虚拟仪器

1. 湖南大学电气与信息工程学院 虚拟仪器 Virtual Instrument 唐 求 E-Mail : tangqiu@hnu.edu.cn Tel : 13077368836

2. 第二章虚拟仪器的基本结构与分类

3. 主要内容： 2.1 DAQ系统2.2 GPIB系统2.3 VXI系统2.4 PXI系统2.5 串口系统2.6 虚拟仪器的设计与实现步骤

4. 测 试 系 统 的 构 成

5. 一个完整的测试系统包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集、信息分析处理、结果输出等。一个完整的测试系统包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集、信息分析处理、结果输出等。 • 数据采集（Data AcQuisition，DAQ）是指从传感器和其它待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程。

6. 1. 传感器和变换器 • 传感器感应物理信息并生成可测量的电信号。 • 例如热电偶、电阻式测温计（RTD）、热敏电阻器和IC传感器可以把温度转变为ADC可测量的模拟信号。 LM35集成温度传感器 压力传感器

7. 2. 信号调理 • 从传感器得到的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的等等，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。 • 信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励、冷端补偿等

8. 3. 数据采集设备 • 信号调理后的信号即可与数据采集设备连接了。通常情况下数据采集设备是一个数据采集卡，与计算机的连接可以采用多种方式。 • NI的数据采集设备支持的总线类型包括PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、CompactFlash、Ethernet以及火线等各种总线。 • 数据采集设备的功能包括模拟输入、模拟输出、数字I/O、触发采集和定时I/O。

9. 4. PC与软件 • 虚拟测试系统的数据分析处理与结果输出由计算机和软件完成。 • 软件使PC与数据采集硬件形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统。 • 软件分为驱动程序和应用程序。 • 驱动程序可以直接对数据采集硬件的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中断、DMA和内存这样的计算机资源结合在一起。驱动程序隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供容易理解的接口。一般来说，硬件厂商在卖出硬件的同时也会提供驱动程序。 • 应用程序用来完成数据的分析，存储和显示等。LabVIEW就是一个极佳的开发上层应用程序的开发平台。

10. 自动测试系统的发展

11. 虚拟仪器的分类

12. 虚拟仪器体系结构

13. 虚拟仪器的内部功能划分

14. 虚拟仪器的分类 • PC-DAQ 系统80年代初 • GPIB 系统1978 • GPIB→VXI→PXI总线方式（适合大型高精度集成系统） • PC插卡→并口式→串口USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景） • VXI 系统1987 • PXI 系统1997 • 串口系统1995

15. 总线的发展

16. 选择合适的总线 • 在开发一个测量系统时，选择正确的总线与选择一个具有合适采样速率和分辨率的设备一样重要。 • 硬件总线可以影响测量的性能、系统搭建时间和便携性等。

17. 总线的分类 • 独立总线，用于架式和堆式仪器的通信。独立总线包括T&M专用总线（如GPIB）和PC标准总线（如串行总线RS-232、以太网、USB、无线和IEEE 1394）。一些独立总线可用作其他独立总线的中介，如USB到GPIB的转换器。 • 模块化总线，将接口总线合并到仪器中。模块化总线包括PCI、PCI Express、VXI和PXI。

18. 独立总线

19. 1. GPIB总线 GPIB（General Purpose Interface Bus，通用接口总线）是仪器与各种控制器（最常见的是计算机）之间的一种标准接口，许多仪器都带有此接口。

20. 2. RS-232和RS-485串行总线 • RS-232是串行通信规范，是传统意义上的“串行”总线的最为常见的规范。 • RS-232也是一个相对较慢的接口，典型的数据速率低于20k字节/秒，虽然有些产品能够达到更高的数据吞吐量。 • 由于RS-232连线长度最长只能达到15米，而且只能点对点通讯，不适合工业现场应用。因此出现了RS-485来解决这些问题，它采用差分的信号传输方式，最长距离可以达到1200米。 • PC上都不带RS-485的接口，因此在接入电脑前需要通过485-232转换器或485-USB转换器才能接入PC。

