虚拟仪器简介 吴涓 东南大学仪器科学与工程学院 juanwuseu@seu.edu.cn.

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1 虚拟仪器简介 吴涓 东南大学仪器科学与工程学院

2 主要内容 一、虚拟仪器简介 二、虚拟仪器课程安排
虚拟仪器概念最早由美国国家仪器公司在1986年提出，其推出的图形化编程环境Labview软件平台的出现，是虚拟仪器构建的基础。

3 “虚拟仪器” 的概念 虚拟化 1986年由NI公司提出，它是基于通用硬件平台，充分利用软件定义的仪器. 软件通过平台实现仪器功能，用户可以通过友好的图形界面与仪器进行交互作用 狭义的虚拟仪器概念主要是在测量与测试系统的范畴内, 通过软件定义通用硬件的功能, 从而实现不同的自定义功能 广义的虚拟仪器概念可进一步扩展到自动控制等领域，只要是通过软件定义模块化硬件功能, 从而满足自定义应用需求的系统, 都可以看作虚拟仪器技术的应用

4 一、虚拟仪器简介 虚拟仪器（VI：Virtual Instrument）
在通用计算机上，利用通用接口总线连接硬件数据采集或控制 模块，通过软件编程控制硬件模块进行控制或测量，并利用软件实 现仪器的测量和分析功能。与传统仪器一样，如果忽略其跨网络的 位置透明性，它同样可以分为数据采集、数据分析处理、显示结果 三大功能模块 插入式DAQ卡 VXI仪器 GPIB仪器 RS232 信号处理 统计 数字滤波 分析 网络传输 文件I/O 硬复制 图形用户接口 虚拟仪器功能模块划分 “虚拟”二字主要包括以下两方面的含义： 仪器面板是虚拟的 仪器功能由软件编程来实现

5 一、虚拟仪器简介 虚拟仪器功能演示 温度显示与报警 压力显示与报警 振动电机控制

6 一、虚拟仪器简介 虚拟仪器应用

7 … 虚拟仪器技术在各工程领域的广泛应用 结构健康监测 节能减排 自然环境监测 混合信号测试 水质处理 风能发电 电能质量检测 楼宇资源监控
核能工程 通信工程 虚拟现实 生物医电 太阳能电池板 机器人开发 …

8 一、虚拟仪器简介 现代仪器与传统仪器的区别 仪器的发展史 第一代为指针式（或模拟式）仪表 第二代为数字式仪器仪表 第三代为智能式仪器仪表
传统仪器缺点： 1）传统仪器只能对某个量进行单独测量，不能实现互相通信,不能实现互相通信、信息共享、进行综合评估及准确判断。 2）涉及知识广，仪器使用率低，硬件设备冗余等。 丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理。 仪器由用户自己定义。 开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。 便于构成复杂的测试系统。可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控、和诊断。可节约仪器购买和维护费用。

9 一、虚拟仪器简介 回顾: 传统仪器系统 固定的硬件配置 由仪器厂商定义好的测量功能 固定的用户界面
部分仪器可连接PC, 基于通信包的形式将结果传给PC Frost and Sullivan 2006 World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report

10 一、虚拟仪器简介 对比: 现代仪器系统 用户可自定义测量功能 自定义用户界面 模块化硬件 与基于PC的控制器连接 (多通过高速内部总线)
实时数据传输 Frost and Sullivan 2006 World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report

11 一、虚拟仪器简介 软件 软件在新一代仪器系统中的重要作用 原始数据 用户自定义功能 模块化仪器 PC处理器 /分立仪器 信号 总线 配置
对系统中的模块化仪器/分立仪器进行配置(通过驱动程序完成) 对通过总线获取的原始数据进行信号处理等计算操作 用户界面、数据存储等

12 一、虚拟仪器简介 新一代仪器特点： 模块化 数字化 智能化 虚拟仪器技术 标准化 综合化 虚拟化 网络化 自动化

13 一、虚拟仪器简介 虚拟仪器组成三要素 商业化的PC及操作系统 能够实现虚拟仪器功能的硬件 虚拟仪器软件 笔记本电脑 台式电脑 硬件仪器
工作站计算机 应用软件 支持多种操作系统

