虛擬儀器與網絡測試技術羅光坤luke0011@163.com虛擬儀器與網絡測試技術電子科技大學自動化工程學院《虛擬儀器設計》“十一五”國家級規劃教材詹惠琴、古軍、袁亮編高等教育出版社200808:19第1章虛擬儀器概述§1.1虛擬儀器的基本概念§1.2虛擬儀器的形成和發展§1.3虛擬儀器的系統結構§1.4虛擬儀器的軟件系統§1.5虛擬儀器技術應用1/26/2023§1.1虛擬儀器的基本概念1虛擬儀器的定義傳統儀器※具有特定功能和儀器外觀1/26/2023虛擬儀器※一種以計算機和測試模塊的硬件為基礎、以計算機軟件為核心所構成的，并且在計算機屏幕上顯示虛擬的儀器面板，可由用戶軟件來定義儀器功能的儀器虛擬數字存儲示波器1/26/2023虛擬直流數字電壓表虛擬溫度檢測與控制系統1/26/20232虛擬儀器的特點硬件是通用的面板是虛擬的，具有良好的人機界面功能是由用戶軟件定義的，功能強測量儀器的三個基本功能組成1/26/2023采集和產生控制和處理顯示和輸出硬件（電子線路）硬件（電子線路）硬件（顯示器與旋鈕）硬件（電子線路）計算機軟件（算法）計算機硬件（顯示器與虛擬旋鈕）傳統儀器虛擬儀器計算機系統資源3傳統儀器與虛擬儀器比較1/26/2023比較內容虛擬儀器傳統儀器系統構成軟件和通用硬件。軟件是關鍵專用硬件系統開發周期開發時間短、技術要求低、系統通用性強開發時間長、技術要求高、系統功能較專一開發費用軟件使得開發和維護費用降至最低開發與維修開銷高技術更新周期短（1－2年）長（5－10年）價格價格低、可復用與可重配置性強價格昂貴功能可塑性用戶定義儀器功能，柔性廠商定義儀器功能，剛性系統開放性開放、靈活，與計算機技術同步發展封閉、固定構成復雜系統能力易與網絡及其他周邊設備互連功能單一的獨立設備人機交互無限的顯示選項、界面友好有限的顯示選項1/26/2023§1.2虛擬儀器的形成和發展1虛擬儀器形成的背景電子測量儀器(ElectronicInstruments)及自動測試系統(AutomaticTestSystem,ATS)的發展結果1/26/2023內置微處理器，具有自動測量和數據處理能力，功能以硬件（或固化的軟件）形式存在，缺乏靈活性。將模擬信號測量轉化為數字信號測量，并以數字方式輸出最終結果。采用模擬電子技術實現，用指針顯示結果。模擬儀器

