【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖3—1虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成我們知道虛擬儀器的硬件主要是由計(jì)算機(jī)和I／O接口設(shè)備兩部分組成的。按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線的不同，分為數(shù)據(jù)采集插卡式(DAQ)虛擬儀器、RS232／RS485虛擬儀器、并行接口虛擬儀器、USB虛擬儀器、GPIB虛擬儀器、VXI虛擬儀器、PXI虛擬儀器以及最新的IEEEl394接口虛擬儀器。以下對(duì)這些類型的虛擬儀器總線進(jìn)行分析比較，根據(jù)自身的條件確定適合實(shí)驗(yàn)室需要的建設(shè)方案。 DAQ虛擬儀器系統(tǒng)DAQ(Data AcquiSition)，即數(shù)據(jù)采集儀器，是一種比較典型的虛擬儀器，它的出現(xiàn)和發(fā)展與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)。DAQ儀器以微型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)硬件積計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)特定的儀器測(cè)量和分析功能，它具有性價(jià)比高、設(shè)計(jì)手段靈活、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊。DAQ儀器設(shè)計(jì)都是基于某一種總線迸行的，因此總線的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范將對(duì)所設(shè)計(jì)的儀器系統(tǒng)的性能，包括結(jié)構(gòu)上的先進(jìn)性、可靠性、兼容性及擴(kuò)充和升級(jí)等方面起到關(guān)鍵作用。下面主要研究基于PCI總線的DAQ虛擬儀器系統(tǒng)。一個(gè)由PC—DAQ／PCI插卡式虛擬儀器組成的多通道多參量測(cè)量系統(tǒng)如圖3—2所示。該測(cè)量系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成：傳感器及其調(diào)理電路部分和DAQ虛擬儀器硬件平臺(tái)。圖32多通道多參量PCDAQ／PCI插卡式虛擬儀器1．傳感器及其調(diào)理電路在該系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)要想取得現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)，就必須先用傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，只有那些數(shù)值大小合適的電壓信號(hào)才可以直接進(jìn)入虛擬儀器平臺(tái)，大多數(shù)被測(cè)信號(hào)要經(jīng)傳感器及其調(diào)理電路變送后才能進(jìn)入虛擬儀器系統(tǒng)。傳感器完成信號(hào)的獲取，它將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)可用于輸出的電信號(hào)。傳感器輸出的電信號(hào)大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。其主要原因是：大多數(shù)傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換；有些傳感器輸出的是電參量，要轉(zhuǎn)換為電能量：輸出信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比；若測(cè)試工作僅對(duì)部分頻段的信號(hào)感興趣，則有必要從輸出信號(hào)中分離出所需的頻率成分；當(dāng)采用數(shù)字式儀器、儀表和計(jì)算機(jī)時(shí)，模擬輸出信號(hào)還要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)等等。因此，傳感器的輸出信號(hào)要經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之與后續(xù)測(cè)試環(huán)節(jié)相適應(yīng)。故調(diào)理電路的基本作用有三個(gè)：①放大：將微弱電壓信號(hào)放大。②轉(zhuǎn)換：將非電壓輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。③濾波：濾除高頻干擾，限制信號(hào)的最高頻率fmax避免產(chǎn)生混淆和混疊。如果信號(hào)調(diào)理電路輸出的是規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即4～20mA電流信號(hào)(經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為1～5v／2～I(xiàn)OV標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào))，則稱這種信號(hào)調(diào)理電路為變送器。2．DAO虛擬儀器硬件平臺(tái)DAQ虛擬儀器的硬件平臺(tái)由Pc計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)組成。數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)由以下幾個(gè)部分組成：①多路開關(guān)。將各路信號(hào)輪流切換到放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。②放大器。將前一級(jí)多路開關(guān)切換進(jìn)入待采集的信號(hào)進(jìn)行放大(或衰減)至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常實(shí)際系統(tǒng)中放大器做成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計(jì)者可根據(jù)輸入信號(hào)不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。③采樣保持器。取出待測(cè)信號(hào)在某一瞬時(shí)的值(即實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間離散化)，并在A／D轉(zhuǎn)換過程中保持信號(hào)不變。④A／D轉(zhuǎn)換器。將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號(hào)幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前通常將采樣保持器與A／D轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。