虚拟仪器概述
虚拟仪器
虚拟仪器一、起源与发展上世纪80年代末期，美国仪器公司(NI)提出了“软件就是仪器”的新概念，它将计算机技术与现代仪器技术相结合，开发出虚拟仪器这种全新概念的测量仪器，从而打破了传统仪器的结构固定、功能单一、可扩展性差等限制。
虚拟仪器概念最早是由美国仪器公司(national instruments，NI)，于1986年提出的，但其雏形可以追溯到1981年由美国西北仪器公司系统公司推出的AppleⅡ为基础的数字存储示波器。
自20实世纪80年代中期开始，微软公司Windows操作系统的出现，使得计算机操作系统的图形支持功能得到很大提高。
1986年，NI公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabView，标志着虚拟仪器设计软件平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。
虚拟仪器是测试技术和计算机技术综合集成的产物，是计算机技术、测量仪器技术和软件技术共同孕育出的一项革命性新技术，代表了现代测试技术和仪器技术发展方向。
虚拟仪器的出现，彻底改变了传统的仪器观，开辟了测量测试技术的新纪元。
随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器的概念逐步为工业界和学术界所认识，经过20多年的技术进步与发展，已经成为21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向，并且在研究、制造和开发以及一些院校的实验室建设等众多领域得到广泛应用。
二、虚拟仪器概述计算机总线技术、软件技术及相关技术的发展，使得微机在计算机仪器上的作用远远超出了计算机仪器发展初期用来完成控制的范畴。
微机及DSP强大的计算能力使得它们在一定的实时性要求下代替了许多原来由硬件完成的功能，这标志着“软件即仪器(The software isthe instrument)”时代的到来。
人们给这样的测试仪器起了一个形象的名字——虚拟仪器。
虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，是使用在通用计算机上的一组软件和硬件。
虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。
虚拟仪器简介
测量仪器发展至今，大体可以分为四个阶段：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。
模拟仪器：这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的指针仪器仪表。
基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果，如指针式万用表、三级管电压表等。
这类仪器在某些实验室仍能看到。
数字化仪器：这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。
这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。
智能仪器：这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理功能。
智能仪器的功能模块全部是以硬件和固化的软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。
虚拟仪器：是现代计算机软、硬件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。
虚拟仪器技术是美国国家仪器公司（National Instruments，NI）在1986年提出的一种构成仪器系统的新概念，其基本思想是：用计算机资源取代传统仪器中的输入、处理和输出等部分，实现仪器硬件核心部分的模块化和最小化；用计算机软件和仪器软面板实现仪器测量和控制功能。
所谓虚拟仪器，就是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、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
使用者利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。
因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器和计算机的界限模糊了。
虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义：（1）虚拟仪器的面板是虚拟的。
虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。
虚拟仪器
虚拟仪器定义：虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。
特点：（1）突出“软件就是仪器”的概念（2）丰富和增强了传统仪器的功能（3）仪器由用户自己定义（4）开放的工业标准（5）便于构成复杂的测试系统，经济性好。
发展趋势：1.网络化2.标准化 3.不断吸收新技术给虚拟仪器带来生机开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。
高性能计算机的发展推动着仪器发展，计算机具有仪器所需要的最先进及性能价格比最好的显示与存储能力，尤其是计算机总线技术的发展虚拟仪器软件环境将朝着为广大用户提供简单易用的图形化开发环境，用于测试、测量与控制应用系统的开发，帮助工程师和科学家们实现更高的开发效率方向前进。
数据采集产品的性能的不断提高，为测试技术水平的提高提供了可靠保证。
随着网络技术的发展，”网络即仪器”将成为新的概念，网络化仪器必将在新世纪推动仪器界新的革命。
GPIB器件：执行IEEE488.2协议的各种设备统称为“GPIB器件”职能：1.控者职能2.讲者职能3.听者职能Gpib三线挂钩过程：（源方（讲者与控者）与受方（听者））①听者置NRFD为高，表示已做好接收数据准备；听者是线或连接至nrfd②讲者发现NRFD呈高后，讲者发送数据至DIO线上，并令DAV为低电平；表示dio上数据已经稳定且有效③听者发现DAV为低后，就令NRFD为低，表示准备接收数据；④听者接收数据时，ndac一直保持低电平，直至每个听者都收完数据后，置NDAC为高；⑤当讲者检出NDAC为高后，就令DAV为高，表示总线上数据不再有效。
⑥听者检出DAV为高，就令NDAC为低，准备下一个循环。
VXI总线标准是在VME总线标准在仪器领域的扩展。
VXI总线以其开放的系统结构、模块化的设计、紧凑的机械结构、良好的电磁兼容性，以及可靠性高、小型便携和灵活通信能力等一系列优点满足了工业领域需求，被公认为21世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台。
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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。
虚拟仪器总结
虚拟仪器总结引言在科学研究和工程领域中，实验仪器是不可或缺的工具。
