【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ,是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革 ,是未來(lái)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向 ? 虛擬儀器的概念 [7],是美國(guó)國(guó)家儀器公司 (National Instruments Corp 以下簡(jiǎn) NI 公司 )于 1986 年提出的 ?NI 公司同時(shí)也提出了“軟件即儀器”的概念 ,打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義 ,用戶無(wú)法改變的局面 ?隨著現(xiàn)代軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展 ,儀器的智能化和虛擬化已經(jīng)成為研究的方向 ?虛擬儀器 ,它既具有傳統(tǒng)儀器的功能 ,又有別于其他傳統(tǒng)儀器 ,它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù) ,使儀器的測(cè)試和測(cè)量及自動(dòng)化工業(yè)系統(tǒng)的測(cè)試和監(jiān)控變得異常方便和快捷 ? 虛擬儀器的概念 虛擬儀器是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī) ?軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來(lái) ,用戶可以通過(guò)友好的圖形界面 (通常叫做虛擬前面板 ,簡(jiǎn)稱前面板 )來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就像在操作自己定義 ?自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)個(gè)人儀器一樣 ,從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集 ?分析 ?判斷 ?顯示 ?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等 ?虛擬儀器通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理 ?表達(dá)以及圖形化 用戶接口 ,把計(jì)算機(jī)資源 (如微處理器 ?顯示器等 )和儀器硬件 (如 A/D?D/A?數(shù)字 I/O?定時(shí)器 ?信號(hào)調(diào)理等 )的測(cè)量能力 ?控制能力結(jié)合在一起 ?虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式 ,而使用者是在操作具有測(cè)試軟件的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量 ? 虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì) [8]是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能 ?軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵 ,當(dāng)基本硬件確定以后 ,就可以通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能 ?用戶可以根據(jù)自己的需要 ,設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng) ,滿足多種多樣的應(yīng)用要求 ?利用計(jì)算機(jī)豐富的軟 ?硬件資源 ,可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的分析 ?處理 ?表達(dá) ?傳遞 ?儲(chǔ)存等方面的限制 ,達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的效果 ? 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器從構(gòu)成 [8]要素上講 ,由計(jì)算機(jī) ?應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成 。從構(gòu)成方式上講 ,則由以 DAQ 板 卡 和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的 PCDAQ 測(cè)試系統(tǒng) ,或以GPIB,VXI,Serial 和 Field bus 等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的 GPIB 系統(tǒng) ?VXI 系統(tǒng) ?串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式 ?虛擬儀器的構(gòu)成如圖 所示 ? 顯 示 器信 號(hào) 分 析 及 處 理數(shù) 據(jù) 發(fā)生 器A / D 轉(zhuǎn)換 器D / A 轉(zhuǎn)換 器信 號(hào) 調(diào)理 器信 號(hào) 調(diào)理 器信 號(hào) 調(diào)理 器各 類(lèi) 接 口人 機(jī) 接 口信 號(hào) 輸 入 信 號(hào) 輸 出 圖 虛擬儀器的構(gòu)成 目前 ,虛擬儀器的構(gòu)成方式有以下幾種 : (1)PCDAQ 插卡式的 VI 這種方式用數(shù)據(jù)采集卡 配以計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件 ,便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng) ?它充分利用了計(jì)算機(jī)的總線 ?機(jī)箱 ?電源以及軟件的便利 ,其關(guān)鍵在于 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù) ?這種方式受 PC機(jī)機(jī)箱 ?總線限制 ,存在電源功率不足 ,機(jī)箱內(nèi)噪聲電平較高 ?無(wú)屏蔽 ,插槽數(shù)目不多 ?尺寸較小等缺點(diǎn) ?但因插卡式儀器價(jià)格便宜 ,因此其用途廣泛 ,特別適合于工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng) ?各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門(mén)使用 ? (2)并行口式的 VI 最新發(fā)展的可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置 ,其硬件集成在一個(gè)采集盒里或探頭上 ,軟件裝在計(jì)算機(jī)上 ,可以完成各種 VI 功能 ?