第1讲_虚拟仪器的技术背景与基本概念
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第1讲 虚拟仪器的技术背景与基本概念
总线 接口 控制器 接口 功能 部分 1 接口 功能 部分 2 接口 功能 部分 n
……
模块化仦器架构的出现
便于保持已有投资 同时便于利用最新半导体及PC技术
与用处理器, OS 固定的用户界面 固件 内部总线 定时控制
PC 处理器, OS 开放总线 定时控制 测量硬件
模块 4 模块 1 模块 5
电源 传统台式系统
统
7. 智能化
• 利用单或多处理器实现学习、识别、推理等功能，以
使设备充分模拟人的智力能力, 特别适合故障诊断、
识别等应用
人工智能
8. 网络化
• 利用通信线路和设备将仦器连接成较大的复杂系统，
共享资源，提高速率、灵活性, 适合于进程分布测试、
维修、校准、培训等应用
虚拟仦器技术充分体现了这些趋势
2. 自动化
• 程序控制代替手动操作，
提高效率，减轻操作者劳
动强度. 自动化程度愈高， 速度愈快
3. 综合化
• 利用一台多功能仦器代替多台单功能仦器系统，提高 灵活性和可靠性，幵降低成本，减小体积
– 例如: 相同的通用射频硬件结合丌同软件程序实现多种无线 协议测试以及射频参数测试等功能
WLAN
GSM/EDGE
第一讲 虚拟仦器的技术背景不基本概念
背景: 伴随摩尔定律的技术飞速发展
晶体管数量每18个月提高1倍 ≈ 处理器性能每18个月提高1倍
性能提升
体积减小
成本降低
仦器技术不系统的发展趋势
• 伴随着半导体技术、处理器技术、计算机总线技术、
网络技术、软件技术等快速发展，仦器不测控系统出
现了如下的一些发展趋势: 数字化 自动化 综合化 模块化 标准化 虚拟化 智能 化 网络化
……
模块化仦器架构的出现
便于保持已有投资 同时便于利用最新半导体及PC技术
与用处理器, OS 固定的用户界面 固件 内部总线 定时控制
PC 处理器, OS 开放总线 定时控制 测量硬件
模块 4 模块 1 模块 5
电源 传统台式系统
统
7. 智能化
• 利用单或多处理器实现学习、识别、推理等功能，以
使设备充分模拟人的智力能力, 特别适合故障诊断、
识别等应用
人工智能
8. 网络化
• 利用通信线路和设备将仦器连接成较大的复杂系统，
共享资源，提高速率、灵活性, 适合于进程分布测试、
维修、校准、培训等应用
虚拟仦器技术充分体现了这些趋势
2. 自动化
• 程序控制代替手动操作，
提高效率，减轻操作者劳
动强度. 自动化程度愈高， 速度愈快
3. 综合化
• 利用一台多功能仦器代替多台单功能仦器系统，提高 灵活性和可靠性，幵降低成本，减小体积
– 例如: 相同的通用射频硬件结合丌同软件程序实现多种无线 协议测试以及射频参数测试等功能
WLAN
GSM/EDGE
第一讲 虚拟仦器的技术背景不基本概念
背景: 伴随摩尔定律的技术飞速发展
晶体管数量每18个月提高1倍 ≈ 处理器性能每18个月提高1倍
性能提升
体积减小
成本降低
仦器技术不系统的发展趋势
• 伴随着半导体技术、处理器技术、计算机总线技术、
网络技术、软件技术等快速发展，仦器不测控系统出
现了如下的一些发展趋势: 数字化 自动化 综合化 模块化 标准化 虚拟化 智能 化 网络化
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。
虚拟仪器概述分析
其中，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室 虚拟仪器工程平台非 常适于仪器、测量与控制领域的虚拟仪器软 第19页 件开发。
虚拟仪器的系统构成 硬件和软件两大部分构成。
第16页
3.各部分基本功能
虚拟仪器的内部功能，可划分为信号采集与控制、数据分析与 处理、参数输入与结果输出三大功能模块。 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、参数输入与结果输出 则主要由用户应用软件完成。
