虚拟仪器技术概述在线视频

各位同学大家好

欢迎大家继续学习

测试与检测技术基础这门课程

这节课我们将学习

第六章虚拟仪器技术

这章当中

我们首先应该掌握

虚拟仪器的定义

构成和基本工作原理

接下来要求同学掌握

常用的虚拟仪器开发的平台

首先我们看一下

什么是虚拟仪器

虚拟仪器是指

用户在通用的计算机平台上

根据需求定义

和设计仪器测试的性能

使用户在操作计算机的时候

就像操作一台自己设计的

测试仪器一样的

实际上虚拟仪器是

在计算机上显示传统仪器的面板

将硬件电路完成的信号调理

和处理的功能

由计算机程序来完成

这种硬件功能软件化

是虚拟仪器的一个重要的特征

实际上从下面的图中

可以看到

虚拟仪器技术发展的过程

我们知道仪器在发展过程中

一开始是由模拟仪器开始的

之后经过了智能仪器

最后发展到虚拟仪器

和智能仪器相结合的这样一个阶段

实际上虚拟仪器的概念的提出

最早是由美国国家仪器公司

在1986年提出的

但它的雏形

可以追溯到1981年

由美国西北仪器公司推出的

AppleII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

1986年NI公司推出了图形化的

虚拟仪器编程环境LabVIEW

它也标志着虚拟仪器

软件设计平台基本成型

虚拟仪器从概念构思

变为工程师可以实现的

具体的对象

那么下面这张图

表明了虚拟仪器它的发展历程

虚拟仪器的发展过程

实际上是通过数字化仪

和软件结合在一起

可以实现按示波器

和频谱分析仪等等这样的功能

它实际上在上几个图当中

可以看到

是基于模块和仪器的

多功能信号的分析

通过模块化仪器和软件的组合

就实现了传统仪器的

测量和分析的功能

实际上虚拟仪器

它是以软件为核模块化的系统结构

是由下面两个方面组成的

第一个方面是软件

在软件当中

有测试管理软件

具体它的平台是NITestStand

另外就是测试开发的软件

是由LabVIEW来支撑的

第三个方面的软件

是系统服务于驱动的软件

它是由MAX软件来构成的

接下来就是硬件的平台

硬件的平台由处理总线的平台

具体而言由PXI支撑

另外就是模块化的IO与仪器的控制

这些模块可以构成虚拟仪器

实际上我们从

上面软件和硬件的结构

可以看到NI在每个层次上

都有比较丰富的软件和硬件来支撑

并为业界所广泛采用

在这页PPT当中

可以看到LabVIEW

图形化的开发环境

那么在左边这张图

就是LabVIEW图形化开发环境的

前面板的界面

在右边这张图当中

我们就可以看到

它的后台的程序的框图

也需要经过编译的代码

实际上我们可以看到

LabVIEW这种图形化的开发环境

它具有图形化的

多线程的编程的方式

具体是支持多核的技术

另外具有高效的界面设计

高效、方便的能够实现

数据的采集、分析和显示

另外LabVIEW这个图形化的

开发平台和环境

在它的内部内置了大量的函数

比方讲有数学运算

信号处理，视觉，运动的控制

像报表和数据库

以及协议通讯等等

前面介绍了LabVIEW简单的功能

实际上LabVIEW已经经过了

超过30年这样的发展历程

它在操作系统、总线

技术和其他的方面

都经受了时间的考验

到2014年

LabVIEW已经发展为

2014版的LabVIEW的版本

这些版本我们可以看到

已经越来越适应

在工业当中的方方面面的应用

在LabVIEW当中

我们具体看一下

实际它能够支持多种语言的开发

比如说Dataflow

C/HDL、Textualath、Simulation

Statechart等等这样的开发语言

那么另外

LabVIEW还可以支撑

很多的硬件的开发

比如LabVIEW的Desktop

和LabVIEW的Real-Time

LabVIEW的FPGA

LabVIEWMPU/MCU

支持这样的硬件的开发平台

具体而言可以在

个人计算机PXI系统和CompactRIO

