虚拟仪器技术基础

1. 虚拟仪器技术基础

2. 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

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

4. 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

5. 课时安排

6. 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

7. 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%)

8. 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)

9. 第一讲虚拟仪器的技术背景与基本概念

10. 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

11. 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

12. ADC 处理器 接口 DAC 存储器 1. 数字化 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

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

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

15. 2. 自动化 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

16. 3. 综合化 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 WLAN GSM/EDGE GPS ZigBee WCDMA WiMAX

17. 4. 模块化 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

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

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

20. 接口 接口 接口 接口 功能 部分 功能 部分 功能 部分 控制器 总线的概念 模块化 • 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) 总线 … … n 1 2

21. 模块化仪器架构的出现 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 专用处理器, OS PC 处理器, OS 固件 软件 内部总线 开放总线 可编程的用户界面 固定的用户界面 测量硬件 定时控制 定时控制 测量子系统 模块 4 模块 3 模块 6 模块 5 模块 2 模块 1 电源 共享的电源 模块化仪器系统 传统台式系统

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

23. 5. 标准化 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/PCIExpress, CompactPCI, PXI/PXI Express 等

24. 主流仪器总线技术的发展历程 标准化 传统仪器 1970 GPIB 计算机技术的发展 出现基于PC技术的仪器 (ISA, PCI, CompactPCI…) 1980 定时与同步 VXI 1990 PXI 2000 LXI 2010

25. GPIB 标准化 • 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 488.2 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

26. Serial 标准化 • 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

27. USB 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 • 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

28. PCI / CompactPCI / PCI Express 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 • 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

29. VME / VXI 标准化 • 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 VXI最高带宽: 40 Mbytes/s 带宽分布: 共享 传输延迟: <1μs

30. 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

31. 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

32. LAN/LXI 标准化 • 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 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

33. 6. 虚拟化 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

34. 回顾: 传统仪器系统 虚拟化 • 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

35. 对比: 新一代的仪器系统 虚拟化 • 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

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

37. “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

38. 常用的虚拟仪器系统开发语言 虚拟化 • 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

39. 7. 智能化 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

40. 8. 网络化 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

41. 虚拟仪器技术充分体现了这些趋势 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

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

43. 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