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Virtual Instrumentation-- Computer Based Instruments
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Virtual Instrumentation-- Computer Based Instruments
虚拟仪器
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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
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一、从智能仪器到虚拟仪器
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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
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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。
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GPIB ( General-Purpose Interface Bus ) - 通用接口总线, 是国际通用的仪器接口标准。
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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。
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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。
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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。
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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
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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
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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。
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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
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二、虚拟仪器的特点
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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
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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。
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三、虚拟仪器的体系
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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
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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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四、虚拟仪器的硬件
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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
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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
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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
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GPIB 产 品示例
屏蔽的 24芯 GPIBcable及定义
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NI 的 DAQ 及 VXI 产 品示例
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PXI 产品
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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
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五、虚拟仪器的软件
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用 LabVIEW开发的虚拟仪器的软面板示例
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虚拟数字示波器的软面板
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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
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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
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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。
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LabVIEW 和 LabWindows/CVI详 细 教 程 可 以 到www.pansino.com.cn
或 ni.com/china 下载
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六、虚拟仪器的应用
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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…….
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虚拟仪器的实际应用
ni.com/china
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教学实验( LabVIEW )——虚拟调制解调器
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教学实验( LabScene )——波形分析
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数据采集( LabScene )——基于 USB 的硬件卡
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工业监测
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实验室应用
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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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