虚拟仪器 ppt 第3章 虚拟仪器设计技术
虚拟仪器技术分析与设计
STOP
Conditioning A/D
TI/O Timing
ROM
DISPLAY
AND C ONTR OL
礟
PROCESSOR BUS 礟Math
Hale Waihona Puke MEMORYD/A488 PORT
DI/O
虚拟仪器 用户定义功能
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1.2 虚拟仪器的组成
• 虚拟仪器的组成包括 ： 硬件 软件
两个基本要素
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这些报告是由下而上内容不断浓缩的(见图18-3)。
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图18-2
多
决策委员会 业主
项目 报告
项目领导
项目报告
子项目领导 分包商
按子项目、承包商
工程小组
按单位工程、技术
部门、专业领域、工程种类
详细资料、按工作包、成本项目
图18-2
return
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图18-3
子项1报告 概 况 进成质 度 本 量…
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1.1 虚拟仪器的基本概念
Virtual Instrument，VI 什么是虚拟仪器?
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。
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虚拟仪器概念的理解
插入
仪器卡
软面板
计算机
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1．信息载体通常有： (l)纸张，如各种图纸、各种说明书、合同、信件、表格等； (2)磁盘、磁带，以及其他电子文件； (3)照片，微型胶片， X光片； (4)其它，如录相带、电视唱片、光盘等；
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虚拟仪器技术
虚拟仪器简介虚拟仪器的相关介绍2.1 虚拟仪器技术虚拟仪器技术是以计算机软硬件技术为核心，以自动控制技术、传感器技术、现代信号处理技术、现代网络技术、数值分析技术为支撑，以各专业学科为应用背景的现代测试技术。
它利用高性能的模块化集成概念和方法，结合软件设计平台高效、简便的程序编译功能，依据用户各类特殊需求创建出人机对话界面，实现并取代各类特殊、昂贵的测试仪器的功能，目前已经成为测试理论和应用实验研究的重要支撑。
传统电子仪器存在的诸多弱点使传统仪器已渐渐不能满足工业自动化和测量领域的需要。
随着计算机技术日新月异的飞速发展，计算机强大的数据处理能力使得它的应用范围越来越广。
1986年，美国NI公司（National Instruments）提出虚拟仪器的概念，以“软件即仪器”为口号，彻底打破了传统电子仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一场革命。
简单地说，虚拟仪器技术就是利用计算机技术实现的对测控系统的抽象。
平常使用的示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪，以及传感器等传统仪器，都可使用通用计算机和专用的控制器和显示器来模拟，实现向虚拟仪器的转变。
用户在计算机屏幕上用鼠标和键盘就可设置参数、观察波形，取代以往的在传统仪器面板上调节旋钮、观察曲线等操作，更为快捷方便。
可见虚拟仪器反映的是一种“硬件软件化”的思想和趋势。
虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器的发展方向。
而Labview是世界上最优秀的虚拟软件开发平台。
使用Labview的最开发虚拟仪器最大的好处是提高开发的效率。
据统计使用Labview开发虚拟仪器比使用基于文本的语言开发效率可以提高10—15倍，程序的执行速度去几乎不受影响；时时在信号处理等方面的强大功能方面是组态软件不可以比拟的。
2.2 虚拟仪器的组成与分类虚拟仪器包括硬件和软件两大部分。
硬件主要是获取现实世界的被测信号, 提供信号传输的通道。
《虚拟仪器技术》课程设计