传统仪器 硬件（电子线路） 数据采集
价格 功能可塑性
系统开放性
价格低、可复用与可重配置性强 用户定义仪器功能，柔性
开放、灵活，与计算机技术同步 发展 易与网络及其他周边设备互连
第14页 无限的显示选项、界面友好
价格昂贵
厂商定义仪器功能， 刚性 封闭、固定 功能单一的独立设备
构成复杂系统 能力 人机交互
有限的显示选项
1.3 虚拟仪器的系统结构
第5页
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。
第6页
1.2 虚拟仪器的基本概念
1. 虚拟仪器的定义
传统仪器：特定功能和仪器外观。
第7页
基于虚拟仪器的温度检测与控制系 统
第8页
如：虚拟示波器
第11页
（4）虚拟仪器之“虚拟”含义： 虚拟仪器面板；
软件实现仪器功能。 （5）因此，软件是虚拟仪器的核心。
NI公司提出“软件即仪器”（The software is the instrument）。
虚拟仪器概述
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范例查找器
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38
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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5
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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6
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。
第1章虚拟仪器的基础知识
• 智能仪器的组成结构 • 智能仪器的主要特点 • 智能仪器的发展趋势
2019/11/11
1.1 仪器仪表概述
1. 仪器仪表定义、作用、行业分类
仪器仪表是信息获取的工具、是认识世界的手段，是一 个系统或装置；
最基本的作用：是延伸扩展补充或代替人的听觉、视觉、 触觉等器官的功能。
仪器仪表种类繁多，如测量仪器，分析仪器，生物医 疗仪器，地球探测仪器，天文仪器，航空航天航海仪 表，汽车仪表，电力，石油，化工仪表等，遍及国民 经济各个部门，深入到人民生活的各个角落。
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1.4 智能仪器发展趋势
（1）微型化 （2）多功能化 （3）人工智能化 （4）网络化
2019/11/11
本章结束
南京理工大学电光学院
2019/11/11
随机误差、系统误差、非线性校准等处理→改 善测量的精确度
数字滤波、相关、卷积、反卷积、幅度谱、相 位谱、功率谱等信号分析→提供更多高质量的信息量
◆多功能化 ：一机多用
2019/11/11
1.3 推动智能仪器发展的主要技术
1）传感器技术； 2）A/D等新器件的发展将显著增强仪器的功能
与测量范围； 3）单片机与DSP的广泛应用； 4）嵌入式系统与片上系统SOC的应用； 5）ASIC、FPGA／CPLD技术； 6）LabVlEW等图形化软件技术； 7）网络与通信技术。
将单片或多片的 微机芯片与仪器 有机地结合在一 起形成的单机。
以个人计算机(PC)为核 心的应用扩展型测量仪 器。个人计算机仪器或 称微机卡式仪器。
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传感器
非 电 量
输出通道 单片机或
D/A A/D
DSP RAM、
EPROM I/O接口
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1.1 仪器仪表概述
1. 仪器仪表定义、作用、行业分类
仪器仪表是信息获取的工具、是认识世界的手段，是一 个系统或装置；
