虚拟仪器 vs 传统仪器

1. 虚拟仪器 vs传统仪器

2. 什么是虚拟仪器？ • 虚拟仪器技术就是用户自定义的基于PC技术的测试和测量解决方案，其4大优势在于：性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成功能。 • 性能高虚拟仪器是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。随着数据传输到硬驱功能的不断加强，以及与PC总线的结合，高速数据记录已经较少依赖大容量的本地内存。以一台60G的示波器为例，在采用虚拟仪器技术的情况下，构建这样一台示波器是相当简单的，只要将一台基于PC的数字转换器放置在PC机中，就能以高达每秒100MB的速度将数据导入磁盘。

3. 虚拟仪器技术的另一突出优势就是不断提高的网络带宽。因特网和越来越快的计算机网络时的数据分享进入了一个全新的阶段，将因特网和NI的软硬件产品相结合，您就能够轻松地与地球另一端的同事共享测量结果，分享“天涯若比邻”的便捷 • 扩展性强NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于NI软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

4. 开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、部署、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

5. 完美的集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，但是这些不同设备间的连接和集成总是耗费大量时间，不是轻易可以完成的。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，例如数据采集、视觉、运动和分布式I/O等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。为了获得最高的性能、简单的开发过程和系统层面上的协调，这些不同的设备必须保持其独立性，同时还要紧密地集成在一起。NI的结构可以使开发者们快速创建测试系统，并随着要求的改变轻松地完成对系统的修改。得益于这一集成式的构架带来的好处，您的系统可以更具竞争性，因为您可以更高效地设计和测试高质量的产品，并将它们更快速地投入市场。完美的集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，但是这些不同设备间的连接和集成总是耗费大量时间，不是轻易可以完成的。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，例如数据采集、视觉、运动和分布式I/O等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。为了获得最高的性能、简单的开发过程和系统层面上的协调，这些不同的设备必须保持其独立性，同时还要紧密地集成在一起。NI的结构可以使开发者们快速创建测试系统，并随着要求的改变轻松地完成对系统的修改。得益于这一集成式的构架带来的好处，您的系统可以更具竞争性，因为您可以更高效地设计和测试高质量的产品，并将它们更快速地投入市场。

6. 虚拟仪器的概念 • 虚拟仪器是一种概念仪器，迄今为止，业界还没有一个明确的国际标准和定义。虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。业界一般认为，所谓虚拟测量仪器，就是采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，对各种各样的数据进行计算机处理、显示和存储。虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术结合，从而开拓了更多的功能，具有很大的灵活性，由于虚拟仪器的设备利用率高、维修费用低、能够获得较高的经济效益。用户购买了这种虚拟仪器，就不必再担心仪器会永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过对软件的不同应用，拓展VI功能，以便适应实际生产的需要。虚拟仪器的另外一个突出的优点是能够和网络技术结合，能够通过网络借助OLE、DDE技术与企业内部网Intranet联接，与外界进行数据通信，将虚拟仪器实时测量的数据输送到Intranet

7. “软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I／O部件来构建虚拟仪器。I／O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I／O部件来构建虚拟仪器。I／O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。 虚拟仪器 功能由用户自己定义；面向应用的系统结构，可方便地与网络外设、应用等连接；展现全汉化图形界面、计算机接读数、分析处理；数据可编辑、存储、打印；软件是关键部分；价格低廉（是传统仪器价格的五至十分之一）；基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器；技术更新快（周期为1－2）；基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用；个人可以拥有一个实验室。

8. NI推出的虚拟仪器开发平台软件LabWindows／CVI和LabVIEW，能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。LabVIEW由于能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如，用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作，以便满足各种不同的测量、测试和分析系统的需要，还可以将其用于对仪器的监控和工业过程自动化控制，使虚拟仪器能够在更广泛的范围内发挥更大的作用。NI推出的虚拟仪器开发平台软件LabWindows／CVI和LabVIEW，能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。LabVIEW由于能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如，用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作，以便满足各种不同的测量、测试和分析系统的需要，还可以将其用于对仪器的监控和工业过程自动化控制，使虚拟仪器能够在更广泛的范围内发挥更大的作用。

