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微机a原理
微机原理期末论文
题目:
虚拟仪器特点及应用
摘要
本文从虚拟仪器的起源、发展入手,简单介绍虚拟仪器的功能,比较虚拟仪器与传统仪器的不同之后,全面的介绍了虚拟仪器设计技术,并用软件仿真的方法设计了一台虚拟仪器,实现了从数据采集到数据分析的全过程。
虚拟仪器的设计分成两个方面。
硬件方面,本文从最基本的传感器、信号调理开始介绍数据采集过程以及DAQ板卡。
除此之外,本文还介绍了虚拟仪器总线技术,重点为专用于虚拟仪器的VXI总线系统以及PXI总线系统。
软件方面,主要利用现今最有代表性的图形化编辑软件——LabVIEW,并用之模拟从DAQ板卡中采集到一路带有均匀白噪声的正弦信号,显示其波形,并分析、显示其幅频特性曲线以及相频特性曲线。
本文还从市场出发对虚拟仪器的配置投资做了具体阐述,指明了构造虚拟仪器平台所需要的投资,为今后的学习工作打下了基础。
并对国内外虚拟仪器的部分应用案例作了介绍,指出虚拟仪器是仪器历史的一次革命。
目录
引言1
第一章虚拟仪器概述2
1.1概述2
1.2虚拟仪器的发展2
1.3虚拟仪器的分类3
第二章虚拟仪器的特点4
2.1虚拟仪器的特点4
2.2虚拟仪器的优势5
第三章虚拟仪器的应用前景7
心得体会9
引言
仪器是人类认识世界的基本工具,也是信息社会人们获取信息的主要手段之一。
随着信息时代和网络时代的来临,传统仪器已不能满足科技以及社会生产的需要。
仪器已不再是简单的机械或电子设备,而是融合了机械、电子、光学、计算机、材料化学、物理学、化学、生物学、系统工程等学科和先进制造技术的一门综合性技术。
近年来,伴随着计算机技术、软件技术和总线技术的迅猛发展,仪器以及自动测试技术也发生了革命性的变化。
1987年,VXI总线的诞生标志着仪器与自动测试技术发展进入了一个崭新的阶段,虚拟仪器的概念也深入人心,应用领域不断拓展。
虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和(或)硬件,使得使用者在操作这台计算机时,就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。
在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个仪器系统的关键,任何一个使用者都可以通过修改软件的方法,很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模,所以有“软件就是仪器”之说。
虚拟仪器技术的出现,彻底打破了传统仪器由厂家定义,用户无法改变的模式,虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。
用户可以随心所欲地根据自己的需求,设计自己的仪器系统,满足多种多样的应用需求。
第一章虚拟仪器概述
1.1概述
虚拟仪器(virtualinstrument,VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)提出来的,虚拟仪器本质上是虚拟现实的一个方面的应用结果、也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器,它充分利用计算机系统强大的数据处理能力,在基本硬件的支持下,利用软件完成数据的采集、控制、数据分析与处理以及测试结果的显示等,通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能,大大地突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制,使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展与升级。
虚拟仪器是基于计算机的仪器,计算机和仪器的紧密结合时目前仪器发展的一个重要方向,虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和硬件,使得使用者在操作这台计算机时,就像在操作一台自己设计的专用的传统电子仪器。
在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了实现信号的输入输出,软件才是整个仪器系统的关键。
任何一个使用者都可以通过修改软件的方法,很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模,所以有了“软件就是仪器”之说。
1.2虚拟仪器测发展
随着电子技术的发展,仪器的发展经历了四个时期:
1、第一代仪器:
模拟仪器。
如指针式万用表、晶体管电压表,它们的基本特征是采用模拟电子技术实现,采用指针显示结果。
2、第二代仪器:
数字化仪器
数字化仪器目前相当普及,如数字电压表、频率计等。
这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量,并以数字方式输出最终结果。
3、第三代仪器:
智能仪器
智能仪器内置微处理器,能进行自动测量,具有一定的数据处理能力,可取代部分脑力劳动。
它的全部功能全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在,无论是开发还是应用,都缺乏灵活性。
4、第四代仪器:
虚拟仪器
虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物,是传统仪器观念的一次巨大变革,是将来仪器发展的一个重要方向。
从1988年开始,陆续有虚拟仪器产品面市。
此后,虚拟仪器产品飞速增加。
1.3虚拟仪器的分类
1、PC总线——插卡型虚拟仪器
2、并行口式虚拟仪器
3、GBIB总线方式的虚拟仪器
4、VXI总线方式虚拟仪器
5、PXI总线方式虚拟仪器
第2章虚拟仪器的特点
2.1虚拟仪器特点
测试仪器种类很多,功能也各异。
但不论是何种仪器,就其内部所具有的基本功能而言,都可以概括为信号采集与产生、信号分析与处理、参数置入与结果输出等三个部分,如下图所示。
虚拟仪器从实现这三个基本功能的技术特点来说,具有如下特点:
1.虚拟仪器的硬件是通用的
虚拟仪器的硬件是由计算机和测试模块构成的,通用计算机是虚拟仪器的基础硬件平台,它是仪器完成信号采集、数据处理、和结果显示三个基本功能(见下图)的共同支撑平台;测试硬件模块也是通用的,在同一信号调理、采集、A/D转换器的硬件平台上使用不同的测试软件,可构造出“电子计数器”、“数字多用表”、“数字示波器”、“频谱分析仪”等多种电子仪器;采用通用的标准总线及接口技术,和采用模块化、标准化的软件没计,实现了即插即用,即实现了不同厂家、不同型号的仪器硬软件资源的互换性、通用性。
2.虚拟仪器的面板是虚拟的
测量仪器的面板是在测量过程中实现人一机对话的基本部件,通过它的各种开关、按键、旋钮等完成仪器的各种工作参数的设置(如功能、频段、量程等参数置入),从它的读盘、数码管或显示屏上渎出测量结果。
传统仪器面板上的器件都是“实物”,而且操作是“手动”的。
虚拟仪器的面板是在计算机屏幕上虚拟出来的。
虚拟面板上的各种外形与实物相像的“控件”完成与传统仪器面板上的各种机件相同的功能,通过鼠标和计算机键盘操作虚拟面板上各种开关、按钮、显示器,对虚拟仪器进行操作,控制仪器电源的“通”或“断”、设置被测信号“输入通道”、“放大倍数”、“滤波特性”等参数,以及测量结果的“数值显示”或“波形显示”等。
3.虚拟仪器的功能是由用户软件定义的
传统仪器的功能通常是由具体的模拟或数字电路来实现的,是由硬件或固化的软件决定,其功能是固定的。
虚拟仪器是在以计算机为核心组成的硬件平台支持下,测试硬件模块仅完成前端的信号采集和产生功能,不承担分析处理和显示输出等功能,而虚拟仪器中不仅可以通过软件编程设计来实现某种仪器的功能,而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种仪器的功能。
虚拟仪器是由软件定义的,它是一种被软化了的柔性结构方式。
总而言之,决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。
与传统仪器相比,虚拟仪器具有以下特点:
①虚拟仪器是一种创新的计算机仪器,仪器功能可由用户软件定义,柔性结构,灵活组态;
②一台计算机被设计成多台不同功能的测量仪器,能集多种功能于一体,构成多功能和多用途的综合仪器;
③由于计算机有极其丰富的软件资源,极高的运算速度和庞大的存储空间,对测量数据有强大的分析和处理能力,可以进行快捷、实时的处理和存储;
④友好的人机交互界面使仪器的使用操作十分简便,图形化的用户界面形象、美观,可以方便地由用户自己定义,使之更具个性化;
⑤由于虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准,仪器硬件实现了模块化、系列化,软件实现了标准化,大大方便了系统集成,其开发技术难度低、效率高、成本低;
⑥基于计算机网络技术的虚拟仪器技术,可组建大型的分布式网络化远程测试系统。
2.2虚拟仪器的优势
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分,才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少以及出色的集成这四大优势。
1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,包括功能卓越的处理器和文件I/O,使用户在数据高速导入磁盘的同时,就能实时进行复杂的分析。
此外,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。
2扩展性强
得益于NI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用户的整个系统。
在利用最新科技的时候,用户还可以把它们集成到现有的测量设备,最终以较少的成本加快产品上市时间。
3开发时间少
在驱动和应用两个层面上,NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通信方面的最新技术结合在一起。
NI设计这一软件架构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,使用户轻松地配置、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。
4集成
虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。
随着产品在功能上不断趋于复杂,工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求,而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。
NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口,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。
第3章虚拟仪器的应用前景
虚拟仪器技术经过十几年的发展,而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。
以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善,建立在虚拟仪器技术上的各种先进仪器将会层出不穷。
虚拟仪器技术在发达国家的推广应用十分普及,在电子测量领域、过程控制领域,以及与人们的生活息息相关的许多其他领域。
在国内,近年来也开始有了利用虚拟仪器实现检测、控制等功能的例子。
由表可以看出,虚拟仪器已经逐渐被应用于人类生活的各个领域。
例如:
1、在电子实验领域中的应用
虚拟仪器最简单的应用是代替独立的仪器,如示波器、函数发生器、万用表等。
用户利用虚拟的函数发生器产生实验所需的激励信号,利用虚拟的示波器测量实验电路对激励信号的响应。
两种仪器通过窗口进行切换。
函数发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等或示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号(沿口、电平、类型)等都可用鼠标器或按键进行设置,如同常规仪器一样使用。
不过,虚拟器具有更强的分析处理能力,而且,用户重新定义后,它又能变成数字万用表、温度计或频谱分析仪等不同的仪器仪表。
2、在医学领域中的应用
医用泵用来向病人输液的设备,医务人员通过它可获得诊断信息,因此,对泵的精度有较高的要求。
IEC提出了一种较完善的测试标准;
(1)测量输液开始后的流速;
(2)测定不同时间间隔流速的相对变化,以描述泵的性能。
研发人员用虚拟仪器软件LabVIEW开发了一套计算机化的自动测试系统。
这套测试系统由电子天平、奔腾PC机、LabVIEW软件和连接电缆组成。
天平上放一只烧杯,用来收集由泵输送的液体。
天平通过其上的RS-232串行口连到PC机的串行口上,进行双向通信。
PC机上运行以LabVIEW开发的采集虚拟仪器(采集VI),周期性地询问天平,收集信息。
采集到数据后,另一台独立的LabVIEW分析虚拟仪器(分析VI)立即执行分析任务。
用天平测得的质量除以液体的密度和测试的持续时间,求得流速并用屏幕面板显示流速随时间的变化。
3、在农业中的应用
几年前,美国Geomatica,Inc.利用虚拟仪器技术开发了一套AgriMate自动溉系统,系统中的现场处理器由运于LabVIEW的个人计算机控制。
现场处理器配置了模拟输入、锁存和继电器板,各种检测器和传感器以星形排列的方式与它相连。
LabVIEW图形化用户接口提供给农民一个总的状态面板。
这些状态用定做的指示器识别,它们用于不同领域,如水箱水位,泵和阀门状态,温度、土壤湿度和性能报警。
这些定做的目标能方便地用LabVIEW输入和激励;农民只要监测这个状态面板和简单地注视指示器的颜色,即可监测整个系统。
绿色表示系统部件工作正常,红色表示此部件需要注意,屏幕右边的按钮用来研究状态由绿变红的原因。
农民以这种面板能够监控水箱水位、阀门位置、泵的状态和土壤湿度等;修改设定点即改变灌溉计划;通过监测降雨情况,可使灌溉计划中考虑额外的水。
外加的水、水的用法、水箱水位和降雨情况等都是存储在灌溉数据库文件里的数据。
农民能够读出这些数据以与当前月份进行比较;以图形方式显示给定月份的土壤湿润度和外加的水。
AgriMate产生的制表软件数据库也提供硬拷贝灌溉状态报告。
检测到降雨时,这种报告每天或每小时进行修改。
通过协调,可使所有灌溉都服从本地电力公司的时间使用规定,因为在晚上有利的时间灌溉,能节约50%用泵抽水的费用。
现在已成为当地农民监控水的用法、降低费用的有效工具。
心得体会
对这门课的第一印象是书本看不懂,感觉学起来应该会很难很累。
在学习这门课的过程中,在对虚拟仪器的了解过程中,慢慢对微机原理有了感观。
通过对微机原理的学习,我深刻体会到需要有系统的思维方式和方法,对待要解决的问题,要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。
同时我也深刻的认识到,在对待一个新事物时,一定要从整体考虑,完成一步之后再作下一步,这样才能更加有效。
学习的时候没有想象中的那么难,只要上课能听懂就基本还可以。
有的时候上课的内容都要找很久才能找到,甚至有的时候老师讲的知识书本上是找不到的,是另外补充而且是相当重要的内容。
有的时候开小差,没有听到老师讲的知识点,这就导致了以后的学习无法顺利进行,使得学习起来十分困难。
所以在这门课的学习中,上课一定要听牢,就像老师说的那样,这样的专业课如果想凭考试前几天突击是行不通的,必须是日积月累的知识才能取得好成绩。
本文通过对虚拟仪器的概述,使我所学知识得到巩固和发展。
我学到了很多,我感到最重要的就是严谨的精神,不放过一丝的错误,对图的每一个环节都要严谨,反复检查、修改。
总之,在这论文设计中我受益非浅,对我以后的工作也是有很大的帮助的,在这次课设中也暴露了自己的一些缺点,基础知识不够扎实,我会在以后的日子里加以改正,来提高自己综合能力。
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