虛擬儀器技�(shù)就是利用高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件�(lái)完成各種�(cè)�、測(cè)量和自動(dòng)化的�(yīng)用。自1986年問世以�(lái),世界各�(guó)的工程師和科�(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開�(fā)工具用于�(chǎn)品設(shè)�(jì)周期的各�(gè)�(huán)節(jié),從而改善了�(chǎn)品質(zhì)量、縮短了�(chǎn)品投放市�(chǎng)的時(shí)�,并提高了產(chǎn)品開�(fā)和生�(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與�(xiàn)�(shí)世界的信�(hào)相�,分析數(shù)�(jù)以獲取實(shí)用信�,共享信息成果,有助于在較大范圍�(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我�?nèi)魏雾?xiàng)目需��
20年來(lái),無(wú)論是初學(xué)乍用的新手還是經(jīng)�(yàn)豐富的程序開�(fā)人員,虛擬儀器在各種不同的工程應(yīng)用和行業(yè)的測(cè)量及控制的用戶中廣受歡迎,這都?xì)w功于其直觀化的圖形編程�(yǔ)言。虛擬儀器的圖形化數(shù)�(jù)流語(yǔ)言和程序框圖能自然地顯示您的數(shù)�(jù)�,同�(shí)地圖化的用戶界面直觀地顯示數(shù)�(jù),使我們能夠輕松地查看、修改數(shù)�(jù)或控制輸��
美國(guó)�(guó)家儀器公司NI(National Instruments)提出的虛擬�(cè)�?jī)x器(VI)概�,引�(fā)了傳�(tǒng)儀器領(lǐng)域的一�(chǎng)重大變革,使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)�(luò)技�(shù)得以�(zhǎng)�(qū)直入儀器領(lǐng)域,和儀器技�(shù)�(jié)合起�(lái),從而開�(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河�
“軟件即是儀器”這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發(fā),基于電腦或工作�、軟件和I/O部件�(lái)�(gòu)建虛擬儀�。I/O部件可以是獨(dú)立儀�、模塊化儀�、數(shù)�(jù)采集板(DAQ)或傳感�。NI所擁有的虛擬儀器產(chǎn)品包括軟件產(chǎn)品(如LabVIEW)、GPIB�(chǎn)�、數(shù)�(jù)采集�(chǎn)�、信�(hào)處理�(chǎn)�、圖像采集產(chǎn)品、DSP�(chǎn)品和VXI控制�(chǎn)品等�
同其他技�(shù)相比,虛擬儀器技�(shù)具有四大�(yōu)�(shì)�
1、性能�
虛擬儀器技�(shù)是在PC技�(shù)的基�(chǔ)上發(fā)展起�(lái)�,所以完�"繼承" 了以�(xiàn)成即用的PC技�(shù)為主�(dǎo)的商�(yè)技�(shù)的優(yōu)�(diǎn),包括功能超卓的處理器和文件I/O,使您在�(shù)�(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能�(shí)�(shí)地�(jìn)行復(fù)雜的分析。此�,不斷發(fā)展的因特�(wǎng)和越�(lái)越快的計(jì)算機(jī)�(wǎng)�(luò)使得虛擬儀器技�(shù)展現(xiàn)其更�(qiáng)大的�(yōu)�(shì)�
2、擴(kuò)展性強(qiáng)
NI的軟硬件工具使得我們不再受限于�(dāng)前的技�(shù)�。這得益于NI軟件的靈活�,只需更新�(jì)算機(jī)或測(cè)量硬�,就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改�(jìn)整�(gè)系統(tǒng)。在利用科技的時(shí)�,我們可以把它們集成到�(xiàn)有的�(cè)量設(shè)�,最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的�(shí)��
3、開�(fā)�(shí)間少
在驅(qū)�(dòng)和應(yīng)用兩�(gè)層面上,NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀� 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器構(gòu)成比�
儀表和通訊方面的技�(shù)�(jié)合在一�。NI�(shè)�(jì)這一軟件�(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作,同時(shí)還提供了靈活性和�(qiáng)大的功能,使我們輕松地配置、創(chuàng)�、發(fā)�、維�(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案�
4、無(wú)縫集�
虛擬儀器技�(shù)從本�(zhì)上說是一�(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于�(fù)�,工程師們通常需要集成多�(gè)�(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需�,而連接和集成這些不同�(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)�。NI的虛擬儀器軟件平�(tái)為所有的I/O�(shè)備提供了�(biāo)�(zhǔn)的接�,幫助我們輕松地將多�(gè)�(cè)量設(shè)備集成到單�(gè)系統(tǒng),減少了任務(wù)的復(fù)雜性�
虛擬儀器的�(fā)展隨著微�(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不�,可分為五種類型�
1、PC總線——插卡型虛擬儀�
這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)�(nèi)的數(shù)�(jù)采集卡與專用的軟� ISA總線�
如LabVIEW相結(jié)合(注:美國(guó)NI公司的Labview是圖形化編程工具,它可以通過各種控件自己組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具,通過三種編程�(yǔ)言Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi�(gòu)成測(cè)試系�(tǒng),它充分利用�(jì)算機(jī)的總線、機(jī)�、電源及軟件的便�。但是受PC�(jī)�(jī)箱和總線限制,且有電源功率不�,機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高,插槽數(shù)目也不多,插槽尺寸比較小,機(jī)箱內(nèi)�(wú)屏蔽等缺�(diǎn)。另�,ISA總線的虛擬儀器已�(jīng)淘汰,PCI總線的虛擬儀器價(jià)格比較昂��
2、并行口式虛擬儀�
�(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的�(cè)試裝置,它們把儀器硬件集成在一�(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)�,通常可以完成各種�(cè)量測(cè)試儀器的功能,可以組成數(shù)字存�(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)�(jù)記錄儀、數(shù)�(jù)采集�。美�(guó)LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀�,它們的好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連,方便野外作業(yè),又可與�(tái)式PC�(jī)相連,�(shí)�(xiàn)�(tái)式和便攜式兩�,非常方�。由于其�(jià)格低廉、用途廣�,特別適合于研發(fā)部門和各種教�(xué)�(shí)�(yàn)室應(yīng)��
3、GPIB總線方式的虛擬儀�
GPIB技�(shù)是IEEE488�(biāo)�(zhǔn)的虛擬儀器早期的�(fā)展階段。它的出�(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大�(guī)模自�(dòng)�(cè)試系�(tǒng)�(fā)�,典型的GPIB系統(tǒng)由一�(tái)PC�(jī)、一塊GPIB接口卡和若干�(tái)BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在�(biāo)�(zhǔn)情況�,一塊GPIB接口可帶多達(dá)14�(tái)儀器,電纜�(zhǎng)度可�(dá)40�。GPIB技�(shù)可用�(jì)算機(jī)�(shí)�(xiàn)�(duì)儀器的操作和控制,替代傳統(tǒng)的人工操作方�,可以很多方便地把多�(tái)儀器組合起�(lái),形成自�(dòng)�(cè)量系�(tǒng)。GPIB�(cè)量系�(tǒng)的結(jié)�(gòu)和命令簡(jiǎn)�,主要應(yīng)用于�(tái)式儀器,適合于精確度要求高的,但不要求對(duì)�(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)�(yīng)用�
4、VXI總線方式虛擬儀�
VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME總線在VI�(lǐng)域的�(kuò)展,它具有穩(wěn)定的電源,強(qiáng)有力的冷卻能力和�(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)�(zhǔn)開放、結(jié)�(gòu)緊湊、數(shù)�(jù)吞吐能力�(qiáng)、定�(shí)和同步精�、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的�(yōu)�(diǎn),很快得到廣泛的�(yīng)�。經(jīng)過多年的�(fā)展,VXI系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方�,尤其是組建�、中�(guī)模自�(dòng)�(cè)量系�(tǒng)以及�(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)�。有其他儀器無(wú)法比擬的�(yōu)�(shì)。然�,組建VXI總線要求有機(jī)�、零槽管理器及嵌入式控制�,造價(jià)比較��
5、PXI總線方式虛擬儀�
PXI總線方式是PCI總線�(nèi)核技�(shù)增加了成熟的技�(shù)�(guī)范和要求形成�,增加了多板同步觸發(fā)總線的技�(shù)�(guī)范和要求形成�,增加了多板�(fā)總線,以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可�(kuò)展�。PXI具有8�(gè)�(kuò)展槽,而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3~4�(gè)�(kuò)展槽,通過使用PCI—PCI橋接�,可�(kuò)展到256�(gè)�(kuò)展槽,臺(tái)式PC的性能�(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的�(kuò)展優(yōu)�(shì)�(jié)合起�(lái),將形成未來(lái)的虛擬儀器平�(tái)�
1 虛擬儀器系�(tǒng)的構(gòu)�
虛擬儀器由硬件�(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)�(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其�,硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基�(chǔ)的內(nèi)置功能插�、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等�(shè)�,或者是其它各種可程控的外置�(cè)試設(shè)�,設(shè)備驅(qū)�(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的�(qū)�(dòng)程序,虛擬儀器通過底層�(shè)備驅(qū)�(dòng)軟件與真�(shí)的儀器系�(tǒng)�(jìn)行通訊,并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相�(duì)�(yīng)的各種控�。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真�(shí)儀器一樣真�(shí)與方便�
1.1 虛擬儀器系�(tǒng)的硬件構(gòu)� 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬�。計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類型的�(jì)算機(jī),如�(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式�(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式�(jì)算機(jī)�。它管理著虛擬儀器的軟件資源,是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因�,計(jì)算機(jī)技�(shù)在顯示、存�(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)�(luò)、總線標(biāo)�(zhǔn)等方面的�(fā)展,�(dǎo)致了虛擬儀器系�(tǒng)的快速發(fā)��
按照�(cè)控功能硬件的不同,VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)�(zhǔn)體系�(jié)�(gòu),它們主要完成被�(cè)輸入信號(hào)的采�、放大、模/�(shù)�(zhuǎn)��
1.2虛擬儀器系�(tǒng)的軟件構(gòu)�
�(cè)試軟件是虛擬儀器的主心�。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出批實(shí)用成果時(shí),就用軟件就是儀器來(lái)表達(dá)虛擬儀器的特征,強(qiáng)�(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又�(jiǎn)潔的虛擬儀器開�(fā)軟件。使用者可以根�(jù)不同的測(cè)試任�(wù),在虛擬儀器開�(fā)軟件的提示下編制不同的測(cè)試軟�,來(lái)�(shí)�(xiàn)�(dāng)代科�(xué)技�(shù)�(fù)雜的�(cè)試任�(wù)。在虛擬儀器系�(tǒng)中用靈活�(qiáng)大的�(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件,特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與�(cè)試信�(hào)的產(chǎn)生和�(cè)量特性的分析,使儀器中的一些硬件甚至整�(gè)儀器從系統(tǒng)中消失,而由�(jì)算機(jī)的軟硬件資源�(lái)完成它們的功能。虛擬儀器測(cè)試系�(tǒng)的軟件主要分為以下四部分�
1.2.1儀器面板控制軟�
儀器面板控制軟件即�(cè)試管理層,是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計(jì)算機(jī)�(qiáng)大的圖形化編程環(huán)�,使用可視化的技�(shù),從控制模塊上選擇你所需要的�(duì)�,放在虛擬儀器的前面板上�
1.2.2�(shù)�(jù)分析處理軟件
利用�(jì)算機(jī)�(qiáng)大的�(jì)算能力和虛擬儀器開�(fā)軟件功能�(qiáng)大的函數(shù)�(kù)可以極大提高虛擬儀器系�(tǒng)的數(shù)�(jù)分析處理能力,節(jié)省開�(fā)�(shí)��
1.2.3儀器驅(qū)�(dòng)軟件
虛擬儀器驅(qū)�(dòng)程序是處理與特定儀器�(jìn)行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)�(dòng)器與通信接口及使用開�(fā)�(huán)境相�(lián)�,它提供一種的、抽象的儀器映�,它還能提供特定的使用開�(fā)�(huán)境信息。儀器驅(qū)�(dòng)器是虛擬儀器的核心,是用戶完成�(duì)儀器硬件控制的紐帶和橋�。虛擬儀器驅(qū)�(dòng)程序的核心是�(qū)�(dòng)程序函數(shù)/VI集,函數(shù)/VI是指組成�(qū)�(dòng)的模塊化子程�。驅(qū)�(dòng)程序一般分為兩�,底層是儀器的基本操作,如初始化儀器配置儀器輸�?yún)�?shù)、收�(fā)�(shù)�(jù)、查看儀器狀�(tài)�。高層是�(yīng)用函�(shù)/VI�,它根據(jù)具體�(cè)量要求調(diào)用底層的函數(shù)/VI�
1.2.4通用I/O接口軟件
在虛擬儀器系�(tǒng)�,I/O接口軟件作為虛擬儀器系�(tǒng)軟件�(jié)�(gòu)中承上啟下的一層,其模塊化與標(biāo)�(zhǔn)化越�(lái)越重�。VXI總線即插即用�(lián)�,為其制定了�(biāo)�(zhǔn),提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O�(biāo)�(zhǔn),VISA具有與儀器硬件接口無(wú)�(guān)性的特點(diǎn)� 即這種軟件�(jié)�(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件,也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設(shè)備上,這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開發(fā)周期,而且徹底改變了測(cè)試軟件開�(fā)的方式和手段�
2 虛擬儀器系�(tǒng)軟面板的�(shè)�(jì)�(biāo)�(zhǔn)
虛擬儀器軟面板是用戶用�(lái)操作儀�,與儀器�(jìn)行通信,輸�?yún)�?shù)�(shè)�,輸出結(jié)果顯示的用戶接口。其�(shè)�(jì)�(zhǔn)則是�
?�?� 按照VPP�(guī)范設(shè)�(jì)軟面板,使面板具有標(biāo)�(zhǔn)�、開放�、可移植性�
?�?� 根據(jù)�(cè)試要求確定儀器功能。根�(jù)�(cè)試任�(wù)確定儀器軟面板具體�(cè)�、測(cè)量功�,開�(guān)、控制等�(shè)置要��
?�?� 用面�?qū)ο蟮脑O(shè)�(jì)方法�(shè)�(jì)軟面板。按照面�?qū)ο蟮脑O(shè)�(jì)思想,一�(gè)虛擬儀器集成系�(tǒng)由多�(gè)虛擬儀器組�,每�(gè)虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控件組成�
3 虛擬儀器系�(tǒng)的組建方�
在虛擬儀器系�(tǒng)的組建方�,主要包括底層硬�、軟硬件接口、應(yīng)用程序以及驅(qū)�(dòng)程序的設(shè)�(jì)與開�(fā)�
3.1 制定所�(shè)�(jì)儀器的接口形式
如果儀器設(shè)備具有RS-232串行接口,則直接用連線將儀器設(shè)備和�(jì)算機(jī)的RS-232串行口連接即可。如果是GPIB接口,需要額外配備一塊GPIB-488接口�,將接口板插入計(jì)算機(jī)的ISA插槽,建立起�(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備之間的通信橋梁。如果使用計(jì)算機(jī)�(lái)控制VXI總線�(shè)�,則需要配置一塊GPIB接口�,通過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�(shù)�(jù)以一定的格式傳回主控�(jì)算機(jī)。DAQ�(shù)�(jù)采集卡是基于�(jì)算機(jī)�(biāo)�(zhǔn)總線�,因此可以將�(shù)�(jù)采集卡直接插到計(jì)算機(jī)的插槽上�
3.2 開發(fā)硬件采集�
一種典型的�(shù)�(jù)采集卡組成包�,先用傳感器把非電的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電量,采�/保持器可以保持信�(hào),實(shí)�(xiàn)�(duì)瞬時(shí)信號(hào)�(jìn)行采集,以便ADC�(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)�,提高ADC�(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精�。實(shí)�(xiàn)在測(cè)量中同時(shí)�(duì)多路模擬信號(hào)�(jìn)行采�。多路模擬開�(guān)可以分時(shí)選通來(lái)自多�(gè)輸入通道的某一路信�(hào),這樣在多路開�(guān)后的單元電路,只需一套即�,也可以采用�(jì)算機(jī)�(jìn)行多路選擇控�。當(dāng)傳感器輸出的信號(hào)比較小,可以用放大器放大和緩沖輸入信�(hào),如果采用的是可編程增益放大器就可以通過�(jì)算機(jī)�(jìn)行增益選擇控制確定增益倍數(shù)。精度及性能是儀器系�(tǒng)的生�,而這完全依賴于提供基礎(chǔ)�(shù)�(jù)的信�(hào)采集控制電路,因此在硬件采集電路的設(shè)�(jì)�(shí),需根據(jù)所�(shè)�(jì)的虛擬儀器所要達(dá)到的性能指標(biāo)和被�(cè)信號(hào)的特�(diǎn),設(shè)�(jì)合理的系�(tǒng)�(jié)�(gòu)。系�(tǒng)的結(jié)�(gòu)合理與否,對(duì)系統(tǒng)的可靠�、性能�(jià)格比等有直接影響,在硬件和軟件功能的�(shè)�(jì)上要盡量使虛擬儀器的�(jié)�(gòu)�(jiǎn)�,可靠性高,成本低�,選用合適的單元器件,盡可能的提高采集卡采集的精度和速度�
3.3 確定�(shè)�(jì)采集卡的�(shè)備驅(qū)�(dòng)程序方案
采集卡的�(shè)備驅(qū)�(dòng)程序是控制各種硬件采集卡的驅(qū)�(dòng)程序,是連接主控�(jì)算機(jī)與信�(hào)采集�(diào)理部件的紐帶。驅(qū)�(dòng)程序的實(shí)�(zhì)是為用戶提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)�,它是虛擬儀器核心軟件之一�
3.4確定虛擬儀器系�(tǒng)�(yīng)用程序編程語(yǔ)言
虛擬儀器系�(tǒng)軟件�(jié)�(gòu)的設(shè)�(jì)在體�(xiàn)整�(gè)系統(tǒng)的性能和靈活性方面作用很�,因此在開發(fā)虛擬儀器系�(tǒng)的軟件部分時(shí),首先要根據(jù)所開發(fā)的虛擬儀器功能和性能,確定應(yīng)用程序和軟面板程序的模塊�(jié)�(gòu)和功�,畫出各部分的流程圖,采用合適的編程�(yǔ)言。在編制虛擬儀器軟件中可采用兩種編程方法。一種是采用面向?qū)ο蟮目梢暬木幊陶Z(yǔ)言,如VC++、VB和Delphi等編寫虛擬儀器的軟件,這種方法�(shí)�(xiàn)的系�(tǒng)靈活性高,易于擴(kuò)充和升級(jí)維護(hù)。另一種是采用圖形化編程方�,如LabVIEW,HPVEE,采用圖形化編程的優(yōu)�(shì)是軟件開�(fā)周期�、編程較�(jiǎn)單,特別適合工程技�(shù)人員使用??傊诰帉懗绦驎r(shí),要盡可能的讓每一模塊都有一定的�(dú)立�,模塊之間明確定義接�,模塊之間可以采用數(shù)�(jù)傳遞的形式�(jìn)行聯(lián)系� 3.5 軟件�(diào)試和�(yùn)�
程序編寫好以后要�(duì)各模塊�(jìn)行調(diào)試和�(yùn)�,可以通過采集各種�(biāo)�(zhǔn)信號(hào)�(lái)�(yàn)證虛擬儀器系�(tǒng)功能的正確性和性能的優(yōu)良性