虚拟仪器技术应用基础
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。
虚拟仪器技术应用教程教学课件第2章
主要内容
2.1 数值型 2.2 布尔型 2.3 字符串 2.4 数组 2.5 簇 2.6 波形
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2.2.1 布尔型-前面板
布尔数据类型的值为1或者0，即真（True）或者假 （False）。通常情况下布尔型即为逻辑型，因此在程序框图 中可进行与、或、非、异或等布尔运算。
➢ 前面板控件
布尔型数据分别是前面板上的数值输入控件和数值显示 控件，另一种是程序框图上的布尔常量。在前面板窗口中包 括多种形式的控件和指示器，包括开关按钮、翘板开关、摇 杆开关、指示灯、按钮、单选按钮等控件，如图2.2所示。
均显示为星号（*）。 （3）十六进制显示模式：这种方式下，字符以与其对应
的十六进制ASCII码的形式显示，尤其在程序调试和VI通信 时比较有用。
（4）反斜杠代码显示模式：用户可使用该方式查看正常 方式下不可显示的字符代码。
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2.3.3 字符串-函数
➢ 字符串常用函数
字符串函数用于合并两个或两个以上字符串、从字符串 中提取子字符串、将数据转换为字符串、将字符串格式化用 于文字处理或电子表格应用程序。字符串常用函数如下。
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主要内容
2.1 数值型 2.2 布尔型 2.3 字符串 2.4 数组 2.5 簇 2.6 波形
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2.4.1 数组
数组是同类型元素的集合。一个数组可以是一维或者多 维。可以通过数组索引访问其中的每个元素。索引的范围是 0 到n-1，其中n 是数组中元素的个数。
数组的元素可以是数据、字符串等，但所有元素的数据 类型必须一致。在前面板和程序框图中可以创建数值、布尔、 路径、字符串、波形和簇等数据类型的数组。数组由元素和 维度组成。
（7）扫描字符串函数：扫描输入字符串，然后依据格式 字符串进行转换。
虚拟仪器技术课件第1章
函数模板功能说明
应用控制
文件I/O 图形与声 音
外部程序或VI调 用、打印菜单， 帮助管理
仪器接口的驱动 程序
3D图形、绘图及 声音处理
报表生成
报表的创建、存 储、打印设置
同步
同步功能
随机数产生
前面板设计窗口
随机数产生
流程图编辑窗口
随机数产生
流程图编辑窗口
随机数产生：
产生0-1之间的双精度浮点数。产生的数字 大于等于0，小于1，呈均匀分布。
摄氏温度转换华氏温度的数学关系为
F C 1.8 32
(1-1)
华氏温度转换摄氏温度的数学关系为
C (F 32) 5
9
(1-2)
温度转换对应关系
℃
℉
0℃ →
32 ℉
100 ℃ →
212 ℉
每一份 ℃= （212-32）/100 ℉=（180）/100 ℉=9/5 ℉
结论： 1℃=9/5 ℉
文本编辑 创建文本
用于弹出对象的属性 对象菜单 菜单，作用与鼠标右
键一样
滚动工具 实现窗口漫游功能
工具模板功能
断点工具
在调试程序时，为程 序设置断点
在数据线或节点上设 探针工具 置探针来观察数据变
化
取色工具 提取对象当前颜色
着色工具 用于给对象定义颜色
控制模板功能说明
在进行前面板设计时， 使用控制模板。
固定的，仪器间相互配合较差
开发与维护费用降至最低
开发与维护开销高
技术更新周期短（0.5—1年）
技术更新周期长（5—10年）
编程软件 显示选项 时间记录 自动化
自己编程硬件，二次开发强 无限显示选项 完整的时间记录和测试说明 自动化的测试过程
第1章虚拟仪器的基础知识
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。
2019/11/11
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。
2019/11/11
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
虚拟仪器技术-虚拟仪器基础实验
仪器驱动程序函数简介
1、通用函数
（1）初始化函数建立驱动程序与仪器的通信联系。 VPP规范对参数返回的状态值作了规定
✓ （2）复位函数将仪器置为默认状态
✓ （3）自检函数对仪器进行自检。
✓ （4）错误查询函数。完成仪器错误的查询。
✓ （5）错误消息函数将错误代码转换为错误消息。
