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虚拟仪器设计知识点虚拟仪器是一种基于计算机软硬件的测量和控制系统，它使用计算机作为中心处理单元，将传感器、执行器和仪器控制信号进行实时的数字处理和分析。
虚拟仪器的设计涉及多个知识点，本文将分别介绍这些知识点，包括虚拟仪器的概念、功能、设计原则以及在不同领域中的应用。
一、虚拟仪器的概念虚拟仪器是一种基于计算机技术的仪器系统，将传统仪器中硬件部分用软件实现，通过计算机控制并完成测量、分析和控制等任务。
虚拟仪器通过软件定义仪器的功能，实时采集、处理和显示数据，具有灵活性、可重构性和可扩展性等特点。
二、虚拟仪器的功能虚拟仪器常见的功能包括测量、分析、控制和数据处理等。
其中，测量功能是虚拟仪器的核心，可以实现各种物理量的测量、采集和监测，如电压、电流、温度等；分析功能可以对采集到的数据进行实时分析和处理，如频谱分析、波形显示等；控制功能可以通过计算机软件实现对执行器的控制和调节，如机器人、自动化生产线的控制等；数据处理功能可以对采集的数据进行处理和存储，如数据录制、数据传输和数据分析等。
三、虚拟仪器的设计原则虚拟仪器的设计需要遵循一些原则，以确保其功能的可靠性和性能的优越性。
首先，应该根据实际需求选择适当的硬件平台和软件开发环境，如选择合适的传感器、执行器和数据采集卡等硬件设备，并结合软件开发平台进行系统设计；其次，需要制定清晰的系统架构和设计规范，确保系统的稳定性和可扩展性；此外，还应考虑虚拟仪器的易用性和人机交互性，提高用户的使用体验。
四、虚拟仪器在不同领域中的应用虚拟仪器的应用广泛涵盖科研、工业控制、教育培训、医疗等领域。
在科研领域，虚拟仪器可以实现对各种物理量的实时测量和数据处理，为科学研究提供可靠的实验平台；在工业控制领域，虚拟仪器可以实现对生产线的监测和控制，提高生产效率和质量；在教育培训领域，虚拟仪器可以模拟实验环境，帮助学生进行实验操作和数据分析；在医疗领域，虚拟仪器可以实现对患者的监护和治疗，提高医疗水平和效率。
虚拟仪器实验报告实验目的：本实验旨在通过使用虚拟仪器，模拟真实的仪器实验，以探索实验原理，并获取实验数据，从而提升学生的实验能力和科学研究水平。
实验仪器与装置：1. 虚拟仪器软件：使用Simulink软件进行模拟实验。
2. 计算机：用于运行虚拟仪器软件和获取实验数据。
3. 相应的传感器和测量设备：根据实验要求设置相应的传感器和测量设备。
实验步骤：1. 准备工作：确认计算机和虚拟仪器软件正常运行。
2. 搭建电路（以电阻的测量为例）：根据实验设计，搭建所需的电路。
3. 连接传感器：将传感器正确连接到电路中。
4. 设置实验参数：在虚拟仪器软件中设置实验参数，包括电压、电流等。
5. 运行实验：点击软件中的"开始"按钮，运行实验。
6. 数据采集：观察软件界面上的数据显示，记录实验数据，如电阻值。
7. 实验结果分析：根据实验数据进行结果分析，比如绘制曲线图、计算相关参数等。
实验结果与讨论：通过模拟实验，我们成功地测量了电路中某一电阻的电阻值。
我们根据设置的实验参数，在虚拟仪器软件中观察到了电阻值，并成功地记录了实验数据。
通过对实验数据的分析，我们得出了以下结论：1. 实验数据与理论值的比较：比较实验测得的电阻值与理论计算值，我们发现两者存在一定的误差。
这可能是由于测量仪器的精确度、电路中其他元件的影响以及实验条件的限制等原因所导致的。
2. 实验数据的稳定性：在不同实验条件下进行多次测量，我们发现实验数据的稳定性较好。
重复实验结果的接近程度表明虚拟仪器的精确度和可靠性较高。
3. 数据分析与应用：根据实验数据，我们可以进一步分析电阻值与其他因素（如电流、电压等）之间的关系。
通过进一步的实验研究，可以探究电阻在不同工作条件下的变化规律，为相关领域的研究提供有价值的参考。
实验结论：通过本次虚拟仪器实验，我们掌握了虚拟仪器的使用方法，了解了在虚拟环境中进行实验的过程和步骤。
通过模拟实验，我们成功地测量了电阻的电阻值，并对实验结果进行了分析与讨论。
虚拟仪器与传统仪器的区别与联系
所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器，逻辑分析仪，信号发生器，频谱分析仪等；可集成于自动控制，工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。
它由计算机，应用软件和仪器硬件组成。
无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑，台式
PC 或工作站等各种计算机平台（甚至可以是掌上电脑）加上应用软件而构成的。
虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。
从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律（每半年提高一倍）飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。
虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。
尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。
虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的硬件软件化的发展趋势，因而常被称作软件仪器。
