简述虚拟仪器
简述虚拟仪器的硬件与软件结构
１）硬件部分：构建基于计算机的虚拟仪器，需要有相应的硬件来支持。
虚拟仪器的硬件组成一般分为基础硬件平台和外围硬件设备。
基础硬件平台目前可以选择各种类型的计算机，虚拟仪器充分地利用了计算机的图形用户界面（ＧＵＩ），所开发的具体应用程序都是基于Ｗｉｎｄｏｗｓ运行环境。
而外围硬件设备则主要包括：各种计算机内置插卡和外置程控测试设备。
这里的外置程控测试设备是指带有某种接口的测试设备。
内置功能插卡产品正在不断面市。
单个插卡就可以完全实现以前体积相对庞大的单台设备的功能。
它可以替代任意波形发生器、计数器、数字万用表、示波器及逻辑分析仪等。
一定程度上实现了测试与测量仪器系统的小型化，提高了便携性。
计算机内置插卡中的数据采集（ＤＡＱ）是ＶＩ的重要组成部分，包括Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换，数字输输出等电路。
其性能决定了数据采集的精度和速度，影响着仪器的整体性能。
ＤＡＱ卡种类繁多，功能齐全，从数据采集的前向通道至后向通道的各个环节，都有对应的ＤＡＱ产品。
随着Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换技术、信号波形处理技术的不断改进，ＤＡＱ卡的采样率已达１ＧＢ／ｓ，精度高达２４位，通道数高达６４个，并能任意结合数字Ｉ／Ｏ、模拟输出和计数器、定时器通道，可以完成模拟波形采集与产生、数字量信号采集、波形采集及数据自动存储、模拟Ｉ／Ｏ、数字Ｉ／Ｏ、定时Ｉ／Ｏ、信号调理等工作。
２）软件部分：ＶＩ系统的核心部分是软件。
ＶＩ的软件由用户应用软件、试验程序和测量仪器驱动程序等三个部分组成，图形化编程技术平台如ＨＰＶＥＥ、ＬａｂＶＩＥＷ和ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ位于最上层。
虚拟仪器软件体系结构ＶＩＳＡ（ＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａ－ｔｉｏｎＳｏｆｔｗａｒｅＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）主要包含两个层次：用户应用程序和设备驱动程序。
其中设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础。
每一种设备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的。
每个设备驱动程序都具有一个共同的应用程序编程接口，因此，不管虚拟仪器所使用的计算机或者操作系统是什么，最终所编写的用户应用程序都是可移植的。
虚拟仪器技术简介
虚拟仪器的发展方向
• 虚拟仪器的标准化、模块化、网络化。 • 网络技术应பைடு நூலகம்到虚拟仪器领域中是虚拟 仪器发展的大趋势。 • 21世纪的仪器应具有参与性。 • 21世纪的仪器应最大限度实现绿色化。
虚拟仪器的应用领域
• • • • • 应用于生产检测 应用于研究和分析 应用于过程控制和工业自动化 应用于机器监控 图象处理（机械视觉技术）
虚拟仪器的特点
（1）硬件标准化模块化，强调“软件即仪器”的 新概念。 （2）系统集成化，打破了传统仪器小而全的现状。 （3）仪器自定义，便于工作和管理。 （4）程序设计图形化（G语言），计算可视化。 （5）内嵌丰富的数据信号处理功能 （6） 基于计算机网络技术和接口技术，利用虚拟 仪器技术可方便地实现测量、控制过程的网络化。
本书的结构
• 第1-2章：Labview 入门，前面板和程序框图设计方法，这是 Labview编程最基本技能。 • 第3章：程序结构 • 第4章： 数组、簇、波形 • 第5章：图形控件和图形数据显示 • 第6章：Express VI • 第7章：字符串和数据文件 • 第8章：硬件内容：数据采集及信号调理 • 第9章：数据分析与处理 第10章：动态程序控制 • 第11-20章：专题内容： • 第11章：仪器控制、 • 第15章：频率测量 • 第19章：网络应用
模拟仪器->数字化仪器->智能仪器; 单台仪器->层叠式仪器系统阶段 从80年代进入虚拟仪器系统时代, 虚拟仪器技术是21世纪仪器的发展方向！ 虚拟仪器将在许多品种和领域内逐步取代 传统硬件仪器，使成千上万种传统仪器演 变为计算机软件！
The Software is The Instrument!