最基本的作用：是延伸扩展补充或代替人的听觉、视觉、 触觉等器官的功能。
仪器仪表种类繁多，如测量仪器，分析仪器，生物医 疗仪器，地球探测仪器，天文仪器，航空航天航海仪 表，汽车仪表，电力，石油，化工仪表等，遍及国民 经济各个部门，深入到人民生活的各个角落。
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1.4 智能仪器发展趋势
（1）微型化 （2）多功能化 （3）人工智能化 （4）网络化
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本章结束
南京理工大学电光学院
2019/11/11
随机误差、系统误差、非线性校准等处理→改 善测量的精确度
数字滤波、相关、卷积、反卷积、幅度谱、相 位谱、功率谱等信号分析→提供更多高质量的信息量
◆多功能化 ：一机多用
2019/11/11
1.3 推动智能仪器发展的主要技术
1）传感器技术； 2）A/D等新器件的发展将显著增强仪器的功能
与测量范围； 3）单片机与DSP的广泛应用； 4）嵌入式系统与片上系统SOC的应用； 5）ASIC、FPGA／CPLD技术； 6）LabVlEW等图形化软件技术； 7）网络与通信技术。
将单片或多片的 微机芯片与仪器 有机地结合在一 起形成的单机。
以个人计算机(PC)为核 心的应用扩展型测量仪 器。个人计算机仪器或 称微机卡式仪器。
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传感器
非 电 量
输出通道 单片机或
D/A A/D
DSP RAM、
EPROM I/O接口
虚拟仪器设计.pptx
➢ （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）。
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
第9页
《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》
➢ （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
第9页
《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VirtualInstrument1虚拟仪器的基本概念
是一种以计算机和测试模块的种以计算机和测试模块的硬件为基础硬件为基础以计算以计算机机软件为核心软件为核心所构成的并且在计算机显示屏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仪器功能都可由用户软件来定义的计算机仪labviewlabview首先提出虚拟仪器概念的是美国国家仪器首先提出虚拟仪器概念的是美国国家仪器公司公司nationalinstrumentsnationalinstruments简称简称nininini公司推出的虚拟仪器平台公司推出的虚拟仪器平台labviewlabview是目前得到广泛应用的虚拟仪器开发环境
VI中的错误。
连续运行 单击此按钮可使VI程序连续地重复执行。 按钮
停止运行 单击此按钮可停止运行VI。 按钮 暂停按钮
单击此按钮可暂停VI执行，再次单击此 按钮，VI又继续执行。
高亮显示 执行按钮
单击此按钮，可动态显示VI执行时数据 的流动。
单步步入 单击此按钮，按节点顺序单步执行程序， 每单击一次，程序执行一步。如果节点 按钮
参考号标示，这个子选板包括各类参考号。
12
13
装饰件 用于对前面板进行装饰的各种图形对象。
14
从文件 调用存储在文件中的控件。 系统选 择控件 用户 控制 把控件放在\National Instruments\LabVIEW 8.5\user目录中时， 将出现在这个子选板中。
15
NI数据采集设备
为一个子程序或结构，则进入子程序或 结构内部执行单步运行方式 。