它的最大好處是可以與筆記本計(jì)算 機(jī)相連 ,方便野外作業(yè) ,又可與臺(tái)式 PC 相連 ,實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用 ,非常方便 ? (3)GPIB 總線方式的 VI GPIB(General Purpose Interface Bus)技術(shù)是 IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的 VI早期的發(fā)展階段 ?它的出現(xiàn)使電子測(cè)量由獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展 ?典型的GPIB 系統(tǒng)由一臺(tái) PC 機(jī) ,一塊 GPIB 接口卡和若干臺(tái) GP1B 儀器通過(guò) GPIB 電纜連接而成 ?在標(biāo)準(zhǔn)情況下 ,一塊 GPIB 接口卡可帶多達(dá) 14 臺(tái)的儀器 ,電纜長(zhǎng)度可達(dá) 20m?GPIB 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單 ,造價(jià)較低 ,主要市場(chǎng)在臺(tái) 式儀器市場(chǎng) ?適用于精確度要求高 ,但對(duì)計(jì)算機(jī)速率要求和總線控制實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用 ? (4)VXI 總線方式的 VI VXI 總線是 VMEbus eXtension for Instrumentation 的縮寫(xiě) ,是高速計(jì)算機(jī)總線VME 在 VI 領(lǐng)域的擴(kuò)展 ,有穩(wěn)定的電源 ,強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的 RFI/EMI屏蔽 ?由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放 ,且具有結(jié)構(gòu)緊湊 ?數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng) ?定時(shí)和同步精確 ?模塊可重復(fù)利用眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn) ,得到了廣泛的應(yīng)用 ?經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展 ,VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便 ,有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì) ,適用于組 建大 ?中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以 及對(duì)速度 ?精度要求高的場(chǎng)合 ,但 VXI 總線要求有專(zhuān)用機(jī)箱 ?零槽管理器及嵌入式控制器造價(jià)比較高 ? (5)PXI 總線方式的 VI PXI 總線是 PCI eXtension for Instrumentation 的縮寫(xiě) ,是 PCI 在 VI 領(lǐng)域的擴(kuò)展 ?這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在 PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的 ,具有多板同步觸發(fā) ?精確定時(shí)的星形觸發(fā) ?相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn) ,適用于大型高精度集成系統(tǒng) ? (6)網(wǎng)絡(luò)接口方式的 VI 盡管 Inter 技術(shù)最 初并沒(méi)有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起 ,不過(guò)NI 等公司己經(jīng)開(kāi)發(fā)了通過(guò) 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(guò) Inter 操作儀器設(shè)備 ?根據(jù)虛擬儀器的特性 ,能夠方便的將虛擬儀器組成計(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設(shè)備聯(lián)系在一起 ,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 ?現(xiàn)在 , 有關(guān)MCN(Measurement and Control Networks)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(jiàn) ,網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景 ? (7)USB 接口方式的 VI Universal Serial Bus(USB)因?yàn)槠湓?PC 機(jī)上的廣泛使用 ?即插即用的易用性和 480Mbits/s的傳輸速率 ,逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù) ?USB接口被廣泛應(yīng)用 ,也使得工程師可以很方便的將基于 USB的測(cè)量?jī)x器連接到整個(gè)系統(tǒng)中 ?但是 USB 在儀器控制方面亦有一些缺點(diǎn) ,比如 USB 的傳輸線沒(méi)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格 ,在惡劣的環(huán)境下 ,可能造成數(shù)據(jù)的丟失 。此外 ,USB 對(duì)傳輸線的距離也有一定的限制 ? 無(wú)論哪種 VI 系統(tǒng) ,都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦 ?臺(tái)式微機(jī)或工作站 等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的 ? 由于 USB 的接口方式比較簡(jiǎn)單 ,通用性強(qiáng) ,具有熱插拔 ?即插即用 ?傳輸速度快等特點(diǎn) ,因而采用 接口 ? 虛擬儀器的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)儀器相比 ,虛擬儀器的特點(diǎn)在于 : (1)打破了傳統(tǒng)儀器的“萬(wàn)能”功能概念 ,將信號(hào)的分析 ?顯示 ?存儲(chǔ) ?