Virtual Instrumentation--
Computer Based Instruments
主讲人：林 君
虚拟仪器
主要内容
? 从智能仪器到虚拟仪器
? 虚拟仪器的特点
? 虚拟仪器的体系
? 虚拟仪器的硬件
? 虚拟仪器的软件
? 虚拟仪器的应用
一、从智能仪器到虚拟仪器
仪器的发展历史
VXI Chassis
DAQ Boards
with RTSI
Fully Programmable System
GUI
IEEE 488 Rack and Stack System
Analog Instrumentation
Virtual Instrumentation
微处理器
MPU
程序存储器
（ ROM）
数据存储器
（ ROM）
I/O接口 键盘显示接口 标准仪用
通信接口
A/D
转换器
D/A
转换器
键盘 显示
外部仪用
标准总线
信号
调理
模拟
执行器
通信接口人机接口模拟量输入输出
被测量
智能仪器的基本结构
ISA/PCI
插卡式仪器
RS232/485
串行通信
仪器
打印口
并行通信
仪器
GPIB/
VXI/PXI
总线仪器
计算机
USB
串行通信
仪器
测控对象
INTERNET
基于计算机的仪器系统
虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（ National
Instrument）在 1986年提出的，但其雏形可以追溯到 1981
年由美国西北仪器系统公司推出的 Apple II为基础的数字
存储示波器。这种仪器和个人计算机的概念相适应，当时被
称为个人仪器。（ Personal Instrument）。
虚拟仪器概念的提出
1986年,NI公司推出了图形化的虚拟仪
器编程环境 LabVIEW，标志着虚拟仪器软件设计平
台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实
现的具体对象 。
VI定义
虚拟仪器 ( VI - Virtual Instrumentation ) 是指通过
应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通
过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定
义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量
的采集、分析、判断、显示、数据存储等。与传统仪器一
样，如果忽略它的跨网络的位置透明性，它同样划分为数
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
二、虚拟仪器的特点
仪器 = A/D + CPU+ 软件
The Software Is Instruments
传统仪器 虚拟仪器
关键是硬件 关键是软件
开发与维护费用高 开发与维护费用低
技术更新周期长 技术更新周期短
价格高 价格低，并且可重用性与可配置性强
厂商定义仪器功能 用户定义仪器功能
系统封闭、固定 系统开放、灵活，与计算机的进步同
不易与其他设备连接 容易与其他设备连接
VI与传统仪器的比较
虚拟仪器的优势：
? 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 。
三、虚拟仪器的体系
虚拟仪器典型的体系结构
测控对象
现
场
总
线
设
备
V X I
仪
器
串
行
口
仪
器
P L C
G P I B
接口
仪器
G P I B
接口卡
信号
调理
数据
采集卡
D A Q
图
象
采
集
卡
D S P
工业自动化软件
,B r i d g e V I E W
,L o c k o u t
,C o n m p o n e n t
w o r k
测量与分析软件
,L a b V I E W ( V E E )
,L a b W i n d o w s / C V I
,C o m p o n e n t W o r k s H i Q
,V i r t u a l B e n c h I V I
传统编程语言
,V i s u a l C + +
,V i s u a l B a s i c
,C + + B u i l d e r
,D e l p h i 等等
P C 机/ 工作站
虚拟仪器的分类
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
四、虚拟仪器的硬件
自行研制的基于 USB总线的数据采集卡
自行研制的 Seed-2000PCI总线数据采集卡
自行研制的 基于 USB的信号发生卡及 LCR测试仪
自行研制的嵌入式 TCP/IP模块
NI的 PCI-GPIB卡
操 作 系 统, DOS,
Windows2000/9x/NT
最大 I/0速度：
1.5 Mbytes/s
（ IEEE488.1)
7.7 Mbytes/s
(HS488)
