虚拟仪器技术第二章.ppt

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1、主讲教师：王颖主讲教师：王颖信息科学与技术学院信息科学与技术学院信息科学与技术学院信息科学与技术学院 Virtual Instrument Technology1BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理 不再是普通的、针对特定参数的测试系统，是不再是普通的、针对特定参数的测试系统，是 一个集多参数、综合测试的开发平台。一个集多参数、综合测试的开发平台。2.1 虚拟仪器及其系统描述虚拟仪器及其系统描述2.1.1 2.1.1 虚拟仪器的实现原理虚拟仪器的实现原理虚拟仪器的实现原理虚拟仪器的实现原理2BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理 将组成虚拟仪器测试系统的基本单元，使用非将组成虚拟仪器测试系统的基

2、本单元，使用非 常简单的方法，配置成真实的测试系统，系统常简单的方法，配置成真实的测试系统，系统 硬件采用标准接口相连，软件通过可重置的硬件采用标准接口相连，软件通过可重置的 源代码库相连。源代码库相连。2.1.2 2.1.2 虚拟仪器的结构虚拟仪器的结构3BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理 虚拟仪器及其系统的功能完全由用户根据需要虚拟仪器及其系统的功能完全由用户根据需要 自行定义，这种定义可以在测试开始前随时进自行定义，这种定义可以在测试开始前随时进 行，能够完成多参数、综合测试，并在一段时行，能够完成多参数、综合测试，并在一段时 间内能完成若干测试系统的功能。间内能完成若干测试系统的功能

3、。2.1.3 2.1.3 虚拟仪器的功能特点虚拟仪器的功能特点虚拟仪器的功能特点虚拟仪器的功能特点4BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理 一些特定的硬件一些特定的硬件“消失消失”了，取而代之的是了，取而代之的是 “虚面板虚面板”、“虚开关虚开关”、“虚按钮虚按钮”等等 “软面板软面板”环境。环境。2.1.4 2.1.4 虚拟仪器的外在特性虚拟仪器的外在特性5BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理 由由由由虚拟仪器硬件平台、通用和专用模块等硬虚拟仪器硬件平台、通用和专用模块等硬 件、应用软件组合集成，由用户定义功能，件、应用软件组合集成，由用户定义功能，具有虚拟面板，用户能自行开发用于多参数具有虚

4、拟面板，用户能自行开发用于多参数 测试的测试仪器及系统。测试的测试仪器及系统。2.1.5 2.1.5 虚拟仪器及其系统定义虚拟仪器及其系统定义虚拟仪器及其系统定义虚拟仪器及其系统定义6BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.1.6 2.1.6 虚拟仪器的实质虚拟仪器的实质l l 将测试仪器及其系统的功能、技术参数、精度指标将测试仪器及其系统的功能、技术参数、精度指标 有序地、保真地集成在一个有序地、保真地集成在一个“测试功能软件库测试功能软件库”中，通过与通用和专用硬件搭配，在虚拟仪器及其中，通过与通用和专用硬件搭配，在虚拟仪器及其 系统中精确无误地实现被集成测试仪器及测试系统系统中精确无误地

5、实现被集成测试仪器及测试系统 的全部功能。的全部功能。l l 专用模块硬件一般包括标准接口、外接传感器和变专用模块硬件一般包括标准接口、外接传感器和变 送器，无论测量属何种物理参数，只影响传感器的送器，无论测量属何种物理参数，只影响传感器的 选择，与虚拟仪器及其系统无关。选择，与虚拟仪器及其系统无关。7BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.1.6 2.1.6 虚拟仪器的实质虚拟仪器的实质l l 测试仪器及其系统充分发挥硬件的功能和软件的灵活测试仪器及其系统充分发挥硬件的功能和软件的灵活 性、可塑性。性、可塑性。l l 由用户定义功能是虚拟仪器的必备功能，是其关键，由用户定义功能是虚拟仪器的必

