【文章內容簡介】 CI總線的多功能虛擬儀器PCI總線是一種獨立于CPU的32位或64位局部總線，時鐘頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率高達132 MB/s~264MB/s，PCI總線技術用無限讀寫突發(fā)方式，可在一瞬間發(fā)送大量數(shù)據(jù)。PCI總線上的外圍設備可以和CPU并行工作，因此PCI總線得到了廣泛的應用。 這種方式借助于插入PC機和工控機內的高速數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件相結合，將它們安裝在一臺運行的PC機上，可構成一個功能強大的數(shù)字虛擬儀器，完成測試任務。另外，通過改變應用程序，即界面程序設計可實現(xiàn)不同功能的虛擬儀器，如虛擬數(shù)字示波器，虛擬頻譜分析儀等。其工作原理是：由主機啟動程序，發(fā)出按時間步進的頻率控制字送入信號源電路，產(chǎn)生頻率隨時間在1MHz～70MHz范圍內變化的恒幅正弦波模擬信號。信號通過高速數(shù)據(jù)采集卡采樣的數(shù)字信號，經(jīng)PCI總線送入計算機內，通過LabVIEW軟件模塊對信號進行分析、處理，從而實現(xiàn)虛擬儀器的功能。這種儀器價格便宜，因個人計算機數(shù)量非常龐大，因此用途廣泛，特別適合于教學部門和各種實驗室，目前仍有強大的生命力。這種類型的虛擬儀器充分利用了計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利，但它也具有一定的缺點：由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入時都需要打開機箱，操作不方便；并且測試信號直接進入計算機，各種現(xiàn)場的被測信號對計算機安全造成很大的威脅；同時，計算機內部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響。（2） 基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設計嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為：信號調理和模數(shù)轉換電路、嵌入式控制模塊、存儲系統(tǒng)、液晶顯示模塊、USB總線接口邏輯等部分。USB通用串行總線是被PC機廣泛采用的總線，它已被集成到計算機主板上。USB總線能連接127個裝置，需要一對信號線及電源線。USB 。該總線具有輕巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的特點，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字攝像機、掃描儀、打印機及存儲設備。基于USB總線的嵌入式虛擬儀器具有使用方便、數(shù)據(jù)傳輸速度快、連接靈活的特點?？梢圆捎眯切偷耐負浣Y構構建分布式測試系統(tǒng)。該類系統(tǒng)主要由PC機、USB集線器和嵌入式虛擬儀器組成。系統(tǒng)的體系結構設計按照智能模塊的設計思路進行，智能模塊的作用是完成特定應用的測試功能。利用USB總線的優(yōu)勢可以實現(xiàn)測試方案的靈活配置和測試功能的自由擴展，即當需要添加新測試功能時，只需開發(fā)支持USB接口的相應測試功能的嵌入式虛擬儀器模塊即可。USB技術和虛擬儀器技術結合在一起是計算機儀表領域研究的熱點，基于USB總線接口設計的嵌入式虛擬儀器具有良好的系統(tǒng)擴展性。嵌入式虛擬儀器可以獨立完成特定的信號處理和分析，又可以通過USB總線系統(tǒng)組合在一起，構建大型的測試系統(tǒng)，完成復雜的測試功能。USB總線具有“即插即用—plugamp。play”的能力，與并行總線相比，更適合于連接多外設的需要?；赨SB總線，NI公司推出了USB6008和USB6009等幾款數(shù)據(jù)采集卡。 GPIB總線方式的虛擬儀器GPIB總線(即IEEE488總線)是一種并行外總線，是在HP公司1965年設計的HPIB儀器接口總線的基礎上發(fā)展而來的，、。該標準的成功之處在于，它使測試系統(tǒng)的互連和通訊標準化。GPIB（General Purpose Interface Bus）是計算機和儀器之間的標準通信協(xié)議，GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已經(jīng)納入國際工業(yè)標準IEEE 。GPIB是最早的儀器總線。典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊GPIB接口控制器卡和若干臺GPIB儀器。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。通過改動計算機的控制軟件可以增加、減少或更換系統(tǒng)中的儀器。