它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训既可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。
在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压。
虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。
从虚拟仪器的组成结构上来看：（1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件）；(2）良好的人机界面。
虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通过“控件”虚拟出面板）；（3）功能强。
虚拟仪器的功能是由用户软件定义的;（4）虚拟仪器之“虚拟”含义:虚拟仪器面板；软件实现仪器功能。
如：基于高速数据采集硬件，通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。
（5）因此，软件是虚拟仪器的核心，NI 提出“软件即仪器”（The software is the instrument）。
与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点：1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性）好；充分利用计算机丰富的软硬资源。
仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪器）。
仪器升级方便，性价比高（一机多用）。
基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟仪器”。
（2）操作方便；通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面板。
（3）硬件模块化、系列化；基于仪器总线技术，设计出模块化、系列化硬件。
1. 虚拟仪器系统组成及各部分基本功能虚拟仪器的系统构成硬件和软件两大部分构成。
硬件是基础，软件是核心。
各部分基本功能虚拟仪器的内部功能，可划分为信号调理与采集、数据分析和处理、参数设置和结果表达三大功能模块。
信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器驱动程序共同完成，而数据分析与处理、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。
第二章LabVIEW 概述LabVIEW的特点-图形化的仪器编程环境提供显示和控制对象，如表头、旋钮、图表等。
关于虚拟仪器的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解虚拟仪器的概念、功能及在工程测量中的应用。
2. 学生能够掌握虚拟仪器软件的基本操作流程和使用方法。
3. 学生能够描述至少三种常见虚拟仪器的原理及使用场景。
技能目标：1. 学生能够独立操作虚拟仪器软件，进行基础的数据采集与分析。
2. 学生能够运用虚拟仪器解决简单的实际测量问题，如信号处理、波形分析等。
3. 学生通过小组合作，设计并实施一个简单的虚拟仪器应用方案。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对科学研究的兴趣，特别是在工程测量和虚拟仪器领域的探索热情。
2. 学生在学习过程中形成合作意识，培养团队精神和解决问题的积极态度。
3. 学生能够认识到虚拟仪器在现代社会中的重要作用，理解科技发展对生活的影响。
课程性质：本课程为实践性与理论性相结合的课程，旨在通过虚拟仪器的学习，提高学生的动手能力和实际问题解决能力。
学生特点：考虑到学生处于高年级，已具备一定的物理知识和实验操作技能，能够较快地掌握虚拟仪器原理和操作。
教学要求：教师需采用讲授与实操相结合的教学方式，注重引导学生主动探索，鼓励学生将理论知识应用于实践操作中，并通过小组合作培养学生的团队协作能力。
通过具体的学习成果评估，确保学生达到课程目标。
二、教学内容1. 虚拟仪器概述- 定义与分类- 发展历程- 应用领域2. 虚拟仪器原理- 数据采集与处理- 信号分析与显示- 常用算法介绍3. 虚拟仪器软件- LabVIEW软件安装与界面认识- 基本操作与编程- 实例分析与实操演练4. 常见虚拟仪器介绍- 数字示波器- 频谱分析仪- 数据记录仪5. 虚拟仪器应用案例- 简单电路信号测量- 声音信号处理- 小组项目：设计并实施一个虚拟仪器应用方案教学内容安排与进度：第一周：虚拟仪器概述第二周：虚拟仪器原理第三周：LabVIEW软件安装与基本操作第四周：常见虚拟仪器介绍第五周：虚拟仪器应用案例及小组项目实施本教学内容依据课程目标，紧密结合教材相关章节，注重理论与实践相结合，使学生能够系统地掌握虚拟仪器相关知识。
虚拟仪器
一、起源与发展
上世纪80年代末期，美国仪器公司(NI)提出了“软件就是仪器”的新概念，它将计算机技术与现代仪器技术相结合，开发出虚拟仪器这种全新概念的测量仪器，从而打破了传统仪器的结构固定、功能单一、可扩展性差等限制。
