虛擬儀器

　　虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的儀器。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。

　　結(jié)構(gòu)原理

　　虛擬儀器是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。虛擬儀器的本質(zhì)是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型

　　儀器。它是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能。虛擬儀器的輸入輸出由數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡等硬件模塊完成，儀器的功能主要由軟件構(gòu)成。虛擬儀器系統(tǒng)框圖如圖所示。一套完整的虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般來說分為四層：

　　1、測試管理層

　　用戶使用虛擬儀器生產(chǎn)廠商開發(fā)的應(yīng)用程序，組成自己的一套測試儀器。這是虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)之一，它可以方便地使用戶根據(jù)自己的需要，自己的風(fēng)格建立自己的測試儀器。

　　2、應(yīng)用（程序）開發(fā)層

　　由生產(chǎn)商提供的軟件開發(fā)工具，如NI（NATIONALINSTRUMENTS）公司的LabVIEW軟件，LabWindows/CVI軟件。用戶可以用這類軟件進(jìn)行深層開發(fā)，以擴(kuò)展儀器原有的功能。 3、儀器驅(qū)動層

　　由生產(chǎn)商開發(fā)，針對不同類型的儀器有不同的驅(qū)動程序接口。為給用戶提供方便、易用的儀器驅(qū)動程序，泰克公司、惠普公司和美商國家儀器公司等35家國際上最大的儀器公司成立了VXIplug&play系統(tǒng)聯(lián)盟，并于推出VISA（Virtu-alInstrumentSoftwareArchitecture）標(biāo)準(zhǔn)。

　　4、I/O總線驅(qū)動層

　　由生產(chǎn)商開發(fā)，用于將不同類型的實(shí)際儀器通過相同標(biāo)準(zhǔn)的總線連接起來形成一套完整的測試系統(tǒng)，如得到廣泛應(yīng)用的VXI（開放式測量系統(tǒng)）總線系統(tǒng)。

　　 性能特點(diǎn)

　　虛擬儀器徹底改變了傳統(tǒng)儀器由生產(chǎn)廠家定義功能的模式，而是在少量附加硬件的基礎(chǔ)上，由用戶定義儀器功能。因?yàn)樗倪\(yùn)行主要依賴軟件，所以修改或增加功能、改善性能都非常靈活，也便于利用PC的軟硬件資源和直接使用PC的外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)功能。虛擬儀器不但造價(jià)低，而且通過修改軟件可增加它的適應(yīng)性，進(jìn)而延長它的生命周期，是一種具有很好發(fā)展前景的儀器。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具

　　有高效、開放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：

       1、智能化程度高，處理能力強(qiáng)

　　虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。

　　2、應(yīng)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低

　　應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。

　　3、操作性強(qiáng)，易用靈活

　　虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線。這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用。

　　硬件技術(shù)

　　卡式儀器：傳統(tǒng)儀器主要由控制面板和內(nèi)部處理電路組成；而卡式

　　儀器自身不帶儀器面板，它必須借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。以數(shù)據(jù)采集卡為例，它通常具有A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等功能，有些還具有數(shù)字濾波和數(shù)字信號處理的功能?，F(xiàn)在的多功能數(shù)據(jù)采集卡多采用了“虛擬硬件(VirtualHardware，簡稱VH)的技術(shù)，它的思想源于可編程器件，使用戶通過程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數(shù)，從而依靠硬件設(shè)備的柔性來增強(qiáng)其適用性和靈活性。目前市面上的VH，其采樣率和精度都是可變的。由于卡式儀器與計(jì)算機(jī)結(jié)合緊密，能夠充分利用已有的計(jì)算機(jī)資源，較之傳統(tǒng)儀器成本更低廉、使用更靈活、性能更強(qiáng)，因此它是一種極具潛力的儀器種類。

　　總線技術(shù)

　　1、儀器總線

　　GPIB總線(即IEEE488總線)是一種數(shù)字式并行總線，主要用于連接測試儀器和計(jì)算機(jī)。該總線最多可以連接15個設(shè)備(包括作為主控器的主機(jī))。如果采用高速HS488交互握手協(xié)議，傳輸速率可高到8MBps。

　　VXI總線(即IEEE1155總線)是一種高速計(jì)算機(jī)總線—VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。它是在1987年，由五家測試和儀器公司(Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments)制訂的儀器總線標(biāo)準(zhǔn)。VXI總線具有標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)，最高可達(dá)40MBps，定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。不過，由于價(jià)格較高，推廣應(yīng)用受到一定限制，主要集中在航空、航天等國防軍工領(lǐng)域。

　　PXI總線是以CompactPCI為基礎(chǔ)的，由具有開放性的PCI總線擴(kuò)展而來(NI公司于1997年提出)。PXI總線符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械、電氣和軟件特性方面充分發(fā)揮了PCI總線的全部優(yōu)點(diǎn)。PXI構(gòu)造類似于VXI結(jié)構(gòu)，但它的設(shè)備成本更低、運(yùn)行速度更快，體積更緊湊。目前基于PCI總線的軟硬件均可應(yīng)用于PXI系統(tǒng)中，從而使PXI系統(tǒng)具有良好的兼容性。PXI還有高度的可擴(kuò)展性，它有8個擴(kuò)展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3～4個擴(kuò)展槽。PXI系統(tǒng)通過使用PCI-PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個擴(kuò)展槽。PXI總線的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到132Mbps(最高為500Mbps)，是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速率。因此，基于PXI總線的儀器硬件將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

