虛擬儀器技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)分析介紹

   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*打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)廠家定義，用戶無法改變的局面，從而使得任何一個(gè)用戶都可以方便靈活地用鼠標(biāo)或按鍵在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進(jìn)行測(cè)試工作，并可以根據(jù)不同的測(cè)試要求通過窗口切換不同的虛擬儀器，或通過修改軟件來改變、增減虛擬儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬儀器具有的這種“可開發(fā)性”和“可擴(kuò)展性”等*特點(diǎn)使虛擬儀器具有強(qiáng)大的生命力和競(jìng)爭(zhēng)力。 
 
          虛擬儀器技術(shù)由三大部分組成一、的軟件。軟件是虛擬儀器技術(shù)中zui重要的部分。使用正確的軟件工具并通過設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程序模塊，工程師們可以地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面。NI公司提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟件---LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的方式，并將結(jié)果顯示給用戶。此外，NI提供了更多交互式的測(cè)量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，滿足客戶對(duì)高性能應(yīng)用的需求。二、模塊化的I/O硬件。面對(duì)如益復(fù)雜的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用，NI提供了的軟硬件的解決方案。無論用戶是使用PCI、PXI、PCMCIA、USB或者是1394總線，NI都能提供相應(yīng)的模塊化的硬件產(chǎn)品，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、聲音和振動(dòng)測(cè)量、視覺、運(yùn)動(dòng)、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通信，*。NI高性能的硬件產(chǎn)品結(jié)合靈活的開發(fā)軟件，可以為負(fù)責(zé)測(cè)試和設(shè)計(jì)工作的工程師們創(chuàng)建*自定義的測(cè)量系統(tǒng)，滿足各種*的應(yīng)用要求。目前，NI已經(jīng)達(dá)到了每?jī)蓚€(gè)工作日推出一款硬件產(chǎn)品的速度，大大拓寬了用戶的選擇面。三、用于集成的軟硬件平臺(tái)。NI首先提出的專為測(cè)試任務(wù)設(shè)計(jì)的PXI硬件平臺(tái)，已經(jīng)成為當(dāng)今測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，它的開放式構(gòu)架、靈活性和PC技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)，為測(cè)量和自動(dòng)化行業(yè)帶來了一場(chǎng)翻天覆地的變革。由NI發(fā)起的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟現(xiàn)已吸引了68家廠商，聯(lián)盟屬下的產(chǎn)品數(shù)量也已激增至近千種。 
 
          1、硬件技術(shù) 
 
          1.1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(duì)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(hào)處理的功能。現(xiàn)在的多功能數(shù)據(jù)采集卡多采用了“虛擬硬件（VirtualHardware，簡(jiǎn)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)，因此它是一種潛力的儀器種類。 
 
          1.2總線技術(shù) 
 
          1.2.1儀器總線 
 
          GPIB總線（即IEEE488總線）是一種數(shù)字式并行總線，主要用于連接測(cè)試儀器和計(jì)算機(jī)。
  該總線zui多可以連接15個(gè)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IEEE1155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(cè)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)，zui高可達(dá)40MBps，定時(shí)和同步、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?jī)?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(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3～4個(gè)擴(kuò)展槽。PXI系統(tǒng)通過使用PCI-PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽。PXI總線的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到132Mbps（zui高為500Mbps），是目前已經(jīng)發(fā)布的zui高傳輸速率。因此，基于PXI總線的儀器硬件將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。 
 
          1.2.2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，zui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(duì)于低速數(shù)據(jù)采樣與處理來說是有效的，但對(duì)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(dòng)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IEEE1394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(gè)裝置，需要一對(duì)信號(hào)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(jiǎn)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(chǔ)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(duì)信號(hào)線和一對(duì)電源線，可以用任意方式連接63個(gè)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。 
 
          1.2.3工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線 
 
          為了共享測(cè)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(chǎng)總線是一個(gè)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?，F(xiàn)在，有很多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它們競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。通用現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展需要一段時(shí)間。 
 
          1.3虛擬儀器系統(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(dòng)測(cè)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(hào)調(diào)理部分為硬件組成PC-DAQ測(cè)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(chǎng)總線設(shè)備組成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。 
 
          一般來說，GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測(cè)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(chǎng)總線系統(tǒng)主要用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。有時(shí)，可以根據(jù)不同需要組建不同規(guī)模的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，也可以將上述幾種方案結(jié)合起來組成混合測(cè)試系統(tǒng)。 
 
          2、軟件技術(shù) 
 
          軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，以下介紹虛擬儀器應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)、儀器驅(qū)動(dòng)程序以及I/O接口軟件。 
 
          2.1軟件開發(fā)平臺(tái) 
 
          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(duì)開發(fā)人員的編程能力要求很高，而且開發(fā)周期較長(zhǎng)。HPVEE是一個(gè)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。 
 
