虚拟仪器技术现状及发展趋势教学提纲

虚拟仪器技术现状及

发展趋势

虚拟仪器技术现状及发展趋势

摘要

随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，美商国家仪器公司(Ni公司)于八十年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。

虚拟仪器在各个领域中的应用越来越广泛，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。

通过本文的论述，我们可以预见虚拟仪器在未来的测试领域中必然会有很好的发展前景。

关键词：虚拟仪器；测试；采集硬件。

目录

引言 (1)

第一章虚拟仪器概述 (2)

1.1仪器的发展 (2)

1.1.1仪器的发展 (2)

1.1.2 虚拟仪器的发展 (2)

1.2虚拟仪器的分类 (3)

1.3与传统仪器的比较 (4)

第二章虚拟仪器硬件.......................................................................................................... 错误!未定义书签。

2.1传感器及信号调理..................................................................................................... 错误!未定义书签。

2.1.1放大...................................................................................................................... 错误!未定义书签。

2.1.2 滤波与平滑......................................................................................................... 错误!未定义书签。

2.1.3 隔离..................................................................................................................... 错误!未定义书签。

2.2DAQ板卡 ................................................................................................................... 错误!未定义书签。

2.2.1模拟量输入 .......................................................................................................... 错误!未定义书签。

2.2.2 模拟量输出.......................................................................................................... 错误!未定义书签。

2.2.3 数字I/O................................................................................................................ 错误!未定义书签。

2.2.4 定时I/O................................................................................................................ 错误!未定义书签。第三章虚拟仪器组成.. (5)

3.1高效的软件 (5)

3.1.1 概述 (5)

3.1.2 LabVIEW简介 (5)

3.2模块化的I/O硬件 (5)

3.2.1 概述 (5)

3.2.2 DAQ板卡 (6)

3.3用于集成的软硬件平台 (6)

第四章虚拟仪器特点 (8)

4.1 (8)

4.2 ...................................................................................................................................... 错误!未定义书签。

4.3 ...................................................................................................................................... 错误!未定义书签。

4.4 ...................................................................................................................................... 错误!未定义书签。第五章虚拟仪器的现状及发展趋势. (8)

5.1国外发展情况 (9)

5.2国内发展情况 (9)

5.3虚拟仪器的展望 (9)

结束语................................................................................................................................... 错误!未定义书签。致谢....................................................................................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 (13)

引言

由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子工业测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断涌现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念。

虚拟仪器就是其中的一种，虚拟仪器是基于通用PC建立的可编程仪器及仪器系统，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。在虚拟仪器中，硬件仅仅是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个仪器的关键。用户可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。现在虚拟仪器已得到了广泛应用，并成为当前国内外测试技术领域十分关注的技术热点。

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。

20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。

本文从虚拟仪器的起源、发展入手，简单介绍了虚拟仪器的概念、分类、硬件、组成、特点、现状及发展趋势等方面。

第一章虚拟仪器概述

1.1仪器的发展

1.1.1仪器的发展

随着电子技术的发展，仪器的发展经历了四个时期:。

?第一代仪器：模拟仪器

如指针式万用表，基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。

?第二代仪器：数字化仪器

如数字电压表，将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出结果。

?第三代仪器：智能仪器

智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动。

?第四代仪器：虚拟仪器

虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。

1.1.2 虚拟仪器的发展

虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代， PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的

时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。

根据虚拟仪器的发展过程，截至目前，可以将它分成四个发展阶段。

第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232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，开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡 ( plug-in PC-DAQ )；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。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，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。

1.2虚拟仪器的分类

根据虚拟仪器的发展、微机技术的发展和采用总线方式的不同，可将虚拟仪器分成五种类型，它们分别是：

1)采用PC总线技术的插卡型虚拟仪器

这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合，通过三种编程语言Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi构成测试系统。

2)采用并行口式的虚拟仪器

仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。

3)采用GBIB总线方式的虚拟仪器

GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。

4)采用VXI总线方式虚拟仪器

VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽

5)采用PXI总线方式虚拟仪器

PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。

1.3 与传统仪器的比较

将虚拟仪器和传统仪器进行比较，可以得到如下表所示的比较结果。

表1－1 传统仪器与虚拟仪器的比较

第二章虚拟仪器的组成

2.1 高效的软件

2.1.1 概述

软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。NI公司提供的行业标准图形化编程软件——LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。

2.1.2 LabVIEW简介

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Wokbench——实验室虚拟仪器工程平台)的概念,是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合,是构建虚拟仪器的理想工具。LabVIEW和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作, 是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境。

LabVIEW集成了很多仪器硬件库,如GPIB/VXI/PXI/基于计算机的仪器、RS232/485协议、插入式数据采集、模拟/数字/计数器Ｉ/Ｏ、信号调理、分布式数据采集、图像获取和机器视觉、运动控制、PLC/数据日志等。与传统的编程方式相比,使用LabVIEW设计虚拟仪器,可以提高效率4～10倍。同时,利用其模块化和递归方式,用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。

2.2模块化的I/O硬件

2.2.1 概述

从虚拟仪器的定义来说，它更多地强调软件在仪器中的应用，但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过硬件来实现。目前，虚拟仪器的类型主要取决