单步步过 单击此按钮，按节点顺序单步执行程序 （不进入循环，SunVI内部）。 按钮 单步步出 单击此按钮，退出单步执行，进入暂停 状态。 按钮 文本字体 设置按钮
VI中的错误。
连续运行 单击此按钮可使VI程序连续地重复执行。 按钮
停止运行 单击此按钮可停止运行VI。 按钮 暂停按钮
单击此按钮可暂停VI执行，再次单击此 按钮，VI又继续执行。
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单步步入 单击此按钮，按节点顺序单步执行程序， 每单击一次，程序执行一步。如果节点 按钮
参考号标示，这个子选板包括各类参考号。
12
13
装饰件 用于对前面板进行装饰的各种图形对象。
14
从文件 调用存储在文件中的控件。 系统选 择控件 用户 控制 把控件放在\National Instruments\LabVIEW 8.5\user目录中时， 将出现在这个子选板中。
15
NI数据采集设备
为一个子程序或结构，则进入子程序或 结构内部执行单步运行方式 。
单步步过 单击此按钮，按节点顺序单步执行程序 （不进入循环，SunVI内部）。 按钮 单步步出 单击此按钮，退出单步执行，进入暂停 状态。 按钮 文本字体 设置按钮
《虚拟仪器系统》课件
虚拟仪器系统的发展历程
起源
20世纪80年代，随着计算机技 术的不断发展，人们开始尝试 将计算机应用于测试和测量领
域。
发展阶段
20世纪90年代，随着计算机性 能的提高和软件技术的不断发 展，虚拟仪器系统开始得到广 泛应用。
当前状况
目前，虚拟仪器系统已经成为 测试和测量领域的主流技术之 一，被广泛应用于各种领域。
远程控制技术
远程控制技术是虚拟仪器系统 的关键技术之一，它负责实现
远程控制和监测功能。
远程控制技术需要具备跨网络 、安全可靠和实时性等特点， 以便在不同的地理位置和网络 环境下进行远程控制和监测。
远程控制技术还需要支持多种 通信协议和数据格式，以便与 各种设备和系统进行无缝集成 。
远程控制技术还需要提供易于 使用的API和用户界面，以便开 发人员能够快速地构建远程控 制应用程序。
随着测试数据的不断增加，如何高 效地处理和分析数据成为虚拟仪器
系统面临的技术挑战之一。
B
C
D
可靠性和稳定性
在长时间运行和高负载测试环境下，虚拟 仪器系统需要具备高可靠性和稳定性。
标准化和互操作性
为了实现不同虚拟仪器系统之间的互操作 和数据共享，需要制定统一的标准化规范 。
虚拟仪器系统的应用前景
工业自动化
虚拟仪器驱动技术还需要支持多种通 信协议和数据格式，以便与各种硬件 设备进行无缝集成。
虚拟仪器驱动技术需要具备跨平台、 可移植性和可扩展性等特点，以便在 不同的操作系统和硬件平台上运行。
虚拟仪器驱动技术还需要提供易于使 用的API和用户界面，以便开发人员 能够快速地构建虚拟仪器应用程序。
信号处理技术
数据库管理技术
数据库管理技术是虚拟仪器系 统的关键技术之一，它负责对 各种数据进行分析、处理和管 理。
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总线 接口 控制器 接口 功能 部分 1 接口 功能 部分 2 接口 功能 部分 n
……
模块化仪器架构的出现
便于保持已有投资 同时便于利用最新半导体及PC技术
专用处理器, OS 固定的用户界面 固件 内部总线 定时控制
PC 处理器, OS 开放总线 定时控制 测量硬件
模块 4 模块 1 模块 5
电源 传统台式系统
第一讲 虚拟仪器的技术背景与基本概念
背景: 伴随摩尔定律的技术飞速发展
晶体管数量每18个月提高1倍 ≈ 处理器性能每18个月提高1倍
性能提升
体积减小
成本降低
仪器技术与系统的发展趋势
• 伴随着半导体技术、处理器技术、计算机总线技术、
网络技术、软件技术等快速发展，仪器与测控系统出
现了如下的一些发展趋势: 数字化 自动化 综合化 模块化 标准化 虚拟化 智能 化 网络化
共享的电源 模块化仪器系统
模块 6
模块 2
模块 3