9. 仪器概念的转变 传统仪器 厂商定义功能 虚拟仪器 用户定义功能

10. 显示 虚拟仪器的构成元素 数据采集 和 控制 信号 分析 Plug-In DAQ Boards IEEE 488 (GPIB) RS-232 Signal Processing Digital Filtering Statistics Array Operations Graphical User Interface Hardcopy Output File I/O

11. Virtual Instrumentation-- Computer Based Instruments

12. 虚拟仪器系统 • Measurement Studio • LabVIEW Application Software Hardware & Driver Software GPIB Serial DAQ VXI Image Acquisition Motion Control PXI Process or Unit Under Test

13. 数据采集系统 采集 分析 显示

14. 测试系统开发软件 基于PC的数据采集和仪器控制开发软件 Source: Survey of 400 US readers from T&M World, EDN, Design News, and R&D magazines, March 2002

15. 虚拟仪器技术应用领域 • 航空 • 航天 • 教学 • 核工业 • 军工 • 通信测试 • 铁道 • …….

16. 虚拟仪器——仪器发展的新时代 由于微电子技术、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，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在这种背景下，八十年代未美国研制成功虚拟仪器。 所谓虚拟仪器就是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。虚似仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。 虚拟仪器是利用PC计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立中英文界面的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可以广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多方面。

17. 国际上从1988年开始陆续有虚拟产品面市，当时有五家制造商推出30种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿美元的4％。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大虚拟仪器制造国。生产虚拟仪器的主要厂家有HP公司，目前生产100多种型号的虚拟仪器。还有Tekronix公司，目前生产约80多种型号的虚拟仪器。这些厂家的产品在国际市场上有较强的竞争力，目前已开始进入中国市场，但价格较高，因为没有中文界面，还没有广泛地被用户所接受。国际上从1988年开始陆续有虚拟产品面市，当时有五家制造商推出30种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿美元的4％。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大虚拟仪器制造国。生产虚拟仪器的主要厂家有HP公司，目前生产100多种型号的虚拟仪器。还有Tekronix公司，目前生产约80多种型号的虚拟仪器。这些厂家的产品在国际市场上有较强的竞争力，目前已开始进入中国市场，但价格较高，因为没有中文界面，还没有广泛地被用户所接受。 现代化生产要求电子仪器品种多，功能强，精度高，自动化程度高，而且要求测试速度快，实时性好，具有良好的人机界面。虚拟仪器与传统仪器相比有以下几个特点： 传统仪器 功能由仪器厂商定义；与其它仪器设备的连接十分有限；图形界面小，人工读数，信息量小；数据无法编辑；硬件是关键部分；价格昂贵；系统封闭，功能固定，扩展性低；技术更新慢（周期为5－10年）；开发和维护费用高；多为实验室所拥有。

18. 与其它基于计算机的自动化测试系统一样，虚拟仪器是最新的PC技术（例如PentiumⅢ）、先进的测试技术（如VXI／PXI功能模块仪器）和强大的软件包等多种技术的大集成。虚拟仪器与传统独立仪器的应用领域，既相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的。例如，利用虚拟仪器系统可开发复杂的汽车驾驶室模拟仿真测试台，并且在开发时可以获得极高的工作效率，这对于传统仪器系统而言，是不可思议的。　　专家们指出，在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在21世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命 。

19. 虚拟仪器的硬件构成

20. 　如图所示，虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种： 　　(1)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。 　　(2)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。

21. 　(3)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。 　　(4)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。

22. 设计虚拟仪器的软件工具 • 设计虚拟仪器的过程与主要工作内容就是编制应用软件的过程。设计虚拟仪器必需有合适的软件工具。因此，提供应用软件开发工具的软件平台技术也相应快速发展。目前流行的软件开发工具主要有两类：文本式编程语言：如Visual C＋＋，Visual Basic，LabWindows／CVI等；图形化编程语言：如LabVIEW，HPVEE等。

23. 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，如图所示：

24. (1)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。 　　(2)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。 　　(3)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。

25. 仪器仪表的虚拟化设计与LabVIEW图形化发工具　　电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器模式：虚拟仪器(Virtual Instrument)。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。它是电子测试与仪器领域中发展方兴未艾的技术，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。NI公司的LabVIEW是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。将LabVIEW与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，而不象传统的仪器那样，受生产商所设计功能的限制。LabVIEW提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑框即可构成程序。它的基本程序单位是VI。LabVIEW通过图形编程的方法，建立一系列的VI，来完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可由一个VI完成;对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一项复杂的测试任务变成一系列的子任务。设计时，先设计各种VI以完成每项子任务，然后把这些VI组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括众多功能子虚拟仪器的集合。

