虚拟仪器技术
虚拟仪器技术的应用与发展
虚拟仪器技术的应用与发展随着科技的不断进步，虚拟仪器技术已经成为了现代化实验室的必备工具。
虚拟仪器技术是一种基于计算机软件和硬件技术实现的仪器技术，它可以模拟和替代传统的物理仪器，使得科研人员、工程师和学生能够更加方便、快捷地进行实验和研究。
本文将从虚拟仪器技术的定义、应用、优势和发展等方面进行介绍。
一、虚拟仪器技术的定义虚拟仪器技术是一种基于计算机软件和硬件技术实现的仪器技术，它可以模拟和替代传统的物理仪器，实现测试、控制、监测和分析等功能。
虚拟仪器技术主要包括虚拟测量仪器、虚拟控制仪器和虚拟分析仪器等。
虚拟测量仪器可以通过计算机软件和硬件来模拟传感器、示波器、频谱分析仪等传统的物理测量仪器；虚拟控制仪器可以通过计算机软件和硬件来模拟运动控制器、逻辑控制器等传统的物理控制仪器；虚拟分析仪器可以通过计算机软件和硬件来模拟数据分析仪、图像处理仪等传统的物理分析仪器。
二、虚拟仪器技术的应用虚拟仪器技术的应用非常广泛，可以在各个领域中得到应用。
以下列举几个典型的应用场景：1、科研实验室虚拟仪器技术可以在科研实验室中得到广泛的应用。
科研人员可以通过虚拟测量仪器来模拟实际的测量仪器，进行各种物理量的测量和分析。
虚拟控制仪器可以模拟实际的控制仪器，实现各种运动控制和逻辑控制。
虚拟分析仪器可以模拟实际的数据分析仪器，进行各种数据分析和图像处理。
2、工业自动化虚拟仪器技术可以在工业自动化领域中得到广泛的应用。
工程师可以通过虚拟测量仪器来模拟各种传感器和测量仪器，实现对工业生产过程的实时监测和控制。
虚拟控制仪器可以模拟各种运动控制器和逻辑控制器，实现对工业生产过程的自动化控制。
3、教育培训虚拟仪器技术可以在教育培训领域中得到广泛的应用。
学生可以通过虚拟测量仪器来模拟实际的测量仪器，进行各种物理量的测量和分析。
虚拟控制仪器可以模拟实际的控制仪器，实现各种运动控制和逻辑控制。
虚拟分析仪器可以模拟实际的数据分析仪器，进行各种数据分析和图像处理。
虚拟仪器技术
传统仪器:特定功能和仪器外观. 传统仪器:特定功能和仪器外观.
虚拟仪器(VI,Virtual Instrumentation):是一种以 虚拟仪器(VI, 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 硬件为基础, 计算机和测试模块的硬件为基础,以计算机软件为核 所构成的, 心所构成的,并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面 以及由计算机所完成的仪器功能, 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. 件来定义的计算机仪器.
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
如:虚拟示波器
Vi
输入电路
A/D
RAM
控制系统
PC机
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
虚拟数字电压表
基于虚拟仪器的 温度检测与控制
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
2. 虚拟仪器的特点
从虚拟仪器的组成结构上来看: 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 )虚拟仪器的硬件是通用的( 的测量功能硬件);
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《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
1990年代,虚拟仪器得到业界广泛认可和应用, 1990年代,虚拟仪器得到业界广泛认可和应用,相继 年代 推出了基于GPIB总线 总线( 推出了基于GPIB总线(General Purpose Interface Bus), -DAQ( Bus),PC-DAQ(Data Acquisition)和VXI总线 ),PC Acquisition) VXI总线 Instrumentation,1987年 (VMEbus eXtension for Instrumentation,1987年), PXI总线 PXI总线(PCI eXtension for Instrumentation,1997年) 总线( Instrumentation,1997年 等多种虚拟仪器系统. 等多种虚拟仪器系统. 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术. 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术. 底层驱动和上层应用软件融为一体. 底层驱动和上层应用软件融为一体. 虚拟仪器软件的标准化: VPP(VXI即插即用 即插即用, 虚拟仪器软件的标准化: VPP(VXI即插即用, VXIplug&play,1993年 VXIplug&play,1993年) 和VISA(Virtual VISA( Instrument Software Architecture, 虚拟仪器软件体系 Architecture, 结构). IVI( Instruments, 结构). IVI(Interchangeable Virtual Instruments, 可互换式虚拟仪器,1997年 可互换式虚拟仪器,1997年).
