杨青青 信息电子技术研究所 qqyang@nit.zju.edu.cn 智能仪表设计 杨青青 信息电子技术研究所 qqyang@nit.zju.edu.cn

课程回顾 绪论 仪器仪表概述 智能仪器的组成 智能仪器的主要特点和发展趋势 推动智能仪器发展的主要技术

课程回顾 电子仪器仪表的发展过程 第一代：模拟式（或指针式）电子仪器仪表 第二代：数字式电子仪器仪表 第三代：智能仪器仪表 基于电磁测量原理 第二代：数字式电子仪器仪表 以集成电路芯片为基础，A/D转换 第三代：智能仪器仪表 微机内嵌式智能仪器（简称智能仪器） 微机扩展式智能仪器（个人仪器，PC机） 虚拟仪器（Virtual Instrument） 虚拟仪器有时也被称为第四代仪器

本节内容 虚拟仪器 虚拟仪器概述 LabVIEW简介 虚拟仪器的概念 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的特点和优势 虚拟仪器与传统仪器的区别 图形化编程环境 软件使用操作简介

虚拟仪器 虚拟仪器概述

虚拟仪器概述 虚拟仪器的产生背景 传感器技术 A/D等新器件 单片机与DSP 嵌入式系统与片上系统(SOC) 计算机技术 网络与通信技术 80年代后期 虚拟仪器（Virtual Instrument） 美国国家仪器（NI）公司提出

虚拟仪器概述 什么是虚拟仪器？ 所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平 台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能 由测试软件完成、实现各种仪器功能的一种计算机仪 器系统。 以通用计算机为基础 特定的硬件接口设备 用户设计定义 具有虚拟前面板 测试功能由测试软件完成 为实现特定功能而编制软件

虚拟仪器 虚拟仪器概述 虚拟仪器的组成 计算机 仪器模块 软件 各种传感器 信号调理器 （各种通用计算机） 模数转换器 数据采集器 各种传感器 信号调理器 模数转换器 数据采集器 个人计算机 （各种通用计算机） 数据分析 　　 　　 过程通讯 图形用户界面等软件

虚拟仪器概述 虚拟仪器系统处理流程示意图 数据采集和控制 信号 分析 显示 信号处理 数据采集卡 图形用户界面 数字滤波 RS-232 概率与数理统计 矩阵运算 数据采集卡 RS-232 IEEE488(GPIB) 图形用户界面 硬拷贝输出 文件I/O

虚拟仪器概述 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的硬件构成 测控对象 信号调理 DAQ卡 GPIB总线仪器 GPIB接口卡 VXI/PXI/LXI总线仪器模块 串口总线仪器/PLC 现场总线仪器模块 其他计算机硬件板卡 计算机软件系统 PCI eXtensions for Instrumentation (PXI)  PXI中将PCI(Peripheral Component Interconnect，外围组件互连)电气总线与CompactPCI中坚固的、模块化的欧式机械封装结合在一起，并增加了专门的同步总线和一些关键的软件性能。PXI还增加了一些机械、电气和软件方面的性能，定义了用于测试测量、数据采集、生产制造等应用的完整系统。这些系统为生产测试、军事和航空航天、机器监测、自动化和工业测试等应用提供服务。 NI在1997年开发并发布了PXI规范，1998年将其推出成为一种开放的工业规范，以满足日益增长的复杂仪器系统需求。当前，PXI由PXI系统联盟 (PXISA)管理，该联盟中70多家公司联合起来一起推进该标准的发展、保证互操作性，并维护PXI规范。因为PXI是一种开放的标准，所以任何设备商都可以生产PXI产品。同时因为PXI规范中一个关键的特点就是与CompactPCI (由PCI工业计算机制造商小组(PICMG)所提出的标准)之间的互操作性，所以同一个PXI系统中可以同时包含CompactPCI和PXI模块，而不产生任何冲突。 LXI 就是一种基于以太网技术等、由中小型总线模块组成的新型仪器平台.LXI 仪器是严格基于IEEE802.3、TCP/ IP、网络总线、网络浏览器、IVI-COM驱动程序、时钟同步协议(IEEE1588) 和标准模块尺寸的新型仪器；

