第9章 新型检测技术与仪表

第九章 新型检测技术与仪表

第一节 虚拟仪器技术 第二节 图像检测技术 第三节 软测量技术刘玉长

第一节 虚拟仪器技术一、 概述虚拟仪器(Virtual Instrument,简记为VI)是 指在通用计算机上由用户设计定义，利用计算机 显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板， 以完成信号的采集、测量、运算、分析、处理等 功能的计算机仪器系统。

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虚拟仪器特点强调“软件即仪器”的新概念。 功能由用户定义，可方便设计、修改测试方案，构成各 种专用仪器。 可方便地同外设、网络及其他设备连接，可以将信号的 分析、实现、存储、打印和其他管理均由计算机完成。 系统功能、规模可通过软件修改、增减，简单灵活。 价格低廉，可重复使用。 技术更新快，开发周期短。 采用软件结构、功能化模块，节省硬件开发和维护费用。 面向总线接口控制，用户通过软件工具组建各种智能检 测系统。

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二、虚拟仪器的构成虚拟仪器通常包括：计算机、应用软件和 仪器硬件三部分，其中计算机与仪器硬件又称为 虚拟仪器的通用硬件平台。

虚拟仪器基本框图

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(一)虚拟仪器的通用硬件平台硬件平台是虚拟仪器工作的基础，它的主 要功能是完成对被测信号的采集、传输和测量结 果显示。 虚拟仪器的硬件平台主要包括计算机和信 号采集调理。计算机包括微处理器、存储器和显 示器等，它主要用来提供实时高效的数据处理性 能；信号采集调理部分可以是GPIB仪器模块、 VXI仪器模块、PXI仪器模块或数据采集卡，主 要用来采集、传输信号。 常用的虚拟仪器系统是数据采集(DAQ)系统、 通用接口(GPIB)仪器控制系统、VXI仪器系统、 PXI仪器系统以及它们之间的任意组合。 刘玉长

1、PC-DAQ测量系统PC-DAQ测量系统是以数据采集板、信号调 理电路及计算机为硬件平台配以专用软件组成的 测试系统，是构成虚拟仪器的基本构成方式。其 中插入式数据采集板(卡)是虚拟仪器中常用的接 口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机， 或将计算机数据输出给被控对象，用数据采集板 (卡)配以计算机平台和虚拟仪器软件便可构成各 种数据采集控制仪器系统。目前，插入式数据采 集板(卡)技术主要应用于高采样速率及直接控制 方面。 刘玉长

2、通用接口(GPIB)仪器控制系统通用接口GPIB(General purpose Interface Bus )是仪器系统互连总线规范，通用接口总线能 够把可编程仪器与计算机紧密的联系起来，使电 子测量由独立的手工操作的单台仪器向组成大规 模智能检测系统的方向迈进。

GPIB通用接口仪器系统 通用接口仪器系统

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3、VXI总线仪

器系统VXI(VEM Bus Extensions for Instrument)总 线仪器系统是基于VXI总线平台技术的自动检测 系统，是结合GPIB仪器和数据采集板(DAQ)的最 先进技术发展起来的高速、开放式工业标准。 具有互操作性好、数据传输速率高、可靠 性高、体积小、重量轻、可移动性好等特点。 一个基本的VXI仪器系统可以由三种不同的 配置方案：GPIB控制方案 、嵌入式计算机控制 方案和MXI总线控制方案 刘玉长

(1)GPIB控制方案：包括插于通用计算机的GPIB接口板、位于 VXI零槽的GPIB-VXI/C模块、连接两者的GPIB电 缆、VXI机箱以及若干VXI仪器模块。 传输速率约为1Mb/s,如果使用HS488协议， 可使GPIB的数据传输速率提高到1.6Mb/s(ISA总线) 和3.4Mb/s(EISA总线),最高可达8Mb/s。其中零槽 模块起GPIB和VIX总线翻译器作用。 优点在于可利用熟悉的GPIB技术，如同控制 一台仪器一样来控制VXI仪器系统，且系统造价较 低。缺点是由于GPIB总线的数据传输速率远远低 于VXI总线，形成整个系统的数据交互瓶颈。

