機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計第三章-虛擬儀器與labview

1、虛擬儀器與Labview,主要內(nèi)容,虛擬儀器的基本概念虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)虛擬儀器的特點(diǎn)虛擬儀器硬件虛擬儀器軟件基于Labview的數(shù)據(jù)采集虛擬儀器的應(yīng)用,虛擬儀器的基本概念,對于整天與PC（個人計算機(jī)）打交道的人來說，在緊張、繁忙的工作一段時間后，通常會選擇聽一段輕松的音樂或觀看一部DVD大片，其目的就是來緩解一下因緊張工作帶來的壓力和煩躁。因?yàn)樯虡I(yè)化PC完全具備了這樣的能力，我們?yōu)楹尾唤璐讼硎芤环?！我相信，絕大多數(shù)經(jīng)常與

2、PC打過交道的人，都曾會有過這樣類似的經(jīng)歷。仔細(xì)地想一想：能夠獲得這樣悠閑地享受，我們所做的只不過是在PC的DVDROM中放入了一張CD或DVD光盤，PC就會為我們提供視覺和聽覺上的享受。,虛擬儀器的基本概念,事實(shí)上，之所以能夠得到這樣的享受是我們利用了PC的某些硬件資源和媒體播放軟件資源“虛擬”了一部CD或DVD播放機(jī)。還不只這些，如果在CDROM中放入不同的游戲光盤我們就可以玩電子游戲，這時PC又為我們“虛擬”了一部游戲機(jī)（效果可

3、能不如Xbox或PS3，但也無需再次投資）。其實(shí)在PC機(jī)上可“虛擬”東西還很多，比如：“虛擬內(nèi)存”、“虛擬光驅(qū)”等等。怎么又是“虛擬” 的呀！是的，“虛擬播放機(jī)”、“虛擬游戲機(jī)”、“虛擬內(nèi)存”、“虛擬光驅(qū)”與我們所討論的“虛擬儀器”，從基本概念上看，“虛擬”的含義應(yīng)該是一樣的，只不過是實(shí)現(xiàn)的功能不同而已。通過這樣簡單描述，我相信：對于什么是“虛擬儀器”我們應(yīng)該有了一個基本上的共識 。,虛擬儀器的基本概念,,Line In,Mic In,

4、Wave Out,,,,虛擬儀器的基本概念,所謂“虛擬儀器”，就是在通用計算機(jī)上，利用通用接口總線連接硬件數(shù)據(jù)采集或控制模塊，通過軟件編程控制硬件模塊進(jìn)行控制或測量，并利用軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測量和分析功能。 其實(shí)，“虛擬儀器”這個概念從字面上來簡單理解就是：借助于計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊通過軟件設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)儀器的測量功能，但確不是一個實(shí)實(shí)在在的、有模有樣的真實(shí)的測量儀器。這話看著似乎別扭，沒錯，但是這樣的表述可能更清晰。 

5、      當(dāng)虛擬儀器出現(xiàn)后，為了區(qū)別于虛擬儀器，人們將過去所使用的儀器（示波器、萬用表、信號源等）稱為：傳統(tǒng)儀器。,虛擬儀器的基本概念,虛擬儀器的基本概念,傳統(tǒng)儀器廠商定義功能,虛擬儀器用戶定義功能,虛擬儀器的基本概念,虛擬儀器概念最早是由美國國家儀器公司（National Instrument）在1986年提出的，但其雛形可以追溯到1981年由美國西北儀器系統(tǒng)公司推出的Appl

6、e II為基礎(chǔ)的數(shù)字存儲示波器。這種儀器和個人計算機(jī)的概念相適應(yīng)，當(dāng)時被稱為個人儀器。（Personal Instrument）。1986年，NI公司推出了圖形化的虛擬儀器編程環(huán)境LabVIEW，標(biāo)志著虛擬儀器軟件設(shè)計平臺基本成型，虛擬儀器從概念構(gòu)思變?yōu)楣こ處熆蓪?shí)現(xiàn)的具體對象。,虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu),虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu),,,GPIB,Serial,DAQ,ProcessorUnit Under Test,VXI,Image Acqu