Single-BoardRIO等等

这样的硬件平台上进行开发

实际上这样的开发

既可以基于硬件

也可以基于软件来进行开发

另外一个很重要的平台就是

LabVIEWwindowsCVI

它主要是支持ANSIC的开发环境

这种LabVIEWwindowsCVI

它具有很好的底层的开发

还有一种开发的环境就是

MeasurementStudio

它主要用于

MicrosoftVisualStudio

和.NET开发的

环境和测量的工具

实际上可以看到

虚拟仪器不仅仅是由LabVIEW

还有LabVIEWwindowsCVI

和LabVIEWMeasurementStudio

它可以针对不同的应用的环境

使用不同的平台来进行开发

接下来我们看看

虚拟仪器技术当中的

系统服务和驱动程序

我们从这张图中可以看到

在LabVIEW和LabVIEWwindowsCVI

和MeasurementStudio环境下

可以开发配置的管理

诊断的工具

以及仪器的驱动

以及应用程序的接口

和驱动的引擎等等

有了这些之后

我们就可以对下面的硬件

比如说GPIB的或者是串口的

以及基于VXI总线的

和PXI总线的仪器进行驱动

和开发它的硬件

进而得到我们想要达到的

测量的目标和目的

下面我们看一下

虚拟仪器与传统仪器的比较

左边是虚拟仪器的特点

右边是我们传统仪器的特点

可以看到虚拟仪器具有软件

使得开发和维护的费用

降低到最低的特点

传统的仪器相对而言

它的开发与维护

开销是比较高的

另外它的开发的周期比较短

那么传统的仪器相对而言

它的开发周期相对比较长的

对于虚拟仪器而言

它的关键是软件

而对于传统仪器而言

它的关键是硬件

还有就是价格低

可复用和可重配置性比较强

对于传统仪器而言

要想实现这样的功能

它的价格是相对昂贵的

对于虚拟仪器而言

用户可以定义仪器的功能

对于传统仪器而言

这些功能一定是由

厂商来定义仪器的功能的

还有就是虚拟仪器具有开放灵活

可以与计算机技术保持同步发展

相对而言传统的仪器

相对是比较固定

也比较封闭的

对于虚拟仪器而言

还具有与网络及其他周边设备

方便互联的面向应用的仪器系统

对于传统仪器而言

它的功能相对单一

在互联互通网络的接口方面

有有限的独立的设备

这样的过程

简单概括一下

实际上虚拟仪器具有丰富

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

交由计算机来处理

仪器是由用户来自行定义的

另外它具有开放的工业的标准

虚拟仪器的硬件和软件

都制定了开放的工业标准

也使资源的可重复利用率提高了

另外就是它的功能是易于扩展的

管理规范

生产、维护和开发的费用相对较低

另外虚拟仪器

便于构成复杂的测量系统

它可以通过网络构成复杂的

分布测试系统

进行远程的测试、监控和诊断

也可以节约仪器的购买

和维护的费用

虚拟仪器技术

我们可以看看它的组成

首先我们要进行硬件的选择

接下来要有软件驱动的模块

另外还有用户的软件

这三者实际上构成了一个

虚拟仪器的系统

常用的虚拟仪器系统

是由很多仪器的板卡构成的

比如说有DAQCard和IMAQCard等等

这些硬件实际上

就构成了虚拟仪器的

基本的硬件的基础

接下来就是仪器的驱动

它是指专门控制某种仪器的一种软件

在LabVIEW当中

因为它具有面板控制的概念

它特别适合于

创建仪器驱动的程序

软件前面板它的部分

是可以模拟仪器的前面板操作的

软件的框图

可以传送前面板指定的命令

参数到仪器执行相应的操作

当我们建立了仪器驱动程序之后

我们没有必要

再记住仪器的控制指令

只要前面板输入数据就可以了

从右边这张图当中

可以看到LabVIEW

在建立仪器驱动的过程总体的情况

接下来我们看看

在仪器驱动当中

它所支持的这种即插即用

也就是Plug&Play这样的一个功能

实际上我们可以看到

从上层的应用程序到IVI类的驱动

到IVI仪器指定的驱动

