[转帖]虚拟仪器简介

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[这个贴子最后由cdcll在 2004/04/18 02:09pm 第 1 次编辑]

                   虚拟仪器简介

   20世纪80年代末美国研制成功了虚拟仪器。虚拟仪器的发展标志着自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个崭新方向。所谓虚拟仪器（Virtual Installment，简称 VI）．就是在以通用计算 机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统、使用者用鼠标点击虚拟面板．就可操作这台计算机系统硬件平台就如同使用一台专用电测量仪器、虚拟仪器的出现，使测量仪器与个人计算机的界线模糊了。
   虚拟仪器是利用PC计算机显示器（CRT）的显示功能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PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理．由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理．从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。“虚拟”二字主要包含两方面的含义．
   第一.虚拟仪器的面板是虚拟的。
   虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。如由各种开关．按键、显示器等实现仪器电源的通、“断”．被测信号‘输入通道'、放大倍数'等参数设置；测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是”实物”，而且是由“手动”、“触摸”来进行操作的．而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的“国标”．“通”、“断”、“放大”等，对应着相应的软件程序。这些软件已经设计好了用户不必设计、只需选用代表该种软件程序的图形“控件”即可，由计算机的鼠标“键击，'来对其进行操作。因此，设计虚拟面板的过程就是在“前面板”设计窗口中，从控制模板选取、摆放所需的图形“控件”。大多数初学者多可以
   利用虚拟仪器的软件开发工具．尤其是 LabVIEW图形化编程语言 在短时间内轻松完成一个美观而又实用的“虚拟仪器前面板”的设计，整个设计过程轻松而有趣。
   第二.虚拟仪器测量功能是由软件编程未实现的。
   在以PC计算机为核心组成的硬件平台支持下．通过软件编程设计来实现仪器的测试功能而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能因此有在硬件平台确定后“软件就是仪器'的说法、它体现了测试技术与计算机深层次的结合。
   虚拟仪器的特点
   虚拟仪器的特点可归纳为
   ①在通用硬件平台确定后 由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。
   ②仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的 而不是事先由厂家定义好的。
   ③仪器能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新 而不需购买新的仪器。
   ④研制周期较传统仪器大为缩短。
   ⑤虚拟仪器开放、灵活．可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联。
   决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：虚拟仪器的关键是软件。
   虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出优势。目前．我国高档合式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂对制造水平要求高，生产突破有困难．而采用虚拟仪器技术，可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性价比的各种仪器。