　　2、計(jì)算機(jī)總線

　　ISA總線是一種8位或16位非同步數(shù)據(jù)總線，工作頻率為8MHz，

　　最高數(shù)據(jù)傳輸率在8位時(shí)為24MBps，16位時(shí)為48MBps。這種總線對于低速數(shù)據(jù)采樣與處理來說是有效的，但對于基于高性能PC機(jī)的多任務(wù)操作系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，ISA總線由于其帶寬、位數(shù)等的限制，故不能滿足系統(tǒng)工作的要求。新型主板和高版本操作系統(tǒng)已不再支持ISA總線。

　　PCI總線是一種同步的獨(dú)立于CPU的32位或64位局部總線，時(shí)鐘頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)132～264MBps，PCI總線技術(shù)的無限讀寫突發(fā)方式，可在一瞬間發(fā)送大量數(shù)據(jù)。PCI總線上的外圍設(shè)備可與CPU并發(fā)工作，從而提高了整體性能。PCI總線還有自動配置功能，從而使所有與PCI兼容的設(shè)備實(shí)現(xiàn)真正的“即插即用”(plug&play)。PCI總線由于上述優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，已成為PC工業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　USB通用串行總線(Universalserialbus)和IEEE1394總線(又叫Fireware總線)是被PC機(jī)廣泛采用的兩種總線，它們已被集成到計(jì)算機(jī)主板上。

　　USB總線能以雛菊鏈方式連接127個裝置，需要一對信號線及電源線。USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸率能達(dá)到480Mbps。該總線具有輕巧簡便、價(jià)格便宜、連接方便快捷的特點(diǎn)，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、掃描儀、打印機(jī)及存儲設(shè)備。IEEE、1394總線是由蘋果公司于1989年設(shè)計(jì)的高性能串口總線，目前傳輸速率為100、200、400Mbps，將來可達(dá)3.2Gbps。這種總線需要兩對信號線和一對電源線，可以用任意方式連接63個裝置，它是專為需要大數(shù)據(jù)量串行傳送的數(shù)碼相機(jī)、硬盤等設(shè)計(jì)的。

　　USB及IEEE-1394總線均具有“即插即用”的能力，與并行總線相比，更適合于連接多外設(shè)的需要。

　　3、工業(yè)現(xiàn)場總線

　　為了共享測試系統(tǒng)資源，越來越多的用戶正在轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)現(xiàn)場總線是一個網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)，它使得不同廠家的產(chǎn)品通過通訊總線使用共同的協(xié)議進(jìn)行通訊。現(xiàn)在，有很多現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它們競爭非常激烈。通用現(xiàn)場總線的發(fā)展需要一段時(shí)間。

　　軟件技術(shù)

　　軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，主要包括虛擬儀器應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺、儀器驅(qū)動程序以及I/O接口軟件。虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。VC、VB、LabWindows/CVI雖然是可視化的開發(fā)工具，但它們對開發(fā)人員的編程能力要求很高，而且開發(fā)周期較長。HPVEE是一個基于圖形的虛擬儀器編程環(huán)境，擁有較多的用戶，缺點(diǎn)是其生成的應(yīng)用程序是解釋執(zhí)行的，運(yùn)行速度較慢。

　　 系統(tǒng)組建方案

　　虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機(jī)組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)按硬件構(gòu)

　　成方式，可有以下幾種組建方案：

　　1、GPIB儀器通過GPIB接口卡與計(jì)算機(jī)組成GPIB系統(tǒng)。

　　2、VXI儀器與計(jì)算機(jī)組成VXI系統(tǒng)。

　　3、PXI儀器組成PXI系統(tǒng)。

　　4、以DAQ和信號調(diào)理部分為硬件組成PC-DAQ測試系統(tǒng)。

　　5、并行總線儀器組成并行總線系統(tǒng)。

　　6、串行總線儀器組成串行總線系統(tǒng)。

　　7、現(xiàn)場總線設(shè)備組成現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

　　一般來說，GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測試系統(tǒng)；PC-DAQ、并行口式、串行口式(如USB式)系統(tǒng)適合普及型的廉價(jià)系統(tǒng)；現(xiàn)場總線系統(tǒng)主要用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測試。有時(shí)，可以根據(jù)不同需要組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)，也可以將上述幾種方案結(jié)合起來組成混合測試系統(tǒng)。

　　應(yīng)用

　　利用虛擬儀器技術(shù)，用戶可定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，易于構(gòu)

　　建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研開發(fā)、檢測計(jì)量、測量測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)。

　　在工業(yè)控制領(lǐng)域,大部分閉環(huán)控制系統(tǒng)要求精確的采樣，及時(shí)的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸。虛擬儀器系統(tǒng)恰恰符合上述特點(diǎn)，十分適合測控一體化的設(shè)計(jì)。在制造業(yè)，虛擬儀器的卓越計(jì)算能力和巨大數(shù)據(jù)吞吐能力使其在溫控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、電力儀表系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)等工控領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

　　當(dāng)今社會信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,無所不在的計(jì)算機(jī)應(yīng)用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎(chǔ)。虛擬儀器適合于一切需要計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠?jì)量場合。進(jìn)一步講，一切計(jì)量系統(tǒng),只要技術(shù)上可行，都可用虛擬儀器代替。虛擬儀器強(qiáng)大的功能和價(jià)格優(yōu)勢,使得它在儀器計(jì)量領(lǐng)域具有很強(qiáng)的生命力和十分廣闊的前景。