一直到虚拟仪器的软件的框架

这个当中我们可以看到

虚拟仪器是如何支持

即插即用这样的一个功能

另外我们说虚拟仪器

还有比较丰富的硬件的板卡

虚拟仪器可以提供

无缝硬件连接的应用

比如说可以支持以太网

可以支持PCMCIA

PCI和PXI以及VXI总线的

这种仪器的板卡

这就是常用的虚拟仪器的软件平台

前面我们已经介绍了LabVIEW

实际上在市场上

还有很多其他的

基于虚拟仪器软件的平台

比如AgilentVEE

DASYlab等等

这些都是跟虚拟仪器

当中的LabVIEW相类似的

软件的开发平台

应该说通过前面的介绍

我们可以看到

以LabVIEW为核心的

这样的虚拟仪器平台

它可以加速我们对于

测控领域的测量过程的

研制和开发

这是我们可以看到的

在航空航天机器人领域

应用虚拟仪器开发的

应用系统的场景

接下来我们简单介绍一下

LabVIEW的虚拟仪器平台的情况

从这张图当中可以看到

在屏幕画面中

不同的部分

展示出了虚拟仪器不同的功能

比如说有项目的浏览器

部署的终端

及时的编译

前面板

计算模型

以及硬件的连接和并行的编程

并行的框图

分析库和定时的功能等等

在这个画面当中

都可以一一展现

实际上这只是

LabVIEW虚拟仪器测试平台当中的

一部分内容的展示

还有其他许多非常有用的功能

都是为了开发虚拟仪器

所需要的一些功能

我们知道传统的开发程序

在右边是C++程序

是戎行编程的

而虚拟仪器的语言

它是一种图形化的编程语言

从这张画面当中可以看到

这两种语言的风格迥然不同的

一种开发的过程

显然左边的虚拟仪器的开发

相对而言比C语言的开发

要更加容易一些

这就是模型实际仪器外观

和操作的实际情况

左边是虚拟仪器的开发界面

右面是实际的仪器

可见通过虚拟仪器

完全可以实现

传统的模拟仪器这样的功能

再具体就是LabVIEW的图形化的工具

在这个当中

有有线和icons

还有编译等等

我们可以看到

右边这个图

就是LabVIEW功能的模块

这是一个编程的范例

前面板

以及后面板编译的代码的情况

这是它的数据的流程的编码

也就是数据流编码

我们可以看到它具体的情况

通过前面的介绍

我们可以看到

虚拟仪器的编程

代码设计过程中

具有模块化的设计

可重建功能的模块

以及分层次的子系统

等等这样的特点

那么这是它的前面板

和图表的面板的情况

这是虚拟仪器相关的功能模块

具体的工具

比如说有前面板

BlockDiagram等等这些功能

这是控制和显示器的模块

这是用不同的颜色表示的

控制、显示像布尔值等等

具体运算模块的功能

下面我们给同学们介绍一下

数据采集系统

如何通过虚拟仪器

来构建这样的系统

我们知道要构建数据采集系统

首先要了解它的测量对象

根据测量对象

我们选择跟测量对象相适应的传感器

接下来我们要通过

信号的调理以及数模转换器

我们要在虚拟平台上

把驱动程序装好

接下来我们用户

就要进行应用程序的开发

主要是基于虚拟仪器进行开发的

实际上我们在

选择数据采集的过程中

我们可以看到

虚拟仪器的硬件是有很多种类的

比方说有基于PXI的多通道采集

与精确同步处理的数据采集的单元

还有基于CompactDAQ

这种数据采集的单元

实际上这种采集单元

是具有紧凑的机箱和模块化的组件

它可以灵活定义测量系统

还有便携式的DAQ

以及台式的DAQ

这些实际上都是为我们

进行数据采集选择硬件

根据不同的系统对象

来选择他们奠定了很好的基础

这是一个比较典型的CompactDAQ

这种硬件具有独立的机箱

它的特点就是模块化

在这样的一个CompactDAQ当中

它具有嵌入式的控制

双核的处理能力

可以进行多操作系统的选择

另外它至少还有32G SSD固态的存储

它可以持续的采集时间是

360个小时

超过50种测量模块可以进行选择

这50种测量模块

我们可以根据我们测量的需求

对它进行选择

之后构成新的测量系统