目录第1章《虚拟仪器技术》课程设计任务书 (3)1.1课程设计任务 (3)1.2课程设计目的 (3)1.3课程设计要求 (4)1.4课程设计内容 (4)1.5课程设计报告要求 (4)1.6课程设计进度安排 (5)1.7课程设计考核办法 (5)第二章总体设计方案 (6)2.1虚拟仪器 (6)2.1.1虚拟仪器的概述 (6)2.1.2虚拟仪器的概念 (6)2.1.3虚拟仪器的特点 (6)2.1.4虚拟仪器在各方面的应用 (7)2.2 LabVIEW (8)2.2.1 LabVIEW的发展历程 (8)2.2.2 LabVIEW的概念 (8)2.2.3 LABVIEW的操作面板 (9)2.2.4 LABVIEW的应用领域 (10)2.3 多功能数字滤波器 (11)2.3.1滤波器的概念 (11)2.3.2滤波器分类 (11)2.3.2.1根据滤波器的选频作用分类 (11)2.3.2.2根据“最佳逼近特性”标准分类 (11)2.3.2.3理想滤波器 (12)2.3.3实际滤波器 (12)2.3.3.1实际滤波器的基本参数 (12)2.3.4多功能数字滤波器的总体结构图 (14)第三章多功能数字滤波器原理及功能 (15)3.1 多功能数字滤波器原理 (15)3.1.1前面板结构布局 (15)3.3.2、前面板部分功能界面说明 (18)第四章多功能数字滤波器的程序设计及运行调试 (21)4.1流程图 (21)4.2框图程序的设计 (22)4.2.1波形类型选择框 (22)4.2.2 噪声类型选择框 (23)4.2.3滤波器类型选择框图 (25)4.2.4波形显示选择框 (27)4.2.5大致的总程序框图 (27)4.3、运行调试 (29)4.3.1不添加噪声的波形显示 (29)4.3.2加入噪声后的波形显示 (29)4.3.2.1选择IIR滤波器的波形变化 (30)4.3.2.2选择FIR滤波器的波形变化 (30)4.3.2.3选择中值滤波器的波形变化 (31)第五章收获、体会 (32)参考文献 (33)第一章《虚拟仪器技术》课程设计任务书题目：多功能数字滤波器设计1.1课程设计任务数字滤波器是数字信号分析中重要的组成部分，数字滤波器与模拟滤波器相比具有准确度和稳定性高，系统函数容易改变,灵活性高，不存在阻抗匹配问题，便于大规模集成，可实现多位滤波等优点，因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用。
虚拟仪器
虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。
从虚拟仪器的组成结构上来看：（1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件）；(2）良好的人机界面。
虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通过“控件”虚拟出面板）；（3）功能强。
虚拟仪器的功能是由用户软件定义的;（4）虚拟仪器之“虚拟”含义:虚拟仪器面板；软件实现仪器功能。
如：基于高速数据采集硬件，通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。
（5）因此，软件是虚拟仪器的核心，NI 提出“软件即仪器”（The software is the instrument）。
与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点：1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性）好；充分利用计算机丰富的软硬资源。
仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪器）。
仪器升级方便，性价比高（一机多用）。
基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟仪器”。
（2）操作方便；通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面板。
（3）硬件模块化、系列化；基于仪器总线技术，设计出模块化、系列化硬件。
1. 虚拟仪器系统组成及各部分基本功能虚拟仪器的系统构成硬件和软件两大部分构成。
硬件是基础，软件是核心。
各部分基本功能虚拟仪器的内部功能，可划分为信号调理与采集、数据分析和处理、参数设置和结果表达三大功能模块。
信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器驱动程序共同完成，而数据分析与处理、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。