以上四個(gè)部分都處在計(jì)算機(jī)的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要環(huán)節(jié)，與其它有關(guān)電路如定時(shí)／計(jì)數(shù)器、總線接口電路等制作在一塊印刷電路板上，即構(gòu)成數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)，完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、放大和模／數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。很多數(shù)據(jù)采集卡印刷電路板上，還裝有數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D／A)，D／A處在Pc計(jì)算機(jī)的后向通道，即輸出通道，用于將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。3．在LabVIEW中DAQ設(shè)備的配置通常情況下，在LabVIEW中安裝和配置DAQ設(shè)備的步驟如下：①DAQ硬件板卡的安裝；②使用LabVIEW自帶的I／o配置工具選擇確定地址、中斷等基本參數(shù)③使用DAQ Channel Wizard配置I／0通道；④進(jìn)行LabVlEW DAQ編程。 GPIB虛擬儀器系統(tǒng)目前，工程中的儀器設(shè)備種類繁多、功能各異，一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)常需要連接多臺(tái)不同類型的儀器協(xié)同工作，這就需要一種能夠?qū)⒁幌盗袃x器設(shè)備和計(jì)算機(jī)聯(lián)成整體的接口系統(tǒng)。GPIB(General Purpose Interface Bus)正是這樣的接口，從此，電子測(cè)量由獨(dú)立的、傳統(tǒng)的單個(gè)儀器向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的方向發(fā)展。GPIB接口是一種8位數(shù)字并行通訊接口，其數(shù)據(jù)傳輸速度為iMbyte／s。GPIB設(shè)備分為聽者(Listeners)、說者(Talkers)和控制器(controllers)。說者負(fù)責(zé)發(fā)出消息(數(shù)據(jù)或命令)，聽者負(fù)責(zé)接收消息(數(shù)據(jù)或命令)，控制器(通常是一臺(tái)計(jì)算機(jī))負(fù)責(zé)管理總線上的消息，并指定通訊連接和發(fā)送GPIB命令到指定的設(shè)備。有些GPIB設(shè)備在不同的時(shí)候可以扮演不同角色，有時(shí)充當(dāng)說者，有時(shí)充當(dāng)聽者，有時(shí)又作為控制器。GPIB接口的優(yōu)點(diǎn)在于通過一個(gè)接口可以將多個(gè)GPIB設(shè)備連接在一起，同時(shí)完成多種不同物理量的測(cè)量。GPIB的基地址共有31個(gè)，為了獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，連接設(shè)備一般不超過14個(gè)，對(duì)于普通的測(cè)量這已經(jīng)足夠了。開發(fā)基于GPlB總線的虛擬儀器一般需要如下硬件：計(jì)算機(jī)、帶有GPIB接口的測(cè)試儀器、GPIB接口卡和GPIB連接電纜。測(cè)試儀器的類型及數(shù)量取決于實(shí)際的測(cè)試要求，儀器本身還要有與之配套的傳感器。GPIB接口卡主要用于將儀器與計(jì)算機(jī)相連，各GPIB接口之間用GPIB連接電纜連接。采用GPIB系統(tǒng)組建虛擬儀器系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性：①采用位并行，字節(jié)串行，雙向異步的數(shù)據(jù)傳輸方式，并使用了三線連鎖掛鉤技術(shù)；②具有廣泛的靈活性和通用性；③成本低，使用方便。 VXI虛擬儀器系統(tǒng)VXlbus是WEgus在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展(VMEbus eXtensions for fnstrumentation)，是計(jì)算機(jī)操縱的模塊化自動(dòng)儀器系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)為虛擬儀器概念的實(shí)現(xiàn)提供了理想的環(huán)境。VXlbus標(biāo)準(zhǔn)和VPP規(guī)范的建立，使高密度、高效率、高速度、高度開放性、高可靠性和高度規(guī)范化的模塊化儀器走上了標(biāo)準(zhǔn)化的道路，為自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持，從而得到了積極的響應(yīng)、迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個(gè)VXIbus主機(jī)箱、若干VXIbus器件、一個(gè)VXIbus資源管理器和主控制器組成。VXI總線控制方式分為嵌入式和外接式兩類。嵌入式VXI控制方式就是把計(jì)算機(jī)做成VXIbus模塊，直接安裝到VXI主機(jī)箱中，并通常占據(jù)0槽位置。采用嵌入式控制器的VXl系統(tǒng)具有最小可能的體積。嵌入式控制器能夠直接訪問VXIbus背板信號(hào)，并直接讀寫VXIbus器件的寄存器，而不會(huì)像外接控制器那樣進(jìn)行總線轉(zhuǎn)換而引入軟件開銷，因此具有最高的數(shù)據(jù)傳輸性能。外接式控制方式可以通過GPIB總線或者IEEE一1394總線及相應(yīng)的接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)VXI系統(tǒng)控制。外接式VXI控制方式是一種靈活而且性能價(jià)格比很高的控制方案，得到了十分廣泛的應(yīng)用。 PXI虛擬儀器系統(tǒng)PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)定義為用于測(cè)試、測(cè)量和控制應(yīng)用，基于PC的一種小型模塊化儀器平臺(tái)。PXI基于PCI，并利用CompactPCI規(guī)范，所以它具有PCI的一些優(yōu)點(diǎn)：較低的成本，不斷提高的性能，以及為最終用戶提供的主流軟件模型。PXl結(jié)構(gòu)最初是在1997年由NI公司提出，旨在幫助用戶開發(fā)一種低成本測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)還要堅(jiān)固耐用，并在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都能滿足生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。