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虚拟仪器技术基础

课程背景 虚拟仪器技术 – 最早于上世纪 90 年代由美国国家仪器（ National Instruments ）公司提 出概念 – 主要思想是利用模块化硬件，结合软件完成各种测试、测量和自 动化应用 – 使测控领域充分利用计算机技术发展, 带来仪器技术的革新 应用领域 – 随着计算机、软件、以及电子技术的快速发展，虚拟仪器技术的 应用早已突破最初的仪器控制和数据采集的范畴 – 不仅可用于构建大型的自动化测试系统，还常常用于控制系统、 嵌入式设计等 – 应用包括电子电气、射频与通信、装备自动化、汽车、国防、航 空航天、能源电力、生物医电、土木工程、环境工程等等

虚拟仪器技术的内涵与外延 各种硬件模块 图形化编程环境或基于文本语言的开发环境 自动化测试自动控制

课程学习内容与目标 虚拟仪器技术的基本概念、工作原理、关键技术和实 际应用，全面了解测控技术领域前沿的技术发展与应 用 通过 LabVIEW 软件编程练习和结合硬件的数据采集实 验，掌握图形化编程方式 (G 语言 ) 与虚拟仪器平台的 基本操作，培养实际动手能力 通过分组课程设计 (Project) 建立起系统设计的概念， 同时培养创新能力、独立思考与解决实际问题的能力

课时安排 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课堂讲授 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堂讲授 课程设计分组自主完成

作业、实验、课程设计 使用软件 – LabVIEW 学生版 ( 选课学生免费发放 ) – 需提交有清楚注释的 LabVIEW 源程序文件 (.vi 文件 ) 使用硬件 – 实验室基于 NI ELVIS 多功能实验平台 – 课后练习及课程设计基于 NI myDAQ 数据采集平台

考核方式 LabVIEW 程序设计作业 (30%) 硬件数据采集实验 (30%) 课程设计 (40%)

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 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 )

第一讲 虚拟仪器的技术背景与基本概念

背景 : 伴随摩尔定律的技术飞速发展 晶体管数量每 18 个月提高 1 倍 ≈ 处理器性能每 18 个月提高 1 倍 性能提升体积减小成本降低

仪器技术与系统的发展趋势 伴随着半导体技术、处理器技术、计算机总线技术、 网络技术、软件技术等快速发展，仪器与测控系统出 现了如下的一些发展趋势 : 数字化 自动化 综合化 模块化 标准化 虚拟化 智能 化 网络化

1. 数字化 模拟量转换成数字量并进行处理，具有精确度高、稳 定度高，速度快，便于数字处理计算和远传等特点 ADC DAC 处理器处理器 接口接口 存储器 数字化

摩尔效应驱动 ADC 的革新 数字化 半导体的摩尔效应 ADC 类型： 积分型 ADC 压频变换型 ADC Σ-Δ ADC 逐次逼近型 ADC ADC 向高速、低功耗、高分辨率等方向演进 ……

数据采集硬件价格的降低 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 以 NI 公司的数据采集板卡为例，性价比随时间不断提高 数字化

2. 自动化 程序控制代替手动操作， 提高效率，减轻操作者劳 动强度. 自动化程度愈高， 速度愈快 自动化

3. 综合化 利用一台多功能仪器代替多台单功能仪器系统，提高 灵活性和可靠性，并降低成本，减小体积 – 例如 : 相同的通用射频硬件结合不同软件程序实现多种无线 协议测试以及射频参数测试等功能 综合化 WLANGSM/EDGEGPS WCDMAWiMAX ZigBee

4. 模块化 插卡或模块代替传统台式仪器，在系统应用时节省系 统重复资源，减少体积和重量 模块化

促进模块化仪器发展的更多半导体技术 内存芯片 PCIe 桥接芯片 处理器 FPGA DSP 电源管理 模块化

摩尔定律促使仪器体积的减小 模块化 16.8” 7.0” 21.9” 5.1” 4.0” 8.5”

总线的概念 目的 : 实现不同的仪器 ( 分立仪器或模块化仪器 ) 与计算 机处理器之间的连接 ( 传递控制命令与测量数据 ) 接口 控制器 接口 功能 部分 接口 功能 部分 接口 功能 部分 12 n … 总线 模块化

模块化仪器架构的出现 软件 共享的电源 定时控制 可编程的用户界面 测量硬件 开放总线 PC 处理器, OS 模块化仪器系统 模块 2 模块 4 模块 3 模块 5 模块 6 固件 电源 定时控制 固定的用户界面 测量子系统 内部总线 专用处理器, OS 传统台式系统 模块 1 便于保持已有投资 同时便于利用最新半导体及 PC 技术 模块化

模块化仪器架构的出现 软件 共享的电源 定时控制 可编程的用户界面 测量硬件 开放总线 PC 处理器, OS 模块化仪器系统 模块 2 模块 4 模块 3 模块 5 模块 6 模块 1 运用最新的 CPU 及内 存技术 易于系统升级 最新的总线技术 通过模块化架构加载 更高精度时钟 借助最新的 ADC, ASIC, DSP, 定时芯片 … 更高效稳定的电源管理 模块化 便于保持已有投资 同时便于利用最新半导体及 PC 技术

5. 标准化 利用标准总线使仪器互联成系统或配备总线接口的仪 器，相对独立仪器可减少系统集成时间，提高响应性 和简便性. 并行总线适合于本地 / 集中，串行总线适合 远程 / 分布测试 目前常见的仪器总线标准 – 外部总线 : 多用于连接分立式仪器, 包括 Serial ( 如 RS-232), GPIB, LAN/LXI, USB 等 – 内部总线 : 多用于连接模块化仪器, 包括 PCI/PCI Express, CompactPCI, PXI/PXI Express 等 标准化

