虚拟仪器(哈工大)第一章 自动测试技术与虚拟仪器概述
虚拟仪器概述
据“国际自动化仪表”杂志1999年预测：到21世纪前十年，全世界将有 50%的仪器仪表为虚拟仪器，其生产厂家将超过千家，产品将达到数千种。 市场占有率将达到电测仪器仪表的50%以上。
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虚拟仪器概述
1.1 虚拟仪器的概念
传统仪器 厂商定义功能
虚拟仪器 用户定义功能
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虚拟仪器概述
仪器技术的发展过程
虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将 硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算机程序完 成。
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框图窗口 前面板窗口
图标
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控件选板
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控件选板
n 控件选板在前面板显示，它包含创建前面板 时可用的全部对象。控件选板中的基本常用 控件可以以现代（modern）、经典 （classic）和系统（system）三种风格显 示。
n 当鼠标移到某个对象或函数上时，上下 文帮助窗口就会显示相应的帮助信息。
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联机帮助文档
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虚拟仪器概述
联机帮助文档
n 当单击Context Help窗口中Detailed help会弹出相应的完整的帮助信息。这 是一个Windows标准风格的帮助窗口， 包含了LabVIEW全部的帮助信息。
虚拟仪器第一章
第1章主要内容机 械 学 院 王 见 vi@ 机 械 学 院 王 见 vi@ 机 械 学 院 王 见 vi@ 虚拟仪器系统基础1.1仪器仪表的发展进程虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是日益发展的计算机硬 、软件和总线技术在向其它相关技术领域密集渗透的过程中，与测 试技术、仪器仪表技术密切结合共同孕育出的一项全新的成果。
20 世纪中期，美国国家仪器公司（National Instruments Corporation 简称NI）首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚拟仪器是由计算机硬 件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界 面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统 。
如果再作进一步说明，那么虚拟仪器是一种以计算机作为仪器统 一硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显 示以及文件管理等基本智能化功能，与传统仪器的专业化功能和软 件化的面板控件结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功 能都完全与传统硬件仪器一致，同时又充分享用计算机智能资源的 全新的仪器系统。
由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形 成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟仪器”。
有的资料上甚 至直接将虚拟仪器这种形式称为“软件即仪器”。
仪器仪表的发展进程与虚拟仪器机 械 学 院 王 见虚拟仪器的概念 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器的开发系统 虚拟仪器总线系统vi@1.2 虚拟仪器基本概念虚拟仪器的实质是利用I/O接口设备完成信 号的采集与传输，利用计算机强大的软件功能机 械 学 院 王 见 vi@1.2.1 虚拟仪器基本概念“虚拟”二字主要包括以下两方面的含义。
完成信号的运算、分析与存储，利用计算机显 示器模拟传统仪器的控制面板，并以多种形式 表达输出测试结果。
仪器面板是虚拟的 仪器功能由软件编程来实现1.2.2虚拟仪器的构成1.2.2.1 基于PC机平台的虚拟仪器 基于PC机的虚拟仪器的基本构成如下图所示。
虚拟仪器概述
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范例查找器
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范例查找器
LabVIEW提供了大量的范例，这些范例 几乎包含了LabVIEW所有功能的应用实 例，并提供了大量的综合应用实例。
在菜单栏中选择Help->Find Examples 选项可以打开范例查找器。
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编辑前面板
Control Panel
STOP
Conditioning
DISPL AND
CONTR
A/D
TI/O Timing
D ROM
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仪器技术的发展过程
虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它 将硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算机程 序完成。
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仪器技术的发展过程
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实时上下文帮助窗口
显示VI 路径
锁定上下 文相关帮 助
更多帮助 信息
单击此处访问 更详细的联机 帮助
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实时上下文帮助窗口
选择菜单栏中Help->Show Context Help选项或按下Ctrl+H，就会弹出 Context Help窗口。
当鼠标移到某个对象或函数上时，上下 文帮助窗口就会显示相应的帮助信息。
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1.2 什么是LabVIEW?
