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虚拟仪器导论及应用

第一部分

题目：

虚拟仪器概论

随着微电子技术、计算机技术、软件技术、通信技术的迅速发展，新的测量理论、测量方法、测量领域和新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念。

尤其是以计算机为核心的仪器系统与计算机软件技术的紧密结合，导致了仪器的概念发生了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念－虚拟仪器。

虚拟仪器要比传统的电子仪器更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济，更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性能的要求。

因此，虚拟仪器发展很快。

虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。

传统仪器面板上的器件都是实物，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图标，其操作对应着相应的软件程序，使用鼠标式键盘操作虚拟面板的控件。

传统的仪器特别是早期的仪器，它的功能是通过硬件来实现的，而虚拟仪器是通过软件编程来实现的。

自从美国国家仪器公司与1986年提出虚拟仪器的概念至今，虚拟仪器的发展大约可分为三个阶段：

第一阶段是利用计算机增强仪器的功能：

利用GPIB总线和RS-232总

线同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。

第二阶段是开放式的仪器结构：

一是插入式计算机数据处理卡；二是

VXI仪器总线标准的确立。

第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用：

几个虚拟仪器平台已

经得到认可,并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。

随着微电子技术，计算机软、硬件技术，通信技术和网络技术的飞速发展，虚拟仪器技术日新月异：

（1）开放式出局采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模

块化的道路：

1998年9月成立的IVI基金会努力从基本的互操作性到

可互换性，为仪器驱动程序提升标准化水平。

通过为仪器类制定个统

一的规范，使测试工程师获得更大的硬件独立性，使用户在测试过程

中不需要更改软件程序就可以替换设备，减少了软件维护和支持费用、

缩短了仪器编程时间、提高了运行性能，具有极其重要的现实意义和

非常广阔的应用前景。

（2）电子测量仪器经历了由模拟仪器、数字化仪器、智能仪器到可编程的

虚拟仪器的发展历程。

其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为

动力。

近年来，计算机的处理能力一直按指数倍提高，发展之快已把

传统仪器远远抛在了后面。

计算机具有仪器所需要的最好的性价比、

最先进的显示与存储能力，尤其是计算机总线技术的发展，在提高总

线速度和推广标准化等方面都取得了很大的成就。

计算机生产厂商之

间的激烈竞争保证了计算机在显示、存储能力与处理性能等方面仍将

高速发展。

（3）NI公司与2006年8月正式推出LabVIEW8.2版本－这是专用于控制、

测试和嵌入式系统开发的LabVIEW图形化系统设计平台的20周年纪念

版。

该版本通过增加高级分析和控制设计、改进的分布式系统管理，

以及新的人机交互界面等特性，加强了LabVIEW在工业测量方面的性

能。

此外，NI还引进了简化自定义控制器硬件开发的技术，并提供了

显示目标硬件。

由此可见，虚拟仪器软件环境将朝着为广大用户提供

简单易用的图形化开发环境已用于测试、测量与控制应用系统开发的

方向，帮助工程师和科学家们实现更高开效率的方向前进。

（4）数据采集产品性能不断提高，为测试技术水平的提高提供了可靠保证。

（5）网络技术的迅猛发展，给人们的生活带来了显著的变化，为仪器的网

络化奠定了基础。

将网络技术与虚拟仪器相结合，可形成基于网络化

的虚拟仪器。

虚拟仪器技术的不断发展取决于3个重要因素：

计算机的发展是动力，软件是主宰，高性能的A/D采集卡、调理放大器及传感器是关键。

虚拟仪器由硬件和软件两部分组成：

虚拟仪器的硬件：

硬件是虚拟仪器工作的基础，主要完成被测信号的采集、传输、存储处理和输入、输出等工作，由计算机和I/O接口设备组成。

计算机一般为一台PC或工作站，是硬件平台的核心，它包括微处理器、存储器和输入输出设备等，用来提供实时高效的数据处理工作。

I/O接口设备即采集调理部件，包括PC总线的数据采集卡、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块LXI总线仪器模块、串口总线一起和现场总线仪器模块等标准总线仪器，主要完成被测信号的采集、放大和模数转换。