第二章LabVIEW 概述LabVIEW的特点-图形化的仪器编程环境提供显示和控制对象，如表头、旋钮、图表等。
虚拟仪器导论PPT电子教案第3章虚拟仪器软件标准
控
命 信号路由选择 令
测量功能
格式化
数据总线
与
仪 器
触发 存储器
硬
件 无信号路由选择信来自产生格式化数据总线
关
3.1.3 SCPI命令句法
SCPI程控命令标准由3部分内容组成：
第一部分“语法和样式”，描述SCPI命令的产 生规则以及基本的命令结构；
第二部分“命令标记”，主要给出SCPI要求或 可供选择的命令；
SCPI仪器公用命令
SCPI主干命令关键字与基本功能
SCPI主干命令关键字与基本功能
3. 数据交换格式
数据交换格式主要描述了一种仪器与应用之间、应 用与应用之间、仪器与仪器之间可以使用的数据集 的标准方法。SCPI的交换格式语法与IEEE-488.2 语法是兼容的，分为标准参数格式和数据交换格式
于数字万用表，该命令主要完成如下两个功能。 ① 置 数 字 万 用 表 在 等 待 触 发 状 态 （ 执 行 INITiate 命
令）。 ②触发后，直接将读数送入输出缓冲区。
（4）FEtch?：取命令
FEtch?命令的一般形式为： FEtch? < function > ？< parameters > [，
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的产生背景
IEEE488.1主要规定了仪器在电气上、机械上和功 能上相容性的要求，保证了系统部件间正确的电气、 机械连接。
IEEE488.2使程控仪器器件消息的数据编码和格式、 命令功能元素和编码句法、消息交换控制等方面实 现了标准化。它仅仅定义了程控仪器的少数公用命 令语义，用于器件内部基本操作控制，并未解决器 件消息标准化的问题，而器件消息的非标准化给编 程人员造成很大的困难。
虚拟仪器第3章-构建程序框图要点
些部分能划分为一个逻辑上的单元，就创建一个子VI。 整齐清晰的排列连线，以免造成读程序的困难。 按住<Ctrl>键用选择工具在程序框图中划出一块面积，
可以解决部分程序框图过于拥挤的问题。 为了节省程序框图空间，不必为函数和子VI显示标签，
包括算术运算符、数值类型转换函数、三角函数、对数函数、 数值 复数函数、数值常数、数据操作函数、与信号调理有关的量值
转换VI等。
文件I/O
包括对各种格式文件读写的函数和VI,对文件及路径进行操作 的各种函数和VI。
布尔 包括逻辑运算符、布尔型常数、布尔量与数值的转换函数等。
3-2 函数选板
图标
名称 字符串
第3章 构建程序框图
程序框图里的对象 函数选板 基本数据类型 程序的层次结构 Express VI 多态 程序框图设计原则 修复程序创建中的错误 程序调试
唐山学院测控中心 (C) 2008
3-1 程序框图里的对象
3-1-1 节点 3-1-2 接线端 3-1-3 常量 3-1-4 连线
3-1-1 节点
函数 函数是完成LabVIEW程序功能的最基本成员，它相当于文
本编程语言对较少。
子VI 用于另一个VI中的VI叫子VI，这实际就是供其它程序调用
的子程序。
Express VI Express VI是一类特殊子VI，可以通过对话框配
。
3-4 程序的层次结构
3-4-1 层次结构窗口
帮助我们了解软件 层次结构的一个图形工 具是LabVIEW的层次结 构窗口，层次结构窗口 通过显示VI的调用与被 调用来表达VI的从属关 系。
第3章虚拟仪器的软件开发平台
2. 信号的频域分析
频域分析是采用傅立叶变换将时域信号X(t)变换为 频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解 信号的特征；
信号的频域描述：应用傅里叶变换，对信号进行变 换(分解)，以频率为独立变量，建立信号幅值、相 位与频率的关系;
特点：频域描述抽取信号内在的频率组成，信息 丰富，应用广泛。
2.利用NI USB-6009数据采集卡实现数据采集
主要技术指标： 8个模拟通道（14位、48 位kS/s采样速度）； 2路14位模拟输出通道； 12个I/O通道； 1个32位计数器/定时器。
产品通过USB接口供电，不需要任何外接电源。它们均包括用于直接信号 连接可拆卸螺孔端子、用于支持外部设备以及传感器1个参考电压、低噪音高精 度的4层电路板，以及高达±35v的模拟输入过电压保护。
优点:形象、直观 缺点:不能明显揭示信号的内在结构
信号的时域分析举例一相关分析
所谓“相关”是指变量之间的线性关系； 相关性是指信号的相似和关联程度，相关分析不