14 一、虚拟仪器简介 虚拟仪器硬件 数据采集卡式 DAQ RS232/RS485虚拟仪器 并行接口虚拟仪器 USB虚拟仪器 GPIB虚拟仪器
按接口总线类型不同划分 数据采集卡式 DAQ RS232/RS485虚拟仪器 并行接口虚拟仪器 USB虚拟仪器 GPIB虚拟仪器 VXI虚拟仪器 PXI虚拟仪器 IEEE1394接口虚拟仪器

15 一、虚拟仪器简介 包括NI以及其他公司生产的各种板卡 USB PCI 虚拟仪器系统组成 PXI

16 一、虚拟仪器简介 虚拟仪器软件 I/O接口仪器驱动程序（硬件接口程序） 虚拟仪器开发平台（LabVIEW等） 应用程序（用户编写）

17 一、虚拟仪器简介 软件开发环境： 通用软件开发环境，包括各种版本的C/C++（包括Visual C++、Borland C++ Builder等），Visual Basic，Delphi，Java，Visual Studio.net等 测控专用软件开发环境，LabVIEW、LabWindows/CVI、Agilent VEE等 其它测控软件工具（如NI公司的ComponentWorks、HIQ、SPC Toolkit、SQL Toolkit等，Agilent公司的T&M Programmers Toolkit等，以及其他厂商的ActiveX控件等） VC++等支持NI控件 Labview也能和matlab等互相调用。实现了软件之间的跨平台调用

18 Labview编程界面

19 一、虚拟仪器简介 硬件 开发软件 虚拟仪器典型的体系结构

20 一、虚拟仪器简介 虚拟仪器的特点 软件是虚拟仪器的核心 性价比高 缩小了仪器厂商与用户之间的距离 具有良好的人机界面 具有方便、灵活的互联
可靠性高 具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点 维护、维修方便

21 数据采集硬件价格的降低 以NI公司的数据采集板卡为例，性价比随时间不断提高 NI数据采集硬件价格 (折算成单通道价格)
16-Bit ADC价格 12-Bit ADC价格 NI数据采集硬件价格 (折算成单通道价格) NI M系列数据采集卡 Graph Source: National Instruments & a Leading ADC Supplier NI E系列数据采集卡

22 二、虚拟仪器课程安排 2.1 学习内容 2.2 学习模式 2.3 教学日历 2.4 学习方法 2.5 学习要求

23 二、虚拟仪器课程安排 2.1 学习内容 LabVIEW编程 基于myDAQ和ELVIS的信号采集与处理实验

24 二、虚拟仪器课程安排 2.1教学模式 企业课程——请NI资深系统构架师授课 实践课程——完成实验和项目设计
研讨课程——交流学习心得做presentation

25 LabVIEW程序设计与数据采集基本概念
二、虚拟仪器课程安排 2.2教学日历 周时 课程内容 方式 1-2周 虚拟仪器技术背景与基本概念 课堂讲授 3-8周 LabVIEW程序设计与数据采集基本概念 LabVIEW编程与数据采集练习 实验室/课后作业 9-16周 虚拟仪器技术的应用与最新发展 课程设计 分组自主完成

26 二、虚拟仪器课程安排 2.3学习方法 自主学习 亲自动手、看书+实践、竞赛 别忘了带电脑啊！ 学的好给小礼品！ 确认上课的时间！联系人！
对基本类型和功能的掌握就好比熟悉手头的原材料。比如你想蒸馒头，你可以用超市现成的发酵粉做，也可以用酵头做，还可以用自发粉做，如果你不晓得有现成的自发粉，就要大费周章的自己发面。反之，你就事半功倍，不用花大力气准备。类似的，labview提供了丰富的控件和函数，你需要有个基本了解，晓得怎么找到你需要的原材料。 比如对于数值类型，不同应用场合提供了不同的数值显示方法，你可以直接利用；比方说数值函数，做常规的算数运算，有专门的数值函数能实现；比方说对于数学函数，可以自己组合也可以通过公式节点来实现 或者数学-脚本与公式下找到。甚至可以调用matlab脚本程序实现P38 别忘了带电脑啊！ 学的好给小礼品！ 确认上课的时间！联系人！