✓ （6）版本查询函数对仪器驱动程序的版本与固有版本 进行查询。
✓ （7）关闭函数终止软件与仪器的通信联系，并释放系 统资源。
➢ 2、特定函数 ✓ 1）测量类功能类别函数。
✓ 2）源类功能类别函数。
✓ 3）开关类功能类别函数。
仪器驱动程序功能面板
1、功能面板的结构 功能面板文件最小树结构
➢ 2、功能面板的部件函数 功能面板树结构
在功能面板中，每一个层次的部件都必须包括各自 的帮助文档，帮助文档可分为如下5部分：
2、应用实例
本节通过分别调用非VISA的I/O接口软件库与VISA库 函数，对GPIB器件与VXI消息基器件进行简单的读/ 写操作（向器件发送查询器件标识符命令，并从器件 读回响应值），从而进行VISA与其他I/O接口软件的 异同点比较。
【实例1】用非VISA与其他I/O接口软件库（NI公司 的NI-488）实现GPIB仪器的读/写操作
➢ 2、关于驱动器的基本概念
仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的 软件程序集合。它负责处理与某一专门仪器通信和控 制的具体过程，将底层的复杂的硬件操作隐蔽起来， 通过封装复杂的仪器编程细节，为了使用户使用仪器 提供了简单的函数调用接口。
仪器驱动程序是连接上层应用软件与底层输入/输出 软件的纽带和桥梁。
远超出了一般I/O控制软件的范畴，而且由于VISA内
浅谈虚拟仪器技术的应用及发展
浅谈虚拟仪器技术的应用及发展摘要：虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。
这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。
关键词：虚拟仪器滤波一、虚拟仪器技术概述虚拟仪器（Virtual Intrument，简称VI）是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传组仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。
虚拟仪器是继第一代仪器——模拟式、仪表器二代仪器——分立元件式仪表、第三代仪器——数字式仪器、第四代仪器——智能化仪器之后的新一代仪器。
虚拟仪器是在计算机的显示屏上虚拟了传统仪器面板的计算机化仪器，它尽可能多的将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理的功能，代替为计算机的程序来完成。
这种硬件功能软件化，是虚拟仪器的一大特征。
操作人员在计算机的屏幕上利用指点设备操作虚拟的仪器，就象操作真实的仪器一样，完成对被测量的采集、显示、分析、处理、存储及数据生成。
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，并且在计算机屏幕上显示虚拟的仪器面板，可由用户软件来定义仪器功能的仪器。
虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、和工业生产等各种领域。
现有的虚拟仪器系统按硬件工作平台主要可分为基于PC总线的虚拟仪器、基于VXI的虚拟仪器、基于PXI的虚拟仪器，所应用场合不同各有其特点。
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。
这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。
实验虚拟仪器基础——NIELVIS入门
5）虚拟仪器（NI ELVIS）基础实验[实验目的]1．了解虚拟仪器概念2．学习NI ELVIS软面板仪器的使用，并进行实际测量3．了解G语言，LabVIEW编程初步[实验原理]一．虚拟仪器简介1．软件即仪器虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是基于计算机的软硬件测试平台。
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。
20世纪80年代，随着计算机技术的发展，个人电脑可以带有多个扩展槽，就出现了插在计算机里的数据采集卡。
它可以进行一些简单的数据采集，数据的后处理由计算机软件完成，这就是虚拟仪器技术的雏形。
1986年，美国National Instruments公司（简称NI公司）提出了“软件即仪器”的口号，推出了NI-LabVIEW开发和运行程序平台，以直观的流程图编程风格为特点，开启了虚拟仪器的先河。
2．与传统仪器比较虚拟仪器∙使用者定义功能∙软件定义的界面∙网络/互联网的连接传统仪器∙制造商定义功能∙固定的界面∙有限的扩展功能3．LabVIEW图形化开发环境LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境。