通过模块化架构加载 更高精度时钟
可编程的用户界面
软件
5. 标准化
• 利用标准总线使仪器互联成系统或配备总线接口的仪
器，相对独立仪器可减少系统集成时间，提高响应性
和简便性. 并行总线适合于本地/集中，串行总线适合 远程/分布测试 • 目前常见的仪器总线标准
回顾: 传统仪器系统
固定的硬件配置 由仪器厂商定义好的测量功能 固定的用户界面 部分仪器可连接PC, 基于通信包 的形式将结果传给PC
Frost and Sullivan 2006 World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report
GPS
WCDMA
WiMAX
ZigBee
4. 模块化
• 插卡或模块代替传统台式仪器，在系统应用时节省系
统重复资源，减少体积和重量
促进模块化仪器发展的更多半导体技术
处理器
FPGA
DSP
PCIe 桥接芯片
内存芯片
电源管理
摩尔定律促使仪器体积的减小
4.0” 7.0”
5.1”
总线的概念
• 总线的概念 • 目的: 实现不同的仪器(分立仪器或模块化仪器)与计算 机处理器之间的连接(传递控制命令与测量数据)
USB
带宽: 60 Mbytes/s (USB 2.0) 带宽分布: 所有端口共享 传输延迟典型值: >100 μs
• 在PC上的通用性
• 低成本接口
• 即插即用 • 适用于
– 便携式台式应用
– 低成本系统
PCI / CompactPCI / PCI Express
PCI带宽: 132 Mbytes/s PCI带宽分布: 共享 PCI Express带宽(x8): 2Gbytes/s PCI Express带宽分布: 每插槽专用 传输延迟: <1μs, 最好
对比: 新一代的仪器系统
用户可自定义测量功能 自定义用户界面
模块化硬件 与基于PC的控制器连接 (多 通过高速内部总线) 实时数据传输
Frost and Sullivan 2006 World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report
1. 数字化
• 模拟量转换成数字量并进行处理，具有精确度高、稳
定度高，速度快，便于数字处理计算和远传等特点
ADC
DAC
处 理 器 存储器
接 口
摩尔效应驱动ADC的革新
• 半导体的摩尔效应
• ADC向高速、低功耗、高分辨率等方向演进
ADC类型：
逐次逼近型ADC 积分型ADC 压频变换型ADC Σ-Δ ADC
常用的虚拟仪器系统开发语言
• 标准C
• C++, C#, 等
• LabVIEW图形化编程语言 (有时亦称G语言)
一般的模块化仪器或分立台式仪器通常会提供满足以上几种语言调用 需求的驱动程序, 或至少会提供LabVIEW及C语言下的驱动. 这样, 虚拟 仪器系统的开发人员就可以选择自己习惯的编程语言开发自定义的系
• 在PC上的通用性
• 远程功能
• 低成本接口 • LXI为独立的LAN仪器增加可
选的触发功能
– 需要为1588和有线的触发总线 同步配备专用硬件
• 适用于:
– 分布式系统 – 远程监控
6. 虚拟化
• 基于通用硬件平台，充分利用软件定义的仪器设备，
例如用软件实现的软面板代替传统的仪器操作面板 .
提高硬资源重用性和结构灵活性，降低成本、功耗、 故障率等
软件在新一代仪器系统中的重要作用
原始数据 用户自定义功能 PC处理器 总线
信号
模块化仪器 /分立仪器
软件
配置
• 对系统中的模块化仪器 / 分立仪器进行配置 ( 通过驱动 程序完成) • 对通过总线获取的原始数据进行信号处理等计算操作
• 用户界面、数据存储等
“虚拟仪器” 的概念
• 1986 年由 NI 公司提出，它是基于通用硬件平台，充分
$30
$20
12-Bit ADC价格
$10
$1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 Year 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Graph Source: National Instruments & a Leading ADC Supplier