虚拟仪器的构成及分类
虚拟仪器与传统仪器的区别与联系
虚拟仪器与传统仪器的区别与联系
所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器，逻辑分析仪，信号发生器，频谱分析仪等；可集成于自动控制，工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。
它由计算机，应用软件和仪器硬件组成。
无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑，台式
PC 或工作站等各种计算机平台（甚至可以是掌上电脑）加上应用软件而构成的。
虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。
从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律（每半年提高一倍）飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。
虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。
尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。
虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的硬件软件化的发展趋势，因而常被称作软件仪器。
它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训既可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。
在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压。
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
温度采集系统设计摘要：利用图形化可视虚拟仪器应用软件labview作为温度采集监测系统的开发平台,通过数据采集卡与PC机构成一个功能强大的虚拟仪器,实现对温度的采集、显示、监测、报警等功能。
利用虚拟仪器技术不仅简化了系统硬件,软件实现也很方便,同时图形化的显示使结果更直观、准确,并给出了模拟的系统程序。
一、虚拟仪器1. 1虚拟仪器概述虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上, 其功能由用户设计和定义, 具有虚拟面板, 其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板, 以多种形式表达输出检测结果; 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理; 利用I /O 接口设备完成信号的采集与调理, 从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板, 就如同使用一台专用测量仪器一样。
1. 2虚拟仪器的图形化开发平台LabVIEW ( Laboratory V irtua l Instrument EngineeringWorkbench)是一种图形化的编程语言, 它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受, 视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS- 232和RS- 485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/ IP、A ct iveX 等软件标准的库函数。
LabV IEW是一个面向最终用户的工具, 它为用户提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径, 使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率。
LabV IEW 的编程环境包括两个面板: 前面板( pane l )和框图。
通过编制虚拟仪器的前面板来模拟真实仪表的面板, 在程序前面板上, 输入量被称为控制( Controls), 输出量被称为显是控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上, 如旋钮、开关、图表、图形等。
虚拟仪器VirtualInstrument1虚拟仪器的基本概念
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。
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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。
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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
虚拟仪器的基本概念、特点和构成
图17-11 三角波基波信号检测VI的前面板 图17-12 三角波基波信号检测VI的框图程序
◆思考与练习2
1、LabVIEW应用程序由哪几部分构成？ 2、在上述三角波基波信号检测VI中增加“幅
值”和“相位”测量并进行显示。
项目十七 虚拟仪器
[知识链接一] 虚拟仪器的基本概念 [知识链接二] LabVIEW 8.5编程基础
[知识链接一] 虚拟仪器的基本概念
一、虚拟仪器的概念
虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是计算 机技术与仪器技术深层次结合的产物，是对传统 仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。