26. 　使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关心程序流程方面的问题，还必须考虑用户界面、数据同步、数据表达等复杂的问题，这些问题在LabVIEW中都迎刃而解了。LabVIEW还带有多种基本的VI库。其中包括采用GP-IB、VISA、VXI和串行接口的仪器的驱动程序。LabVIEW还拥有功能超强且庞大的分析函数库，其涵盖了统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成、时域频域分析及数字滤波等众多科学领域。ESP在系统可编程技术ISP(In System Programmability)在系统可编程是指在用户自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑器件进行编程或反复编程的能力。这种重构可以在实验开发过程中、制造过程中甚至在交付用户使用后在现场进行或通过Internet进行。ISP技术的应用，给仪器仪仪器仪表系统的设计带来了革命性的变化。它使得仪器仪表的硬件系统不再是固定结构，而是具有了软件的灵活性，在调试过程中不断更改“软件”就可达到硬件功能的改进，这种“软”硬件的全新设计概念，使系统具有了极强的灵活性的适应性。

27. LabVIEW －图形化编程语言 • 可以编译的图形化编程语言环境• 提高开发效率

28. 数据 LabVIEW 语言环境 • 数据流 • 模块化

29. LabVIEW 动手实例

30. Exercise1 Random number Generator • 用随机数发生函数产生一个随机数，并在Chart上面实时显示 • 用While循环控制程序连续运行 • 每个循环中延时300毫秒产生一个新随机数

31. Exercise 1 Random number Generator

32. Exercise 1 Random number Generator • 问题：通过控件用户可以随时改变延时的时间

33. Exercise 1 Random number Generator

34. Exercise 1 Random number Generator • 将随机数存盘。记录在一个文本文件中

35. Exercise 1 Random number Generator

36. 数据采集系统结构

37. Multifunction Analog I/O, Digital I/O, Counter/Timer 数据采集卡

38. bus DAQ计算机平台 台式电脑 PXI 笔记本 VXI PXI/SCXI

39. 数据采集实例

40. Exercise 2 温度采集 • 将Exercise 1中的随机数模块换为数据采集模块

41. Exercise 3 波形采集和测量 • 运用 AI acquire waveform.vi 采集波形 • 分析波形的有效值

42. LabVIEW应用 - GPIB 仪器控制 GPIB Write "F0R0S2" GPIB 电缆 GPIB Interface DMM "1.8524" 计算机 GPIB Read

43. 开发者套件 附加工具包 RT 实时 DSC 记录监控 图像 LabVIEW 开发系统 LabVIEW 平台

44. 机器视觉与图像处理模块 • • 机器视觉与图像处理 Vision • 观察 • 距离测量 • 模式识别 • 颜色匹配 • 斑点分析和变形处理 • • Vision Builder交互式开发辅助工具 • • Optical character recognition 字符识别

45. 运动控制 • • 简单易用 • MAX 配置 • LabVIEW VIs • • 强大的功能 • • 简易集成 • 数据采集 • 图像 • • 单轴与多轴 • • 伺服与步进电机

46. 开发者套件 附加工具包 RT 实时 DSC 记录监控 图像 LabVIEW 开发系统 LabVIEW 平台

47. 数据库连接工具包 • 对OLE DB, ODBC数据库 insert, select数据 • Microsoft Access, SQL Server, Oracle等 • 建立，删除表格 • 以 XML格式保存记录 • 执行 SQL查询 • 执行 stored procedures • 对 transactions的管理

48. Office 报告生成工具包 • 生成 Microsoft Word, Excel报告 • 文字, 表格, 图表, 图片 • 格式 • 字体, 颜色, 文字对齐等 • 利用模版 • E-mail报告 • 运行宏 (Macro)

49. 信号处理工具包 • 联合时频分析 • 高精度频谱分析 • 小波分析和滤波器族设计 • 数字滤波器设计

50. 应用程序生成器 • 生成可执行文件(EXE)或动态链接库(DLL) • 把应用程序生成安装盘 • 与 LabVIEW 环境融合在一起 • 节省费用 • LabVIEW 专业版附带，完全版需另购