21. 3. USB • 通用串行总线（USB-Universal Serial Bus）的设计主要用于将PC的外围设备（如键盘、鼠标、扫描仪和移动硬盘等）连接到PC。 • USB是一项即插即用技术。 • 最新的USB规范——USB 2.0完全后向兼容低速和全速设备，同时也定义了一种新的高速模式（Hi-Speed），该模式下数据传输速率高达480Mbits/s。

22. 模块化总线

23. 1. PCI • PCI总线是当今使用最广泛的计算机内部总线之一。 • 一般的计算机都有3个或更多的PCI插槽。PCI提供了高速的传输，理论带宽达到1056Mbits/s。

24. 2.PCI Express • 当PC应用需要更大量带宽时，PCI总线在许多情况下达到了其物理极限。 • 基本物理层由用作一个发送对和一个接收对的一对单工通道构成。每个方向的最初速率2.5Gbits/s为该方向提供了一个200MBytes/s的通信信道，这接近标准PCI数据速率的四倍。

25. 上世纪八十年代中，HP、TEKRONIX、WAVETEK、RACAL等五家公司联合发布了专为美国军方开发的VXI模块化仪器总线标准，1992年被IEEE接受并作为IEEE1155标准发布。这种被称为卡式仪器的新型模块化仪器。上世纪八十年代中，HP、TEKRONIX、WAVETEK、RACAL等五家公司联合发布了专为美国军方开发的VXI模块化仪器总线标准，1992年被IEEE接受并作为IEEE1155标准发布。这种被称为卡式仪器的新型模块化仪器。 由于在体积和速度方面具有明显的优势，在军用、国防工业和制造检测等应用领域很快成为新的流行体系。 3. VXI

26. 上世纪九十年代末，NI、HITECK等公司联合发布了比VXI体积更小、速度更快、成本更低的PXI模块化仪器总线标准。它将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适用于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。上世纪九十年代末，NI、HITECK等公司联合发布了比VXI体积更小、速度更快、成本更低的PXI模块化仪器总线标准。它将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适用于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。 4. PXI

27. 2004年，Agilent和VT等公司联合发起成立了LXI联盟，目前已经有50多家企业申请加入，并在2005年9月发布了LXI标准的1.0版本，2006年8月发布了更为完善的1.1版本。LXI总线标准仪器规范完美融合了机架堆叠式一起、卡式仪器以及被工业界广泛采用的LAN等优点，无需专门的背板式总线机箱和零槽，是下一代ATS具有更高的性价比、通用性和可机动性。2004年，Agilent和VT等公司联合发起成立了LXI联盟，目前已经有50多家企业申请加入，并在2005年9月发布了LXI标准的1.0版本，2006年8月发布了更为完善的1.1版本。LXI总线标准仪器规范完美融合了机架堆叠式一起、卡式仪器以及被工业界广泛采用的LAN等优点，无需专门的背板式总线机箱和零槽，是下一代ATS具有更高的性价比、通用性和可机动性。 5. LXI

28. 2.1 DAQ 仪器系统 以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。 采用PCI或计算机本身的ISA总线，将数据采集卡/板（DAQ）插入计算机的空槽中。

29. 典型的DAQ虚拟仪器由以下部分构成： DAQ采集控制软件 DAQ采集板、卡或盒 现场信号、传感器执行机构 信号调理（放大、过滤等）

30. DAQ 系统的优点： 充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。 缺点： 受PC机机箱和总线限制，电源功率有限，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等。 另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较贵。

31. PC Base DAQ系统架构 中 断 I/O读写 数据缓冲器 地址寄存器

32. 2.2 GPIB 系统 以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 接口标准化问题最早由HP公司提出，HP在1972年发表、1974年定名了HP-IB标准，获IEEE认可，美国称为HP-IB或IEEE-488标准接口系统，英、日、苏称为GP-IB，德、荷称为IEC-IB或IEC-625。 特点：GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。