虚拟仪器概念最早是由美国仪器公司(national instruments，NI)，于1986年提出的，但其雏形可以追溯到1981年由美国西北仪器公司系统公司推出的AppleⅡ为基础的数字存储示波器。
自20实世纪80年代中期开始，微软公司Windows操作系统的出现，使得计算机操作系统的图形支持功能得到很大提高。
1986年，NI公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabView，标志着虚拟仪器设计软件平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。
虚拟仪器是测试技术和计算机技术综合集成的产物，是计算机技术、测量仪器技术和软件技术共同孕育出的一项革命性新技术，代表了现代测试技术和仪器技术发展方向。
虚拟仪器的出现，彻底改变了传统的仪器观，开辟了测量测试技术的新纪元。
随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器的概念逐步为工业界和学术界所认识，经过20多年的技术进步与发展，已经成为21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向，并且在研究、制造和开发以及一些院校的实验室建设等众多领域得到广泛应用。
二、虚拟仪器概述
计算机总线技术、软件技术及相关技术的发展，使得微机在计算机仪器上的作用远远超出了计算机仪器发展初期用来完成控制的范畴。
微机及DSP强大的计算能力使得它们在一定的实时性要求下代替了许多原来由硬件完成的功能，这标志着“软件即仪器(The software isthe instrument)”时代的到来。
人们给这样的测试仪器起了一个形象的名字——虚拟仪器。
虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，是使用在通用计算机上的一组软件和硬件。
虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。
虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合的产物，它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。
因此，所谓虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)，就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。
虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，在测试系统和仪器设计中尽量使用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统和仪器的功能。
“软件即仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。
虚拟仪器包括硬件和软件两大部分。
虚拟仪器的硬件主要是获取现实世界的被测信号，提供信号传输的通道。
而软件是控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。
总之，虚拟仪器硬件技术以VXI、PXI等先进的计算机接口总线发展为标志，而软件技术则以VISA、SCPI和IVA等最新标准和LabVIEW、LabWindows／CVI 等先进开发平台为核心，构成一个比较完整的虚拟仪器技术体系。
三、国内外发展状况
作为现代仪器仪表发展的方向，虚拟仪器已迅速发展成为一种新的产业.美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国。
到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿美元的4%。
到1996年,虚拟仪器已在仪器仪表市场中占有10%的份额。
生产虚拟仪器的主要厂家NI、HP等公司，目前都生产数百个型号的虚拟仪器产品。
这些产品在国际市场上有较强的竞争力,已进入中国市场. 国内虚拟仪器研究的起步较晚,最早的研究也是从引进消化NI的产品开始.但经过多年研究,我国已经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色。
国家自然科学基金委员会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一,并被列为十一五期间优先资助领域。
我国国民经济的持续快速发展,加快了企业的技术升级步伐,先进仪器设备的需求更加强劲;虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展,这些都为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础.因此,我国的虚拟仪器存在巨大的发展潜力。
但是,国内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主知识产权的虚拟仪器核心开发技术,也没有相关的行业标准.虚拟仪器产业无论在规模还是在质量上都难以与国外同行匹敌,国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场.加入WTO以后,我国虚拟仪器行业面临的形势更加严峻.。