數字儀器

智能儀器I/O插卡個人計算機的擴展插槽個人儀器1/26/20232虛擬儀器的提出個人儀器和第三代測試系統的發展，形成了以VXI總線和PXI總線等為標準的通用模塊化儀器系統計算機軟件在儀器控制與通信、數據分析與處理、結果顯示與輸出等方面所起的重要作用1986年，美商國家儀器公司（NationalInstrumentNI）提出了虛擬儀器（VirtualInstrumentation）的概念虛擬儀器軟件采用面向對象和可視化圖形編程技術相繼推出了基于GPIB總線、PC-DAQ（DataAcquisition）和VXI總線等多種虛擬儀器系統。虛擬儀器軟件的標準化VPP和VISA，可交互儀器驅動器模型——IVI1/26/20233虛擬儀器的發展與展望新的總線技術的應用模塊化、集成化是硬件發展的主流軟件技術軟件標準等問題如何利用各種軟件開發環境及工具，編制出符合標準的應用軟件網絡化儀器系統1/26/2023§1.3虛擬儀器的系統結構1虛擬儀器的系統構成和內部功能構成系統構成※硬件+軟件：硬件是基礎，軟件是核心1/26/2023內部功能構成※信號采集與產生+數據分析與處理+結果表達與輸出信號采集與產生主要由虛擬儀器的通用硬件平臺，并配合儀器驅動程序共同完成，而數據分析與處理、結果表達與輸出則主要由用戶應用軟件完成1/26/20232虛擬儀器的通用硬件平臺通用硬件平臺的基本功能※信號采集（模擬、數字輸入）信號產生（模擬、數字輸出）信號調理（如幅度放大、抗混濾波等）大容量數據存儲實時信號處理總線與通信核心功能1/26/2023通用硬件平臺的組成框圖※說明以實現A/D及D/A轉換功能為核心，再配備適當的前端信號調理、數據存儲、數字I/O等功能，共同完成虛擬儀器的信號采集、產生和控制功能1/26/2023通用硬件平臺的構成形式※通常為帶有某種標準總線接口的各種測試設備（分立式或模塊式儀器）主要有PC總線的數據采集模塊（PC-DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線儀器模塊、RS-232串口、USB接口儀器等類型，或多種類型的組合1/26/2023(3)基于VXl總線的虛擬儀器內置PC總線（如ISA、PCI）的通用數據采集卡DAQ(1)基于PC總線的虛擬儀器(2)基于GPIB通用接口總線的虛擬儀器國際標準（IEEE488.1和IEEE488.2），技術成熟但其數據傳輸速度一般低于500Kb/s具有模塊化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI儀器的互換性和互操作性但價格相對較高，適合于高端的測試領域，速度約為40MB/s(4)基于PXI總線的虛擬儀器兼容PCI總線(132~264MB/s)產品，集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性價比最好1/26/2023§1.4虛擬儀器的軟件系統1虛擬儀器的軟件層次結構三個層次部分：I/O接口軟件+儀器驅動程序+應用軟件1/26/2023I/O接口層（VISA庫）※I/O接口軟件存在于儀器設備（即I/O接口設備）與儀器驅動程序之間，是一個完成對儀器寄存器進行直接存取數據操作，并為儀器設備與儀器驅動程序提供信息傳遞的底層軟件。VISA（VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture）庫，實質是標準的I/O函數庫及其相關規范總稱。儀器驅動層※連接上層應用程序與底層I/O接口儀器的紐帶和橋梁。是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合應用軟件層※直接面對用戶操作，提供直觀、友好的操作界面、豐富的數據分析與處理功能，完成自動測試任務1/26/2023通用的可視化編程環境※Microsoft公司的VisualC++和VisualBasic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等2虛擬儀器的軟件開發平臺專用于虛擬儀器開發的軟件編程環境※圖形化編程（G語言）環境：NILabVIEW、AgilentVEE文本編程環境：NILabWindows/CVI其中，LabVIEW是目前最流行、應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件。非常適于儀器、測量與控制領域的虛擬儀器軟件開發1/26/2023其它※NI公司還推出了LabVIEWToolkits工具箱，應用領域如：高級分析函數：小波、聯合時頻分析特定應用的分析：聲音和振動、階次分析、頻譜現成即用的數據管理用于測試文件數據記錄、警報、安全機制和機器視覺報告的生成和連接：SQL、ODBC、MicrosoftExcel1/26/2023AdvancedSignalProcessingToolkitNISoundandVibrationToolkitDatabaseConnectivityToolkitAdaptiveFilterToolkitDigitalFilterDesignToolkitSystemIdentificationToolkitMathInterfaceToolkitSimulationInterfaceToolkitReportGenerationToolkitNILabVIEWInternetToolkit1/26/20233虛擬儀器系統的設計過程1/26/2023測試需求分析※分析被測參數的形式（電量還是非電量、數字量還是模擬量）、范圍（幅度、頻率）和數量（通道數），激勵信號的形式和范圍要求性能指標（測量精度、速度）要求功能（用戶接口界面、數據分析與處理、存儲與顯示、外部通信接口等）要求系統總體方案設計※根據測試任務要求，確定測試方法系統組成結構設計1/26/2023系統硬件設計※自制或購買硬件系統集成系統軟件設計※選擇軟件開發環境底層驅動設計上層應用軟件設計（用戶界面設計、測量數據分析與處理、算法設計、測量結果表達）軟硬件集成與調試※功能測試指標測試系統優化1/26/2023§1.5虛擬儀器技術應用

從軍用到民用，虛擬儀器無處不在。85%的世界500強制造型企業已經選擇了虛擬儀器技術，NI提供的1000多款軟硬件產品應用遍布電子、機械、通信、生物醫藥、科研、教育等各個行業領域。1/26/2023測試測量工業自動化聲學測試設備測試工業自動化食品加工汽車測試生物醫學研究控制工程機器視覺計量校準電子與非電子測試石油和天然氣工程制藥生產光纖校準光學度量和測定工業機器人過程自動化研發調試半導體測試SCADA統計流程控制通信測試振動測試晶片傳送手臂機械制造虛擬儀器的應用領域1/26/2023(1)消費電子微軟公司使用LabVIEW和PXI模塊化儀器開發了Xbox和Xbox360手柄的多功能驗證系統，測試效率提升了100%。1/26/2023(2)結構監測

為了對東海大橋進行實時可靠的健康監測，上海巨一公司使用NI的PXI平臺和動態采集（DSA）設備實現了全橋14個工作站的上千個通道的需求，并通過GPS時間信號和PXI背板實現了精確的同步采集標準。1/26/2023(3)RF與通信測試上海聚星儀器公司使用NILabVIEW和基于PXI的矢量信號分析儀開發了業界性價比最高的GPS多星接收機測試。基于軟件的優勢使得系統可以同時仿真多顆衛星的信號，使接收機的功能測試更為有效。1/26/2023(4)聲音與振動基于NILabVIEW圖形化開發環境配合PXI模塊化硬件平臺，波音公司實現了一個數量高達600的麥克風陣列。該麥克風陣列可以同步地將飛機飛過區域時的噪音采集、回溯并對龐大的噪聲數據進行處理，然后繪制不同噪聲等級的示意圖，準確地確定噪聲來源。1/26/20231/26/20231/26/20231/26/2