尺寸,133x107 mm
GPIB产品示例
屏蔽的 24芯 GPIBcable及定义
NI的 DAQ及 VXI产品示例
PXI产品
MXIGPIB
bus
VXI or VME
Stand-alone
Instrument PXI System
Modules Modules
CompactPCI
PXI Modules Link to Other Standards
MXI-3
五、虚拟仪器的软件
用 LabVIEW开发的虚拟仪器的软面板示例
虚拟数字示波器的软面板
O L E D L L
S Q C
测试执行
测试报告
S P C
虚拟仪器
仪器驱动软件
I E E E 4 8 8,
2
V X I / V I S A DAQ 驱动 I M A G 驱动
G P I B
仪器
串行
仪器
V X I / P X I
仪器
DAQ
卡
I M A G
卡
仪器硬件
I / O 接口层
仪器驱动层
测试程序层
测试管理层
虚拟仪器软件分层结构
软件平台
?LabVIEW
美国的 NI（ National Instrument） 公司开发 。
?LabScene
吉林大学智能仪器与测控技术研究所研制开发 。
?其他,LabWindows,VEE 等
基于图形的程序
每一个前面板都有一个框图程序与之相对应，它用 G语言编写，由节点 (Node)、
端口和数据连线 (Wire)组成。
节点：类似硬件中的芯片，执行某些功能的单元，它有四类：功能函数、结构、
代码及文本接口节点 (CIN)、子 VI(SubVI)。
端口：类似硬件中的管脚，是数据在前后面板、节点之间传递的通道。有两类端
口：控制和指示端口、节点端口。
数据连线：它是数据端口之间的数据通道，在线中数据是单向树状流动。
LabVIEW和 LabWindows/CVI
详细教程可以到
www.pansino.com.cn
或 ni.com/china 下载
六、虚拟仪器的应用
虚拟仪器技术应用领域
航空
航天
教学
核工业
军工
通信测试
铁道
……,
虚拟仪器的实际应用
ni.com/china
教学实验 （ LabVIEW） —— 虚拟调制解调器
教学实验 （ LabScene） —— 波形分析
数据采集 （ LabScene） —— 基于 USB的硬件卡
工业监测
实验室应用
远程地质灾害监测研究
：
网络化仪器的应用示例
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attention !
Computer Based Instruments
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主要内容
? 从智能仪器到虚拟仪器
? 虚拟仪器的特点
? 虚拟仪器的体系
? 虚拟仪器的硬件
? 虚拟仪器的软件
? 虚拟仪器的应用
一、从智能仪器到虚拟仪器
仪器的发展历史
VXI Chassis
DAQ Boards
with RTSI
Fully Programmable System
GUI
IEEE 488 Rack and Stack System
Analog Instrumentation
Virtual Instrumentation
微处理器
MPU
程序存储器
（ ROM）
数据存储器
（ ROM）
I/O接口 键盘显示接口 标准仪用
通信接口
A/D
转换器
D/A
转换器
键盘 显示
外部仪用
标准总线
信号
调理
模拟
执行器
通信接口人机接口模拟量输入输出
被测量
智能仪器的基本结构
ISA/PCI
插卡式仪器
RS232/485
串行通信
仪器
打印口
并行通信
仪器
GPIB/
VXI/PXI
总线仪器
计算机
USB
串行通信
仪器
测控对象
INTERNET
基于计算机的仪器系统
虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（ National
Instrument）在 1986年提出的，但其雏形可以追溯到 1981
年由美国西北仪器系统公司推出的 Apple II为基础的数字
存储示波器。这种仪器和个人计算机的概念相适应，当时被
称为个人仪器。（ Personal Instrument）。
虚拟仪器概念的提出
1986年,NI公司推出了图形化的虚拟仪
器编程环境 LabVIEW，标志着虚拟仪器软件设计平
台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实
现的具体对象 。
VI定义
虚拟仪器 ( VI - Virtual Instrumentation ) 是指通过
应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通
过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定
义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量