虚拟仪器概述 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的硬件构成 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。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的硬件构成 基于数据采集的虚拟仪器系统 基于通用接口总线GPIB 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。它 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，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。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的硬件构成 基于数据采集的虚拟仪器系统 基于通用接口总线GPIB 的仪器系统 利用VXI 总线仪器实现虚拟仪器系统 VXI（VME Extension for Instruments）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（Versa Module 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。 vxi总线 20世纪80年代后期，仪器制造商发现GPIB总线和VME总线产品无法再满足军用测控系统的需求了。在这种情况下，HP、Tekronix等五家国际著名的仪器公司成立了VXIbus联合体，并于1987年发布了VXI规范的第一个版本。几经修改和完善，与1992年被IEEE接纳为IEEE-1155-1992标准。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的硬件构成 基于数据采集的虚拟仪器系统 基于通用接口总线GPIB 的仪器系统 利用VXI 总线仪器实现虚拟仪器系统 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，这仍然是目前虚拟仪 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。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的硬件构成 虚拟仪器的软件体系构成 虚拟仪器系统的软件结构应包含三个部分 根据VPP（VXI Plug＆Play）系统规范的定义，

虚拟仪器概述 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的硬件构成 虚拟仪器的软件体系构成 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。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的硬件构成 虚拟仪器的软件体系构成 I/O 接口软件 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。 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。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的硬件构成 虚拟仪器的软件体系构成 I/O 接口软件 仪器驱动程序 应用软件开发环境 应用软件开发环境的选择，因开发人员喜好的不同而不同，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。 虚拟仪器系统应用软件开发环境主要包括两种： (1) 基于传统的文本语言式的平台：NI 公司的LabWindows/CVI、 Microsoft 公司的Visual C＋＋、Visual Basic、Borland 公司的Delphi 等; (2)基于图形化编程环境的平台。如HP 公司的HPVEE、NI 公司的 LabVIEW 等。图形化软件开发平台的提出，可以大大减轻系统开 发人员的负担，使其将主要精力集中投入到系统设计中，而不再 是具体软件细节的推敲上。

虚拟仪器概述 大型虚拟仪器系统 vxi总线 20世纪80年代后期，仪器制造商发现GPIB总线和VME总线产品无法再满足军用测控系统的需求了。在这种情况下，HP、Tekronix等五家国际著名的仪器公司成立了VXIbus联合体，并于1987年发布了VXI规范的第一个版本。几经修改和完善，与1992年被IEEE接纳为IEEE-1155-1992标准。

虚拟仪器概述 大型虚拟仪器系统 vxi总线 20世纪80年代后期，仪器制造商发现GPIB总线和VME总线产品无法再满足军用测控系统的需求了。在这种情况下，HP、Tekronix等五家国际著名的仪器公司成立了VXIbus联合体，并于1987年发布了VXI规范的第一个版本。几经修改和完善，与1992年被IEEE接纳为IEEE-1155-1992标准。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的特点 软件系统是虚拟仪器的核心； 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能， 可以创造出功能更强的仪器； 计算机和仪器模块组成了虚拟仪器硬件测试平台，完成被测输入信号的采集、放大、模数转换以及输出信号的数模转换等。当硬件确定后，用户可以通过不同测试功能的软件模块（如数据分析、过程通讯以及图形用户界面等软件）的组合实现不同的功能。 即：同一个硬件系统，软件不同，就可得到功能完全不同的测量仪器 ！

虚拟仪器概述 虚拟仪器的特点 软件系统是虚拟仪器的核心； 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能， 可以创造出功能更强的仪器； 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器； 研制周期较传统仪器大为缩短； 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网 络及其它周边设备互联。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的优势 性能高 虚拟仪器技术是在 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，使您在数据高速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地不断加强，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，就能以高达每秒100MB的速度将数据导入磁盘。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的优势 性能高

虚拟仪器概述 虚拟仪器的优势 性能高 不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势，使数据分享进入了一个全新的阶段，将因特网和虚拟仪器技术相结合，就能够轻松地发布测量结果到世界上的任何地方。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的优势 性能高 扩展性强 虚拟仪器现有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。得益于软件的灵活性，只需更新计算机 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整个系统。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的优势 性能高 扩展性强 开发时间少 在驱动和应用两个层面上，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。 虚拟仪器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，用户可以轻松地配 置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控 制解决方案。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的优势 性能高 扩展性强 开发时间少 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念 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。

虚拟仪器概述 虚拟仪器的优势 性能高 扩展性强 开发时间少 无缝集成

虚拟仪器概述 虚拟仪器与传统仪器的区别 传统仪器 厂商定义功能 虚拟仪器 用户定义功能

虚拟仪器概述 虚拟仪器与传统仪器的区别

虚拟仪器概述 虚拟仪器与传统仪器的区别 灵活性 虚拟仪器概念的提出是针对于传统仪器而言的，它们之间的 最大区别是：虚拟仪器提供的是完成测量或控制任务所需的 所有软件和硬件设备，而功能是由用户定义。 传统仪器功能固定且由厂商定义，把所有软件和测量电路 封装在一起利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。 虚拟仪器则非常灵活，使用高效且功能强大的软件来自定 义采集、分析、存储、共享和显示功能。 每一个虚拟仪器系统都由两部分组成——软件和硬件。对于当前的测量任务，虚拟仪器 系统的价格可能与具有相似功能的传统仪器相差无几，也可能比它少很多倍。但由于虚拟仪 器在测量任务需要改变时具有更大的灵活性，因而随着时间的流逝，节省的成本也不断累计。