统
7. 智能化
• 利用单或多处理器实现学习、识别、推理等功能，以
使设备充分模拟人的智力能力, 特别适合故障诊断、
识别等应用
人工智能
8. 网络化
• 利用通信线路和设备将仪器连接成较大的复杂系统，
共享资源，提高速率、灵活性, 适合于远程分布测试、
维修、校准、培训等应用
虚拟仪器技术充分体现了这些趋势
共享的电源 模块化仪器系统
模块 6
模块 2
模块 3
测量子系统
可编程的用户界面
软件
模块化仪器架构的出现
便于保持已有投资 同时便于利用最新半导体及PC技术
易于系统升级 运用最新的CPU及内 存技术 最新的总线技术
定时控制 PC 处理器, OS
开放总线
测量硬件
模块 4 模块 1 模块 5
借助最新的ADC, ASIC, DSP, 定时芯片… 更高效稳定的电源管理
• LabVIEW程序设计作业 (30%)
• 硬件数据采集实验 (30%)
• 课程设计(40%)
参考资源
• 参考书
– 虚拟仪器设计基础教程
– LabVIEW2009 中文版虚拟仪器 从入门到精通
• 网络参考资源
– (LabVIEW 图形化 设计中文门户网站) – (NI公司官方网站)
虚拟仪器技术的内涵与外延
自动化测试 自动控制
图形化编程环境或基于文本语言的开发环境
各种硬件模块
课程学习内容与目标
• 虚拟仪器技术的基本概念、工作原理、关键技术和实
际应用，全面了解测控技术领域前沿的技术发展与应
用 • 通过 LabVIEW 软件编程练习和结合硬件的数据采集实 验，掌握图形化编程方式 (G语言) 与虚拟仪器平台的 基本操作，培养实际动手能力
• 最佳的带宽和延迟
• 在 PC上的通用性
• 为系统带来较低的成本 • 适用于:
– 高性能系统
– 数据量要求大的系统
– 集成数种仪器
VME / VXI
VXI最高带宽: 40 Mbytes/s 带宽分布: 共享 传输延迟: <1μs
• 较早的军用/航空系统内
部总线
• 专用仪器设备 • 适用于:
– 维护现有的ATE系统构架
虚拟仪器技术基础
课程背景
• 虚拟仪器技术
– 最早于上世纪90年代由美国国家仪器（National Instruments）公司提 出概念 – 主要思想是利用模块化硬件，结合软件完成各种测试、测量和自 动化应用 – 使测控领域充分利用计算机技术发展, 带来仪器技术的革新
• 应用领域
– 随着计算机、软件、以及电子技术的快速发展，虚拟仪器技术的 应用早已突破最初的仪器控制和数据采集的范畴 – 不仅可用于构建大型的自动化测试系统，还常常用于控制系统、 嵌入式设计等 – 应用包括电子电气、射频与通信、装备自动化、汽车、国防、航 空航天、能源电力、生物医电、土木工程、环境工程等等
PXI
PXI带宽: 132 Mbytes/s PXI带宽分布: 共享 传输延迟: <1μs, 最好
• 继承PCI技术的优势
• 增加同步和触发总线
• 针对尖端应用的可靠性和坚 固性设计 • 适用于:
– 高性能系统
– 数据量要求大的系统 – 集成数种仪器
PXI Express
PXI Express带宽(x8): 2Gbytes/s PXI Express带宽分布: 每插槽专用 传输延迟: <1μs, 最好
2. 自动化
• 程序控制代替手动操作，
提高效率，减轻操作者劳
动强度. 自动化程度愈高， 速度愈快
3. 综合化
• 利用一台多功能仪器代替多台单功能仪器系统，提高 灵活性和可靠性，并降低成本，减小体积
– 例如: 相同的通用射频硬件结合不同软件程序实现多种无线 协议测试以及射频参数测试等功能
WLAN
GSM/EDGE
• 通过分组课程设计 (Project) 建立起系统设计的概念，
同时培养创新能力、独立思考与解决实际问题的能力
课时安排
周时 1-2周 3-8周 课程内容 虚拟仪器技术背景与基本概念 LabVIEW程序设计与数据采集基本概念 方式 课堂讲授 课堂讲授
……