我们选定了硬件之后

要开发它的虚拟程序

实际上虚拟程序在

虚拟仪器系统当中

根据不同的选择的硬件

它的驱动程序NI公司

都已经对它进行了编程

我们只要对它进行

实际的调试安装就可以了

另外我们可以利用DAQmx

把连接硬件和软件这样的过程

变得更加简单

同时这些驱动程序

也是免费提供的

可以支持多种不同的开发语言

和上百种的NI的数据采集的硬件平台

下面我们可以看到

支持不同的硬件

有不同的语言的驱动

实际上前面我们可以看到

NI公司开发了

很多虚拟仪器的硬件的设备

实际上这些硬件的设备平台

都具有统一的应用程序的接口

也就是说一个开发程序

可以实现多种目标的平台有效的驱动

链接和开发

在应用程序开发方面

实际上LabVIEW是一个

能够通过高度集成的硬件的平台

它为我们工程师和科学家

提供了创建和部署测量

和控制系统工具的系统设计软件

我们在这当中可以看到

我们有了传感器

有了测量的设备

通过这样的软件开发

就可以构成了比较灵活多用的

功能多样的这样一个数据采集系统

实际上在LabVIEW当中

数据采集的应用有很多种

比如说它可以进行高级的分析

还可以进行复杂的

可视化的编程实现

另外还可以生成

自动报表等等这些功能

实际上为后续的数据处理

LabVIEW也提供了

非常好的平台和功能

另外我们可以看到

实际上虚拟仪器技术

为我们提供了一个软硬件

无缝链接这样的集成

我们通过前面选择的硬件

也就是我们MeasurementExplorer

这些系统的开发

我们可以选择不同的硬件的平台

通过它的驱动程序

来去实现对硬件的驱动

最后我们利用LabVIEW

这样的应用程序开发平台

就可以实现软硬件的无缝的集成

右边我们可以看到

有驱动引擎和API

也就是应用程序接口

还有数据采集

最后他们实际上

把软件和硬件的平台

进行了无缝的集成

接下来我们再看一个

在工业当中经常使用的一个

硬件平台

也就是基于PXI总线的

模块化的仪器平台

这个平台实际上

整合了商业可用的

标准技术的测试

测量和控制的平台

在这个平台当中

我们可以看到它的控制器

它的机箱及背板

它的机箱、背板当中包含了

PCI数据的总线

和同步触发的功能

在右边我们可以看到

它构成这样模块化系统基本的构成

在这个当中

首先有PC处理器、软件

以及它的测量硬件

包括根据需要所组成的模块

以及定时控制

这两者之间

是通过PCI总线进行链接的

当然这个当中

还有可编程的用户的界面

之后在这样的模块化的

仪器平台PXI系统当中

还具有共享的电源

实际上这几部分

就构成了模块化的仪器系统

下面我们看一看

实际上通过上面的介绍

我们已经了解到虚拟仪器系统

也就是虚拟仪器技术

具有非常强大的功能

因此说虚拟仪器

在很多工业领域

具有非常广泛的应用

比方说在消费电子产品的测试当中

在汽车电子的测试当中

在半导体测试当中

等等这些领域

都具有非常非常广泛的应用

这是在不同行业当中

广泛应用的情况

比方说在消费电子

军事航空、汽车制造

通讯、半导体等等

前面已经介绍到了

我们大家再看看这个画面

下面我们简单说一下

LabVIEW图形化系统的设计平台

实际上在LabVIEW图形化设计平台当中

它具有很多很多的功能

比如说它支持多种计算的模式

也就是说

LabVIEW具有科学计算的功能

另外就是它内置了大量的函数

是一个开放的构架

特别是它可以和硬件的无缝连接

紧密的硬件的集成

和便捷的交互的调试

实际上LabVIEW是一个非常好的

虚拟仪器开发的平台

最后做一个简单的总结

对于虚拟仪器技术而言

实际上它是以软件为核心的

模块化的系统的构架

这是它最重要的特点

它具有缩短开发时间

更长的系统寿命

更低的成本

更小的物理体积

特别是易于维护升级

还有就是具有更高的灵活性

以上就是我所介绍的

虚拟仪器技术主要的内容

好同学们

这一课的内容我们就讲授到这里

我们下节课再见