虚拟仪器概述 虚拟仪器与传统仪器的区别 灵活性 不同的设备实现同一应用 一个测试项目（一个直流（DC）电压和温度测量应 用）根据不同的应用场合可以采用不同的设备，却可以 采用相同的程序代码。若是实验室验证，就可以应用台 式计算机上PCI总线，使用LabVIEW和数据采集（DAQ） 设备开发一个应用程序。若要应用于生产线，则可以采 用PXI系统上配置应用程序。若是需要具有便携性，就 可以选择USB总线的DAQ产品来完成任务。 PCI eXtensions for Instrumentation (PXI)  PXI中将PCI(Peripheral Component Interconnect，外围组件互连)电气总线与CompactPCI中坚固的、模块化的欧式机械封装结合在一起，并增加了专门的同步总线和一些关键的软件性能。PXI还增加了一些机械、电气和软件方面的性能，定义了用于测试测量、数据采集、生产制造等应用的完整系统。这些系统为生产测试、军事和航空航天、机器监测、自动化和工业测试等应用提供服务。 NI在1997年开发并发布了PXI规范，1998年将其推出成为一种开放的工业规范，以满足日益增长的复杂仪器系统需求。当前，PXI由PXI系统联盟 (PXISA)管理，该联盟中70多家公司联合起来一起推进该标准的发展、保证互操作性，并维护PXI规范。因为PXI是一种开放的标准，所以任何设备商都可以生产PXI产品。同时因为PXI规范中一个关键的特点就是与CompactPCI (由PCI工业计算机制造商小组(PICMG)所提出的标准)之间的互操作性，所以同一个PXI系统中可以同时包含CompactPCI和PXI模块，而不产生任何冲突。

虚拟仪器概述 虚拟仪器与传统仪器的区别 灵活性 不同的设备实现同一应用 在许多设备上使用同样的应用程序之时升级硬件十分轻松 这里体现了程序复用的思想！！ 在许多设备上使用同样的应用程序之时升级硬件十分轻松

虚拟仪器概述 虚拟仪器与传统仪器的区别 灵活性 不同的设备实现同一应用 一个设备实现不同应用 假设有两个不同的应用，一个是利用DAQ设备和积分编码器 来测量电机位置的项目；另外一个是监视和记录这个电机的 功率。即使这两个任务完全不同，也可以重复利用同一块 DAQ 设备。所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发出新的应 用程序。此外，如果需要的话，项目既可以与一个单一的应 用程序结合也可以运行在一个单一的DAQ设备。 这里体现了程序复用的思想！！

虚拟仪器概述 虚拟仪器与传统仪器的区别 灵活性 不同的设备实现同一应用 一个设备实现不同应用 通过为许多应用程序重复使用硬件减少成本

虚拟仪器概述 虚拟仪器与传统仪器的区别 灵活性 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

虚拟仪器概述 虚拟仪器与传统仪器的区别 灵活性 仪器概念的转变 硬件性能 虚拟仪器的重要概念就是驱使实际虚拟仪器软件和硬件设备加 速的策略。虚拟仪器技术致力于适应或使用诸如Microsoft、 Intel、Analog Devices、Xilinx以及其他公司的高投入技术。 例如，使用Microsoft在操作系统（OS）和开发工具方面的巨大 投资。在硬件方面，应用基于Analog Devices在A/D转换器方面 的投资。 虚拟仪器系统是基于软件的，所以只要是可以数字化的东西， 就可以对它进行测量。因此，测量硬件可在通过两根坐标轴进 行评估，即分辨率（位）和频率。

虚拟仪器概述 虚拟仪器硬件测量性能与传统仪器比较。虚拟仪器的目标就是将曲线在频率和分辨率上延伸并且在曲线内进行不断推陈出新。

虚拟仪器概述 虚拟仪器与传统仪器的区别 灵活性 仪器概念的转变 硬件性能 兼容性 虚拟仪器和传统仪器要并存一段时间，一些测试系统必然要将两者结合使 用； 虚拟仪器可与传统仪器完全兼容，无一例外。 虚拟仪器软件通常提供了与常用普通仪器总线（如GPIB、串行总线和以太网） 相连接的函数库。 除了提供库之外，200多家仪器厂商也为NI仪器驱动库提供了4000余种仪 器驱动。仪器驱动提供了一套高层且可读的函数以及仪器接口。每一个仪 器驱动都专为仪器某一特定的模型而设计，从而为它独特的性能提供接 口。