LabVIEW程序被称为VI（Virtual Instrument），即虚拟仪器。
LabVIEW的核心概念就是“软件即是仪 器”，即虚拟仪器的概念。
虚拟仪器
对虚拟仪器的认识院系：电子信息工程学院级别：2010级班级：测控技术与仪器1班姓名：刘旻学号：20101527121日期：2013年12月15日1．测量测试技术与虚拟仪器测试与测量是人类认识客观世界的最基本方法。
仪器是实现测试与测量的工具。
种类繁多的各种仪器仪表, 已经历了传统仪器阶段和虚拟仪器阶段。
传统仪器的缺点是灵活性差, 没有摆脱独立使用、手动操作的模式, 难以胜任复杂的多参数、多任务的测试要求。
随着科学技术的发展, 传统的仪器已经不适应快速、复杂的多参数的测试与测量, 迫切要求测试、测量技术不断改进与完善。
由于微型计算机技术、超大规模集成电路的飞速发展, 仪器的功能和组成也发生了质的变化。
计算机处于核心地位, 计算机软件技术和测试仪器更紧密结合成了一个有机整体, 仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化。
在上述的背景下, 20 世纪80年代中期, 美国NI 公司提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。
2．虚拟仪器的基本概念虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物。
虚拟仪器充分利用了计算机的运算、存储、运算、回放显示及文件管理等智能化功能, 同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化, 使之与计算机结合构成一台功能完全与传统硬件仪器相同, 同时又充分享用了计算机软硬件资源的全新的虚拟仪器系统。
虚拟仪器的虚拟二字主要体现在如下两个方面。
(1) 虚拟仪器的面板是虚拟的虚拟仪器的各种面板和面板上的各种控件是由软件来实现的。
用户通过对键盘或鼠标来对控件操作, 从而完成对仪器的操作控制。
(2) 虚拟仪器的测试功能是由软件来控制硬件实现的与传统仪器相比, 虚拟仪器的最大特点是其功能由软件定义, 可以由用户根据应用需要进行软件的编写, 选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器。
虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。
随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。
虚拟仪器设计.pptx
➢ （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）。
第6页
《虚拟仪器技术》
➢ 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。
第四代仪器系统 虚拟仪器
模拟式自动测试系统 第一代测试系统 第二代测试系统 第三代测试系统
数字化
标准化
模块化
扫描 测试系统
专用 测试系统
GPIB 仪器系统
模块化 仪器系统
及系统
软件仪器自定义 型
特定设计专用型 台式仪器积木型 模块仪器集成型
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《虚拟仪器技术》
（2）仪器与自动测试系统总线技术
➢ 总线（bus）：信号或信息传输的公共路径。
Vi 输入电路
D
RAM
控制系统
《虚拟仪器技术》
PC机
第3页
➢ 虚拟数字电压表
➢ 基于虚拟仪器的 温度检测与控制
《虚拟仪器技术》
虚拟仪器简介
虚拟仪器
测量仪器技术 计算机技术
总线技术
全新旳仪器 技术
3 虚拟仪器旳特点
1 打破了老式仪器旳封闭性
2 把仪器旳绝大部分硬件变成计算机上旳文件
特 点
3 顾客能够自行定义、自行设计、自行组建自己需要旳仪器 4 可将组建旳多种仪器存储在计算机旳仪器库中 5 配以通讯卡和传感器
6 构成功能、性能、外观和操作方式都和老式仪器相同或 超出老式仪器旳新型概念仪器系统
利用计算机强大旳软件 功能实现信号调理和数 据旳运算、分析、处理
利用相应旳接口设备完 成信号旳采集、输入/输 出，从而完毕多种仪器 功能
虚拟仪器和老式仪器旳比较
仪器厂约定义 硬件是关键 仪器旳功能和规模已固定 多为试验室拥有 技术更新慢 开发和维护费用高 价格昂贵 系统封闭，与其他设备旳 连接受限
基于Linux旳虚拟仪器更轻易满足多任务并行处理及现场检测和控制要求
6 虚拟仪器旳发展趋势
PC-DAQ式虚 拟仪器是目前比 较流行旳虚拟仪 器系统，但是， 因为基于PC I总 线旳虚拟仪器在 插入DAQ时都需 要打开机箱等，
比较麻烦
主机上旳PC I插 槽有限，再加上 测试信号直接进 入计算机，多种 现场旳被测信号 对计算机旳安全 造成很大旳威胁
4
5
6
智能化电子仪器仪 表
（以大规模和超大 规模集成电路为基 础）