主流仪器总线技术的发展历程 传统仪器 出现基于 PC 技术的仪器 (ISA, PCI, CompactPCI…) VXI PXI LXI GPIB 计算机技术的发展 定时与同步 标准化

GPIB 专为测试仪器设计的总线 – 广泛的行业应用 – 最大程度适用于仪器设备 鲁棒性和可靠性 30 余年来的兼容性 适用于 : – 自动化现有的设备 – 混合系统 – 特别要求专用仪器的系统 标准化 最高带宽 : 1.8 Mbytes/s HS488 最高带宽 : 8 Mbytes/s 带宽分布 : 共享 传输延迟典型值 : 几十 μs

Serial 每次在串行线上传送 1bit 数据 适用于数据率低、传输距离较长的场合 大多数 PC 都有串口，不需要额外的接口板卡 RS-232/422/485 标准化

USB 在 PC 上的通用性 低成本接口 即插即用 适用于 – 便携式台式应用 – 低成本系统 标准化 带宽 : 60 Mbytes/s (USB 2.0) 带宽分布 : 所有端口共享 传输延迟典型值 : >100 μs

PCI / CompactPCI / PCI Express 最佳的带宽和延迟 在 PC 上的通用性 为系统带来较低的成本 适用于 : – 高性能系统 – 数据量要求大的系统 – 集成数种仪器 标准化 PCI 带宽 : 132 Mbytes/s PCI 带宽分布 : 共享 PCI Express 带宽 (x8): 2Gbytes/s PCI Express 带宽分布 : 每插槽专用 传输延迟 : <1μs, 最好

VME / VXI 较早的军用 / 航空系统内 部总线 专用仪器设备 适用于 : – 维护现有的 ATE 系统构架 标准化 VXI 最高带宽 : 40 Mbytes/s 带宽分布 : 共享 传输延迟 : <1μs

PXI 标准化 PXI 带宽 : 132 Mbytes/s PXI 带宽分布 : 共享 传输延迟 : <1μs, 最好 继承 PCI 技术的优势 增加同步和触发总线 针对尖端应用的可靠性和坚 固性设计 适用于 : – 高性能系统 – 数据量要求大的系统 – 集成数种仪器

PXI Express PXI Express 带宽 (x8): 2Gbytes/s PXI Express 带宽分布 : 每插槽专用 传输延迟 : <1μs, 最好 将 PCIe 技术引入 PXI – 进一步提高带宽 扩展了同步和触发功能 – 增加 100 MHz 差分时钟和差分式 触发 软件与 PCI/PXI 完全兼容 混合插槽设计 – 兼容 PXI 设备

LAN/LXI 在 PC 上的通用性 远程功能 低成本接口 LXI 为独立的 LAN 仪器增加可 选的触发功能 – 需要为 1588 和有线的触发总线 同步配备专用硬件 适用于 : – 分布式系统 – 远程监控 标准化 100BASE-T 最高带宽 : 12.5 Mbytes/s ( 快速以太网 ) 1000BASE-T 最高带宽 : 125 Mbytes/s (Gigabit 以太网 ) 带宽分布 : 网络间共享 传输延迟典型值 : >1ms

6. 虚拟化 基于通用硬件平台，充分利用软件定义的仪器设备， 例如用软件实现的软面板代替传统的仪器操作面板. 提高硬资源重用性和结构灵活性，降低成本、功耗、 故障率等 虚拟化

回顾 : 传统仪器系统 Frost and Sullivan 2006 World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report  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 虚拟化

对比 : 新一代的仪器系统 虚拟化 Frost and Sullivan 2006 World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report  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

软件在新一代仪器系统中的重要作用 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 PC 处理器 软件 PC 处理器 软件 模块化仪器 / 分立仪器 模块化仪器 / 分立仪器 信号 总线 原始数据 用户自定义功能 配置 虚拟化

“ 虚拟仪器 ” 的概念 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 虚拟化

常用的虚拟仪器系统开发语言 标准 C C++, C#, VB.net 等 LabVIEW 图形化编程语言 ( 有时亦称 G 语言 ) 一般的模块化仪器或分立台式仪器通常会提供满足以上几种语言调用 需求的驱动程序, 或至少会提供 LabVIEW 及 C 语言下的驱动. 这样, 虚拟 仪器系统的开发人员就可以选择自己习惯的编程语言开发自定义的系 统 虚拟化

7. 智能化 利用单或多处理器实现学习、识别、推理等功能，以 使设备充分模拟人的智力能力, 特别适合故障诊断、 识别等应用 人工智能 智能化

8. 网络化 利用通信线路和设备将仪器连接成较大的复杂系统， 共享资源，提高速率、灵活性, 适合于远程分布测试、 维修、校准、培训等应用 网络化

虚拟仪器技术充分体现了这些趋势 虚拟仪器技术 网络化 数字化 智能化 模块化 标准化 综合化 自动化 虚拟化

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 …

视频 上海世博会中的绿色监测系统 欧洲粒子对撞机的控制系统 无人驾驶汽车

千里之行 始于足下 本课程学习掌握重点 – 虚拟仪器技术的相关基本概念 – LabVIEW 程序设计基础 – 模块化的数据采集设备的基本操作及小型系统开发 学习目标 – 若将来从事相关研究或大型系统开发工作, 可灵活运用这些 基本知识和技能, 举一反三 – 培养系统级设计的概念, 提高通过集成创新解决实际问题的 能力