6、备功能，是其关键，仪器的状态设置要最大限度地实现可编程控制，尽可仪器的状态设置要最大限度地实现可编程控制，尽可 能用计算机的软硬件取代传统仪器功能单元。能用计算机的软硬件取代传统仪器功能单元。l l 虚拟仪器外在体现是虚拟面板，是虚拟仪器的基本属虚拟仪器外在体现是虚拟面板，是虚拟仪器的基本属 性之一，是虚拟仪器与用户的交互界面。性之一，是虚拟仪器与用户的交互界面。8BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理 从系统设计者角度的描述从系统设计者角度的描述 虚拟仪器的硬件组合方式、软件选取、可重复使用源代虚拟仪器的硬件组合方式、软件选取、可重复使用源代码库的结构与实现是设计者研究和设计的重点。其体系结构

7、码库的结构与实现是设计者研究和设计的重点。其体系结构是如何最佳、最合理地将总线系统、通用和专用模块硬件、是如何最佳、最合理地将总线系统、通用和专用模块硬件、应用软件集成在一起，满足测试任务的要求，其体系结构体应用软件集成在一起，满足测试任务的要求，其体系结构体现在系统的组成和实现，实现指逻辑框图、程序流程图的逻现在系统的组成和实现，实现指逻辑框图、程序流程图的逻辑实现和硬件连接、功能模块性能的物理实现。辑实现和硬件连接、功能模块性能的物理实现。2.2 虚拟仪器的体系结构虚拟仪器的体系结构2.2.1 2.2.1 体系结构描述体系结构描述9BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理 从从系统使用者角度的

8、描述系统使用者角度的描述 从从系统使用者看，虚拟仪器的体系结构是系统系统使用者看，虚拟仪器的体系结构是系统概念性结构和其功能特性。系统使用者用系统进行概念性结构和其功能特性。系统使用者用系统进行测试，直接接触设计语言的形式、图形或其它编程测试，直接接触设计语言的形式、图形或其它编程语言、以及透明的系统功能。系统的结构是传统系语言、以及透明的系统功能。系统的结构是传统系统级的属性，是系统使用者完成测试必须了解的结统级的属性，是系统使用者完成测试必须了解的结构，是系统硬件、软件的交界面。构，是系统硬件、软件的交界面。2.2.1 2.2.1 体系结构描述体系结构描述10BUCT第二章 虚拟仪器及其构

9、成原理 体系结构定义体系结构定义 虚拟仪器虚拟仪器测试系统的体系结构是从系统设计者测试系统的体系结构是从系统设计者和系统使用者两个方面看的体系结构，是系统硬件、和系统使用者两个方面看的体系结构，是系统硬件、软件功能的优化集成配置。软件功能的优化集成配置。2.2.2 2.2.2 体系结构定义体系结构定义11BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理 信号输入功能信号输入功能 虚拟仪器具有虚拟仪器具有信号信号输入功能，输入功能包括被测量的输入功能，输入功能包括被测量的获取和转换。对虚拟仪器系统，获取被测量是将被测量经获取和转换。对虚拟仪器系统，获取被测量是将被测量经传感器转换为电量信号，如需经变送器将该

10、电量信号转换传感器转换为电量信号，如需经变送器将该电量信号转换成标准电量，再经由接口读入测试系统。成标准电量，再经由接口读入测试系统。传感器输出的电传感器输出的电量信号包括幅值、频率、相位等多种信息，在有些测试中，量信号包括幅值、频率、相位等多种信息，在有些测试中，要求要求虚拟仪器能同时读入几种信息，否则会造成测试信息虚拟仪器能同时读入几种信息，否则会造成测试信息丢失、增加误差或使测试根本无法进行。丢失、增加误差或使测试根本无法进行。2.3 虚拟仪器及其系统功能定义虚拟仪器及其系统功能定义2.3.1 2.3.1 信号输入功能信号输入功能12BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理 信号输出功能信号