自动化系统中的虚拟仪器技术
自动化系统中的虚拟仪器技术自动化系统中的虚拟仪器技术是一种通过软件仿真实现仪器功能的技术。
它可以模拟真实的物理仪器，使得实验设备的开发、测试和运行更加简便高效。
本文将介绍自动化系统中的虚拟仪器技术的原理、应用和未来发展趋势。
一、虚拟仪器技术的原理虚拟仪器技术的核心原理是将物理仪器的功能通过软件仿真实现。
它通过搭建仪器模型、添加信号处理算法和界面设计等步骤，将仪器的测量和控制功能转化为算法的处理过程。
虚拟仪器技术可以利用计算机的处理能力和灵活性，实现多种仪器功能在同一硬件平台上的集成。
虚拟仪器技术一般包括以下几个方面的内容：1. 算法建模：将真实仪器的测量和控制过程抽象为数学模型和算法实现。
2. 界面设计：通过人机交互界面，实现用户对虚拟仪器的控制和监测。
3. 数据处理：对仪器测量数据进行分析、处理和展示，以实现各种功能要求。
4. 硬件接口：将计算机与真实的物理设备连接，实现虚拟仪器对实际环境的感知和干预。
二、虚拟仪器技术的应用虚拟仪器技术在自动化系统中有着广泛的应用。
以下列举几个典型的应用领域：1. 实验教学：虚拟仪器技术可以替代传统的实验设备，使得学生能够在计算机上进行实验操作和数据分析，提高实验教学的效果和效率。
2. 自动化测试：虚拟仪器技术可以快速搭建测试平台，实现对各种设备和系统的测试和验证，大大提高了测试的灵活性和自动化水平。
3. 工业控制：虚拟仪器技术可以替代部分物理仪器，实现对生产过程的监测和控制，并且能够快速调整参数和算法，适应不同的工况需求。
4. 仪器研发：虚拟仪器技术可以用于仪器的原型开发和测试，大大节省了成本和时间，加速了新产品的上市进程。
三、虚拟仪器技术的未来发展趋势随着计算机和通信技术的不断进步，虚拟仪器技术在自动化系统中的应用前景十分广阔。
以下是一些虚拟仪器技术未来的发展趋势：1. 多模态集成：虚拟仪器技术将更多的仪器功能集成在同一平台上，使得用户可以通过一个界面进行多种任务和操作。
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。
9.1 虚拟仪器技术概述
第八章虚拟仪器设计8.1 虚拟仪器技术随着计算机技术的高度发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。
虚拟仪器是20世纪90年代提出的概念，是现代计算机技术、仪器技术及其它新技术完美结合的产物。
虚拟仪器的提出与发展，标志着21世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向。
8.1.1 虚拟仪器的概念传统仪器一般是一台独立的装置，从外观上看，它一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。
操作面板上一般有一些开关、按钮、旋钮等。
检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及打印输出等。
从功能方面分析，传统仪器可分为信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几个部分。
传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。
传统仪器大都是一个封闭的系统，与其它设备的连接受到限制。
另外，传统仪器价格昂贵，技术更新慢（周期为5至10年），开发费用高。
随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展，出现了数字化仪器和智能仪器。
尽管如此，传统仪器还是没有摆脱独立使用和手动操作的模式，在较为复杂的应用场合或测试参数较多的情况下，使用起来就不太方便。
由于以上这些原因，使传统仪器很难适应信息时代对仪器的需求。
那么如何解决这个问题呢？可以设想，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能，这就是设计虚拟仪器的核心思想。
所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。
虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。
随着计算机技术的快速发展、CPU处理能力的增强、总线吞吐能力的提高以及显示技术的进步，人们逐渐意识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。
虚拟仪器技术的国内外
01 02
虚拟仪器技术的概念
虚拟仪器技术是一种基于计算机的自动化测试和测量技术，利用计算机 软件来控制和操作测试测量设备，实现数据的采集、处理、分析和显示 等功能。
虚拟仪器技术的起源
虚拟仪器技术起源于20世纪90年代，随着计算机技术和数字信号处理 技术的不断发展，逐渐形成了以计算机为基础的自动化测试测量系统。
加强资金监管
政府应加强对虚拟仪器技术研发和应用项目的资金监管，确保资金用 于实质性的研发活动，提高资金使用效益。
推进产学研合作与协同创新
建立产学研合作机制
政府应积极推动企业、高校和研究机构之间的产学研合作 ，建立长期稳定的合作关系，实现资源共享和优势互补。
支持协同创新平台建设
政府可以支持建设虚拟仪器技术协同创新平台，为产学研 各方提供交流、合作和创新的平台，促进技术转移和成果 转化。
企业应用现状
中国电科
中国电科在虚拟仪器技术的应用方面，积极探索新的应用场景，开发了一系列 基于虚拟仪器的测试与测量系统，广泛应用于航空、航天、兵器等领域。
华为技术
华为技术将虚拟仪器技术应用于通信设备的研发和生产过程中，大大提高了设 备的测试效率和精度。
政府支持与政策
国家科技部
国家科技部将虚拟仪器技术列为重点发展的关键技术之一， 通过多项科技计划的支持，推动虚拟仪器技术的发展和应用 。
虚拟仪器技术的国 内外
2023-11-10
contents
目录
• 引言 • 国内虚拟仪器技术发展现状 • 国外虚拟仪器技术发展现状 • 虚拟仪器技术发展趋势与挑战 • 我国虚拟仪器技术与发达国家的差距及原
因分析
contents
目录
• 加快我国虚拟仪器技术发展的对策建议 • 结论与展望
虚拟仪器技术课程设计
虚拟仪器技术课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解虚拟仪器技术的基本概念、原理及其在工程领域的应用。
2. 掌握虚拟仪器软件（如LabVIEW）的基本操作和编程方法。
3. 学会使用虚拟仪器进行数据采集、处理、分析及展示。
技能目标：1. 能够运用虚拟仪器技术设计简单的测试系统，完成信号的采集与处理。
2. 培养学生动手实践能力，提高他们运用虚拟仪器解决实际问题的能力。
3. 培养学生团队协作和沟通能力，能够就虚拟仪器技术进行学术交流。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对虚拟仪器技术的兴趣，激发他们学习自然科学和工程技术知识的热情。
2. 培养学生严谨的科学态度，养成良好的实验操作习惯。
3. 增强学生的创新意识，鼓励他们勇于探索、实践，培养他们面对挑战的信心。
课程性质：本课程为高二年级工程技术类选修课程，旨在通过虚拟仪器技术教学，使学生掌握基本工程实践能力。
学生特点：高二年级学生对工程技术有一定的基础，具备基本的物理知识和实验技能，但对虚拟仪器技术了解较少。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，充分调动学生的积极性，引导他们主动参与教学活动，实现课程目标。
通过本课程的学习，使学生能够将虚拟仪器技术应用于实际工程项目中，提高他们解决实际问题的能力。
后续教学设计和评估将围绕具体的学习成果展开，确保学生达到预期目标。
二、教学内容本课程教学内容依据课程目标，结合教材《虚拟仪器技术》进行选择和组织，主要包括以下几部分：1. 虚拟仪器技术概述- 了解虚拟仪器的定义、发展历程及应用领域。
- 分析虚拟仪器与传统仪器的区别和优势。
2. 虚拟仪器软件LabVIEW基础- 学习LabVIEW软件的安装、界面及基本操作。
- 掌握LabVIEW编程的基本概念，如数据类型、结构、函数和子VI。
3. 数据采集与处理- 学习数据采集卡的基本原理和使用方法。
- 掌握信号处理技术，如滤波、波形分析等。