的采集、分析、判断、显示、数据存储等。与传统仪器一
样，如果忽略它的跨网络的位置透明性，它同样划分为数
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
二、虚拟仪器的特点
仪器 = A/D + CPU+ 软件
The Software Is Instruments
传统仪器 虚拟仪器
关键是硬件 关键是软件
开发与维护费用高 开发与维护费用低
技术更新周期长 技术更新周期短
价格高 价格低，并且可重用性与可配置性强
厂商定义仪器功能 用户定义仪器功能
系统封闭、固定 系统开放、灵活，与计算机的进步同
不易与其他设备连接 容易与其他设备连接
VI与传统仪器的比较
虚拟仪器的优势：
? 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 。
三、虚拟仪器的体系
虚拟仪器典型的体系结构
测控对象
现
场
总
线
设
备
V X I
仪
器
串
行
口
仪
器
P L C
G P I B
接口
仪器
G P I B
接口卡
信号
调理
数据
采集卡
D A Q
图
象
采
集
卡
D S P
工业自动化软件
,B r i d g e V I E W
,L o c k o u t
,C o n m p o n e n t
w o r k
测量与分析软件
,L a b V I E W ( V E E )
,L a b W i n d o w s / C V I
,C o m p o n e n t W o r k s H i Q
,V i r t u a l B e n c h I V I
传统编程语言
,V i s u a l C + +
,V i s u a l B a s i c
,C + + B u i l d e r
,D e l p h i 等等
P C 机/ 工作站
虚拟仪器的分类
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
四、虚拟仪器的硬件
自行研制的基于 USB总线的数据采集卡
自行研制的 Seed-2000PCI总线数据采集卡
自行研制的 基于 USB的信号发生卡及 LCR测试仪
自行研制的嵌入式 TCP/IP模块
NI的 PCI-GPIB卡
操 作 系 统, DOS,
Windows2000/9x/NT
最大 I/0速度：
1.5 Mbytes/s
（ IEEE488.1)
7.7 Mbytes/s
(HS488)
尺寸,133x107 mm
GPIB产品示例
屏蔽的 24芯 GPIBcable及定义
NI的 DAQ及 VXI产品示例
PXI产品
MXIGPIB
bus
VXI or VME
Stand-alone
Instrument PXI System
Modules Modules
CompactPCI
PXI Modules Link to Other Standards
MXI-3
五、虚拟仪器的软件
用 LabVIEW开发的虚拟仪器的软面板示例
虚拟数字示波器的软面板
O L E D L L
S Q C
测试执行
测试报告
S P C
虚拟仪器
仪器驱动软件
I E E E 4 8 8,
2
V X I / V I S A DAQ 驱动 I M A G 驱动
G P I B
仪器
串行
仪器
V X I / P X I
仪器
DAQ
卡
I M A G
卡
仪器硬件
I / O 接口层
仪器驱动层
测试程序层
测试管理层
虚拟仪器软件分层结构
软件平台
?LabVIEW
美国的 NI（ National Instrument） 公司开发 。
?LabScene
吉林大学智能仪器与测控技术研究所研制开发 。
?其他,LabWindows,VEE 等
基于图形的程序
每一个前面板都有一个框图程序与之相对应，它用 G语言编写，由节点 (Node)、
端口和数据连线 (Wire)组成。
节点：类似硬件中的芯片，执行某些功能的单元，它有四类：功能函数、结构、
代码及文本接口节点 (CIN)、子 VI(SubVI)。
端口：类似硬件中的管脚，是数据在前后面板、节点之间传递的通道。有两类端
口：控制和指示端口、节点端口。
数据连线：它是数据端口之间的数据通道，在线中数据是单向树状流动。
LabVIEW和 LabWindows/CVI
详细教程可以到
www.pansino.com.cn
或 ni.com/china 下载
六、虚拟仪器的应用
虚拟仪器技术应用领域
航空
航天
教学
核工业
军工
通信测试
铁道
……,
虚拟仪器的实际应用
ni.com/china
教学实验 （ LabVIEW） —— 虚拟调制解调器
教学实验 （ LabScene） —— 波形分析
数据采集 （ LabScene） —— 基于 USB的硬件卡
工业监测
实验室应用
远程地质灾害监测研究
：
网络化仪器的应用示例
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