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(2) 嵌入式计算机控制方案：该控制方案的组件包括一个VXI机箱、嵌入 式计算机模块、若干VXI仪器模块以及VXI软件 开发平台。 一个嵌入式计算机模块除具有VXI系统控制 功能外，还具有一台通用PC机的全部功能。 在该方案中，所有的模块均直接插在VXI机 箱的背板总线上，能实现高速的数据传输 (40Mbps左右),且体积紧凑，是实现VXI自动检 测系统的最佳方案。 但该方案的造价及升级费用较高。 刘玉长

(3)MXI总线控制方案：该方案包括VXI接口板、位于VXI零槽的 VXI-MXI模块、连接两者的电缆、VXI机箱、插 于通用计算机的MXI接口板、VXI仪器模块及 VXI软件开发平台。 在提高数据传输速率方面有很大优势。性 价比较高，便于系统的扩散扩展和升级。

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典型的VXI总线系统配置。 总线系统配置。 典型的 总线系统配置

4、PXI仪器总线系统PXI(PCI Extensions for Instrumentation)是一种专 为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器 平台，也是虚拟仪器的理想平台。 VXI仪器系统和PXI仪器系统之间的主要差别源 于它们各自的底层总线结构不同。VXI基于VME总线， 而PXI基于PCI总线，PCI在台式PC中广泛应用。使用 PCI PCI总线还能够降低产品成本。 PXI仪器系统设备尺寸小，它能够为便携式、 台式(bench-top)与固定架式(rack-mount)装置提供一个 通用平台。 由于基于PCI总线结构，PXI仪器系统在性能和 集成化上给使用者带来更多好处，例如，PXI设备能 被操作系统自动识别。

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(二)虚拟仪器的软件虚拟仪器的软件可以分为多个层次，其中 包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序。 仪器驱动程序主要

用来初始化虚拟仪器， 设置特定参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常 工作状态； 应用程序用来对输入计算机的数据进行分 析和处理，用户就是通过编制应用程序来定义虚 拟仪器的功能； 软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接 口，它可以在计算机屏幕上生成一个与传统仪器 面板相似的图形界面，用来显示测量结果等。 刘玉长

通常在编制虚拟仪器软件时可以采用两 种编制方法。 一种是传统的编程方法，采用高级语言， 如C、C++等，另一种是采用可视化编程语言 环境Visual C++、Visual Basic等。 在虚拟仪器图形软件开发平台研究方面， LabVIEW是其中一种典型的图形化软件编程 平台。

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LabVIEW开发平台LabVIEW开发平台是一种编译性图形化编程语言， 它把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成菜单或图 标提示的方法选择功能(图形),并用线条把各种功 能(图形)连接起来的简单的图形编程方式。 LabVIEW为编程、查错、调试提供了简单、方便、 完整的环境和工具。所以，同传统的编程语言相比， 采用LabVIEW图形编程方式可以节省大约80%的开 发时间，但其运行速度几乎不受影响。 LabVIEW除了编程方式与常规语言不同外，它具备 常规语言的所有特性。由于LabVIEW采用的是图形 化编程方式，所以又称为G语言。

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G语言G语言是一种适合应用于任何编程任务和具有丰 富的扩展函数库的图形化编程语言，是LabVIEW 的核心 。 定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规则 等编程语言的基本要素，在功能完整性和应用灵 活性上不逊于任何高级语言。 丰富的扩展函数库为用户编程提供了极大的方便。 包括常用的程序调试工具，比如允许设置断点、 单步调试、数据探针和动态显示执行程序流程等 功能。 它与传统高级编程语言最大的区别在于编程方式： 一般高级语言采用文本编程，而G语言采用图形 化编程方式。

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