简述虚拟仪器技术及LabVIEW编程课程的认识和理解

虚拟仪器--软件就是仪器

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一、引言

当前多媒体计算机、信息高速公路和计算机网络是计算机信息科学的三个重要发展方向。它们相互联系、相互促进、共同发展，已经渗透到人们日常工作、生活、学习、娱乐的各个方面，逐步地由办公室、实验室走向家庭。

虚拟现实是多媒体计算机的一个重要应用领域，多媒体技术是虚拟现实的技术基础。虚拟现实（Virtual Reality）是利用多媒体计算机技术生成的一个具有逼真的视觉、听觉、触觉及嗅觉的模拟现实环境。用户可以用人的自然技能对这一虚拟的现实进行交互体验，而用户体验到的结果－－该虚拟现实的反应与用户在相应的真实现实中的体验结果相似或完全相同。虚拟现实的概念包括如下三个层次的含义：

1、虚拟现实是利用计算机技术而生成的逼真的实体，人们对该实体具有真实的三维视觉、立体听觉、质感的触觉和嗅觉。

2、人们可以通过自然技能与虚拟现实进行对话，即人的头、眼、四肢等的各种动作在虚拟现实中的反应具有真实感。

3、虚拟现实技术往往要借助一些三维传感设备来完成交互动作，如头盔式立体显示器、数据手套、数据衣服、三维 *** 纵器等。

虚拟现实技术虽然现在还处于初级阶段，但已在科学可视化、CAD、飞行器／汽车／外科手术、虚拟仪器等的 *** 作模拟等方面得到了应用。已经在航空航天、国防军事、生物医学、教育培训、娱乐游戏、旅游等领域显示出广阔的应用前景。

虚拟仪器(Virtual Instrument--VI)是虚拟现实在仪器仪表领域中的一个重要应用，目前已在国际上悄然兴起。虚拟仪器是以多媒体计算机作为基础，使用图形界面编程技术，模拟实际仪器的面板、功能和 *** 作，从而生成完成各种任务的专用仪器。

由于科学技术的高度发展，导致了各种功能强大、越来越复杂的仪器不断涌现，其中很多仪器都以计算机作为基础，出现了仪器计算机化的趋势，其主要表现为：

1、硬件与计算机的接口标准化

2、硬件软件化

3、软件模块化

4、模块控件化

5、系统集成化

6、程序设计图形化

7、科学计算可视化

8、硬件接口软件驱动化

由于计算机软、硬件技术的不断发展，加之实际应用的需要，使人们对虚拟仪器的兴趣越来越浓厚，研制虚拟仪器也成为了现实的可能。研制虚拟仪器主要源于以下目的：

1、节省仪器开发的时间和经费

2、充分利用计算机数据处理和分析的功能

3、统一仪器的用户界面

4、增强仪器的功能和适用范围

5、集成仪器的需要

6、使仪器容易扩展

虚拟仪器主要由以下几部分组成：

1、界面控件库

2、数据输入、输出

3、数据处理方法库

4、数据表示库

5、数据存储与管理

6、任意信号发生

7、图形界面编程环境

界面控件库中包括一些常用仪器的面板部件，如指示器、计量表、发光二极管、按钮、转盘、刻度盘、滑动条等，每个控件都带有可编程的函数与属性。

数据输入与输出是指从外部设备获取数据进入计算机或从计算机输出数据去控制外部设备，需要建立与数据采集板、串并口、以及其他标准化接口（IEEE-488、GPIB、RS-232、RS-422、SCSI、VXI等）通信的驱动软件，从而扩展仪器的适用

范围与应用领域。

数据处理方法库中集中了许多数据处理方法，如FFT计算、滤波、建模、参数估计等，并提供这些处理方法的编程接口，只需把这些方法简单的组合即可完成各种复杂的任务。

数据表示是指用一定的方式来显示数据和处理结果，其中包括数字显示、曲线显示、直方图、散点图、二维图形、三维网格图形、三维填充图形、四维图形、图象乃至动态图形或图象等，使得数据表示十分直观，易于理解。

数据存储与管理主要是指提供数据存储的格式、数据查询方法、数据浏览方法等。

信号产生是指根据需要产生任意信号，其中一些标准信号可以用于仪器测试和自检之用。

图形编程环境是指用户可以任意组合控件与方法，将其联接成一个整体，形成专用仪器的工具。利用虚拟仪器用户可以象搭积木一样很快生成所需要的各种仪器。

二、现有虚拟仪器与集成环境举例

1、MATLAB：高性能数值计算和数据分析软件

MATLAB是由美国Mathworks公司研制的高性能数值计算和数据分析软件。它已经成为工程和科学研究的工业标准，它具有独特的用户交互界面、复杂的数值计算、强大的数据分析、灵活的科学图形、快速的计算、方便的扩展等特点，是高产和创造性科学研究的首选软件。