虚拟仪器 LabVIEW简介

LabVIEW简介 LabVIEW概览 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering）， 1986年由美国国家仪器公司（即National Instrument Cop. ——NI公司）推出，之后不断翻新，是用于计算 机化的仪器设计用的编程工具软件，具有图形化编程 语言特征，人机界面友好，功能函数库丰富、强大 ， 被工业界、学术界和高校科研教学实验室等广泛认同， 被视为一个标准的数据采集、仪器设计及控制的优秀 工具软件。是多种计算机化仪器设计工具软件中最成 功的一种。

LabVIEW简介 LabVIEW历史 20 世纪70 年代末期：在美国应用研究实验室（Applied Research Laboratory）产生VI 概念的雏形 1986 年：发布Macintosh 平台下的LabVIEW 1.0 1988 年：发布Macintosh 平台下的LabVIEW 2.0 1990 年：虚拟仪器面板和结构化数据流图获两项美国专 利 1994 年：发布LabVIEW 3.0 带有附加工具包 1996 年：发布LabVIEW 4.0 增加自定义界面和Application Builder …… 2006 年8 月：发布LabVIEWTM 8.2 有了第一个中文版的开 发环境 2007 年8 月：发布LabVIEWTM 8.5 LabVIEW 2013

LabVIEW简介 LabVIEW软件环境——启动窗口 图中左边新建栏中的VI 选项用于创建一个新的空白VI 程序；项目选项可以创建一个 新的工程项目；基于模板的VI 按类型列出LabVIEW 自身提供的VI 模板，用户可以以这些 模板为基础，建立自己的程序；更多选项和基于模板的VI 选项的功能类似。打开栏中列出 了最近打开的工程项目和VI 程序列表，通过浏览选项可以选择其他的项目和VI 程序。图 中右边主要列出了LabVIEW 的帮助信息，通过选择这些信息用户可以更好地学习 LabVIEW。

LabVIEW简介 LabVIEW软件环境 工程管理窗口（Project Explorer） LabVIEW中使用工程来管理LabVIEW 文件和非LabVIEW 文件、创建可执行文件、下载文件到目标等； 使用Project Explorer 窗口来创建和编辑工程，LabVIEW 中工程项目文件是以.lvproj 为后缀的； 在LabVIEW 的启动界面中选择文件 | 新建项目选项或在新建一栏中选择项目选项后，创建一个新的工程，就会弹出项目浏览器窗口。

LabVIEW简介 LabVIEW软件环境 前面板（Front Panel）和程序框图（Block Diagram） 在LabVIEW中开发的程序都被称为VI（虚拟仪器），其扩展名默认为.vi。所有的VI都包括前面板（Front Panel）、程序框图（Block Diagram）以及图标（Icon）3部分，

LabVIEW简介 LabVIEW软件环境 前面板（Front Panel）和程序框图（Block Diagram） 前面板是图形用户界面。该界面上有交互式的输入和输出 两类控件，分别称为输入控件（Controls）和显示控件 （Indicators）。输入控件包括开关、旋钮、按钮和其他各 种输入设备；显示控件包括图形（Graph和Chart）、LED和 其他显示输出对象。 程序框图是实现VI逻辑功能的图形化源代码。框图中的编程 元素除了包括与前面板上的控件对应的连线端子 （Terminal）外，还有函数、子VI、常量、结构和连线等。 如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板就相当于仪 器面板，而框图相当于仪器箱内的功能部件。

LabVIEW简介 LabVIEW软件环境 控件选板和函数选板 控件选板 函数选板

LabVIEW简介 LabVIEW软件环境 一般VI设计流程：图形化编程！ 前面板设计仪器面板 程序框图实现VI逻辑功能

LabVIEW简介 LabVIEW软件环境 一般VI设计流程：举例 前面板(Front Panel) 用户输入和显示输出两类对象 显示对象 (输出) 控制对象(输入)

LabVIEW简介 LabVIEW软件环境 一般VI设计流程：举例 程序框图（Block Diagram） 图形化源程序 函数：随机数发生器 结构：循环 与前面板控件对应的连线端子

LabVIEW简介 LabVIEW应用举例——虚拟示波器

LabVIEW简介 LabVIEW应用举例——虚拟电压表

LabVIEW应用举例——油气管道外磁场测量系统 UMI连接器，

LabVIEW简介 LabVIEW应用举例——运动控制 UMI连接器，

电信112班实验课调整到周二6，7节； （丁晓老师） 提醒： 本周二实验课： 电信111班实验课时间不变，周二8，9 节； （杨青青） 电信112班实验课调整到周二6，7节； （丁晓老师）