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虛擬儀器是在計算機基礎上通過增加相關硬體和軟體構建而成的、具有可視化界面的儀器。虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬體,結合高效靈活的軟體來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來,世界各國的工程師和科學家們都已將NI LabVIEW圖形化開發工具用於產品設計周期的各個環節,從而改善了產品質量、縮短了產品投放市場的時間,並提高了產品開發和生產效率。

使用集成化的虛擬儀器環境與現實世界的信號相連,分析數據以獲取實用信息,共享信息成果,有助於在較大範圍內提高生產效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們任何項目需要。虛擬儀器使得任何一個用戶都可以方便靈活地用滑鼠或按鍵在計算機顯示屏幕上操作虛擬儀器軟面板的各種「旋鈕」進行測試工作,並可以根據不同的測試要求通過窗口切換不同的虛擬儀器,或通過修改軟體來改變、增減虛擬儀器系統的功能與規模。虛擬儀器具有的這種「可開發性」和「可擴展性」等優越特點使虛擬儀器具有強大的生命力和競爭力。虛擬儀器可廣泛應用於電子測量、振動分析、聲學分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機械工程、建築工程、鐵路交通、地質勘探、生物醫療、教學及科研等諸多方面。

1 虛擬儀器 -結構原理

虛擬儀器是利用高性能的模塊化硬體,結合高效靈活的軟體來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟體能創建完全自定義的用戶界面,模塊化的硬體能方便地提供全方位的系統集成,標準的軟硬體平台能滿足對同步和定時應用的需求。虛擬儀器的本質是利用現有的計算機,加上特殊設計的儀器硬體和專用軟體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的新型

虛擬儀器虛擬儀器
儀器。它是利用計算機強大的圖形環境和在線幫助功能,建立虛擬儀器面板,以代替傳統儀器完成對儀器的控制、數據分析和顯示功能。虛擬儀器的輸入輸出由數據採集卡、GPIB卡等硬體模塊完成,儀器的功能主要由軟體構成。虛擬儀器系統框圖如圖所示。一套完整的虛擬儀器系統的結構一般來說分為四層:

1、測試管理層
用戶使用虛擬儀器生產廠商開發的應用程序,組成自己的一套測試儀器。這是虛擬儀器的優點之一,它可以方便地使用戶根據自己的需要,自己的風格建立自己的測試儀器。

2、應用(程序)開發層
由生產商提供的軟體開發工具,如NI(NATIONALINSTRUMENTS)公司的LabVIEW軟體,LabWindows/CVI軟體。用戶可以用這類軟體進行深層開發,以擴展儀器原有的功能。

3、儀器驅動層
由生產商開發,針對不同類型的儀器有不同的驅動程序介面。為給用戶提供方便、易用的儀器驅動程序,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系統聯盟,並於推出VISA(Virtu-alInstrumentSoftwareArchitecture)標準。

4、I/O匯流排驅動層
由生產商開發,用於將不同類型的實際儀器通過相同標準的匯流排連接起來形成一套完整的測試系統,如得到廣泛應用的VXI(開放式測量系統)匯流排系統。

2 虛擬儀器 -性能特點

虛擬儀器徹底改變了傳統儀器由生產廠家定義功能的模式,而是在少量附加硬體的基礎上,由用戶定義儀器功能。因為它的運行主要依賴軟體,所以修改或增加功能、改善性能都非常靈活,也便於利用PC的軟硬體資源和直接使用PC的外設和網路功能。虛擬儀器不但造價低,而且通過修改軟體可增加它的適應性,進而延長它的生命周期,是一種具有很好發展前景的儀器。與傳統儀器相比,虛擬儀器具

虛擬儀器傳統儀器與虛擬儀器構成比較
有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優點,具體表現為:

1、智能化程度高,處理能力強
虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決於儀器軟體水平。用戶完全可以根據實際應用需求,將先進的信號處理演算法、人工智慧技術和專家系統應用於儀器設計與集成,從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。

2、應用性強,系統費用低
應用虛擬儀器思想,用相同的基本硬體可構造多種不同功能的測試分析儀器,如同一個高速數字採樣器,可設計出數字示波器、邏輯分析儀、計數器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統功能更靈活、更高效、更開放、系統費用更低。通過與計算機網路連接,還可實現虛擬儀器的分散式共享,更好地發揮儀器的使用價值。