MATLAB的基本功能有：

※ 矩阵运算

※ 矩阵分解

※ 矩阵特征值与特征向量计算

※ 信号卷积

※ 谱估计

※ 复数运算

※ 一维和二维FFT

※ 滤波器设计与滤波

※ 曲线拟合

※ 三次样条拟合

※ 贝赛尔函数

※ 非线性优化

※ 线性方程组求解

※ 微分方程

MATLAB包括的工具箱有：

※ 数字信号处理工具箱

※ 控制系统设计工具箱

※ 系统辨识工具箱

※ 自扩展工具箱

MATLAB包括的绘图函数：

※ 直方图

※ 散点图

※ 曲线图

※ 三维网格图

※ 三维填充图

※ 等值线图

※ 极坐标图形

※ X－Y绘图

※ 图象显示

2、DADiSP：科学家和工程师的数据分析与图形软件

DADiSP软件由美国DSP Development Corporation公司研制，主要作为科学家和工程师用于数据分析和图形显示工具。它包括以下功能：

※ 矩阵运算

※ 特征向量与特征值计算

※ 一维、二维FFT与卷积

※ 二维、三维、四维图形显示

※ 医学图象处理

※ 卫星遥感图象处理

※ 地震信号处理

※ 统计分析与处理

※ 实验设计

※ 假设检验

※ 滤波器设计

※ 声纳雷达信号处理

※ 语音与通信信号处理

※ 振动分析

3、MP100：医学信号采集与处理系统

MP100是由美国BIOPAC System公司研制的医学信号采集与处理系统，它与AcqKnowledge软件一起运行，提供灵活的、易于使用的模块化系统，使您能随心所欲的完成数据采集和分析任务。AcqKnowledge是一个功能强大、十分灵活的软件包，它使用下拉式菜单和对话框，无需学习另外的编程语言，就可以设计出复杂的数据采集、模拟、触发和分析系统。主要包括实时数据记录、分析和滤波，离线数据分析与处理，数据的各种图形表示等功能。该系统可以与虚拟仪器LabVIEW联接，提供可视化图形编程环境。它的主要应用领域有：

※ 运动生理学

※ 肌电信号记录

※ 心信电记录与分析

※ 脑电记录与分析

※ 诱发电位记录与分析

※ 眼震电图和眼球运动分析

※ 神经传导分析

※ 精神生理学

※ 药理学

※ 遥测监护

4、LabVIEW：图形编程虚拟仪器

LabVIEW是美国National Instrument Corporation公司研制的图形编程虚拟仪器系统。主要包括数据采集、控制、数据分、数据表示等功能，它提供一种新颖的编程方法，即以图形方式组装软件模块，生成专用仪器。LabVIEW由面板、流程方框图、图标/连接器组成，其中面板是用户界面，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标/连接器是调用接口(Calling Interface)。流程方框图包括输入/输出（I/O）部件、计算部件和子VI部件，它们用图标和数据流的连线表示；I/O部件直接与数据采集板、GPIB板、或其他外部物理仪器通信；计算部件完成数学或其他运算与 *** 作；子VI部件调用其他虚拟仪器。

5、LabWINDOWS/CVI：C语言编程的虚拟仪器

LabWINDOWS的功能与LabVIEW相似，且由同一家公司研制，不同之处是它可用C语言对虚拟仪器进行编程。

6、LabLinc V：模块化的虚拟仪器系统

LabLinc V由美国COULBOURN INSTRUMENTS公司研制的模块化虚拟仪器系统，它由基本单元、信号采集与处理、控制等模块组成，主要应用于生理学、生物医学和生物力学等领域中的数据采集、实时显示和过程控制等。

7、HyperSignal：可视化信号处理系统设计

HyperSignal由美国Hyperception公司研制的可视化信号处理系统设计软件，它使信号处理系统设计的过程可视化，同时使信号处理结果可视化。

8、Model900：灵活的数据采集与波形产生系统

Model900由美国Applied Signal Technology公司研制，提供高速大容量数据采集、波形产生等功能，使用虚拟仪器环境以节省开发时间和资金。

9、DASP：大容量数据自动采集与处理分析软件

DASP由东方振动和噪声技术研究所研制，主要用于科学实验数据记录与分析，多功能信号采集与分析，自动化数据采集、显示、读数、计算、分析、存储、打印、绘图等。

10、LabDoc：集成仪器软件包

LabDoc由日本康泰克电子技术有限公司研制，它具有多种测量仪器功能，通过图形用户界面和在线帮助，能提供容易 *** 作的仪器画面。可以应用于实验室、生产线检查、教育与培训等领域，主要测试功能有：