仅可用于确定性信号，也可用于随机信号的检测、 识别和提取等； 相关分析常用相关函数（自相关函数和互相关函 数）或相关系数来描述； 相关函数和功率谱(密度)是一对傅立叶变换。
1.前面板
前面板是VI的用户界面。创建VI时，通常应 先设计前面板，然后设计程序框图执行在前 面板上创建的输入、输出任务。
2. 程序框图
程序框图是图形化源代码的集合，图形化源 代码又称G代码或程序框图代码。
程序框图由接线 端、节点、连线 和结构等构成。
程序框图对象
程序框图由接线端、节点、连线和结构等构 成:
内容包括:
① 频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱； ② 功率谱分析：包括自谱和互谱； ③ 频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱之比； ④ 相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱的相关 程度。
LabVIEW虚拟仪器第3章
通过局部变量实现
通过移位寄存器实现
反馈节点（Feedback Node）
通过反馈节点实现a++
4.3 While循环
两个参数：当前循环次数和条件布尔判断量；循环 次数由布尔量来判断决定。循环的条件有两种： “真
时停止”和“真时继续”。
添加定时器
3.2 波形显示—波形图表
Chart可以将新测得的数据添加到曲线的尾端， 从而反映实时数据的变化趋势，它主要用来显 示实时曲线。
右键菜单及属性框
带状 示波器 扫描图 图表 图表
对于标量数据，Chart图表直接将数据添加 在曲线的尾端。
对于一维数组数据，它会一次性把一维数组的 数据添加在曲线末端，即曲线每次向前推进的 点数为数组数据的点数。
波形数据控件位于控件选 板“All Controls—>I/O — >Waveform”
波形数据包括以下组成部分： 1）起始时间t0,为时间标识类型； 2）时间间隔dt,为双精度浮点类型； 3）波形数据Y,为双精度浮数据是一种预定义格式的簇，但是必须用 专用的波形数据操作函数才能对它进行操作，其中 某些操作函数与簇的操作函数非常类似。
结构功能相同，相互之间可以进行转换，右键 菜单中的“替换—>替换为平铺式/层叠式顺序”
在Stacked Sequence Structure的Frame间 传递数据 ，不能通过数据线直接传递，要借助 局部变量（右键菜单中的”添加顺序局部变量）
在Flat Sequence Structure的Frame间传递 数据，可以通过数据线传递，不需要局部变量。
簇作为输入时需要指定三个元素：起始位置x0、 数据点间隔dx和数组数据。
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第三章 虚拟仪器概述 实例演示1：
第三章 虚拟仪器概述
虚拟仪器的基本功能
三大功能：信号的采集、数据的处理、结果的显示
1、插入式数据采集板卡及必要的外围电路
2、软件实现对输入信号的分析处理
3、参数设置与结果表达
第三章 虚拟仪器概述 虚拟仪器的基本工作原理
被测对象
检 测 激励 计算机及附件 （控制、处理）
虚拟仪器设计技术
课程性质： 必修课
总 学 时：45学时（理论学时35/实验学时10）
南京师范大学 常健
教材：虚拟仪器设计基础教程
清华大学出版社 黄松岭等
参考教材： 虚拟仪器基础教程
电子科技大学出版社 袁渊等
Labview6.1编程技术实用教程
中国铁道出版社 石博强等
第三章 虚拟仪器基础 本章重点：
软
件
键入
用
户
读 出
调理、采集
键盘、显示
仪器驱动程序 （机－机接口）
用户接口 （人－机接口）
第三章 虚拟仪器概述
虚拟仪器系统的硬件构成
1、PC-DAQ测量系统
2、GPIB系统 3、VXI系统 4、串口系统 5、现场总线系统
第一章 虚拟仪器概述 第三章 虚拟仪器概述
Hardware & Driver Software
第三章 虚拟仪器概述
M RO
礟
Y LA SP D OL DI AN TR ON C
th Ma 礟
PR OC ES SO RB US
RY MO ME
Te mp era ture
RT PO 488
Pre ssu re Ala rm Co nd itio ns
ing ion dit on C
Flo w Co ntr ol Pa nel
固 态 继 电 器
PCI-7248
R=V/I; 测量电压以得到测试点的电阻 用固态继电器切换测试点
+
+
+ +
+
+
+
+
+ +
+
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+