11、输出功能 虚拟仪器应具有激励信号输出功能，系统输出激励信虚拟仪器应具有激励信号输出功能，系统输出激励信号与外加激励信号不同。外加激励信号与测试部分分离，号与外加激励信号不同。外加激励信号与测试部分分离，该激励信号不能由系统控制，即使可以由系统控制，也不该激励信号不能由系统控制，即使可以由系统控制，也不能同步，不能适时地、任意地由系统修改。虚拟仪器系统能同步，不能适时地、任意地由系统修改。虚拟仪器系统的输出功能应具备实时、任意修改能力，以根据不同的被的输出功能应具备实时、任意修改能力，以根据不同的被测对象或根据被测对象不同时刻特性而改变激励方式时，测对象或根据被测对象不同时刻特性而改变激励方式时

12、，能够在线主动补偿，产生十分理想的测试结果。能够在线主动补偿，产生十分理想的测试结果。2.3.2 2.3.2 信号输出功能信号输出功能13BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.3.3 2.3.3 用户定义传递函数功能用户定义传递函数功能 用户定义传递函数功能用户定义传递函数功能 虚拟仪器传递特性是系统输入和输出的一种关系，可以虚拟仪器传递特性是系统输入和输出的一种关系，可以采用传函来表示。由采用传函来表示。由Laplace变换表示的系统传函可表示为变换表示的系统传函可表示为 虚拟仪器由虚拟仪器由总线总线系统、通用和专用硬件、应用软件组合系统、通用和专用硬件、应用软件组合集成。专用硬件包括传感

13、器、集成。专用硬件包括传感器、信号调理电路信号调理电路和接口，系统和接口，系统传传函可看成是几个部分的串联。函可看成是几个部分的串联。14BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.3.3 2.3.3 用户定义传递函数功能用户定义传递函数功能 用户定义传函功能用户定义传函功能 虚拟仪器系统输出与输入的关系虚拟仪器系统输出与输入的关系可以表示为可以表示为式中，式中，G(s)=G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)为系统总传递函数，为系统总传递函数，G1(s)为为传传感感器器传传函函,G2(s)为为信信号号调调理理单单元元传传函函，G3(s)为为接接口传函，口传函，G4(s)为系统处理单元传函。为系

14、统处理单元传函。15BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.3.3 2.3.3 用户定义传递函数功能用户定义传递函数功能 用户定义传函功能用户定义传函功能 传感器传函由测试原理、材料特性、制造工艺和使传感器传函由测试原理、材料特性、制造工艺和使用条件等决定，无法消除其使用中产生的误差，对该误用条件等决定，无法消除其使用中产生的误差，对该误差进行补偿。信号调理电路传函由电子电路构成，使用差进行补偿。信号调理电路传函由电子电路构成，使用元器件电气特性及使用条件决定。在某些测试条件下，元器件电气特性及使用条件决定。在某些测试条件下，系统不需要信号调理电路，为考虑一般性，在系统中给系统不需要信号调理电

15、路，为考虑一般性，在系统中给出信号调理电路。接口传函由接口的电气特性及使用条出信号调理电路。接口传函由接口的电气特性及使用条件决定，电气特性包括频率响应、带宽等。系统处理单件决定，电气特性包括频率响应、带宽等。系统处理单元是系统核心，将数字信号进行处理，转换成示值，其元是系统核心，将数字信号进行处理，转换成示值，其传函是由用户定义，在测试开始前可以进行任意改变。传函是由用户定义，在测试开始前可以进行任意改变。16BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.3.3 2.3.3 用户定义传递函数功能用户定义传递函数功能 用户定义传递函数功能用户定义传递函数功能 虚拟仪器通过改变系统传函来构造不同多参数

16、测试虚拟仪器通过改变系统传函来构造不同多参数测试系统系统,由用户定义系统传函是虚拟仪器的主要功能之一。由用户定义系统传函是虚拟仪器的主要功能之一。要实现由用户自定义测试系统的传函，系统中至少有一要实现由用户自定义测试系统的传函，系统中至少有一个个(或一个以上或一个以上)单元的传函是可以由用户自定义的，例单元的传函是可以由用户自定义的，例如如:17BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.3.4 2.3.4 图形化编程功能图形化编程功能 图形化编程功能图形化编程功能 多参数测试系统是由专业人员编程，且可使用任何多参数测试系统是由专业人员编程，且可使用任何一种语言。虚拟仪器系统不是普通意义上的测试系