多功能自动测试系
虚拟仪器技术新阶
统（融合电子测量、 段
自动控制和计算机
技术，是基于物理 硬件为基础旳老式 仪器技术发展旳高
（展二方十一世纪旳发 向）
级阶段）
2 虚拟仪器旳基本概念
在以计算机为关键旳硬件平台上 配合以相应旳输入/输出口 具有计算机显示旳虚拟面板 由测试软件来实现测试功能 一种计算机仪器系统
虚拟仪器技术
计算机科学与技术系/ zjtcm
完美的集成 完美的集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产 品在功能上不断地趋于复杂， 品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测 量设备来满足完整的测试需求， 量设备来满足完整的测试需求，但是这些不同设备间的连接 和集成总是耗费大量时间，不是轻易可以完成的。NI的虚拟 和集成总是耗费大量时间，不是轻易可以完成的。NI的虚拟 仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口， I/O设备提供了标准的接口 仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，例如数 据采集、视觉、运动和分布式I/O等等， I/O等等 据采集、视觉、运动和分布式I/O等等，帮助用户轻松地将 多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。 多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。为了 获得最高的性能、简单的开发过程和系统层面上的协调， 获得最高的性能、简单的开发过程和系统层面上的协调，这 些不同的设备必须保持其独立性， 些不同的设备必须保持其独立性，同时还要紧密地集成在一 NI的结构可以使开发者们快速创建测试系统 的结构可以使开发者们快速创建测试系统， 起。NI的结构可以使开发者们快速创建测试系统，并随着要 求的改变轻松地完成对系统的修改。 求的改变轻松地完成对系统的修改。得益于这一集成式的构 架带来的好处，您的系统可以更具竞争性， 架带来的好处，您的系统可以更具竞争性，因为您可以更高 效地设计和测试高质量的产品， 效地设计和测试高质量的产品，并将它们更快速地投入市场 。
Graphical User Interface Hardcopy Output File I/O
计算机科学与技术系/ zjtcm
Virtual Instrumentation-Computer Bascm
第1章 虚拟仪器概述
第20页
《虚拟仪器技术》
（1）基于PC总线的虚拟仪器 内置PC总线（如ISA、PCI、PC/104）的通用数据采 集卡 （DAQ，Data AcQuisition）。 （2）基于GPIB通用接口总线的虚拟仪器 国际标准（IEEE488.1和IEEE488.2），技术成熟； 但其数据传输速度一般低于500Kb/s，对测试速度要求 很高的场合不太适用。 （3）基于VXl总线的虚拟仪器 具有模块化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI 仪器的互换性和互操作性。 但价格相对较高，适合于高端的测试领域。 （4）基于PXI总线的虚拟仪器 兼容PCI总线产品。 集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性价比最好。
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《虚拟仪器技术》
通过总线技术，可实现： 模块化硬件设计； 标准化；
便于生产、维护（维修）、升级；
较好的经济性。
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《虚拟仪器技术》
仪器与自动测试系统几种常用总线的比较
摘自：Evaluating PXI and VXI Platforms for your Measurement and Automation Needs，NI
（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）。
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《虚拟仪器技术》
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）。
3. 虚拟仪器通用硬件平台的构成形式
通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备（分立式 或模块式仪器），主要有PC总线的数据采集模块（PCDAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总 线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型，或多 种类型的组合。