它功能强大且灵活，包含内容丰富的数据采集、分析、显示和存储工具。
LabVIEW用于实现对实际物理量的采集、分析和表达，利用它可以方便快捷地建立自己的虚拟仪器。
以LabVIEW为代表的图形化程序语言，又称为G语言。
使用这种语言编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。
LabVIEW与虚拟仪器有着紧密联系，在LabVIEW中开发的程序都被称为VI（或虚拟仪器），其扩展名为vi。
VI包括三个部分：前面板（Front Panel）、程序框图（Block Diagram）和图标/连接器（Icon and Connector Pane）。
程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。
在程序前面板上，输入量称为控制器（Control），输出量称为显示器（Indicator）。
虚拟仪器技术的应用与发展
虚拟仪器技术的应用与发展虚拟仪器技术是一种基于计算机技术的新型仪器技术，它将传统的仪器与计算机技术相结合，实现了仪器的数字化、智能化和网络化。
虚拟仪器技术的应用范围非常广泛，包括物理、化学、生物、医学、环境等多个领域。
本文将从应用和发展两个方面来探讨虚拟仪器技术的现状和未来。
一、虚拟仪器技术的应用1. 物理领域在物理实验中，虚拟仪器技术可以模拟各种物理现象，如光学、电学、热学等，使学生能够更加直观地理解物理原理。
同时，虚拟仪器技术还可以帮助研究人员进行物理实验的设计和优化，提高实验效率和准确性。
2. 化学领域在化学实验中，虚拟仪器技术可以模拟各种化学反应，如酸碱中和、氧化还原等，使学生能够更加深入地理解化学原理。
同时，虚拟仪器技术还可以帮助研究人员进行化学反应的模拟和预测，提高实验效率和准确性。
3. 生物领域在生物实验中，虚拟仪器技术可以模拟各种生物现象，如细胞分裂、基因表达等，使学生能够更加生动地理解生物原理。
同时，虚拟仪器技术还可以帮助研究人员进行生物实验的设计和优化，提高实验效率和准确性。
4. 医学领域在医学实验中，虚拟仪器技术可以模拟各种医学现象，如心电图、脑电图等，使医学学生能够更加直观地理解医学原理。
同时，虚拟仪器技术还可以帮助医学研究人员进行医学实验的设计和优化，提高实验效率和准确性。
5. 环境领域在环境实验中，虚拟仪器技术可以模拟各种环境现象，如大气污染、水污染等，使学生能够更加深入地理解环境原理。
同时，虚拟仪器技术还可以帮助环境研究人员进行环境实验的设计和优化，提高实验效率和准确性。
二、虚拟仪器技术的发展虚拟仪器技术的发展已经取得了很大的进展，但仍然存在一些挑战和机遇。
1. 挑战虚拟仪器技术的发展面临着以下挑战：（1）技术难题：虚拟仪器技术需要涉及多个学科领域，如计算机科学、物理学、化学等，技术难度较大。
（2）成本问题：虚拟仪器技术需要大量的计算机硬件和软件支持，成本较高。
（3）标准化问题：虚拟仪器技术的标准化问题尚未得到解决，不同厂家的虚拟仪器之间存在兼容性问题。
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移动平均
➢ 移动平均是一种特定的低通滤波器，去除信号 中的高频噪声
➢ 平均长度越长，截止频率越低 ➢ 低频幅度有一定的衰减
虚拟仪器技术应用基础
移动平均对信号幅度的影响
➢ 低频幅度有一定的衰减，衰减程度随平均长度 的增加而增大
虚拟仪器技术应用基础
低通滤波器设计
➢ 使用滤波器设计Express VI设计低通滤波器， 用于去除高频噪声
虚拟仪器技术应用基础
需要加窗的原因——频谱泄漏
➢ 实际信号采样之后进行频谱分析时需要考虑频谱泄漏的问题
➢ 没有以整数周期进行采样的信号生成高频不连续成分，从而导致频谱泄漏 ➢ 频谱泄漏导致频率测量失真，因为不连续部分的高频能量会在频谱扩散1个Fra bibliotek期不连续
虚拟仪器技术应用基础
频谱泄漏
整数周期 —
无泄漏
虚拟仪器技术应用基础
域变换
预处理
➢ 变换是信号处理的精髓
➢ 换个角度看问题 ➢ 变换可能使得信号的隐藏特征显而易见
➢ 常用变换域
➢ 频域 ➢ 尺度域 ➢ 时频域 ➢ 角度域
➢ 一个函数完成一台传统频谱分析仪的主要功能
➢ 系统的激励和响应信号作为输入，直接输出系 统的FRF
➢ 加窗、平均、H1、H2、H3等设置 ➢ 直接在LabVIEW前面板显示频响函数
虚拟仪器技术应用基础
参数测量例3——正弦参数提取
➢ 传统方法
➢ 功率峰值法：精度受频谱泄漏和谱线密度影响 ➢ 零点检测法：精度受噪声影响
➢ 可灵活调整滤波器的频响，以去除高频噪声同 时又尽可能保持低频成分的幅度