然而，仪器的购买和维护成本高昂，并且在某些情况下可能不可行。
这就引入了虚拟仪器的概念。
虚拟仪器是一种通过计算机模拟实验仪器功能和响应的工具。
本文将对虚拟仪器进行总结，并探讨其应用和优势。
什么是虚拟仪器?虚拟仪器是一种通过计算机软件模拟实验仪器的功能和响应的工具。
它使用计算机算法和模型来模拟仪器的操作和输出。
虚拟仪器可以模拟各种实验仪器，包括示波器、频谱仪、信号发生器等。
通过虚拟仪器，用户可以在计算机上进行实验和数据采集，而不需要真实的物理仪器。
虚拟仪器通常具有图形用户界面，以便用户可以方便地操作和观察实验结果。
虚拟仪器的应用虚拟仪器在许多领域有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 教育和培训虚拟仪器在教育和培训中起到了重要的作用。
它可以提供一个实验环境，让学生在不占用实际实验室资源的情况下进行实验。
虚拟仪器还可以提供一个安全的学习环境，避免了可能的实验事故。
教师还可以创建自定义的实验模拟，以满足不同学生的需求。
2. 研究和开发虚拟仪器在科学研究和工程开发中也被广泛使用。
研究人员可以使用虚拟仪器来验证理论模型和算法。
它还可以帮助工程师在产品开发过程中进行实验和优化。
虚拟仪器可以提供快速、准确和可重复的实验结果，加快研究和开发的进展。
3. 远程实验虚拟仪器还可以用于远程实验。
远程实验是一种通过互联网连接到远程实验室进行实验的方式。
虚拟仪器的使用使得远程实验更容易实现。
学生不需要亲自访问实验室，而是可以通过虚拟仪器在计算机上进行实验。
这种方式可以克服时区和地理位置的限制，使得远程教育更具可行性。
虚拟仪器的优势与传统实验仪器相比，虚拟仪器具有以下几个优势：1. 成本效益虚拟仪器的成本远低于实际的仪器。
购买和维护实际仪器是一项昂贵的投资，而虚拟仪器只需要一台计算机和相应的软件。
这使得虚拟仪器成为一种经济实用的替代方案。
2. 灵活性和可扩展性虚拟仪器具有更大的灵活性和可扩展性。
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
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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
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。
第10页
《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）。
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）。
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。
第一章 虚拟仪器概述
虚拟仪器概述
• 虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计 算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是 目前仪器发展的一个重要方向。
– 一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是 所谓智能化的仪器。 – 另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计 算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功 能。
– 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 入量被称为控制（Controls），输出量被称为 显示（ Indicators ）。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、按钮、 图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。
流程图（block diagram）
创建一个VI程序•Fra bibliotek在前面板上放置三个控件，如下图所示：
打开框图程序窗口
• 完成的程序如图所示： • 运行
• 进入框图程序窗口
LabVIEW操作模板
控制模板(Controls Palette)
• 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
• 功 能 模 板 (Functions Palette)函数选板只能在编 辑程序框图时使用，与控 件选板的工作方式大体相 同。创建框图程序常用的 VI 和函数对象都包含在该 选板中。 • 选择View->Functions Palette或右击框图面板空 白处就可以显示函数选板。
LabVIEW是什么？
• LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）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。
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i=0 循环次数＝N
循环次数＝0
Ture 结束循环
False 循环体
i=i+1
循环次数－1
FOR循环执行流程
例：求 S
X M
3 X
N
( M N , 且X , M , N均为整数）
S=0,X=M 循环次数＝N—M+1
S=S+X^3 X=X+1 i=i+1 False
循环次数－1＝0
Ture 结束
例：画出S曲线 S X 3
X 1
N
(1 N 100, X , N均为整数）
练习5-5：使用移位寄存器求平均值。调用Demo Temperature.VI每隔500ms产生模拟测量温度，对连续三 次测量温度值求平均，并在波形Chart中显示实测温度点 和平均温度曲线，加上实测温度和平均温度的数值显示。 习题5-2：创建一个VI程序，每秒测量一次温度，并显示 在波形Chart指示器上。如果温度高出或低于设定范围， VI程序点亮前面板的2个LED。 选作：设计自动控制中的数字PID计算程序，并且在一个 图上同时显示设定值、实测值（调用温度模拟仿真VI产生） 和控制量的曲线和数值。其中，PID系数分别为1，0.01， 2，设定值取75～85可调。 计算公式为: 偏差：e(k ) x x(k )
第五章
循环和图表（二）
电子科技大学自动化学院 詹惠琴 zhanhq@
创建：在函数模板的Structures子模 板中选择For循环，然后将要重复执 行的程序用For循环边框围住。 For循环有两个端口：循环次数端口 N（输入口）和计数端口i（输出口）， 循环次数端口用于指定循环执行的次 数，计数端口用于输出循
For循环要执行预先指定的循环次数。 而While循环只有在条件端口接收到的值为False时 才停止循环。While循环不必知道循环次数。 While循环不满足条件也要执行1次，而For循环当 N<1时1次都不执行。 根据编程方便，选择使用。有些情况两者都可使用。 都可以使用移位寄存器。 循环可以嵌套。
set
控制量：A( K ) K P e(k ) K I e(k ) K D [e(k ) e(k 1)]
i 1
k