I/O接口设备组成。 （2）软件结构 虚拟仪器软件由应用程序和I/O接口仪器驱动程序两大部
分构成。 应用程序包含实现虚拟面板功能的前面板软件程序和定
义测试功能的流程图软件程序等两个方面的程序。 I/O接口仪器驱动程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、
驱动与通信
虚拟仪器的构成方式主要有五种类型
图17-2 虚拟仪器的构成方式
图17-7 控件选板
（3）函数选板
函数选板仅位于程序框图。函数选板中包含创建 程序框图所需的VI和函数。按照VI和函数的类型， 将VI和函数归入不同子选板中。
图17-8 函数选板
三、LabVIEW中的Express VIs
LabVIEW的最主要特性是其快捷性，主要体现在程 序框图窗口的函数选板中包含了许多功能强大的 Express VI（快速VI）。它将过去的基本函数面向 应用做了进一步的打包，把常用的测量功能集成于 一些简单易用、交互式的VI中。
用户在程序开发过程中，只需在整个程序流程图中 简单地调用Express VI程序，并使用属性设置页面 配置系统的采集、分析与显示功能，实现应用程序 的快速开发与设计，极大地提高了程序开发效率。
虚拟仪器软件开发平台介绍
虚拟仪器技术起源于20世纪80年代， 随着计算机技术和图形化编程语言的 快速发展，虚拟仪器逐渐成为一种重 要的测量和自动化控制工具。
虚拟仪器优势及应用领域
灵活性
虚拟仪器可以通过软件编程实现各种 复杂和定制化的功能，满足不同应用 需求。
可扩展性
虚拟仪器可以方便地添加新的功能和 模块，实现系统功能的升级和扩展。
信号可视化
提供信号可视化工具，将处理后的 信号以图形化方式展示，便于用户 直观了解信号特性和处理效果。
软件架构设计
模块化设计
采用模块化设计思想，将虚拟仪器软件划分为多个功能模块，降 低系统复杂性，提高可维护性和可扩展性。
层次化结构
构建层次化的软件架构，包括数据采集层、信号处理层、应用层 等，实现不同层次间的解耦和高效协作。
03
支持多通道数据的同步采集，确保不同通道间数据的时序一致
性和准确性。
信号处理技术
数字信号处理算法
运用数字信号处理算法（如滤波、 变换、谱分析等）对采集到的信 号进行加工和处理，提取有用的 特征信息。
实时信号处理
支持实时信号处理功能，能够在数 据采集的同时进行信号处理和特征 提取，满足在线监测和实时控制的 需求。
易用性指标
涉及用户界面设计、操作流程简化等，衡量 平台的易用程度。
功能指标
涵盖虚拟仪器组件数量、类型、数据处理能 力等，体现平台的功能丰富程度。
稳定性指标
考察平台的故障率、恢复能力等，确保平台 的稳定运行。
对比分析不同平台优缺点
平台A
优点包括丰富的组件库和强大的数据处理能 力，但操作相对复杂，学习成本较高。
03
支持自定义模块开发，满足用户个性化需求
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一、虚拟仪器
1.1虚拟仪器的发展
近年来，虚拟仪器技术在国际上发展非常迅速。
这要归功于虚拟现实技术的发展，该技术虚拟化仪器模式——虚拟仪器，特别适用于当今越来越复杂的测试需求。
虚拟仪器技术突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，将日益普及的计算机技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使用户利用计算机、一组软件和极少的必需硬件，就可在屏幕上虚拟出与传统仪器相似的显示面板，使用者通过鼠标和键盘操纵面板上的虚拟按钮、开关、旋钮来实现传统仪器的各种功能操作，通过面板上的虚拟显示屏、数码显示器和指示灯了解仪器的状态读取或打印测量结果，方便灵活地完成对被测试测量的采集、分析、判断、显示及数据存储等。
1.2虚拟仪器的概述
虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、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从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。
1.3虚拟仪器的特点
（1）智能化程度高，处理能力强
虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。
用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
（2）．复用性强，系统费用低
应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。
这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。
通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。
（3）. 可操作性强，易用灵活
虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。
使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过
网络发送。
测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。
（4）.虚拟仪器的核心
虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。
其中最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview。
它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统，它的目标就是简化程序的开发工作，提高编程效率。
Labview使用了所见即所得的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。