7、isition,MotionControl,PXI,ApplicationSoftware,Hardware & Driver Software,LabVIEW,虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成,虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu),虛擬儀器構(gòu)成的三要素——商業(yè)化的PC、工控機(jī)及操作系統(tǒng)（比如：上面所說的PC機(jī)與操作系統(tǒng)） ——應(yīng)用軟件（比如：上面所說的媒體播放軟件）應(yīng)用軟件是指：能夠操作、控制PC硬件，實(shí)現(xiàn)“虛擬儀器”功能的各種應(yīng)用

8、軟件包?！軌?qū)崿F(xiàn)虛擬儀器功能的硬件（比如：上面所說的聲卡）能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬儀器功能的硬件是指：一些可實(shí)現(xiàn)儀器功能的特殊硬件模塊（包括驅(qū)動軟件在內(nèi)）。,虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu),虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分,虛擬儀器的特點(diǎn),虛擬儀器的特點(diǎn),性能高虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實(shí)時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此

9、外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢。,虛擬儀器的特點(diǎn),擴(kuò)展性強(qiáng)NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。,虛擬儀器的特點(diǎn),靈活性強(qiáng)在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能

10、與計算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。,虛擬儀器的特點(diǎn),無縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所

11、有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。,虛擬儀器硬件,虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機(jī)硬件平臺和測控功能硬件。計算機(jī)硬件平臺可以是各種類型的計算機(jī)，如臺式計算機(jī)、便攜式計算機(jī)、工作站、嵌入式計算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。按照測控功能硬件的不同，

12、VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。,虛擬儀器硬件,虛擬儀器硬件,基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡,Seed-2000PCI總線數(shù)據(jù)采集卡,虛擬儀器硬件,NI的DAQ及VXI產(chǎn)品,虛擬儀器硬件,PXI產(chǎn)品,虛擬儀器硬件,PXI Modules Link to Other Standards,MXI,GPIB,VXI or VME,,,PXI System,,,

13、Modules,Modules,CompactPCI,,,虛擬儀器軟件,測試軟件是虛擬儀器的核心。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實(shí)用成果時，就用軟件就是儀器來表達(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試程序，來實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某

14、些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機(jī)直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機(jī)的軟硬件資源來完成它們的功能。,虛擬儀器軟件,虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分： 儀器面板控制軟件 數(shù)據(jù)分析處理軟件 儀器驅(qū)動軟件 通用I/O接口軟件,虛擬儀器軟件,用LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器的軟面板示例,虛擬儀器軟件,虛擬數(shù)字示波器的軟面板,虛擬儀器軟件,軟件平臺LabVIEW美國的N

15、I（National Instrument）公司開發(fā)。Lab Scene吉林大學(xué)智能儀器與測控技術(shù)研究所研制開發(fā)。其他：LabWindows，VEE 等,虛擬儀器軟件,儀器驅(qū)動儀器的驅(qū)動軟件是專門控制某種儀器的軟件。LabVIEW因?yàn)榫哂忻姘蹇刂频母拍?，特別適合于創(chuàng)建儀器的驅(qū)動程序。軟件的前面板部分可以模擬儀器的前面板操作。軟件的框圖部分可以傳送前面板指定的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)建立了一個儀器的驅(qū)動程序后，就不必再

16、記住儀器的控制命令，而只要從前面板輸入簡單數(shù)據(jù)即可。僅僅擁有控制單臺儀器的軟件，意義并不大。其真正意義在于可以把儀器驅(qū)動程序作為子程序調(diào)用，與其他子程序一道組成一個大控制程序，從而控制整個系統(tǒng)。,虛擬儀器軟件,虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計方案,,第三步 虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案,第一步 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成,第二步 虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器平臺（Laboratory Virt

17、ual instrument Engineering Workbench）的簡稱,是NI公司的創(chuàng)新產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）構(gòu)成的新概念。一個VI可以由更底層的多個VI組成。底層VI代表了最基本的計算、I/O操作與界面設(shè)計功能，各層VI有相同的結(jié)構(gòu)形式，每個VI都有用戶接口組件。虛擬儀器模型、圖形界面和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流程圖編程是LabVIEW

18、的三大核心技術(shù)。,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,La

19、bVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,LabVIEW——虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境,基于Labview的數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)采集（Data AcQuisition，DAQ）是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬或數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。一個完整的DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計算機(jī)、驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件等。,基于Labview的數(shù)據(jù)采集