17、统，一种语言。虚拟仪器系统不是普通意义上的测试系统，与一般测试系统有本质区别，其编程已成为系统使用一与一般测试系统有本质区别，其编程已成为系统使用一部分，为提供直观、简便的编程环境，充分发挥系统虚部分，为提供直观、简便的编程环境，充分发挥系统虚拟测试特点，系统具有图形化编程。具有图形化编程功拟测试特点，系统具有图形化编程。具有图形化编程功能是虚拟仪器系统的重要特征。能是虚拟仪器系统的重要特征。18BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.3.5 2.3.5 用户接口功能用户接口功能 用户接口功能用户接口功能 用户接口是虚拟仪器的重要部分，用户对系统进行用户接口是虚拟仪器的重要部分，用户对系统进行

18、功能定义、读取示值、输出数据和结果，都通过用户接功能定义、读取示值、输出数据和结果，都通过用户接口。用户接口是用户和虚拟仪器实现人机交互的通道，口。用户接口是用户和虚拟仪器实现人机交互的通道，提供的功能强弱、是否易被用户接受，成为用户接口设提供的功能强弱、是否易被用户接受，成为用户接口设计关键。操作的方便性、简易性、操作界面的美观性是计关键。操作的方便性、简易性、操作界面的美观性是虚拟仪器系统的重要指标，系统向用户提供的虚拟仪器系统的重要指标，系统向用户提供的“虚面板虚面板”、“虚按钮虚按钮”、“虚开关虚开关”等是否真实、是否方便是等是否真实、是否方便是评定系统用户接口的重要方面。评定系统用户

19、接口的重要方面。19BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.4 虚拟仪器及其系统集成虚拟仪器及其系统集成2.4.1 2.4.1 虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成l 计算机硬件平台计算机硬件平台可以采用可以采用PCPC机、便携式计算机、工作站和嵌入式计算机、便携式计算机、工作站和嵌入式计算机，管理虚拟仪器的软硬件资源。机，管理虚拟仪器的软硬件资源。计算机技术在显示、存储能力、处理性能方面的发展计算机技术在显示、存储能力、处理性能方面的发展以及网络和总线标准的发展推动虚拟仪器系统的发展以及网络和总线标准的发展推动虚拟仪器系统的发展20BUCT第二章 虚拟仪器及其构成

20、原理2.4 虚拟仪器及其系统集成虚拟仪器及其系统集成2.4.1 2.4.1 虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成l 测控功能硬件测控功能硬件 接口硬件：根据不同的标准接口总线转换输入和输接口硬件：根据不同的标准接口总线转换输入和输 出信号，供其它系统使用。出信号，供其它系统使用。传感器：将电量信号或非电量信号转换为标准电信传感器：将电量信号或非电量信号转换为标准电信 号的装置。号的装置。信号调理器和数据采集器：包括放大器、滤波器、信号调理器和数据采集器：包括放大器、滤波器、采样保持器，多路开关，采样保持器，多路开关，A/DA/D转换器，接口等。转换器，接口等。21B

21、UCT 第二章 虚拟仪器及其构成原理虚拟仪器硬件系统装置图虚拟仪器硬件系统装置图2.4.1 2.4.1 虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成22BUCT 第二章 虚拟仪器及其构成原理2.4.1 2.4.1 虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成硬件要求：硬件要求：l能够适用于各类应用的通用硬件架构能够适用于各类应用的通用硬件架构 l能够在硬件和虚拟仪器处理单元之间的高速连接能够在硬件和虚拟仪器处理单元之间的高速连接 l能在系统需要提升时对其进行部分升级的模块能在系统需要提升时对其进行部分升级的模块 虚拟仪器最虚拟仪器最根本的优势在于使用软件