虚拟仪器技术应用基础
滤波器Express VI
• 选择滤波器类型
− 低通 − 高通 − 带通 − 带阻 − 平滑
• 选择滤波器规范
− 截止频率 − FIR或IIR − 阶数
• 直观显示效果
− 便于调整参数 达到理想效果
虚拟仪器技术应用基础
➢ 移动平均和低通滤波不适用于宽频、时变、多 尺度信号的降噪
虚拟仪器技术应用基础
小波降噪
➢ 基于小波的降噪方法适合于宽频、时变、多尺 度信号的降噪
虚拟仪器技术应用基础
降噪方法比较
移动平均
低通
小波
去除成分
高频
幅频响应 类型
低通滤波
过渡带 低频衰减
较长 (与平均长度有关)
较大 (与平均长度有关)
优势
LabVIEW中的数字滤波器函数
数字滤波器设计工具包*
最简单的: 滤波器Express VI
滤波器函数
关于各种数字滤波器的特点和参数影响不 是本课程关注的重点，可参考《数字信号 处理》课程及相关参考书
虚拟仪器技术应用基础
软件滤波与硬件滤波
➢ 硬件滤波
➢ 在上一课中我们提到“滤波”是一类重要的信号调理手段 ➢ 通过模拟电路直接对模拟信号进行处理，在数字化采样之前
➢ LabVIEW交互式的环境便于完成需要反复试 验✓(T图r形ia化l a编n程d error)的预✓处调理试任探务针 (Probe)
✓ VI前面板
✓ Express VI
虚拟仪器技术应用基础
参数测量
预处理
➢ 频率、周期与相位 ➢ 直流分量、有效值(RMS) ➢ 脉冲参数：占空比、超调比等 ➢ 总谐波失真(THD)、SINAD ➢ 振动级、声压级 ➢ 谐振频率、阻尼
为什么需要信号处理
➢ 功率分析
➢ 频率测定
➢ 滤除多余成分
➢…
信号
处理
函数
信号 处理 函数
输入信号
信号
处理
函数
虚拟仪器技术应用基础
Vrms2 500 Hz 完美的正弦曲线
信号处理的系统流程
数据采集
参数测量 预处理 信号分析域变换
建模
交互显示
选择合适的信号处理算法
虚拟仪器技术应用基础
信号预处理
➢ 信号预处理的目的
发生
➢ 软件滤波
➢ 这节课我们所讨论的内容 ➢ 已经经过了采样和数字化，通过软件对数字信号进行处理
➢ 两者比较
➢ 软件滤波配置简单，几乎无成本，随时间无老化效应 ➢ 硬件滤波不需要占用处理器资源 ➢ 软件滤波可能在某些噪声条件下效果较差 ➢ 两者可能同时使用
虚拟仪器技术应用基础
降噪的挑战 – 宽频、时变、多尺 度
虚拟仪器技术应用基础
非整数周期 —
泄漏
加窗可减少频谱泄漏对频谱分析
的影响
➢ 加窗可加强信号部分，减弱其它 部分
➢ 加窗可以将不连续部分的幅值最 小化
➢ 减少频谱泄漏
➢ 加窗对幅值和相位的效果、不同 窗函数的影响效果等内容可参考 《数字信号处理》课程或相关参 考书
虚拟仪器技术应用基础
参数测量例2——FRF
➢ 降噪、去直流、去漂移等 ➢ 量纲、物理量转换
预处理
参数测量 域变换 建模
➢ 常用的信号预处理方法包括
➢ 移动平均
➢ 滤波
➢ 积分、微分
➢ 重采样
➢…
虚拟仪器技术应用基础
信号预处理——降噪
➢ 信号噪声一般指信号中的高频次要部分 ➢ 常用降噪方法
➢ 移动平均 ➢ 低通滤波 ➢ 小波降噪
虚拟仪器技术应用基础
简单易用
高频
有选择地去除高频
低通滤波
可控 (与滤波器设计有关)
可控 (与滤波器设计有关)
低通并保留高频幅度较 大部分
（非线性）
与小波类型有关
与小波类型有关
性能可控
非平稳信号效果好
虚拟仪器技术应用基础
使用LabVIEW做信号预处理的 优势
➢ 丰富的函数
➢ 滤波器设计、重采样、抽样、插值、去直流、 曲线拟合、小波降噪、小波去趋势、时变滤波 等等
➢ LabVIEW中使用的三点法
➢ 专利技术 ➢ 消除频谱泄漏影响 ➢ 高精度
Demo
虚拟仪器技术应用基础
使用LabVIEW做参数测量的优 势
➢ LabVIEW的函数专门针对工业应用
➢ 函数功能强大，调用现成VI完成参数测量任务 ➢ 隐藏底层算法，符合工业标准的设置方式 ➢ 包含单位量纲，自动给出测量结果的量纲
虚拟仪器技术应用基础
第五讲 基于LabVIEW的信号处理
虚拟仪器技术应用基础
信号处理在各个行业的应用
汽车：噪声定位
生物：医电分析
信号处理 Signal Processing
通讯：信道消噪
机电：机器监测
虚拟仪器技术应用基础
能源：管道监测
回顾: 一种典型的虚拟仪器系统
信号
采集
分析
表达
信号处理
虚拟仪器技术应用基础
参数测量 域变换 建模
虚拟仪器技术应用基础
参数测量的应用
➢ 电声设备特性测量
➢ 音箱、耳机、麦克风、功放等 ➢ 频响、THD等参数
➢ 土木与机械结构动态特性测量
➢ 谐振频率、阻尼
➢ 其他应用
➢ 汽车 ➢ 生产线自动质量控制系统
虚拟仪器技术应用基础
参数测量例1——频谱测量
可交互式地对参数进 行配置（如选择不同 的窗函数等）