模块化仪器架构的出现
便于保持已有投资 同时便于利用最新半导体及PC技术
专用处理器, OS 固定的用户界面 固件 内部总线 定时控制
PC 处理器, OS 开放总线 定时控制 测量硬件
模块 4 模块 1 模块 5
电源 传统台式系统
第一讲 虚拟仪器的技术背景与基本概念
背景: 伴随摩尔定律的技术飞速发展
晶体管数量每18个月提高1倍 ≈ 处理器性能每18个月提高1倍
性能提升
体积减小
成本降低
仪器技术与系统的发展趋势
• 伴随着半导体技术、处理器技术、计算机总线技术、
网络技术、软件技术等快速发展，仪器与测控系统出
现了如下的一些发展趋势: 数字化 自动化 综合化 模块化 标准化 虚拟化 智能 化 网络化
共享的电源 模块化仪器系统
模块 6
模块 2
模块 3
通过模块化架构加载 更高精度时钟
可编程的用户界面
软件
5. 标准化
• 利用标准总线使仪器互联成系统或配备总线接口的仪
器，相对独立仪器可减少系统集成时间，提高响应性
和简便性. 并行总线适合于本地/集中，串行总线适合 远程/分布测试 • 目前常见的仪器总线标准
回顾: 传统仪器系统
固定的硬件配置 由仪器厂商定义好的测量功能 固定的用户界面 部分仪器可连接PC, 基于通信包 的形式将结果传给PC
Frost and Sullivan 2006 World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report
GPS
WCDMA
WiMAX
ZigBee
4. 模块化
• 插卡或模块代替传统台式仪器，在系统应用时节省系
统重复资源，减少体积和重量
促进模块化仪器发展的更多半导体技术
处理器
FPGA
DSP
PCIe 桥接芯片
内存芯片
电源管理
摩尔定律促使仪器体积的减小
4.0” 7.0”
5.1”
总线的概念
• 总线的概念 • 目的: 实现不同的仪器(分立仪器或模块化仪器)与计算 机处理器之间的连接(传递控制命令与测量数据)
USB
带宽: 60 Mbytes/s (USB 2.0) 带宽分布: 所有端口共享 传输延迟典型值: >100 μs
• 在PC上的通用性
• 低成本接口
• 即插即用 • 适用于
– 便携式台式应用
– 低成本系统
PCI / CompactPCI / PCI Express
PCI带宽: 132 Mbytes/s PCI带宽分布: 共享 PCI Express带宽(x8): 2Gbytes/s PCI Express带宽分布: 每插槽专用 传输延迟: <1μs, 最好
对比: 新一代的仪器系统
用户可自定义测量功能 自定义用户界面
模块化硬件 与基于PC的控制器连接 (多 通过高速内部总线) 实时数据传输
Frost and Sullivan 2006 World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report
1. 数字化
• 模拟量转换成数字量并进行处理，具有精确度高、稳
定度高，速度快，便于数字处理计算和远传等特点
ADC
DAC
处 理 器 存储器
接 口
摩尔效应驱动ADC的革新
• 半导体的摩尔效应
• ADC向高速、低功耗、高分辨率等方向演进
ADC类型：
逐次逼近型ADC 积分型ADC 压频变换型ADC Σ-Δ ADC
常用的虚拟仪器系统开发语言
• 标准C
• C++, C#, 等
• LabVIEW图形化编程语言 (有时亦称G语言)
一般的模块化仪器或分立台式仪器通常会提供满足以上几种语言调用 需求的驱动程序, 或至少会提供LabVIEW及C语言下的驱动. 这样, 虚拟 仪器系统的开发人员就可以选择自己习惯的编程语言开发自定义的系
• 在PC上的通用性
• 远程功能
• 低成本接口 • LXI为独立的LAN仪器增加可
选的触发功能
– 需要为1588和有线的触发总线 同步配备专用硬件
• 适用于:
– 分布式系统 – 远程监控
6. 虚拟化
• 基于通用硬件平台，充分利用软件定义的仪器设备，
例如用软件实现的软面板代替传统的仪器操作面板 .