3、操作性強,易用靈活
虛擬儀器面板可由用戶定義,針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易於理解,測量結果可以直接進入資料庫系統或通過網路發送。測量完后還可列印、顯示所需的報表或曲線。這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用。

3 虛擬儀器 -硬體技術

卡式儀器:傳統儀器主要由控制面板和內部處理電路組成;而卡式

虛擬儀器虛擬儀器採集卡(NI)
儀器自身不帶儀器面板,它必須藉助計算機強大的圖形環境,建立圖形化的虛擬面板,完成對儀器的控制、數據分析和顯示。以數據採集卡為例,它通常具有A/D轉換、D/A轉換、數字I/O和計數器/定時器等功能,有些還具有數字濾波和數字信號處理的功能。現在的多功能數據採集卡多採用了「虛擬硬體(VirtualHardware,簡稱VH)的技術,它的思想源於可編程器件,使用戶通過程序能夠方便地改變硬體的功能或性能參數,從而依靠硬體設備的柔性來增強其適用性和靈活性。目前市面上的VH,其採樣率和精度都是可變的。由於卡式儀器與計算機結合緊密,能夠充分利用已有的計算機資源,較之傳統儀器成本更低廉、使用更靈活、性能更強,因此它是一種極具潛力的儀器種類。

4 虛擬儀器 -匯流排技術

1、儀器匯流排

虛擬儀器GPIB匯流排
GPIB匯流排(即IEEE488匯流排)是一種數字式并行匯流排,主要用於連接測試儀器和計算機。該匯流排最多可以連接15個設備(包括作為主控器的主機)。如果採用高速HS488交互握手協議,傳輸速率可高到8MBps。
VXI匯流排(即IEEE1155匯流排)是一種高速計算機匯流排—VME匯流排在儀器領域的擴展。它是在1987年,由五家測試和儀器公司(Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments)制訂的儀器匯流排標準。VXI匯流排具有標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強,最高可達40MBps,定時和同步精確、模塊可重複利用、眾多儀器廠家支持的特點,因此得到了廣泛的應用。不過,由於價格較高,推廣應用受到一定限制,主要集中在航空、航天等國防軍工領域。
PXI匯流排是以CompactPCI為基礎的,由具有開放性的PCI匯流排擴展而來(NI公司於1997年提出)。PXI匯流排符合工業標準,在機械、電氣和軟體特性方面充分發揮了PCI匯流排的全部優點。PXI構造類似於VXI結構,但它的設備成本更低、運行速度更快,體積更緊湊。目前基於PCI匯流排的軟硬體均可應用於PXI系統中,從而使PXI系統具有良好的兼容性。PXI還有高度的可擴展性,它有8個擴展槽,而台式PCI系統只有3~4個擴展槽。PXI系統通過使用PCI-PCI橋接器,可擴展到256個擴展槽。PXI匯流排的傳輸速率已經達到132Mbps(最高為500Mbps),是目前已經發布的最高傳輸速率。因此,基於PXI匯流排的儀器硬體將會得到越來越廣泛的應用。

2、計算機匯流排
ISA匯流排是一種8位或16位非同步數據匯流排,工作頻率為8MHz,
虛擬儀器ISA匯流排卡
最高數據傳輸率在8位時為24MBps,16位時為48MBps。這種匯流排對於低速數據採樣與處理來說是有效的,但對於基於高性能PC機的多任務操作系統和高速數據採集系統來說,ISA匯流排由於其帶寬、位數等的限制,故不能滿足系統工作的要求。新型主板和高版本操作系統已不再支持ISA匯流排。
PCI匯流排是一種同步的獨立於CPU的32位或64位局部匯流排,時鐘頻率為33MHz,數據傳輸率高達132~264MBps,PCI匯流排技術的無限讀寫突發方式,可在一瞬間發送大量數據。PCI匯流排上的外圍設備可與CPU併發工作,從而提高了整體性能。PCI匯流排還有自動配置功能,從而使所有與PCI兼容的設備實現真正的「即插即用」(plug&play)。PCI匯流排由於上述優點而得到了廣泛應用,已成為PC工業的事實標準。
USB通用串列匯流排(Universalserialbus)和IEEE1394匯流排(又叫Fireware匯流排)是被PC機廣泛採用的兩種匯流排,它們已被集成到計算機主板上。
USB匯流排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標準的數據傳輸率能達到480Mbps。該匯流排具有輕巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的特點,現在已被廣泛用於寬頻數字攝像機、掃描儀、印表機及存儲設備。IEEE、1394匯流排是由蘋果公司於1989年設計的高性能串口匯流排,目前傳輸速率為100、200、400Mbps,將來可達3.2Gbps。這種匯流排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,它是專為需要大數據量串列傳送的數碼相機、硬碟等設計的。
虛擬儀器CAN匯流排控制器

