基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1引 言

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚摗⑿碌臏y(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。在這種背景下，美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Corporation，簡(jiǎn)稱NI）在20世紀(jì)80年代最早提出虛擬儀器（Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI）的概念。虛擬儀器這種計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)同和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)近幾年的應(yīng)用需求急劇高漲。因此，虛擬儀器的產(chǎn)生是測(cè)控領(lǐng)域的一次革命。

2虛擬儀器的基本概念、特點(diǎn)及其構(gòu)成

所謂虛擬儀器，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義、具有虛擬前面板、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。其基本思想就是在測(cè)試系統(tǒng)或儀器設(shè)計(jì)中盡可能地用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”。簡(jiǎn)而言之VI系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的。用戶可以通過(guò)友好的圖形界面（這里稱作虛擬前面板）操作計(jì)算機(jī)，如同操作功能相同的單臺(tái)傳統(tǒng)儀器一樣。虛擬儀器具有以下特點(diǎn)：

①在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能。

②儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來(lái)定義的，而不是事先由廠家定義好的。

③儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)更新，而不需購(gòu)買新的儀器。

④研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。

⑤虛擬儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)。

與傳統(tǒng)非數(shù)字化儀器相比，虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于用戶自定義儀器功能、結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活以及其開放性。

虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。其中，硬件接口模塊可以包括插入式數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）、串／并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其它接口卡。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。在這里，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2．1虛擬儀器的硬件構(gòu)成

如圖2—1所示，虛擬儀器的硬件構(gòu)成有多種方案，通常采用以下幾種：

（1）基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)

這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW（或LabWindows／CVI）相結(jié)合，通過(guò)A／D變換將模擬、數(shù)字信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等，并可通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)反饋控制。根據(jù)需要還可加入信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)DSP等硬件模塊。

（2）基于通用接口總線GPIB接口的儀器系統(tǒng)

GPIB（General Purpose Interface Bus）儀器系統(tǒng)的構(gòu)成是邁向虛擬儀器的第一步，即利用GPIB接口卡將若干GPIB儀器連接起來(lái)，用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能，組織大型柔性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，技術(shù)易于升級(jí)，維護(hù)方便，儀器功能和面板自定義，開發(fā)和使用容易。它可高效靈活地完成各種不同規(guī)模的測(cè)試測(cè)量任務(wù)。利用GPIB技術(shù)，可由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測(cè)試測(cè)量誤差。同時(shí)，由于可預(yù)先編制好測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，提高了測(cè)試效率。

（3）利用VXI總線儀器實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)

VXI（VMEbus ExtensionforInstrumentation）總線為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個(gè)更為廣闊的發(fā)展空間。VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線———VME（VersaModule Eurocard）總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。由于其標(biāo)準(zhǔn)開放、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便靈活，已越來(lái)越受到重視。它便于組織大規(guī)模、集成化系統(tǒng)，是儀器發(fā)展的一個(gè)方向。

（4）基于串行口或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)

將某些串行口儀器和工業(yè)控制模塊連接起來(lái)，組成實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。將帶有RS－232總線接口的儀器作為I／O接口設(shè)備通過(guò)RS－232串口總線與PC計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)，目前仍然是虛擬儀器的構(gòu)成方式之一。當(dāng)今，PC計(jì)算機(jī)已更多地采用了USB總線和IEEE1394總線。

2．2虛擬儀器的軟件體系構(gòu)成

構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定以后，就可通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。沒(méi)有一個(gè)優(yōu)秀的控制分析軟件，很難構(gòu)成一臺(tái)理想的虛擬儀器系統(tǒng)。根據(jù)VPP（VXIPlug＆Play）系統(tǒng)規(guī)范的定義，虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)包含3部分，如圖2—2所示：

（1）I／O接口軟件

I／O接口軟件存在于儀器（即I／O接口設(shè)備）與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，是一個(gè)完成對(duì)儀器寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件，是實(shí)現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。在VPP系統(tǒng)規(guī)范中，詳細(xì)規(guī)范了虛擬儀器的I／O接口軟件的特點(diǎn)、組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)規(guī)范，并將符合VPP規(guī)范的虛擬儀器I／O接口軟件定義為VISA軟件。

（2）儀器驅(qū)動(dòng)程序

每個(gè)儀器模塊均有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，它對(duì)儀器的操作是通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的；儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過(guò)I／O軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫(kù)（VISA）的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，一旦有了儀器驅(qū)動(dòng)程序，在不是十分了解儀器內(nèi)部操作過(guò)程的情況下，也可以進(jìn)行虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序是連接上層應(yīng)用程序與底層I／O接口軟件的紐帶和橋梁。

（3）應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境

應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的選擇，可因開發(fā)人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶一個(gè)界面友好、功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。在目前，虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種：

①基于傳統(tǒng)的文本語(yǔ)言式的平臺(tái)。主要是NI公司的LabWindows／CVI、Microsoft公司的VisualC＋＋、Visual Basic、Borland公司的Delphi等。

②基于圖形化編程環(huán)境的平臺(tái)。如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW等。圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)的提出，可以大大減輕系統(tǒng)開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，使其將主要精力集中投入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，而不再是具體軟件細(xì)節(jié)的推敲上。

3虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬儀器的發(fā)展領(lǐng)域非常廣闊，開發(fā)虛擬儀器既要擁有計(jì)算機(jī)技術(shù)，又要擁有信息處理技術(shù)。總線技術(shù)是VI的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，VI需要利用計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽、PCI插槽或ISA插槽，所以開發(fā)VI的儀器硬件，首先要確定應(yīng)采用哪一種總線標(biāo)準(zhǔn)，PCI總線是一種最新的計(jì)算機(jī)總線規(guī)范，它兼容性強(qiáng)，功能全，傳輸率高，工作時(shí)鐘頻率33MHz，結(jié)構(gòu)與處理器獨(dú)立，適合于未來(lái)的計(jì)算機(jī)。1997年9月，美國(guó)NI公司發(fā)布了一項(xiàng)PXI總線標(biāo)準(zhǔn)，PXI（PCIExtention forInstrument）是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。開發(fā)VI可以考慮采用PXI標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)處理工作量大，VI的儀器硬件部分要盡量做得功能強(qiáng)大，否則，采用軟件會(huì)影響儀器處理速度。目前，虛擬儀器已具備時(shí)域分析和頻率域分析的功能，速度都非?？?。

圖形化的編程環(huán)境是VI技術(shù)的又一關(guān)鍵因素。1986年，NI公司推出了LabVIEW軟件包，它簡(jiǎn)單直觀、效率高、速度快、具有優(yōu)化的圖形編譯機(jī)制，獨(dú)特快捷的查錯(cuò)、調(diào)試方法，極大地提高了運(yùn)行速度，采用LabVIEW可以數(shù)倍地提高系統(tǒng)開發(fā)速度。近年來(lái)基于Windows95和WindowsNT的開發(fā)平臺(tái)成為后起之秀，可以使用Visual C＋＋、Visual Basic、BorlandC＋＋等功能強(qiáng)大的編程軟件編寫專用應(yīng)用軟件。

4虛擬儀器的整體設(shè)計(jì)

在科學(xué)研究與工程實(shí)驗(yàn)室里，有各種各樣的儀器與設(shè)備。如何提高它們的綜合使用效率？如何對(duì)它們進(jìn)行更有效的管理？是儀器用戶值得考慮的問(wèn)題。目前，最有效的方法是采用“虛擬儀器”技術(shù)。即充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的管理與處理能力，以此為基礎(chǔ)，將實(shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)備搭配起來(lái)，構(gòu)成一種全新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室中的儀器與設(shè)備一般都是具有特定功能的單臺(tái)設(shè)備。如果它們具有某種總線接口，就有可能進(jìn)行虛擬儀器的構(gòu)造。步驟如下：

1）確定所用儀器或設(shè)備的接口形式。如果儀器設(shè)備具有RS－232串行總線接口，則不用進(jìn)行處理，直接用連線將儀器設(shè)備與計(jì)算機(jī)的RS－232串行接口連接即可；如果是GPIB或HP－IB接口，則需要額外配備一塊GPIB－488接口板，將接口板插入計(jì)算機(jī)的ISA插槽，建立起計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備之間的通訊渠道；如果使用計(jì)算機(jī)來(lái)控制VXI總線設(shè)備，也需要配備一塊GPIB接口卡，通過(guò)GPIB總線與VXI主機(jī)箱零槽模塊通信，零槽模塊的GPIB－VXI翻譯器將GPIB的命令翻譯成VXI命令并把各模塊返回的數(shù)據(jù)以一定的格式傳回主控計(jì)算機(jī)。由于計(jì)算機(jī)的RS－232串行接口有限，若儀器設(shè)備比較多，必要時(shí)必須擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的RS－232接口。市場(chǎng)上此類產(chǎn)品品種繁多，用戶可以根據(jù)具體情況，選擇合適的RS－232總線接口擴(kuò)展產(chǎn)品。

2）確定所選擇的接口卡是否具有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。接口卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，是連接主控計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備的紐帶；如果有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它適合于何種操作系統(tǒng)？如果沒(méi)有，或者所帶的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不符合用戶所用的操作系統(tǒng)，用戶就有必要針對(duì)所用接口卡，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

3）確定應(yīng)用管理程序的編程語(yǔ)言。如果用戶有專業(yè)的圖形化編程軟件，如LabVIEW、HPVEE，那么就可以采用專業(yè)的圖形化編程軟件進(jìn)行編程。如果沒(méi)有此類軟件，則可以采用通用編程語(yǔ)言，如VisualC＋＋、Visual Basic或者Delphi。由于它們易于使用、功能強(qiáng)大而倍受測(cè)控人員的青睞。

4）在硬件連接無(wú)誤的情況下，編寫用戶的應(yīng)用管理程序。

5結(jié)束語(yǔ)

虛擬儀器技術(shù)使現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)更靈活、更緊湊、更經(jīng)濟(jì)、功能更強(qiáng)。而圖形編程方式使系統(tǒng)軟件開發(fā)更省時(shí)、更省力、更容易。無(wú)論是測(cè)量、測(cè)試、計(jì)量，或是工業(yè)過(guò)程控制和分析處理，還是其它更為廣泛的測(cè)控領(lǐng)域，虛擬儀器都是理想的高效率的解決方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)也會(huì)在各領(lǐng)域中發(fā)揮其重要作用，并表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，它必然會(huì)對(duì)科技發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不可估量的影響。

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