提高硬资源重用性和结构灵活性，降低成本、功耗、 故障率等
软件在新一代仪器系统中的重要作用
原始数据 用户自定义功能 PC处理器 总线
信号
模块化仪器 /分立仪器
软件
配置
• 对系统中的模块化仪器 / 分立仪器进行配置 ( 通过驱动 程序完成) • 对通过总线获取的原始数据进行信号处理等计算操作
• 用户界面、数据存储等
“虚拟仪器” 的概念
• 1986 年由 NI 公司提出，它是基于通用硬件平台，充分
$30
$20
12-Bit ADC价格
$10
$1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 Year 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Graph Source: National Instruments & a Leading ADC Supplier
统
7. 智能化
• 利用单或多处理器实现学习、识别、推理等功能，以
使设备充分模拟人的智力能力, 特别适合故障诊断、
识别等应用
人工智能
8. 网络化
• 利用通信线路和设备将仪器连接成较大的复杂系统，
共享资源，提高速率、灵活性, 适合于远程分布测试、
维修、校准、培训等应用
虚拟仪器技术充分体现了这些趋势
共享的电源 模块化仪器系统
模块 6
模块 2
模块 3
测量子系统
可编程的用户界面
软件
模块化仪器架构的出现
便于保持已有投资 同时便于利用最新半导体及PC技术
易于系统升级 运用最新的CPU及内 存技术 最新的总线技术
定时控制 PC 处理器, OS
开放总线
测量硬件
模块 4 模块 1 模块 5
借助最新的ADC, ASIC, DSP, 定时芯片… 更高效稳定的电源管理
• LabVIEW程序设计作业 (30%)
• 硬件数据采集实验 (30%)
• 课程设计(40%)
参考资源
• 参考书
– 虚拟仪器设计基础教程
– LabVIEW2009 中文版虚拟仪器 从入门到精通
• 网络参考资源
– (LabVIEW 图形化 设计中文门户网站) – (NI公司官方网站)
虚拟仪器技术的内涵与外延
自动化测试 自动控制
图形化编程环境或基于文本语言的开发环境
各种硬件模块
课程学习内容与目标
• 虚拟仪器技术的基本概念、工作原理、关键技术和实
际应用，全面了解测控技术领域前沿的技术发展与应
用 • 通过 LabVIEW 软件编程练习和结合硬件的数据采集实 验，掌握图形化编程方式 (G语言) 与虚拟仪器平台的 基本操作，培养实际动手能力
• 最佳的带宽和延迟
• 在 PC上的通用性
• 为系统带来较低的成本 • 适用于:
– 高性能系统
– 数据量要求大的系统
– 集成数种仪器
VME / VXI
VXI最高带宽: 40 Mbytes/s 带宽分布: 共享 传输延迟: <1μs
• 较早的军用/航空系统内
部总线
• 专用仪器设备 • 适用于:
– 维护现有的ATE系统构架
虚拟仪器技术基础
课程背景
• 虚拟仪器技术
– 最早于上世纪90年代由美国国家仪器（National Instruments）公司提 出概念 – 主要思想是利用模块化硬件，结合软件完成各种测试、测量和自 动化应用 – 使测控领域充分利用计算机技术发展, 带来仪器技术的革新
• 应用领域
– 随着计算机、软件、以及电子技术的快速发展，虚拟仪器技术的 应用早已突破最初的仪器控制和数据采集的范畴 – 不仅可用于构建大型的自动化测试系统，还常常用于控制系统、 嵌入式设计等 – 应用包括电子电气、射频与通信、装备自动化、汽车、国防、航 空航天、能源电力、生物医电、土木工程、环境工程等等
PXI
PXI带宽: 132 Mbytes/s PXI带宽分布: 共享 传输延迟: <1μs, 最好
• 继承PCI技术的优势
• 增加同步和触发总线
• 针对尖端应用的可靠性和坚 固性设计 • 适用于:
– 高性能系统
– 数据量要求大的系统 – 集成数种仪器
PXI Express
PXI Express带宽(x8): 2Gbytes/s PXI Express带宽分布: 每插槽专用 传输延迟: <1μs, 最好
2. 自动化
• 程序控制代替手动操作，
提高效率，减轻操作者劳
动强度. 自动化程度愈高， 速度愈快
3. 综合化
• 利用一台多功能仪器代替多台单功能仪器系统，提高 灵活性和可靠性，并降低成本，减小体积
– 例如: 相同的通用射频硬件结合不同软件程序实现多种无线 协议测试以及射频参数测试等功能
WLAN
GSM/EDGE
• 通过分组课程设计 (Project) 建立起系统设计的概念，
同时培养创新能力、独立思考与解决实际问题的能力
课时安排
周时 1-2周 3-8周 课程内容 虚拟仪器技术背景与基本概念 LabVIEW程序设计与数据采集基本概念 方式 课堂讲授 课堂讲授