4. 虚拟仪器应用实例- 分析典型虚拟仪器应用案例，如温度监测、振动测试等。
计算机虚拟仪器技术的概念
计算机虚拟仪器技术的概念一、引言计算机虚拟仪器技术是一种基于计算机硬件平台，结合特定软件，实现测量、数据处理、分析、存储及结果显示等功能的技术。
它广泛应用于各种科研、生产、维修等领域，极大地提高了测试和测量的效率及精确度。
二、基于计算机的硬件平台计算机虚拟仪器技术的硬件基础是计算机硬件平台，包括台式机、笔记本、平板等，这些硬件平台为虚拟仪器的实现提供了基础计算能力。
三、图形化用户界面虚拟仪器的用户界面通常采用图形化方式，这种方式直观、易于理解，用户可以通过鼠标、键盘等输入设备对仪器进行操作和控制。
四、软件驱动的仪器虚拟仪器的核心是软件，它负责实现仪器的各种功能。
通过软件，用户可以设定仪器的工作模式、测量范围、数据处理方式等。
五、数据采集与分析虚拟仪器能够实现数据采集与分析。
它可以接收来自传感器或其他设备的数据，进行存储和分析。
通过软件，用户可以对采集到的数据进行处理和分析。
六、可自定义的仪器功能虚拟仪器的另一个重要特性是可自定义。
用户可以根据自己的需求，编写或修改软件，使仪器具备特定的功能。
这使得虚拟仪器具有极高的灵活性。
七、网络化测量与远程控制借助网络技术，虚拟仪器可以实现远程测量和控制。
用户可以在不同的地点对仪器进行操作，或者将测量数据发送到其他设备上进行处理。
八、模块化与扩展性虚拟仪器通常采用模块化的设计方式，这种方式使得它们可以根据需要进行扩展或缩减。
用户可以根据实际需求，添加或删除功能模块。
总结：计算机虚拟仪器技术是一种灵活且功能强大的测量技术。
通过利用计算机硬件平台和特定软件，它能够实现各种测量任务。
同时，由于其可自定义的特性，用户可以根据自己的需求对仪器进行定制。
此外，网络化测量和远程控制功能使其在实际应用中具有更大的便利性。
模块化的设计方式则使得虚拟仪器可以根据需要进行扩展或缩减。
总的来说，计算机虚拟仪器技术是一种广泛应用于各种科研、生产、维修等领域的先进技术。
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虚拟仪器（VI）
结果的表达与输出
定义
Software is the instrument
虚拟仪器主要是以计算机为核心，通过最大 限度地利用计算机的软硬件资源，使计算机 不但能完成传统仪器测量控制、数据运算和 处理工作，而且可以用强大的软件去代替传 统仪器的某些硬件功能。
虚拟仪器技术
结果表达 图形显示 文件 打印 网络输出
DAQ system
虚拟仪器软件 Development Environment
Laboratory Virtual Instrument Engineering Bench
Graphical Programming Standard ANSI C Language
Component Works
３
４
Connect Wire （连线）
用于在流程图程序上连接对象。如果联机 帮助的窗口被打开时，把该工具放在任一 条连线上，就会显示相应的数据类型。
５
Object Shortcut 用鼠标左键可以弹出对象的弹出式菜单。 Menu （ 对 象 菜 单 ）
工具模板（Tools Palette）
６
Scroll Scroll Windows Windows （窗口 （窗口 漫游） 漫游） Set/Clear Set/Clear Breakpoint Breakpoint （ （断 断点 点设 设置 置／ ／ 清除） 清除）
数据采集与控制 数据采集卡 GPIB接口仪器 VXI仪器 PXI仪器 RS-232仪器 现场总线设备 其他计算机硬件
测 控 对 象
计算机
数据分析与处理 数字滤波 FFT 统计分析 其他
虚拟仪器结构
典型 VI 系统
虚拟仪器操作界面
VI实例
虚拟仪器结构特点
软件和硬件功能的模块化 软件和硬件功能的分层 仪器功能的软件化
序的工具。 如果该模板没有出现，则可以在Windows菜 单下选择Show Tools Palette命令以显示该 模板。 当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头 就会变成该工具相应的形状。 从Windows菜单下选择了Show Help Window 功能后，把工具模板内选定的任一种工具光 标放在流程图程序的子程序（Sub VI）或图 标上，就会显示相应的帮助信息。