在價格上，GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器，但由于GPIB的數(shù)據(jù)傳輸率一般低于500kB/s，不適合對于系統(tǒng)速度要求較高的應用，現(xiàn)在已經(jīng)逐步退出了市場。 VXI總線方式的虛擬儀器1987年公布的VXI總線是一種高速計算機總線VME在VI領域的擴展，由HP、Tektronix等公司在1987共同制定，它以VME為基礎，不僅繼承了GPIB、VME總線的優(yōu)點，集測量、計算、通信于一體，還具有高速、模塊化的優(yōu)點。與GPIB儀器系統(tǒng)相比，VXI模塊沒有前操作面板，因此，應用VXI總線組建測試系統(tǒng)必須編制虛擬的“軟前面板”以完成對儀器系統(tǒng)的操作控制〔當今流行的可視化編程語言如Visual Basic、Visual C、Delphi等均可以在VXI平臺上構造一個完全圖形化的用戶操作面板，實現(xiàn)測試控制、數(shù)據(jù)分析、結果顯示等功能，從而設計出各種操作方便的基于圖形用戶界面（GUI）的集成測試系統(tǒng)。經(jīng)過十多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。目前，這種類型的虛擬儀器也有逐漸退出市場的趨勢。 PXI總線方式的虛擬儀器PXI總線是1997年由NI公司推出的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范，它是在PCI總線內核技術上增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的。PXI具有高度可擴展性，可擴展到256個擴展槽。把臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來主流的虛擬儀器平臺之一。 LXI總線方式的虛擬儀器2004年9月VXI科技公司和安捷倫聯(lián)合推出一種新的基于工業(yè)以太網(wǎng)的總線規(guī)范——LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)?？梢赃@樣說，以太網(wǎng)的發(fā)展為基于網(wǎng)絡的測試系統(tǒng)提供了平臺，也成就了LXI的誕生。LXI標準用以太網(wǎng)作系統(tǒng)的骨干，無需VXI或PXI方式的機箱。在眾計算機和通信網(wǎng)絡中選用以太網(wǎng)技術，在于以太網(wǎng)的發(fā)展已相當成熟，被廣泛安裝在計算機作為標準通信接口。以太網(wǎng)的基礎設施非常普及，網(wǎng)卡、路由器和光纖等價格日益便宜。以太網(wǎng)采用的TCP/IP協(xié)議在Internet內廣泛使用。另外，以太網(wǎng)的錯誤檢測、故障定位、長距離互聯(lián)以及樹狀拓撲結構都比現(xiàn)有的總線優(yōu)越，網(wǎng)絡速度也由最初的10Mb/s達到現(xiàn)在的10Gb/s。LXI聯(lián)盟于2005年10月通過了IEEE1588協(xié)議，為LXI網(wǎng)絡化虛擬儀器的設計與實現(xiàn)提供了標準。我國的海泰公司率先加入了LXI聯(lián)盟。未來的總線將會向專業(yè)化和大眾化方向發(fā)展。因此，在LXI儀器還未完全占領市場之前，VXI、PXI和USB等都將成為市場的主流總線技術。虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點，具體表現(xiàn)為：（1）智能化程度高，功能強大。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)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡使得虛擬儀器技術的性能更加強大。（2）擴展性強，費效比高。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，或只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進用戶的整個系統(tǒng)。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)費用更低。通過與計算機網(wǎng)絡連接，還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。（3） 操作簡便，直觀，界面友好。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、易于理解，測量結果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡發(fā)送。測量完后還可打印、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、靈活。