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                随需应变的虚拟仪器
　　随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，简称ＮＩ）在２０世纪８０年代最早提出虚拟仪器（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，简称ＶＩ）的概念。虚拟仪器这种计算机操纵的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同和应用，国内近几年的应用需求急剧高涨。因此，虚拟仪器的产生是测控领域的一次革命。
　　一、什么是虚拟仪器
　　所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。简而言之ＶＩ系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。用户可以通过友好的图形界面（这里称作虚拟前面板）操作计算机，如同操作功能相同的单台传统仪器一样。
　　与传统非数字化仪器相比，虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵活以及其开放性。
　　虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（ＤＡＱ）、串／并口、ＩＥＥＥ４８８接口（ＧＰＩＢ）卡、ＶＸＩ控制器以及其它接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、ＧＰＩＢ仪器控制系统、ＶＸＩ仪器系统以及这三者之间的任意组合。在这里，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。
　　二、虚拟仪器的硬件构成
　　虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种：
　　·基于数据采集的虚拟仪器系统
　　这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如ＬａｂＶＩＥＷ（或ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ?ＣＶＩ）相结合，通过Ａ?Ｄ变换将模拟、数字信号采集到计算机进行分析、处理、显示等，并可通过Ｄ?Ａ转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时ＤＳＰ等硬件模块。
　　·基于通用接口总线ＧＰＩＢ接口的仪器系统
　　ＧＰＩＢ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｂｕｓ）仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用ＧＰＩＢ接口卡将若干ＧＰＩＢ仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易。它可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。利用ＧＰＩＢ技术，可由计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可预先编制好测试程序，实现自动测试，提高了测试效率。
　　·利用ＶＸＩ总线仪器实现虚拟仪器系统
　　ＶＸＩ（ＶＭＥｂｕｓ ＥｘｔｅｎｓｉｏｎｆｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。ＶＸＩ总线是一种高速计算机总线——ＶＭＥ（ＶｅｒｓａＭｏｄｕｌｅ Ｅｕｒｏｃａｒｄ）总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、结构紧凑、使用方便灵活，已越来越受到重视。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。
　　·基于串行口或其它工业标准总线的系统
　　将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。将带有ＲＳ－２３２总线接口的仪器作为Ｉ?Ｏ接口设备通过ＲＳ－２３２串口总线与ＰＣ计算机组成虚拟仪器系统，目前仍然是虚拟仪器的构成方式之一。当今，ＰＣ计算机已更多地采用了ＵＳＢ总线和ＩＥＥＥ１３９４总线。
　　三、虚拟仪器的软件体系构成
　　构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键。没有一个优秀的控制分析软件，很难构成一台理想的虚拟仪器系统。根据ＶＰＰ（ＶＸＩＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ）系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构应包含３部分：
　　·Ｉ?Ｏ接口软件
　　Ｉ?Ｏ接口软件存在于仪器（即Ｉ?Ｏ接口设备）与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器单元进行直接存取数据操作，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。在ＶＰＰ系统规范中，详细规范了虚拟仪器的Ｉ?Ｏ接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合ＶＰＰ规范的虚拟仪器Ｉ?Ｏ接口软件定义为ＶＩＳＡ软件。
　　·仪器驱动程序
　　每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供了用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的；仪器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过Ｉ?Ｏ软件所提供的统一基础与格式的函数库（ＶＩＳＡ）的调用来实现的。对于应用程序设计人员来说，一旦有了仪器驱动程序，在不是十分了解仪器内部操作过程的情况下，也可以进行虚拟仪器系统的设计工作。虚拟仪器驱动程序是连接上层应用程序与底层Ｉ?Ｏ接口软件的纽带和桥梁。
　　·应用软件开发环境
　　应用软件开发环境的选择，可因开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好、功能强大的应用程序。
　　四、虚拟仪器的关键技术
　　虚拟仪器的发展领域非常广阔，开发虚拟仪器既要拥有计算机技术，又要拥有信息处理技术。总线技术是ＶＩ的一个关键问题，ＶＩ需要利用计算机的扩展槽、ＰＣＩ插槽或ＩＳＡ插槽，所以开发ＶＩ的仪器硬件，首先要确定应采用哪一种总线标准，ＰＣＩ总线是一种最新的计算机总线规范，它兼容性强，功能全，传输率高，工作时钟频率３３ＭＨｚ，结构与处理器独立，适合于未来的计算机。１９９７年９月，美国ＮＩ公司发布了一项ＰＸＩ总线标准，ＰＸＩ（ＰＣＩ Ｅｘｔｅｎｔｉｏｎ Ｆｏｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）是ＰＣＩ在仪器领域的扩展。开发ＶＩ可以考虑采用ＰＸＩ标准，因为数据处理工作量大，ＶＩ的仪器硬件部分要尽量做得功能强大，否则，采用软件会影响仪器处理速度。目前，虚拟仪器已具备时域分析和频率域分析的功能，速度都非常快。
　　图形化的编程环境是ＶＩ技术的又一关键因素。１９８６年，ＮＩ公司推出了ＬａｂＶＩＥＷ软件包，它简单直观、效率高、速度快、具有优化的图形编译机制，独特快捷的查错、调试方法，极大地提高了运行速度，采用ＬａｂＶＩＥＷ可以数倍地提高系统开发速度。近年来基于Ｗｉｎｄｏｗｓ９５和ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ的开发平台成为后起之秀，可以使用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ、ＢｏｒｌａｎｄＣ＋＋等功能强大的编程软件编写专用应用软件。
　　五、虚拟仪器的整体设计
　　在科学研究与工程实验室里，有各种各样的仪器与设备。如何提高它们的综合使用效率？如何对它们进行更有效的管理？是仪器用户值得考虑的问题。目前，最有效的方法是采用“虚拟仪器”技术。即充分利用计算机强大的管理与处理能力，以此为基础，将实验室相关设备搭配起来，构成一种全新的实验环境。实验室中的仪器与设备一般都是具有特定功能的单台设备。如果它们具有某种总线接口，就有可能进行虚拟仪器的构造。步骤如下：
　　·确定所用仪器或设备的接口形式
　　如果仪器设备具有ＲＳ－２３２串行总线接口，则不用进行处理，直接用连线将仪器设备与计算机的ＲＳ－２３２串行接口连接即可；如果是ＧＰＩＢ或ＨＰ－ＩＢ接口，则需要额外配备一块ＧＰＩＢ－４８８接口板，将接口板插入计算机的ＩＳＡ插槽，建立起计算机与仪器设备之间的通讯渠道；如果使用计算机来控制ＶＸＩ总线设备，也需要配备一块ＧＰＩＢ接口卡，通过ＧＰＩＢ总线与ＶＸＩ主机箱零槽模块通信，零槽模块的ＧＰＩＢ－ＶＸＩ翻译器将ＧＰＩＢ的命令翻译成ＶＸＩ命令并把各模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。由于计算机的ＲＳ－２３２串行接口有限，若仪器设备比较多，必要时必须扩展计算机的ＲＳ－２３２接口。
　　·确定所选择的接口卡是否具有设备驱动程序
　　接口卡的设备驱动程序是控制各种硬件接口的驱动程序，是连接主控计算机与仪器设备的纽带；如果有设备驱动程序，它适合于何种操作系统？如果没有，或者所带的设备驱动程序不符合用户所用的操作系统，用户就有必要针对所用接口卡，编写设备驱动程序。
　　·确定应用管理程序的编程语言
　　如果用户有专业的图形化编程软件，如ＬａｂＶＩＥＷ、ＨＰＶＥＥ，那么就可以采用专业的图形化编程软件进行编程。如果没有此类软件，则可以采用通用编程语言，如Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ或者Ｄｅｌｐｈｉ。由于它们易于使用、功能强大而倍受测控人员的青睐。
　　六、结束语
　　虚拟仪器技术使现代测控系统更灵活、更紧凑、更经济、功能更强。而图形编程方式使系统软件开发更省时、更省力、更容易。无论是测量、测试、计量，或是工业过程控制和分析处理，还是其它更为广泛的测控领域，虚拟仪器都是理想的高效率的解决方案。随着计算机技术的不断发展，虚拟仪器技术也会在各领域中发挥其重要作用，并表现出强大的生命力，它必然会对科技发展和工业生产产生不可估量的影响。