如今，PXI已經(jīng)成為測(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)翻天覆地的改革。PXI的規(guī)格區(qū)分為硬件與軟件兩個(gè)部分。其中硬件部分是基于CompactPCI的規(guī)格，建構(gòu)于CompactPCI的機(jī)構(gòu)規(guī)格與PCI的電氣規(guī)格之上，加上儀器上所需要的電氣信號(hào)延伸，即是所謂PXI的規(guī)格。所以，PXI的數(shù)據(jù)傳輸速率的峰值在33MHz、32 bit的總線上，可達(dá)132MB／s；在66 IV[Hz、64 bit的總線上更可高達(dá)528MB／s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPIB與VXI接口的傳輸速率。為更適于工業(yè)應(yīng)用，PXI總線方式為PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范，以便應(yīng)用于相鄰模塊的高速通訊總線。PXI還具有高度的可擴(kuò)展性：PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3～4個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，便形成了出色的虛擬儀器平臺(tái)。 USB和IEEEl394虛擬儀器系統(tǒng)USB通用串行總線(Universal serial bus)和IEEEl394總線(30nq 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。USB 2．0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。IEEEl394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rEEE一1394總線均具有“即插即用”的能力和自動(dòng)識(shí)別功能，都擁有400M左右的帶寬，兩者都支持同步和異步傳輸，與并行總線相比，更適合于連接多外設(shè)的需要。這兩類總線技術(shù)是當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)研究的熱點(diǎn)。 RS一232虛擬儀器系統(tǒng)RS一232接口是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EtA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。圖33 RS一232虛擬儀器系統(tǒng)串行接口(RS一232)是PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，它用于數(shù)據(jù)的串行傳輸。其特點(diǎn)是開發(fā)和應(yīng)用簡(jiǎn)單，在通信距離較近，數(shù)據(jù)傳輸率要求不高的情況下，可直接采用。采用RS一232串行總線結(jié)構(gòu)建的虛擬儀器硬件平臺(tái)有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：l．RS一232總線與GPIB總線、VXI總線、PXI總線相比，它的接口簡(jiǎn)單、使用方便，應(yīng)用于速度較低的測(cè)量系統(tǒng)中，其優(yōu)勢(shì)十分明顯。2．目前，有許多測(cè)量?jī)x器都帶有RS一232總線接口，與這些儀器相組合，構(gòu)成特定的虛擬儀器，能夠有效的提高原有儀器的自動(dòng)化程度及測(cè)量的精度和效率。3．與目前使用最多的PC—DAQ型結(jié)構(gòu)相比，RS一232虛擬儀器系統(tǒng)雖然速度有所降低，但價(jià)格低廉使用更加靈活。虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分；VISA庫、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。圖3—4虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)(VISA)1．VISA的由來在以往的虛擬儀器開發(fā)過程中，I／0接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制軟件的開發(fā)沒有制定共同的規(guī)范，儀器廠商按照各自的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)I／O接口設(shè)各驅(qū)動(dòng)控制軟件出售給用戶。由于沒有統(tǒng)一的規(guī)范約束，只能專用而沒有通用性，因此不同類型的或不同廠家的W接口設(shè)備必須專門米設(shè)計(jì)它的驅(qū)動(dòng)程序。由于這種不可互換性，因而造成用戶在集成、使用和維護(hù)虛擬儀器系統(tǒng)時(shí)重復(fù)投入了大量的資金。為了推動(dòng)虛擬儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程，VXIPlugamp。Play聯(lián)盟于1996年完成了對(duì)VISA規(guī)范的開發(fā)工作，并將各個(gè)函數(shù)的原型以標(biāo)準(zhǔn)的形式發(fā)布。2．VISA簡(jiǎn)介VISA(Virtual InstrumentatiOr]software Architecture)，即虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I／O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。一般稱這個(gè)I／O函數(shù)庫為VISA庫。它駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程控。它對(duì)于儀器驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者來說是一個(gè)可調(diào)用的操作函數(shù)集，通過它可以直接訪問計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備。儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。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)用程序來說，它對(duì)儀器的操作是通過儀器驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的。儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過輸入／輸出(I／O)軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫(VISA庫)的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員來說，一旦有了儀器驅(qū)動(dòng)程序