虛擬儀器徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)廠家定義，用戶無法改變、被動接收的局面，這種“可開發(fā)性”和“可擴展性”等優(yōu)越特點使虛擬儀器具有強大的生命力和競爭力。虛擬儀器除了具有上述主要優(yōu)點外還具有下述優(yōu)點：（1）將所用的程控儀器的控制信息集成在虛擬儀器的軟件模塊中，對用戶來講是完全透明的。用戶在使用過程中無須專門查閱、學習儀器的程控方法、程控指令就可以對儀器進行操作；（2）計算機強大的圖形用戶界面增強了儀器結果顯示功能；（3）具有龐大的數(shù)據(jù)記錄容量和可擴展的函數(shù)庫；（4）用戶可以自定義接口形式、分析方式；（5）測試過程自動化，具有完整的時間記錄和測試說明，測量結果關聯(lián)分析和趨勢標定；（6）測量程序中內置多媒體操作指令，并且可用網(wǎng)絡進行多用戶數(shù)據(jù)共享。傳統(tǒng)儀器由信號采集、信號處理和結果表達與儀器控制三部分組成。在傳統(tǒng)儀器里，這三部分都是用電子線路來實現(xiàn)的，即：都是采用硬件來實現(xiàn)的。隨著計算機技術的發(fā)展，尤其是數(shù)字信號處理技術的進步，在儀器的信號處理部分，用軟件代替硬件成為可能，即：用算法代替電子線路，能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的信號處理功能，即把傳統(tǒng)儀器的后兩部分（信號處理、結果表達與儀器控制）用計算機軟件來實現(xiàn)，而不再采用硬件（電子線路）來實現(xiàn)。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處就在于其具有開放性的構成方式，即具有靈活性和功能的可重構性。而傳統(tǒng)儀器的結構和功能卻相對固定。虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件就可以構建功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器。虛擬儀器技術先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。在同等的性能條件下，相應的虛擬儀器價格要比傳統(tǒng)儀器低。虛擬儀器強大的功能和價格優(yōu)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。：傳統(tǒng)儀器虛擬儀器功能由生產(chǎn)廠商定義功能由用戶自己定義與其它儀器設備的連接有限可方便的與網(wǎng)絡外設連接開發(fā)和維護費用高基于軟件體系，開發(fā)和維護費用低技術更新周期長技術更新周期短硬件是關鍵軟件是關鍵價格較高價格較低二次開發(fā)差二次開發(fā)強有限的顯示選項無限的顯示選擇部分具有時間記錄和測試說明完整的時間記錄和測試說明測試部分自動化自動化的測試過程 網(wǎng)絡化網(wǎng)絡化虛擬儀器是虛擬儀器技術和網(wǎng)絡技術相結合的產(chǎn)物?；谔摂M儀器的網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)是分布式測控系統(tǒng)，它利用網(wǎng)絡將分散的各種測控設備相連接，利用網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸，以實現(xiàn)信息、資源共享，協(xié)同工作，從而完成復雜的測控任務，因而具備以下功能：（1）支持遠程測控；（2）支持分布式應用；（3）支持異地域數(shù)據(jù)存取；（4）支持異地服務請求與訪問。典型的網(wǎng)絡化虛擬儀器系統(tǒng)主要由基本功能單元和通訊網(wǎng)絡組成。（1）基本功能單元：主要包括PC儀器、單個網(wǎng)絡化測試儀器、網(wǎng)絡化傳感器、網(wǎng)絡化控制模塊、工作站、信息處理中心等，其中的網(wǎng)絡化儀器和網(wǎng)絡化傳感器是整個測控系統(tǒng)的最基本成分。它們在傳統(tǒng)的測量儀器、測控模塊、傳感器上加裝了本地處理器和通訊接口，其主要任務是：①數(shù)據(jù)采集和處理；②測試數(shù)據(jù)交換；③測控過程監(jiān)控、故障診斷；④測試信息存儲。（2）通信網(wǎng)絡包括測試服務器、瀏覽服務器、中央管理計算機和網(wǎng)關等，負責對各測控基本功能單元進行任務分配、對采集的數(shù)據(jù)進行計算、處理和分析、存儲、系統(tǒng)故障診斷報警和提供瀏覽服務等。 向幾何參量和機械參量等難點領域拓展應用虛擬儀器進行幾何量和機械參量測量的難度要高于電參量的測量，這是因為傳感器和被測工件需要按照測量基準保持嚴格的相對位置關系，這種虛擬儀器不同其它參量的測量，它一般需要專用的定位機構和傳動機構。例如，在開發(fā)類似三坐標測量機的虛擬儀器進行幾何輪廓參數(shù)的高精度