27 二、虚拟仪器课程安排 2.3学习方法 学会借鉴 丰富的例程和网上资源 同学间的交流探讨
对基本类型和功能的掌握就好比熟悉手头的原材料。比如你想蒸馒头，你可以用超市现成的发酵粉做，也可以用酵头做，还可以用自发粉做，如果你不晓得有现成的自发粉，就要大费周章的自己发面。反之，你就事半功倍，不用花大力气准备。类似的，labview提供了丰富的控件和函数，你需要有个基本了解，晓得怎么找到你需要的原材料。 比如对于数值类型，不同应用场合提供了不同的数值显示方法，你可以直接利用；比方说数值函数，做常规的算数运算，有专门的数值函数能实现；比方说对于数学函数，可以自己组合也可以通过公式节点来实现 或者数学-脚本与公式下找到。甚至可以调用matlab脚本程序实现P38

28 二、虚拟仪器课程安排 2.3学习方法 网上资源（部分为英文）
1. NI网址： 关注其“应用案例”、“院校资源”、“视频教程” “NI Developer Zone” 2. 泛华测控： NI网址：主要关注labview，mydaq 泛华，作为主要代理NI软硬件产品的公司，提供了一些相关硬件的开发技术

29 二、虚拟仪器课程安排 2.4 学习要求 考核方式 总成绩=平时考勤10%+实验成绩40%+课程设计50% 独立完成 借鉴≠原搬照抄
需提交有清楚注释的LabVIEW源程序文件(.vi文件) 课后练习及课程设计基于NI myDAQ数据采集平台 对基本类型和功能的掌握就好比熟悉手头的原材料。比如你想蒸馒头，你可以用超市现成的发酵粉做，也可以用酵头做，还可以用自发粉做，如果你不晓得有现成的自发粉，就要大费周章的自己发面。反之，你就事半功倍，不用花大力气准备。类似的，labview提供了丰富的控件和函数，你需要有个基本了解，晓得怎么找到你需要的原材料。 比如对于数值类型，不同应用场合提供了不同的数值显示方法，你可以直接利用；比方说数值函数，做常规的算数运算，有专门的数值函数能实现；比方说对于数学函数，可以自己组合也可以通过公式节点来实现 或者数学-脚本与公式下找到。甚至可以调用matlab脚本程序实现P38

30 课程设计 教学方式 课程内容 任课老师 说明 项目实践 基于myDAQ或者ELVIS的课程设计 吴涓 采取类似于虚拟仪器大赛的模式： 1.前期公布课程设计题目范围和方式，比如虚拟校园； 2.理论学习课结束时，完成组队，3-4人一组 3.第一堂项目实践课学生提交项目方案（PPT或者文档），老师和NI 工程师负责审核并提出意见 4.期间学生可与NI 工程师交流解决项目中遇到的问题 5.最后一堂课，分组答辩，包括演示作品、Final Presentation 吴涓、NI AE 吴涓、田砾

31 参考资源 参考书 虚拟仪器设计基础教程 LabVIEW2009中文版虚拟仪器从入门到精通 LabViEW宝典 网络参考资源
GSDzone.net (LabVIEW图形化设计中文门户网站) ni.com (NI公司官方网站) 此处的参考书可根据实际情况推荐其他参考书

32 授课和学习经验分享 授课与设计

33 授课和学习经验分享 学生竞赛创新作品

34 授课和学习经验分享 学生竞赛创新作品

35 播下一个行动，收获一种习惯； 播下一个习惯，收获一种性格； 播下一种性格，收获一种命运. 希望同学们从中收益 谢 谢！