié)點(diǎn)之間傳遞的通道。數(shù)據(jù)連線：它是數(shù)據(jù)端口之間的數(shù)據(jù)通道，在線中數(shù)據(jù)是單向樹狀流動。虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)測控對象信號調(diào)理模塊化儀器儀器驅(qū)動應(yīng)用程序硬件層I/O層驅(qū)動層應(yīng)用層虛擬儀器有多種分類方法，既可以按應(yīng)用領(lǐng)域分，也可以按測量功能分，但最常用的還是按照構(gòu)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★L(fēng)XI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(diǎn)1．軟件是核心根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在選定系統(tǒng)控制用計(jì)算機(jī)以及一些標(biāo)準(zhǔn)化的儀器硬件模塊或板卡后，軟件部分就成為構(gòu)建和使用虛擬儀器的關(guān)鍵所在。其中，儀器驅(qū)動的功能是實(shí)現(xiàn)與儀器硬件的接口和通信，應(yīng)用軟件則完成用戶定義的測試和儀器功能，并提供人機(jī)交互界面。2．靈活性和可擴(kuò)展性虛擬儀器打破了傳統(tǒng)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(jù)自己不斷變化的需求，方便靈活地重組測量系統(tǒng)，系統(tǒng)的擴(kuò)展、升級可隨時(shí)進(jìn)行，而且系統(tǒng)更新的周期短、見效快，能充分地滿足用戶在不同場合的應(yīng)用需求。3．性價(jià)比高虛擬儀器可以將在傳統(tǒng)儀器中一些由硬件完成的功能轉(zhuǎn)為軟件實(shí)現(xiàn)，減少了自動測試系統(tǒng)的硬件環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護(hù)成本；虛擬儀器能夠同時(shí)對多個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的測量，信號傳輸大部分采用數(shù)字信號的形式，數(shù)據(jù)處理也主要依賴軟件來實(shí)現(xiàn)，大大降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響；用戶可以隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整虛擬儀器的功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。4．良好的人機(jī)界面虛擬儀器的操控界面是采用圖形化編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種虛擬面板。虛擬面板可以模擬傳統(tǒng)儀器面板的設(shè)計(jì)風(fēng)格，也可以由用戶根據(jù)需要定制。測量結(jié)果通過計(jì)算機(jī)以曲線、圖表等形式顯示。5．與其它設(shè)備互聯(lián)的能力虛擬儀器通常具備標(biāo)準(zhǔn)化總線或通信接口，具有與其它設(shè)備互聯(lián)的能力。例如，虛擬儀器可以通過Internet實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，或者通過現(xiàn)場總線完成設(shè)備監(jiān)控和管理等。虛

擬

儀

器傳

統(tǒng)

儀

器關(guān)鍵是軟件關(guān)鍵是硬件用戶定義功能廠商定義功能軟件的應(yīng)用使得開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高開放、靈活，與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展封閉、固定技術(shù)更新周期短（1-2年）技術(shù)更新周期長（5-10年）與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)方便功能單一，互聯(lián)能力有限價(jià)格低、可復(fù)用、可重配置性強(qiáng)價(jià)格昂貴虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較工業(yè)自動化航空航天冶金地質(zhì)教學(xué)科研虛擬儀器9.1.6虛擬儀器的應(yīng)用鋼絲探傷虛擬儀器系統(tǒng)檢測鋼絲的質(zhì)量工程應(yīng)用原油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)基于LabVIEW的中心計(jì)算機(jī)主界面系統(tǒng)的總體構(gòu)成示意圖工程應(yīng)用數(shù)字化大壩監(jiān)測系統(tǒng)利用NI公司提供的虛擬測試系統(tǒng)軟硬件設(shè)備開發(fā)的大壩管理監(jiān)測系統(tǒng)（大連理工大學(xué)）通過虛擬儀器平臺監(jiān)測大壩的應(yīng)力變化以及三維變形來預(yù)測未來趨勢，實(shí)現(xiàn)對大壩的評估。水利監(jiān)測基于PXI總線的數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用NI系統(tǒng)開發(fā)平臺LabVIEW軟件、PXI硬件設(shè)備、和相應(yīng)檢波器構(gòu)建核電站數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)。支持中國核電站的發(fā)展。(清華大學(xué))監(jiān)測界面地震監(jiān)測低成本高效鎮(zhèn)流器ATE平臺基于工業(yè)計(jì)算機(jī)的測試系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用流水線測試車間基于LabVIEW的測試軟件界面電力應(yīng)用PXI總線分布式遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控航空機(jī)載附件的自動測試系統(tǒng)基于PXI總線航空綜合測試系統(tǒng)PXI綜合測試系統(tǒng)測試界面航空領(lǐng)域虛擬儀器技術(shù)在衛(wèi)星測控中的應(yīng)用基于PXI總線的虛擬測試系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)的自動測試平臺衛(wèi)星測控磁滯回線測試圖特性測試界面納米性材料動態(tài)特性測試系統(tǒng)使用NI的虛擬儀器技術(shù)和相關(guān)的軟硬件平臺實(shí)現(xiàn)納米性材料動態(tài)特性測試使國內(nèi)軟磁材料的測量迅速得以改變材料領(lǐng)域利用NI公司的虛擬測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼軌頂面短波不平順在線自動檢測系統(tǒng)，填補(bǔ)中國該技術(shù)領(lǐng)域空白。(清華大學(xué))在線檢測系統(tǒng)LabVIEW界面事后回放子系統(tǒng)前面板鋼軌頂面短波不平順檢測系統(tǒng)鐵路領(lǐng)域手機(jī)在線射頻測試開發(fā)一套手機(jī)在線測試系統(tǒng)，可以完成手機(jī)電路板和整機(jī)的射頻校準(zhǔn)與收發(fā)質(zhì)量(信令和非信令)測試。手機(jī)射頻測試電信領(lǐng)域低成本產(chǎn)品在線測試與功能測試深圳振華微電子有限公司產(chǎn)品測試汽車速度傳感器測試系統(tǒng)該系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車速度傳感器生產(chǎn)線，對生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品進(jìn)行檢查，并判定產(chǎn)品的優(yōu)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(shí)驗(yàn)儀仿真面板β-I之間的關(guān)系測試圖基于NI公司虛擬測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺教學(xué)領(lǐng)域(電子科技大學(xué))基于NI提供的軟硬件開發(fā)平臺提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平（清華大學(xué)）一階RC電路測量結(jié)果二階RLC電路測量結(jié)果電路動態(tài)過程狀態(tài)圖虛擬頻率相位計(jì)虛擬頻率相位計(jì)教學(xué)領(lǐng)域NIELVIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)領(lǐng)域基于NI的ELVIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一句話:哪里有測試,哪里就會有虛擬儀器!9.1.7國內(nèi)外虛擬儀器發(fā)展現(xiàn)狀國外虛擬儀器產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展的很成熟！卡式臺式NI中國代理公司：中科泛華測控技術(shù)有限公司http://http://http://