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ATS的三大发展阶段 ATS的三大发展阶段
20世纪60年代，以数据采集系统为主的 第一代测试系统。 20世纪70年代，以标准总线的出现为标 志的第二代自动测试系统。其中最具代 表的两种CAMAC（Computer Aided Measurement And Control）和GPIB (General Purpose Interface Bus)总线系统 20世纪80年代中期，虚拟仪器的出现。
虚拟仪器系统
2.2 虚拟仪器的基本功能
信号调理与采集功能 SCXI(Signal Conditioning eXtensions for Instruments) DAQ(Date AcQuisition) 数据分析和处理功能 参数设置和结果表达
2.3虚拟仪器的构成 2.3虚拟仪器的构成
通用仪器硬件平台(简称硬件平 台) 应用软件
测试技术包括四部分
测量原理 测量所依据的物理原理 测量方法 依据原理完成测量的具体方 式。 测量系统 完成具体测量任务的各种仪器 仪表所构成的实际系统 数据处理 测量的精度和可信度在很大 程度上与数据处理密切相 关。
1.2 自动测试系统
定义 ：把以计算机为核心，能够在程序 控制下，自动完成特定测试任务的仪器 系统称为自动测试系统（Automatic Test System, ATS）。
2.1 什么是虚拟仪器 什么是虚拟仪器
所谓虚拟仪器, 即是以计算机为基础 , 配以相应测试功能的硬件作为信号输入 输出的接口, 完成信号的采集、测量与 调理,从而完成各种测试功能的一种计算 机化仪器系统。
仪器概念的转换
虚拟仪器概念理解
虚拟的仪器面板。 由软件编程来实现仪器功能。虚拟仪器Fra bibliotek传统仪器的比较
虚拟仪器( vi ) 传统仪器 硬件是关键 软件是核心 软件使得开发与维护费 开发与维护开销高 用降至最低 技术更新周期短（1~2年） 技术更新周期长 用户自定义仪器功能 厂商定义仪器功能 开放、灵活可与计算机 封闭固定 同步发展 与网络及其它周边设备 功能单一、互联有限的 方便互联的面向应用的 独立设备 系统
1.1 测试技术的发展
测量和测试是人们描述对客观事物认识 过程的两个基本术语。 测量是人们认识客观世界最基本的方法。 测量的过程就是把待测量直接或间接地 与另一类已知量进行比较，用已知量作 为计量单位，求得待测量的过程。 测试一般泛指生产和科学试验中经常进 行的满足一定精度要求的试验性测量过 程。
虚拟仪器软件开发平台 虚拟仪器软件开发平台
基于文本式编程语言开发工具 VC++,VB,C++Build,LabWindows/CVI， Delphi等。 基于图形化编程语言开发工具 : LabVIEW（NI 公司） HP VEE （HP 公司）
2.4 虚拟仪器的发展方向
网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发 展的大趋势。 展的大趋势。 网络化虚拟仪器特征：是将虚拟仪器、 网络化虚拟仪器特征：是将虚拟仪器、外部设 被测试点以及数据库等资源纳入网络, 备、被测试点以及数据库等资源纳入网络, 实 现资源共享, 共同完成测试任务。 现资源共享, 共同完成测试任务。 网络化虚拟仪器适合异地或远程控制、 网络化虚拟仪器适合异地或远程控制、数据采 故障监测、报警等 集、故障监测、报警等。
1.3 仪器技术的发展
仪器是人类认识世界的基本工具，也是 信息社会人们获取信息的主要手动之一。 仪器的发展经历了四个阶段： 模拟仪器 数字化仪器 智能仪器 虚拟仪器。
仪器技术的发展方向
智能化 虚拟化 网络化 小型化
2 虚拟仪器概述
2.1 2.2 2.3 2.4 什么是虚拟仪器 虚拟仪器的基本功能 虚拟仪器的构成 虚拟仪器的发展方向
虚拟仪器的构成方式 虚拟仪器的构成方式
I/O接口设备 PC-DAQ板
GPIB仪器 测 控 对 象 计 算 机
串口仪器
VXI模块
PXI模块
虚拟仪器的软件
1．应用程序（包含两方面功能的程序） : 实现虚拟面板功能的软件程序 ； 定义测试功能的流程图软件程序。 2．I/O 接口仪器驱动程序：完成特定外部 硬件设备的扩展、驱动与通信。
本章小结
测试技术及其仪器发展的状况及方向 虚拟仪器的概念及基本特点 虚拟仪器的构成
课程名称：虚拟仪器技术 选用教材: 电子工业出版社 《LabVIEW7实用教程》
推荐教材
1、LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计 清华大学出版社 2、LabVIEW7 EXPRESS 使用技术教程 中国铁道出版社
第一章
虚拟仪器概述
1 测试与仪器 2 虚拟仪器概述 3 小结
1 测试与仪器
1.1 测试技术的发展 1.2 自动测试系统 1.3 仪器技术的发展