20、,典型的基于PC的數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成,傳感器和變換器傳感器感應(yīng)物理信息并生成可測量的電信號。例如熱電偶、電阻式測溫計（RTD）、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可測量的模擬信號。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成,信號調(diào)理從傳感器得到的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等等，這種信號在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵、冷端補(bǔ)償?shù)?數(shù)

21、據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成,數(shù)據(jù)采集設(shè)備信號調(diào)理后的信號即可與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個數(shù)據(jù)采集卡，與計算機(jī)的連接可以采用多種方式。NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持的總線類型包括PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、Ethernet以及火線等各種總線。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、觸發(fā)采集和定時I/O。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成,PC與軟件軟件使PC與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個完整的數(shù)據(jù)采集

22、、分析和顯示系統(tǒng)。軟件分為驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序。驅(qū)動程序可以直接對數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處理器中斷、DMA和內(nèi)存這樣的計算機(jī)資源結(jié)合在一起。驅(qū)動程序隱藏了復(fù)雜的硬件底層編程細(xì)節(jié)，為用戶提供容易理解的接口。一般來說，硬件廠商在賣出硬件的同時也會提供驅(qū)動程序。上層應(yīng)用程序用來完成數(shù)據(jù)的分析，存儲和顯示等。LabVIEW就是一個極佳的開發(fā)上層應(yīng)用程序的開發(fā)平臺。,虛擬儀器的應(yīng)用,虛擬儀器無處不在。85

23、%的世界500強(qiáng)制造型企業(yè)已經(jīng)選擇了虛擬儀器技術(shù)，NI提供的1000多款軟硬件產(chǎn)品應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、生物醫(yī)藥、科研、教育等各個行業(yè)領(lǐng)域。,虛擬儀器的應(yīng)用,消費(fèi)電子微軟公司使用LabVIEW 和PXI 模塊化儀器開發(fā)了Xbox 和Xbox 360 手柄的多功能驗(yàn)證，效率提升了100%,虛擬儀器的應(yīng)用,結(jié)構(gòu)監(jiān)測為了對東海大橋進(jìn)行實(shí)時可靠的健康監(jiān)測，上海巨一公司使用NI的PXI平臺和動態(tài)采集（DSA）設(shè)備實(shí)現(xiàn)了全橋14個工作站的上

24、千個通道的需求，并通過GPS時間信號和 PXI背板實(shí)現(xiàn)了精確的同步采集標(biāo)準(zhǔn),虛擬儀器的應(yīng)用,RF與通信測試上海聚星儀器公司使用NI LabVIEW和基于PXI的矢量信號分析儀開發(fā)了業(yè)界性價比最高的GPS多星接收機(jī)測試。基于軟件的優(yōu)勢使得系統(tǒng)可以同時仿真多顆衛(wèi)星的信號，使接收機(jī)的功能測試更為有效。,虛擬儀器的應(yīng)用,聲音與振動基于NI LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境配合PXI模塊化硬件平臺，波音公司實(shí)現(xiàn)了一個數(shù)量高達(dá)600的麥克風(fēng)陣列。該

25、麥克風(fēng)陣列可以同步地將飛機(jī)飛過區(qū)域時的噪音采集、回溯并對龐大的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后繪制不同噪聲等級的示意圖，準(zhǔn)確地確定噪聲來源。,虛擬儀器的應(yīng)用,汽車BMW研發(fā)人員和德國MicroNova公司的工程師合作，選用了基于虛擬儀器技術(shù)的NI PXI平臺。針對不同的信號類型和接口功能，使用圖形化 LabVIEW軟件對板載FPGA的NI板卡作開發(fā)，并應(yīng)用于BMW氫能7系發(fā)動機(jī)控制器的硬件測試。 因?yàn)镻XI平臺的可擴(kuò)展

26、性和通用性，該平臺已 成功用于 BMW其它不 同系列發(fā)動機(jī)控制器的 硬件在環(huán)測試。,虛擬儀器的應(yīng)用,軍事Mantech 公司選用 PXI 作為用于美國空軍 F-15E 和 F-16C/D 高級戰(zhàn)斗機(jī)的測試系統(tǒng)LANTRIN的一部分，成功 將測試系統(tǒng)的體積從7個機(jī)架減小到3個機(jī)架，體積減小了50%以上，這其中很大部分要?dú)w功 PXI儀器的整合能力。,虛擬儀器的應(yīng)用,航空航天在 NI LabVIEW 平