          LabVIEW是目前上*的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，它把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡(jiǎn)化成用簡(jiǎn)單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能（圖形），并用線條把各種圖形連接起來的簡(jiǎn)單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測(cè)試要求和任務(wù)快速“畫”出自己的程序，“畫”出儀器面板，這大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術(shù)人員的工作量，因此，LabVIEW是一種的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。
 
        2.2儀器驅(qū)動(dòng)程序 
 
          儀器驅(qū)動(dòng)程序是測(cè)試系統(tǒng)中zui重要的組成部分之一，用來實(shí)現(xiàn)儀器硬件的通信、控制功能。傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動(dòng)程序由儀器硬件廠商隨硬件提供，由于不同廠家儀器硬件的差異，使得在更換儀器硬件的同時(shí)不得不修改測(cè)試代碼。為了能自由互換儀器硬件而無需修改測(cè)試程序，即解決儀器的互操作問題，VXIplug&play聯(lián)盟開發(fā)了儀器驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)VISA。VISA用G語言（圖形語言）或ANSIC語言寫成，它可以用于多種虛擬儀器開發(fā)環(huán)境和多種操作系統(tǒng)。 
 
          1999年NI公司提出了可互換虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)IVI（InterchangeableVirtualInstruments），使程序的開發(fā)*獨(dú)立于硬件。IVI是建立在VXIplug&play驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)之上的，它解決了儀器的互操作問題。IVI驅(qū)動(dòng)器通過一個(gè)通用的類驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。類驅(qū)動(dòng)器是儀器的功能和屬性集，通過這些功能和屬性集實(shí)現(xiàn)對(duì)一種儀器類（示波器、數(shù)字電壓表、函數(shù)發(fā)生器等）中的儀器進(jìn)行控制。應(yīng)用程序調(diào)用類驅(qū)動(dòng)器，類驅(qū)動(dòng)器再通過的驅(qū)動(dòng)器與物理的儀器通信。的儀器驅(qū)動(dòng)器（和對(duì)應(yīng)的物理儀器）可以被改變，但應(yīng)用程序代碼保持不變。采用IVI技術(shù)，可以降低軟件的維護(hù)費(fèi)用，減少系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間，提高測(cè)試代碼的可重用性，使儀器編程更簡(jiǎn)單。 
 
          2.3I/O接口軟件 
 
          I/O接口軟件是虛擬儀器系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，用于處理計(jì)算機(jī)與儀器硬件間連接的低層通信協(xié)議。當(dāng)今的虛擬儀器測(cè)試軟件都建立在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化I/O接口軟件組件的通用內(nèi)核之上，為用戶提供一個(gè)一致的、跨計(jì)算機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用編程接口（API），使用戶的測(cè)試系統(tǒng)能夠選擇不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)和儀器硬件。 
 
          3、發(fā)展趨勢(shì) 
 
          隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向以下三個(gè)方向發(fā)展： 
 
          （1）外掛式虛擬儀器 
 
          PC-DAQ式虛擬儀器是現(xiàn)在比較流行的虛擬儀器系統(tǒng)，但是，由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入DAQ時(shí)都需要打開機(jī)箱等，比較麻煩，而且，主機(jī)上的PCI插槽有限，再加上測(cè)試信號(hào)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，各種現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)的安全造成很大的威脅，同時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影響，故以USB接口方式的外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今后廉價(jià)型虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的主流。 
 
          （2）PXI型高精度集成虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng) 
 
          PXI系統(tǒng)高度的可擴(kuò)展性和良好的兼容性，以及比VXI系統(tǒng)更高的性價(jià)比，將使它成為未來大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng)的主流虛擬儀器平臺(tái)。 
 
          （3）網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器 
 
          盡管Internet技術(shù)zui初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起，不過NI等公司已開發(fā)了通過Web瀏覽器觀測(cè)這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過Internet操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性，我們能夠方便地將虛擬儀器組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
 
  利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的測(cè)試設(shè)備在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資?，F(xiàn)在，有關(guān)MCN（MeasurementandControlNetworks）方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得了一定進(jìn)展。由此可見，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。 
          4、虛擬儀器技術(shù)凸顯四大優(yōu)勢(shì) 
 
          虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。只有同時(shí)擁有的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。 
 
          4.1性能高 
 
          虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以*"繼承"了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能的處理器和文件I/O，使用戶在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)，就能實(shí)時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。 
 
          4.2擴(kuò)展性強(qiáng) 
 
          得益于NI軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以zui少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)用戶的整個(gè)系統(tǒng)。在利用科技的時(shí)候，用戶還可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，zui終以較少的成本加快產(chǎn)品上市時(shí)間。 
 
          4.3開發(fā)時(shí)間少 
 
          在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通信方面的技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件架構(gòu)的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使用戶輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。 
 
          4.4集成 
 
          虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。 
  
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