33. 1972年HP-IB (IEEE-488)定义了仪器和计算机的接口标准。HP-IB是世界上第一个面向仪器和测试的开放总线，相对一般计算机总线标准10-15年的生命周期而言，GPIB作为PC和仪器之间开放的标准通讯接口总线，在过去的30多年使得所谓”机架堆叠式”成为自动化测试系统首选的体系结构。

34. 典型GPIB仪器由：一台计算机、一块GPIB接口卡、和若干GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。典型GPIB仪器由：一台计算机、一块GPIB接口卡、和若干GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。

36. 2.3 VXI 系统 以VXI标准总线仪器模块与计算机硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 VXI总线是在VME总线、Eurocard标准（机械结构标准）和IEEE488标准的基础上由主要仪器制造商共同制定的开发性仪器总线标准。 VXI系统最多可包含256个装置，主要由主机箱、零槽控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新的系统。

37. VXI机箱（13槽）

38. VXI数据采集卡

39. VXI 系统

40. VXI总线组织 VXI 联盟：制定VXI的硬件标准规范，包括机箱背板总线、电源分布、冷却系统、零槽系统、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性以及系统资源管理和通讯规程等内容。 VPP系统联盟：制定一系列VXI软件标准来提供一个开发性的系统结构，真正实现VXI总线产品的“即插即用”。 （VPP: VXI Plug＆Play ， VXI总线即插即用)

41. VXI总线的特点： （1）国际上最早最新推出的开放式总线仪器系统。 （2）由传统的“多机箱堆放式”发展成“单机箱多模块式”，具有安装密度高、体积小、重量轻、易于携带等优点。 （3）采用模块化的严密设计与工艺保证。 （4）资源利用率高，系统易于集成、升级和扩展。 （5）VXI总线仪器模块采用背板总线结构。

42. VXI 系统的优点： （1）它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。 （2）它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持。 （3）VXI系统的组建和使用方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，有其他仪器无法比拟的优势。

43. VXI系统的缺点： 组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

44. DAQ、GPIB、VXI虚拟仪器系统的比较 Application Software Hardware & Driver Software GPIB Serial DAQ VXI Image Acquisition Process or Unit Under Test Motion Control PXI

45. 2.4 PXI 系统 • 上世纪九十年代末，NI、HITECK等公司联合发布了比VXI体积更小、速度更快、成本更低的PXI模块化仪器总线标准。

46. PXI 系统 以PXI标准总线仪器模块与计算机硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 PXI 是 PCI 在仪器领域的扩展（PCI Extension for Instrumentation），将Compact PCI 规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，形成新的虚拟仪器体系结构。

47. PXI规范定义了保证多厂商产品互操作性的仪器级（即硬件）标准接口；PXI规范定义了保证多厂商产品互操作性的仪器级（即硬件）标准接口； • 在电气要求的基础上增加了相应的软件要求，形成了PXI的系统级（即软件）接口标准； • 要求厂商而非用户来开发标准的设备驱动程序，使PXI系统更容易集成和使用。 • PXI规范规定了仪器模块和机箱制造商必须提供用于定义系统配置情况的初始化文件，确定相邻仪器模块是否具有兼容的局部总线能力。

48. 特点： PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。

49. 一个完整的PXI系统

50. 2.5 LXI系统 • GPIB • 成本太高，需要昂贵的I/O 卡和线缆； • 速度太慢；只能最多接14台仪器; • VXI • 整个结构太贵，起步成本太高； • 非标准的I/O (MXI)；模块数量受到限制； • 射频和微波应用受到限制； • 插卡的应用必须受限于机箱; • PXI • 尺寸/功率/EMI 限制了仪器的性能和指标； • 昂贵的起步成本和非标准I/O (MXI)； • 射频和微波应用受到限制；支持的供应商太少； • 插卡的应用必须受限于机箱; 以上的方案都无法很好解决实现远程的编程、控制、 测试测量、故障诊断、获得数据等需求