【文章內(nèi)容簡介】 就是智能化儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機，以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式[9]。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分對于傳統(tǒng)儀器，這三個部分幾乎均由硬件完成。對于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩部分主要由軟件實現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設計日趨模塊化、標準化，使設計工作量大大減小。通常虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、信號調(diào)理及信號采集部件、通用計算機、打印機等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言編寫而成，并可通過Internet實現(xiàn)網(wǎng)絡擴展。I/O接口設備主要用來完成被測輸入信號的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換?？筛鶕?jù)實際情況采用不同的I/O接口硬件設備，如數(shù)據(jù)采集卡/板(DAQ)、GPIB總線儀器、VXI總線儀器、串口儀器、USB等。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型。 虛擬儀器構(gòu)成方式1）DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡是指基于計算機標準總線(如ISA、PCI、USB等)的內(nèi)置功能插卡。其中USB是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點，它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性；利用DAQ卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。在性能上，隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展，DAQ卡的采樣速率已達1GB/s，精度高達24位，通道數(shù)高達64個，并具有數(shù)字I/O，模擬I/O和計數(shù)器/定時器等通道。各儀器廠家生產(chǎn)了大量的DAQ卡功能模塊供用戶選擇，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在計算機上掛接多個DAQ功能模塊，配合相應的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有多功能的測試儀器。這種基于計算機的儀器，既具有高檔儀器的測量品質(zhì)，又能滿足測量需求的多樣性。對我國大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性價比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案。2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口總線，是計算機和儀器的標準通信協(xié)議。，它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配備了遵循IEEE488的GPIB接口。典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機，一塊基于GPIB總線的接口卡和多臺GPBI儀器軟件及相應的傳感模塊硬件。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機的控制軟件作相應的改動?；贕PIB總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于500kb/s，不適合對系統(tǒng)速度要求較高的應用。3）VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是VME總線在儀器領域的擴展，成為開放式工業(yè)標準。儀器專用總線在吸收IEEE488的成功經(jīng)驗基礎上，增加了10MHz時鐘線、模擬和數(shù)字混合總線、星形總線等高速總線，定時關系嚴格，兼有計算機總線和儀器總線的優(yōu)點。4）PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是Compact PCI總線在儀器領域的擴展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是Compact PCI結(jié)構(gòu)和Microsoft Windows軟件。PXI是在PCI內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。PXI增加了用于多個板卡同步的觸發(fā)總線和10MHz參考時鐘，用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，來滿足實驗和用戶的要求。5）串口系統(tǒng)是以Serial標準總線儀器與計算機為儀器精簡平臺組成的虛擬測試系統(tǒng)[10]。RS232總線是早期采用的通用串行總線，將帶有RS232標準總線接口的儀器作為I/O接口設備，通過RS232串口總線與計算機組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測試系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應用軟件。以美國NI公司的軟件產(chǎn)品LABVIEW和LabWindows/CVI為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當前流行的集成化開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺提供了強大的儀器軟面板設計工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動程序模塊，簡化了虛擬儀器的設計工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復用化以及各種硬件儀器驅(qū)動軟件的模塊化、標準化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的開發(fā)軟件 虛擬儀器的開發(fā)語言虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標準C、Visual C++、Visual Basic等通用程序開發(fā)語言。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當難度的，除了要花大量時間進行測試系統(tǒng)面板設計外，還要編制大量的設備驅(qū)動程序和底層控制程序。這些工作對于那些不熟悉這方面知識的工程設計人員來說，需要花費大量時間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有：NI公司的LABVIEW和LabWindows/CVI。LABVIEW采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語言的開發(fā)人員準備的，是在Windows環(huán)境下的標準ANSIC開發(fā)環(huán)境。除此以外還有HP公司的HPVEE ，HPTIG開發(fā)平臺，美國Tektronix公司的EzTest，TekTNS平臺軟件，這些都是國際上公認的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺[11]?！狶ABVIEWLABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LABVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS232和RS485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應用TCP/PI、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)，是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設計思路，設計者必須寫出執(zhí)行的語句。而LABVIEW是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時也是基于圖形化的編程，這使得設計者不必掌握大量的編程語言和程序設計技巧便可設計出虛擬儀器系統(tǒng)[11]。目前，在以PC機為基礎的測試和工控軟件中，LABVIEW的市場普及率僅次于C++/C語言。LABVIEW具有一系列無與倫比的優(yōu)點：首先，LABVIEW作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運用的設備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似；同時，LABVIEW提供了豐富的VI庫和儀器面板素材庫，近600種設備的驅(qū)動程序，如GPIB設備控制、VXI總線控制、串行口設備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲；并且LABVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設置斷點，調(diào)試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，更加便于程序的調(diào)試。因此，LABVIEW受到越來越多工程師和科學家的青睞。利用LABVIEW ，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32編譯器。像許多通用的軟件一樣，LABVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多種版本[12]。所有的LABVIEW應用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分[13]。1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。但并非畫出兩個控件后程序就可以運行，在前面