USB及IEEE-1394匯流排均具有「即插即用」的能力,與并行匯流排相比,更適合於連接多外設的需要。

3、工業現場匯流排
為了共享測試系統資源,越來越多的用戶正在轉向網路。工業現場匯流排是一個網路通訊標準,它使得不同廠家的產品通過通訊匯流排使用共同的協議進行通訊。現在,有很多現場匯流排標準,如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等,它們競爭非常激烈。通用現場匯流排的發展需要一段時間。

5 虛擬儀器 -軟體技術

軟體是虛擬儀器的關鍵,主要包括虛擬儀器應用軟體的開發平台、儀器驅動程序以及I/O介面軟體。虛擬儀器的開發環境主要有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工具,但它們對開發人員的編程能力要求很高,而且開發周期較長。HPVEE是一個基於圖形的虛擬儀器編程環境,擁有較多的用戶,缺點是其生成的應用程序是解釋執行的,運行速度較慢。

6 虛擬儀器 -系統組建方案

虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機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介面匯流排,組建不同規模的自動測試系統。虛擬儀器系統按硬體構

虛擬儀器典型VXI系統
成方式,可有以下幾種組建方案:
1、GPIB儀器通過GPIB介面卡與計算機組成GPIB系統。
2、VXI儀器與計算機組成VXI系統。
3、PXI儀器組成PXI系統。
4、以DAQ和信號調理部分為硬體組成PC-DAQ測試系統。
5、并行匯流排儀器組成并行匯流排系統。
6、串列匯流排儀器組成串列匯流排系統。
7、現場匯流排設備組成現場匯流排系統。
一般來說,GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測試系統;PC-DAQ、并行口式、串列口式(如USB式)系統適合普及型的廉價系統;現場匯流排系統主要用於大規模的網路測試。有時,可以根據不同需要組建不同規模的自動測試系統,也可以將上述幾種方案結合起來組成混合測試系統。

7 虛擬儀器 -應用

利用虛擬儀器技術,用戶可定義自己的專用儀器系統,且功能靈活,易於構

虛擬儀器專用虛擬儀器系統

建,所以應用面極為廣泛。尤其在科研開發、檢測計量、測量測控等領域更是不可多得的好工具。它功能強大,可實現示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發生器等多種普通儀器全部功能,配以專用探頭和軟體還可檢測特定系統的參數,如汽車發動機參數、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數等多種數據。
在工業控制領域,大部分閉環控制系統要求精確的採樣,及時的數據處理和快速的數據傳輸。虛擬儀器系統恰恰符合上述特點,十分適合測控一體化的設計。在製造業,虛擬儀器的卓越計算能力和巨大數據吞吐能力使其在溫控系統、在線監測系統、電力儀錶系統、流程式控制制系統等工控領域發揮更大的作用。
當今社會信息技術的迅猛發展,無所不在的計算機應用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎。虛擬儀器適合於一切需要計算機輔助進行數據存儲、數據處理、數據傳輸的計量場合。進一步講,一切計量系統,只要技術上可行,都可用虛擬儀器代替。虛擬儀器強大的功能和價格優勢,使得它在儀器計量領域具有很強的生命力和十分廣闊的前景。

8 虛擬儀器 -虛擬儀器內容的補充

基於虛擬儀器技術的應變測量 

相關詞條

并行匯流排串列匯流排現場匯流排數據匯流排地址匯流排

 

9 虛擬儀器 -參考文獻

1、http://ca.nstl.gov.cn/commchannel/content.asp?contentid=149541;
2、http://blog.ednchina.com/EDN_001/116954/Message.aspx;
3、http://203.208.37.104/search?q=cache:CBmWT0H3ZAEJ:www.leadertech.com.cn/document/article7.htm+%E8%99%9A%E6%8B%9F%E4%BB%AA%E5%99%A8%E5%8F%91%E5%B1%95&hl=zh-CN&ct=clnk&cd=1&gl=cn&st_usg=ALhdy2-xkPR-W_veC-UwdTKPYngFocyMFA;
4、http://202.114.9.17/xnsj/001367.pdf。

 5、http://ic.big-bit.com/news/news.aspx?noid=67590&page=1

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