根据构成虚拟仪器接口总线的不同，可分为如下几种构成方案：

（1）基于数据采集卡的虚拟仪器。

（2）基于GPIB总线方式的虚拟仪器。

（3）基于VXI总线方式的虚拟仪器。

（4）基于PXI总线方式的虚拟仪器。

（5）基于LXI总线方式的虚拟仪器。

虚拟仪器的软件：

软件是虚拟仪器的关键，通过运行在计算机上的软件，一方面实现虚拟仪器图形化仪器界面，给用户提供一个检验仪器通信、设置仪器参数、修改仪器操作和实现仪器功能的人机接口；另一方面使计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的分析，完成数据的输入、存储、综合分析和输出等功能。

虚拟仪器软件一般采用层次结构：

（1）输入/输出接口软件：

I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作、为仪器驱程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础和核心。

（2）仪器驱动程序：

仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。

对于应用程序，它和仪器硬件的通信、对仪器硬件的控制操作是通过仪器驱动程序来实现的，仪器驱动程序对于仪器的操作和管理，又是通过调用I/O软件所提供的统一基础与格式的函数库来实现的。

对于应用程序的设计人员，一旦有了仪器驱动程序，在不是十分了解仪器内部操作过程的情况下，他们也可以进行虚拟仪器系统的设计。

（3）应用软件：

顶层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分析处理软件，完成的任务有：

利用计算机强大的图形功能实现虚拟仪器面板，给用户提供操作仪器、显示数据的人机接口，以及数据采集、分析处理、现实和存储等。

总线技术在虚拟仪器技术的发展过程中起着十分重要的作用。

作为连接控制器和程控一起的纽带，总线的能力直接影响着系统的总体性能。

虚拟仪器的几种专用总线为GPIB总线、VXI总线、PXI总线、LXI总线：

（1）GPIB总线:

使用GPIB接口，可将不同厂家生产的各种型号的仪器，用一条无源标准总线方便地连接起来，在计算机控制下完成各种复杂的测量。

GPIB总线标准包括:

A、接口：

由逻辑电路组成，与各仪器安装在一起，用于对传输的信息进行发送、接收、编码、译码。

B、总线：

是24芯无源电缆，用来传输各种消息。

（2）VXI总线：

VXI总线标准是在VME总线和GPIB总线基础上发展的一种新型仪器系统总线。

VXI总线具有开放的系统结构、模块化的设计、紧凑的机械结构、良好的电磁兼容性，以及可靠性高、小型便携和灵活通信能力。

在VXI总线系统中，各种命令、数据、地址和其它消息都通过总线传递。

VXI总线系统的各种总线都印制在主机箱内的多层底板上，通过P1/J1、P2/J2、P3/J3连接器与各模块相连接。

（3）PXI总线：

PXI是与VXI总线并行的另一种模块式仪器总线标准。

它由PXI系统联盟在1997年制定，将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而产生了新的虚拟仪器体系结构。

PXI总线规范涵盖了三大方面的内容：

机械规范、电气规范和软件规范。

（4）LXI总线：

LXI基于著名的工业标准以太网（Ethernet）技术，扩展了仪器需要的语言、命令、协议等内容，构成了一种适用于自动测试系统的新一代模块化仪器平台标准。

LXI总线具有开放式工业标准、向后兼容性、成本低廉、互操作性、及时方便地引入新技术等优点。

随着信息技术的飞速发展虚拟仪器技术日新月异。

未来虚拟仪器的发展方向是：

总线与驱动程序标准化，软、硬件模块化，编程平台图形化，硬件模块即插即用化。

具体包括可编程仪器标准命令（SCPI）、虚拟仪器软件结构（VISA）、虚拟仪器驱动程序：

（1）SCPI：

可编程仪器标准命令是为解决程控仪器编程进一步标准化而制定的标准程序语言，目前已经成为重要的程控仪器软件标准之一。

SCPI的总目标是节省自动测试设备程序开发时间，保护设备制造者和使用者双方的硬件和软件投资，为仪器控制和数据利用提供广泛兼容的编码环境。

（2）虚拟仪器驱动程序：

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序,是连接仪器与用户界面的桥梁。

VXI即插即用规范定义了系统的互操作性，把虚拟仪器软件体系结构VISA确定为一种标准的I/O接口，用于在VXI、GPIB和串行总线上传输命令；IVI基金会制定的IVI规范给出的驱动程序结构模型——IVI模型，在没有增加系统资源操作复杂性的前提下，把互操作性的概念推广到仪器级，成为开发虚拟仪器驱动程序的标准规范。