22、对测量和自动化系统进行重新配根本的优势在于使用软件对测量和自动化系统进行重新配置时的灵活性。置时的灵活性。23BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.4 虚拟仪器及其系统集成虚拟仪器及其系统集成2.4.2 2.4.2 虚拟仪器软件组成虚拟仪器软件组成虚拟仪器软件组成虚拟仪器软件组成l VISAVISA库库 l 仪器驱动程序仪器驱动程序 l 仪器开发软件（应用软件）仪器开发软件（应用软件）24BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.4 虚拟仪器及其系统集成虚拟仪器及其系统集成2.4.2 2.4.2 虚拟仪器软件组成虚拟仪器软件组成虚拟仪器软件组成虚拟仪器软件组成25BUCT第二章 虚拟仪器及其构

23、成原理 软件要求：软件要求：l 能够与各类能够与各类I/O硬件进行连接硬件进行连接 l全面的内置测量算法全面的内置测量算法 l能够创建各类处理系统，可以应用于能够创建各类处理系统，可以应用于DSP和和FPGA等技术。等技术。2.4 虚拟仪器及其系统集成虚拟仪器及其系统集成2.4.2 2.4.2 虚拟仪器软件组成虚拟仪器软件组成虚拟仪器软件组成虚拟仪器软件组成26BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.4.3 2.4.3 硬件基础硬件基础硬件基础硬件基础 硬件基础硬件基础 虚拟仪器的硬件包括总线系统、通用和专用模块等硬虚拟仪器的硬件包括总线系统、通用和专用模块等硬件。总线系统由主控计算机和零槽控

24、制器、主机箱组成，件。总线系统由主控计算机和零槽控制器、主机箱组成，构成整个总线系统的控制、处理核心，其性能直接影响整构成整个总线系统的控制、处理核心，其性能直接影响整个系统，主机箱是总线系统的必备部件，它向各种模块提个系统，主机箱是总线系统的必备部件，它向各种模块提供总线高质量标准电源和空气冷却系统。通用模块是广泛供总线高质量标准电源和空气冷却系统。通用模块是广泛应用于总线的、并能实现特定功能的部件，专用模块是结应用于总线的、并能实现特定功能的部件，专用模块是结合实际测试对象、用于测试系统的部件，一般同输入信号合实际测试对象、用于测试系统的部件，一般同输入信号调理电路结合在一起，作为测试参数

25、变换信号的前级输入。调理电路结合在一起，作为测试参数变换信号的前级输入。27BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.4.4 2.4.4 软件基础软件基础软件基础软件基础 软件基础软件基础 软件是虚拟仪器测试系统中集成化工作开发环境，由软件是虚拟仪器测试系统中集成化工作开发环境，由操作系统、编程语言、开发工具和应用软件组成，在测试操作系统、编程语言、开发工具和应用软件组成，在测试系统中，应用软件开发包括与模块接口连接的底层软件、系统中，应用软件开发包括与模块接口连接的底层软件、中间层的模块驱动软件和高层的中间层的模块驱动软件和高层的“虚拟面板虚拟面板”软件。软件软件。软件系统框架最为流行的有系统

26、框架最为流行的有WIN、WIN/NT等，系统开发软件有等，系统开发软件有LabVIEW和和HP VEE，LabWindows/CVI，有通用编程语有通用编程语言言Visual C+、Borland C+，Visual Basic等等28BUCT第二章 虚拟仪器及其构成原理2.4.5 2.4.5 系统集成方法系统集成方法系统集成方法系统集成方法 详细了解被测试参数的特征、范围等详细了解被测试参数的特征、范围等 主控计算机和零槽控制器、主机箱的选取主控计算机和零槽控制器、主机箱的选取 系统开发环境的选取主机箱的选取系统开发环境的选取主机箱的选取 总线通用模块的选取总线通用模块的选取 专用模块的选取与开发专用模块的选取与开发29BUCT北京化工大学北京化工大学 信息科学与技术学院信息科学与技术学院北京化工大学测控技术研究所北京化工大学测控技术研究所30