※ 数字滤波

※ 脉冲发生

※ 函数发生

※ 波形发生

※ 调谐信号发生

※ FFT分析

※ 频率计

以上我们列举了十种目前比较流行的虚拟仪器和集成环境系统，其中以美国在这方面的工作最为出色，而我国在这方面才刚刚起步，尚未见到完整的虚拟仪器系统。由以上列举的例子可以看出，虚拟仪器具备如下特点：

※ 涉及较深奥的数值计算方法

※ 集成了信号处理与过程控制算法

※ 软、硬件模块互相独立

※ 具备二次开发的集成编程环境

※ 是多学科交叉、渗透的产物

三、虚拟医学信号处理仪器

医学信号范围十分广泛，其中常见的医学信号有心电、脑电、诱发电位、肌电、眼电、胃电、神经脉冲电位、血压、脉搏波、呼吸波、温度等信号，它们特点各

不相同，有各自的频带、幅度范围、干扰来源等，因而使得医学信号处理变得十分复杂。

无论哪种医学信号仪器，几乎都涉及到信号放大、采集、分析、处理、滤波等共同的任务，同时不同的信号又具有各自特殊的处理方法，这些共同性和特异性的有机结合，形成集成环境是虚拟仪器的基础。

由于多参数临床监护和综合诊断的需要，医学信号的采集处理仪器呈现出集成化的趋势，人们从研制单一功能的医学信号仪器转向研制多功能集成化仪器，然而这种集成化并非单功能仪的堆积组合，而是从不同单功能仪器中找出共同点和不同点，形成软、硬件模块，将医学信号处理仪器计算机化，构成医学信号处理仪器开发环境，即虚拟仪器。

虚拟医学信号处理仪器是一个颇具具前景的领域，许多医疗仪器公司都看好这一市场前景，投入大量的人力、物力和财力来从事这方面的研究与开发，前面提到的MP100医学数据采集系统和LabLinc V模块化虚拟仪器就是其中的杰出代表。

虚拟医学信号处理仪是开发生产各种医学信号仪的工具。对于开发者而言，就可以象搭积木似的很快生成专用仪器，节省大量的开发时间和资金；对于用户而言，可以少花钱，多买仪器。虚拟医学信号处理仪器为集成化多功能仪器的开发奠定了基础，而且可以把最新研究成果尽快的应用到仪器中来。另外，虚拟医学信号处理仪器可以用于对未知信号和信号未知特性的研究，达到快出成果、多出成果的目的。实际上，虚拟医学信号处理仪器也对当前远程医疗、医学电子图书等热门研究领域将起到推波助澜的作用。

四、虚拟仪器相关技术

1、数值计算

在虚拟仪器中，需要提供灵活的数据处理方法，这些方法可根据实际需要由用户通过编程来实现，为了简化编程的复杂程度和节省大量的开发时间，在虚拟仪器中应当尽可能多的提供各种数值计算程序，这些数值计算主要有以下几大方面：

※ 矩阵运算（加、减、乘、逆、转置)

※ 特征值与特征向量计算

※ 矩阵分解

※ 一元、二元插值

※ 数值积分和微分

※ 线性代数方程求解

※ 非线性方程求解

※ 拟合与逼近

※ 特殊函数

※ 回归与统计

2、数字信号处理

在复杂的仪器中，数字信号处理占有重要的地位，因而在虚拟仪器中集成各种数字信号处理方法十分必要，数字信号处理方法可分为几大类：

※ 信号预处理

※ 滤波器设计与滤波

※ 经典谱估计

※ 现代谱估计

※ 相关与卷积

※ 离散变换

※ 数字特征计算

※ 常用信号发生

※ 信号建模

※ 数据压缩

3、计算机图形、图象学

图形和图象是复杂仪器中大量数据的直观表示，例如静态和动态脑电地形图，物体表面温度分布图，电磁场分布图等，它可把原本十分抽象的数据转换成人们易于理解的直观表示；另外，数据及其分析结果人们也习惯于用曲线、直方图、三维图形、等高线图等来表示。所以在虚拟仪器中，建立这些数据的图形、图象表示模块是十分必要的。