cdcll

                        虚拟仪器的发展

    美国国家仪器公司（National Instrument简称NI）在20世纪80年代中期，首先提出了“软件就是仪器”（The Software is the Instrument）这一虚拟仪器概念。这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，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。当硬件平台I/O接口设备与计算机确定后，编制某种测量功能的软件就成为该种功能的测试仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给仪器使用者带来无尽的收益。
   虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。

   第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。

   第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡 ( plug-in PC-DAQ )；二是VXI仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。

   第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。

   在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志，一是VXI总线标准的建立和推广；二是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分析与测量仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。

solonsun

虚拟仪器是充分利用现有计算机资源，配以独特设计的软硬件，实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。虚拟仪器不但功能多样、测量准确，而且界面友好、操作简易，与其它设备集成方便灵活。
    虚拟仪器是在通用计算机上加上一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式。给用户一个充分发挥自己才能、想象力的空间。用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统，满足多样的应用需求。

loadmecc

labwindows for civ   怎么学好
我们这学期开了这们课程啊

solonsun

多作几个离子，多实践

solonsun

civ和labveiw还是有区别
如果你用过cpld开发软件如maxplusii，你会感觉cvi 和他有些相似，图形化编程相对来说都比较简单
但要开发出高性能的成品还要化肥较大的功夫

会会

?

wooler

仔细一看才发现又是老铁了，！！！！！

princesz

一直对这个挺感兴趣，不知有没有必要花时间学一下。