+ +
+
+
电流源
连 接 线
PCI-9111
第三章 虚拟仪器概述
D：水泥强度测试
• 对水泥块缓慢加压，直至 水泥块破坏 • 利用ACL-8111对压力传 感器的值进行采样 • 当压力值波动超过一定阈 值时认为水泥块已被破坏
虚拟仪器的基本概念； 虚拟仪器的硬件系统； 虚拟仪器的软件系统； 虚拟仪器系统的应用实例。
第三章 虚拟仪器概述
引 言
什么是虚拟仪器
虚拟仪器（Vitual Instrument）是以计算机为基础， 配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口， 利用虚拟仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出 仪器的面板（包括显示器、指示灯、旋钮、开关、按 键等）以及相应的功能，人们通过鼠标或键盘操作虚 拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，去选用仪器功能， 设置各种工作参数，启动或停止一台仪器的工作。在 计算机软件控制下对输入的信号进行采集、分析、处 理，测量结果（数据、波形）和仪器工作状态可从虚 拟仪器面板上读出。
DISPLAY AND CONTROL
礟
D A/
D/A Co /O DI nd itio I/O nin T g
A/D
Tim ing
ST OP
TI /O
Tim ing
S BU SOR CES Ma PRO 礟 th
MEMORY
D/ A
ROM
T POR 488
/O DI
传统仪器 厂商定义功能
虚拟仪器 用户定义功能
GPIB Serial
DAQ VXI
Application Software
Image Acquisition Motion Control PXI Process or Unit Under Test
第三章 虚拟仪器概述
虚拟仪器的特点
◆ 性价比高 ◆ 开放性好
◆ 智能化程度高
◆ 界面友好
第三章 虚拟仪器概述
第三章 虚拟仪器概述
C：触摸屏自动测试
电阻式触摸屏
+ + + + + + + + + + + ++ + + ++ + + + + + + ++ + + + + + + ++ + + + + + ++ + + ++ + + + + + + ++ + + ++ + + + + + + + + + + ++ + + ++ + + + + + + ++ + + ++ + + + + + + ++ + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + ++ + + + + ++ + + + + + + ++ + + + + + ++ + + ++ + + + + + + ++ + + ++ + + + + + + + + + + ++ + + ++ + + + + + + ++ + + ++ + + + + + + ++ + + ++ + + + + + +
虚拟仪器的应用领域
• • • • • • • • 航空 航天 教学 核工业 军工 通信测试 铁道 …….
第三章 虚拟仪器概述
A: 炮弹出膛速度测试
• 在炮膛中，炮弹在点火瞬 间为静止，依靠爆炸产生 的推力逐渐加速，至出膛 时速度最大。 • 要求测出炮弹在炮膛中运 动过程中的速度—时间曲 线。
第三章 虚拟仪器概述
A: 炮弹出膛速度测试
• 采用PCI-9812卡，利用点 火信号作为触发源 • 利用微波信号的Doppler 频移测速度 • 20M采样频率，对结果进 行动窗FFT分析
第三章 虚拟仪器概述
B：IC封装测试
• 半导体测试设备，实现芯片自动分捡 图像传感器 分析软件
PCI-9812
挑选 机构
运动控制卡
• 目前城市中光污染日趋严重， 天文台已看不清星空 • 光污染绝大部分为随机信号， 可以通过长时间平均降低噪声 • 需要将观测的图像高速传进计 算机进行长时间平均算法
第三章 虚拟仪器概述
F: 数字摄像机图象捕捉
• 高速影像传输 – 目标：完成CCD摄像头数据捕 捉及处理 – 用PCI-7300A卡 – 外围自搭高速A/D转换电路 – 对A/D转换后的数据进行长时间 平均，以去除随机噪声，提高 系统信噪比
水 泥
第三章 虚拟仪器概述
E：保险丝熔断时间测试
• 测量保险丝在一定电流在的熔断时间，时 间最长达数小时，要求精度达到10us • 用PCI-8554卡 • 保险丝通断转换成TTL信号 • 产生1us的方波做为时间基准 • 4个Counter级联对TTL信号进行计数
第三章 虚拟仪器概述
F: 数字摄像机图象捕捉