4、科学计算可视化

前面提到，复杂大量数据的图形、图象表示在虚拟仪器中十分重要，然而由数据到图形的映射并不是简单的事情，这就是近年来发展起来的科学计算可视化的研究课题。

科学计算可视化的根本目的是把由实验或数值计算获得的大量数据转换成人的视觉可以感受到的计算机图象。利用图象把大量抽象的数据有机的组织到一起，从而形象、生动地展示数据所表示的内容以及它们之间的相互关系，帮助人们直接把握复杂的全局，更好地发现和认识规律，摆脱复杂大量抽象数据的困惑。虚拟仪器中科学计算可视化的引入，将给人们展示出仪器的无限魅力，使仪器具备处理和分析大量复杂数据的能力。

5、面向对象的可视化编程

虚拟仪器是一个集成编程环境，用它人们可以很快地生成自己所需要的复杂仪器。所以虚拟仪器既要可编程又要 *** 作简单，因而人们把面向对象的可视化图形编程技术引入到虚拟仪器中来。在虚拟仪器中集成了许多功能强大的部件，这些部件用直观的计算机图形表示，每个部件都有相应的可控属性、 *** 作和函数，人们只需把这些部件在计算机屏幕上布置好，设置好相应的属性，以及它与其他部件的连接关系，即可生成构成相应功能的仪器。

五、小结

虚拟仪器是当前国内外刚刚起步的研究领域，许多高技术公司和研究所都看好这一市场应用前景，纷纷投入大量的人力、物力和财力，加紧开发与研究。虚拟仪器是多媒体计算机的一个重要应用领域，是多学科交叉、渗透的产物，其中浓缩了许多高、精、尖的科学技术。虚拟仪器不是仪器却高于仪器，它大大缩短了新型仪器的开发周期，节省了仪器开发的费用，它不仅是开发仪器的工具，而且也是进行科学研究的有力手段。虚拟仪器是仪器计算机化的产物，是集成化仪器的基础，是仪器行业的一场革命，它的研制与开发具有深远的意义。

proteus测静态电压用哪个虚拟元器件

Proteus软件具有其它EDA工具软件的功能。这些功能是：

1．原理布图

2．PCB自动或人工布线

3．SPICE电路仿真

革命性的特点

1．互动的电路仿真

用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

2．仿真处理器及其外围电路

可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

F8：全部显示 当前工作区全部显示

F6：放大以鼠标为中心放大

F7：缩小以鼠标为中心缩小

G：栅格开关栅格网格

Ctrl+F1：栅格宽度01mm 显示栅格为01mm，在pcb的时候很有用

F2：显示栅格为05mm，在pcb的时候很有用

F3：显示栅格为1mm，在pcb的时候很有用

F4： 显示栅格为25mm，在pcb的时候很有用

Ctrl+s：打开关闭磁吸 磁吸用于对准一些点的，如引脚等等

x：打开关闭定位坐标 显示一个大十字射线

m：显示单位切换 mm和th之间的单位切换，在右下角显示

o：重新设置原点 将鼠标指向的点设为原点

u：撤销键

Pgdn：改变图层

Pgup：改变图层

Ctrl+Pgdn：最底层

Ctrl+pgup：最顶层

Ctrl+画线：可以划曲线

R：刷新

+ -：旋转

F5：重定位中心

智能原理图设计

丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；

智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；

智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；

支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；

可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。

完善的电路仿真功能

ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；

超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；

多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；

丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板 *** 作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；

生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；

高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析；

单片机协同仿真功能

支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；

支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信；

实时仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；

编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试；

实用的PCB设计平台

原理图到PCB的快速通道： 原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计；

先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；

完整的PCB设计功能：最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D 可视化预览；

多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转（如protel）和PCB板的设计和加工。

1．Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。

2．Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。

3．除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。

4．Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

PROTEUS 是单片机课堂教学的先进助手。

PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。

它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。

课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台

随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。

使用Proteus 软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的 *** 作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 有较高的推广利用价值。

这个与三个因素有关::

1

新单片机与写过程序的单片机

STC12C5AXXS2系列的，我用过几个，都发现有这个毛病，全新的单片机没问题，写过程序之后的，再下载程序，就有时会失败，但是失败的比例不算多。

2

你电脑的串口，如果你的电脑是USB转串口，这个毛病最明显，因为USB转串口，是个虚拟串口，挺不好用的，如果你用的是台机，那么，最好用PCI转串口。如果是笔记本，建议你在百度上搜索，“STC下载用PL2303驱动“

3

你单片机的晶振，单片机晶振越高，下载失败概率越大。

结合心上三点，我的解决办法是降低下载时的波特率，我把下载时最高波特率和最低波特率分别设成为

4800和2400，有时候设成为

2400

2400，下载成功的机会比较大，当然，速度也慢很多。

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