（3）虚拟仪器软件结构（VISA）：

是VXI即插即用（VPP）系统联盟制定的I/O函数库及其相关规范的总称。

VISA的结构模型为金字塔结构。

VISA的I/O控制功能适用于各种类型仪器，具有与仪器硬件接口无关的特性，采用VISA编写的模块驱动程序既可以用于嵌入式计算机VXI系统，也可以用于基于MXI、GPIB-VXI或1394接口的系统中，其I/O控制功能适用于单处理器系统结构，也适于多处理器结构或分布式网络结构。

虚拟仪器技术不断地扩展其功能及应用范围。

现在LabVIEW不仅能在PC上开发测试程序，而且可以在嵌入式处理器和FPGA上设计硬件。

这一技术也将最终提供这样的一个独立环境，使用户可以从设计测试系统到定义硬件的功能。

虚拟仪器正在继续迅速发展，它的技术可以取代测量技术传统领域的各类仪器成为测试、工业I/O和控制和产品设计的主流技术。

随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性，从而适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。

虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。

第二部分

题目：

虚拟仪器设计应用

一、功能设计

1、热电偶温度测量线性度分析仪：

可实现功能：

对给定的热电偶温度计的温度、热电势进行曲线绘制，并对绘

制好的曲线分析其拟合系数、均方差、拟合值，对温度变化、

热电势变化分别进行积分、微分运算，并绘制拟合后的曲线。

设计思路：

将测得的温度及热电势分别由捆绑函数组成一个二维数组然后经

二维图显示出来。

或将数据经由多项式拟合函数计算出拟合值、

拟合系数与均方差。

或将其分别经由微分、积分函数计算出其微

积分后的值然后分别由波形图显示出来。

2、多功能正弦信号分析仪：

可实现功能：

对于滞后九十度的正弦波响应，可分析出其频率响应的相频特

性、幅频特性。

同时可分析出其频率响应的实部与虚部。

将原

激励正弦信号与均匀白噪声混合后，经过分析能够分离出滤波

后的信号。

设计思路：

用正弦波发生器生成正弦波1，以其作为激励信号，频率为10HZ

幅值为1V，初始相位为0度。

相应信号为一个同频率、同幅值的

余弦信号，两者之间有90的相位差。

二者经由频率响应（实部-

虚部）函数输出频率响应的实部、虚部。

二者经由频率响应（幅

度-相位）函数输出幅频特性、相频特性。

或将作为激励的正弦波

与均匀白噪声信号混合，再通过滤波，提取出其中正弦信号。

二、基本知识

1、热电偶温度测量线性度分析仪：

用到的控件及函数：

经典数值输入控件：

温度、热电势的输入。

经典数值输出控件：

拟合值、拟合系数、均方差。

广义多项式拟合函数：

通过最小二乘法返回数据集（x、y）的多项式阶数的

多项式拟合。

创建数组函数：

可用来连接多个数组。

积分X（t）函数：

对采样信号X进行离散积分。

求导X（t）函数：

对采样信号进行求导。

捆绑函数：

将离散数据进行捆绑。

波形图：

显示捆绑后的数组。

用到的概念：

数组：

数组是相同数据类型的集合，一个数组可以是一维、二维或多维，每

一维最多可以有2^31-1个元素。

数组的索引是从0开始的，范围介

于0到n-1之间。

簇：

是类似于文本编程语言中的记录或结构体。

簇不同于数组的地方还在于

簇的大小是固定的。

与数组一样，簇包含的不是输入控件就是显示控件。

2、多功能正弦信号分析仪：

用到的控件及函数：

布尔真假函数。

正弦波函数：

可用来产生正弦信号。

频率响应函数：

基于输入信号计算频率响应和相关，结果返回为实部、虚部、