用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。
Labview提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库。
Labview支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的Labview应用程序可直接移植到其它平台上。
1.5 .虚拟仪器的软件设计
软件设计由两部分组成：前面板和流程图。
在前面板，输入用输入控件(Control)来实现，程序运行的结果由输出控件(Indicator)来完成。
流程图是完成程序功能的图形化源代码，通过它对信号数据的输入和输出进行指定，完成对信号采集及分析处理功能的控制。
1.6.虚拟仪器的硬件结构
虚拟仪器的硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等硬件。
由于从传感器直接得到的信号很微弱，因此选用了美国Burr Brown公司专门用于数据采集、具有高精度及强抗干扰能力的精密隔离仪表放大器作为信号处理单元的主放大器。
二LaBVIEW
2.1. LabVIEW 简介
LabVIEW 是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的缩写。
它是一个工程软件包。
LabVIEW采用图形化语言编程，以方框图的形式编制程序，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似[8] 。
LabVIEW从基本的数学函数、字符串处理函数、数据运算函数、文件I／O函数到高级分析库，包括了信号处理、窗函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合等，涵盖了仪器设计中几乎所有需要的函数[5]。
LabVIEW的功能模块包括数据采集、通用接口总线和仪表的实时控制、数据分析、数据显示以及数据的存
储。
2.2 LabVIEW的特点
LabVIEW是一种基于图形编程语言，它具有十分强大的功能，包括数值函数运算、数据采集、信号处理、输入/ 输出控制、信号生成、图象的获取、处理和传输等等。
LabVIEW与C，Pascal，Basic 等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及模块化的编程特点等。
但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而LabVIEW使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等）编程，界面非常直观形象，而且使用的都是测试工程师们熟悉的旋钮、开关、波形图等，因此是一种直觉式图形程序语言。
采用LabVIEW编程，其主要特点就是将虚拟仪器分解为若干基本的功能模块（相当于硬件设计的集成电路），模块的引脚代表输入/输出接口。
编程者可以通过交互式手段，采用图形化框图设计的方法，完成虚拟仪器的逻辑和测量分析功能设计。
LabVIEW程序设计过程与人们设计仪器的思维过程十分相似，程序框图就实现了程序代码功能，避免了一般程序设计从框图构思到程序表示的繁琐。
LabVIEW编程的另一个优点是将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机交互界面无须对整个程序进行调试，这对设计像仪器操作面板这样复杂的人机界面而言是十分方便的。
LabVIEW还为用户提供了函数扩展功能，从而可以调用C等传统编程语言写的程序代码、调用标准动态链接库。
2.3 labview的优势
1.图形化编程环境2．可重用性高3．开发功能高效、通用4．支持多种仪器和数采硬件的驱动5．查错、调试能力强大 6. 支持多种操作系统7. 网络功能强大8．开放性强。
2.4利用labview设计虚拟仪器的步骤:
通常，一个虚拟仪器的设计步骤如下。
（1）在前面板设计窗口放置控件
首先，在前面板开发窗口使用工具模板中的相应工具，从控制模板中取用和放置好所需控件，进行控件属性参数设置，标贴文字说明标签。
（2）在流程图编辑窗口，放置节点、图框
在流程图编辑窗口，使用工具摸板中相应工具，从功能模板中取用并放置好所需图标，它们是流程图中的“节点、图框”。
（3）数据流编程
使用连线工具按数据流的方向将端口、节点、图框依次相连，实现数据从源头按规定的运行方式送到目的终点。
（4）运行检验
当完成步骤（1）、（2）、（3）后，前面板程序与流程图图形化程序的设计完毕，一个虚拟仪器已基本建立，是否达到预期功能，还需运行检验。
有如下两种检验方式。
a.防真检验：不使用I/O接口硬件设备。
b.实测检验：它通过I/O接口硬件设备，采集输入标准信号，来检验虚拟仪器的功能。
（5）程序调试技术
利用快捷工具栏中的“运行”、“高亮执行”、“单步执行”、“断点设置”进行以下程序调试步骤。
．a.找出语法错误 b. 设置执行程序高亮 c.断点与单步执行d.探针 e.数据观察 f. 命名存盘
2.5利用labview实现数据采集
LabVIEW中的数据采集实际上包含了模拟输入、模拟输出、数字输入/输出和计数器四种信号输入输出方式。
其中，用的最多的方式是模拟输入方式，这种方式的数据采集过程一般经过以下步骤：
(1).数据采集VI通知数据采集卡相关的采样参数：采样频率、采样次数、采样通道和数据缓存的大小。
(2).采样开始，多路开关对采样通道进行一次依次扫描，每个通道采样一个点。
(3) 采样的模拟信号送到A/D转换器转换成数字信号。
(4) 数字信号存储到数据缓存。
(5). 重复2—4的操作，直到采集到了所需的采样次数，全部数据顺序存储到缓存中。
结束语
通过这次的论文，让我了解到学习知识和动手能力完全是两回事。
你可以把知识学好，但你不能保证你的作品会和你的知识成正比。
也许是因为自己平时的努力不够，在这次的写作中，我感觉特别吃力。
也许在将来的就业上实践能力不足会产生不小的阻力，所以现在的自己不仅要努力学习还要努力实践，能全面发展的大学生才是社会需要的。