LabVIEW应用程序构成
图标/连结器（Icon/Connector）
是子VI被其它VI调用的接口。图标是子VI在其 他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则 表示节点数据的输入/输出口，就象函数的参数。必 须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。
VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子 程序，也称为子VI（sub VI），被其他VI调用。图标与
Y OR RT PO 488
Tem pera ture
ti ndi Co
Flo w Co ntr ol P ane l
D/A O Co DI/ nd itio I/O nin T g
A/D
Tim ing
Pre ssu re
Ala rm
Co ndit ion s
ST OP
Tim
RO
传统仪器
信号的采集与控制 信号的分析与处理
VI
虚拟仪器技术
Virtual Instrument
孙裕晶 2012.12.17
虚拟仪器概念
虚拟仪器是通过软件将通用计算机与有关仪器硬件结合起 来，用户通过图形界面(通常称为虚拟前面板)进行操作的测试 方法。
M RO
礟
th Ma 礟 Y LA SP D ROL DI AN NT CO
M PR ME OC ES SO RB US
连接器在这里相当于图形化的参数。
LabVIEW 操作模板
在LabVIEW 用户界面上，应特别注意它 提供的操作模板：
工具（Tools）模板 控制（Controls）模板 函数（Functions）模板。
操作模板集中反映该软件的功能与特征。
工具模板（Tools Palette）
该模板提供各种用于创建、修改和调试VI程
前面板(Front Panel)
用户输入和显示输出两类对象 控制(control)和显示对象(indicator)
显示对象 (输出) 控制对象(输入)
LabVIEW应用程序构成
框图程序
端口
节点
函数：随机 数发生器 与前面板控件对 应的连线端子
图框
连线
与前面板控件对 应的连线端子 结构：循环
随机信号发生器的流程图
使用该工具就可以不需要使用滚动条而在 窗口中漫游。 使用该工具在VI的流程图对象上设置断点。
７
８ ９
ห้องสมุดไป่ตู้Probe Data （数据探针）
虚拟仪器的层次化结构
VI
VI
VI
VI
VI
VI
VI
硬件驱动 硬件
硬件驱动 硬件
Example of a VI
面板
框图程序
LabVIEW 程序结构
前面板（Front Panel）
框图程序（Block Diagram）
图标/连结器（Icon/Connector）
LabVIEW 应用程序构成
工具模板（Tools Palette）
１ Operate Value （操作值） 用于操作前面板的控制和显示。使用它向 数字或字符串控制中键入值时，工具会变 成标签工具
２
Position/Size/ 用于选择、移动或改变对象的大小。当它 Select （选择） 用于改变对象的连框大小时，会变成相应 形状。 Edit Text （编辑文本） 用于输入标签文本或者创建自由标签。当 创建自由标签时它会变成相应形状。
虚似仪器和传统仪器的比较
虚拟仪器
开发和维护费用低 技术是更新周期短（0.5~1年） 软件是关键
传统仪器
开发和维护费用高 技术更新周期长（5~10年） 硬件是关键
价格低
开放灵活与计算机同步，可重 复用和重配置 可用网络联络周边各仪器 自动、智能化、远距离传输
价格昂贵
固定 只可连有限的设备 功能单一，操作不便
虚拟仪器类型
PC总线一插卡型 GPIB总线方式 VXI总线方式
PXI总线方式
典型 VI 系统
PC-based VI system
Data acquisition system
RS232
USB
IEEE1394
GPIB VXI bus system PXI system