打印和其它管理集中交由計(jì)算機(jī)來(lái)處理 ,充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù) ,完善了數(shù)據(jù)的傳輸 ?交換等性能 ,使得組建系統(tǒng)變得更加靈活 ?簡(jiǎn)單 ? (2)強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的新概念 ,軟件在儀器中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機(jī)實(shí)現(xiàn)的角色 ,減少了許多隨時(shí)間可能漂移 ?需要定 期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件 ,加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用 ,使系統(tǒng)的測(cè)量精度 ?測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高 ? (3)儀器由用戶自己定義 ,系統(tǒng)的功能 ?規(guī)模等均可通過(guò)軟件修改 ?增減 ,可方便地同外設(shè) ?網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用設(shè)備連接 ?虛擬儀器的出現(xiàn) ,徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義 ?用戶無(wú)法改變的模式 ? (4)鑒于虛擬儀器的開(kāi)放性和功能軟件的模塊化 ,用戶可以將儀器的設(shè)計(jì) ?使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn) ,使資源的可重復(fù)利用率提高 ,系統(tǒng)組建時(shí)間縮短 ,功能易于擴(kuò)展 ,管理規(guī)范 ,維護(hù)和開(kāi)發(fā)的費(fèi)用降低 ?虛擬儀器的開(kāi)發(fā)廠家 ,為擴(kuò)大虛擬儀器的功能 ,在測(cè)量結(jié)果 的數(shù)據(jù)處理 ?表達(dá)模式及其變換方面發(fā)布了各種軟件 ,建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù) (例如測(cè)量結(jié)果的譜分析 ?快速傅立葉變換 ?各種數(shù)字濾波器 ?卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理 ?微積分 ?峰值和波形發(fā)生 ?噪聲發(fā)生 ?回歸分析 ?數(shù)值運(yùn)算 ?時(shí)域和頻域分析等 ),使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的儀器系統(tǒng) ? 下表是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 ? 表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 軟件使得開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低 開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高 關(guān)鍵是軟件 關(guān)鍵是硬件 價(jià)格低 ,可重復(fù)用 ,可重配置性強(qiáng) 價(jià)格昂貴 用戶定義儀器功能 廠商定義儀器功能 技術(shù)更新周期短 (1~2 年 ) 技術(shù)更新周期長(zhǎng) (5~10 年 ) 開(kāi)放 ,靈活 ,與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展 封閉 ,固定 與網(wǎng)絡(luò)及外設(shè)互聯(lián)方便 功能固定 ,互聯(lián)有限 虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabVIEW 虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的比較選擇 在給定計(jì)算機(jī)必要的儀器硬件之后 ,構(gòu)成和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件 ?軟件為用戶提供了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 ?高水平的儀器硬件接口和用戶接口 ?正確選擇軟件對(duì)程序開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)起著非常重要的作用 ? 對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫(xiě) ,大致可分為兩種方式 ? (1) 通用編 程軟件進(jìn)行編寫(xiě) ?主要有 Microsoft 公司的 Visual Basic 與VisualC++,Borland 公司的 Delphi,Sybase 公司的 PowerBuilder? (2)用專(zhuān)業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā) ?如 HP 公司的 HPVEE Nl 公司的 LabVIEW 和 LabWindows/CVI 等 ? 在虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須考慮以下因素 :開(kāi)發(fā)成本低 ?執(zhí)行效率佳 ?程序彈性大 ?易于擴(kuò)展 ? LabVIEW是一個(gè)功能比較完整的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 ,但它是為代替常規(guī)的 BASIC和C語(yǔ)言而設(shè)計(jì)的 ,它具有圖形化編程語(yǔ)言 (簡(jiǎn)稱 G語(yǔ)言 Graph Language)的特點(diǎn) ,即用方 框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼 ?G 語(yǔ)言是一種適合應(yīng)用于任何編程任務(wù) ,具有擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)的通用編程環(huán)境 ?和 BASIC 及 C 語(yǔ)言一樣 ,G 語(yǔ)言也定義了數(shù)據(jù)類(lèi)型 ?結(jié)構(gòu)類(lèi)型和模塊調(diào)用語(yǔ)法規(guī)則等編程語(yǔ)言的基本要素 ,同時(shí) G 語(yǔ)言豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)還為用戶編程提供極大的方便 ?G 語(yǔ)言與傳統(tǒng)高級(jí)編程語(yǔ)言最大的差別在于編程方式一般高級(jí)語(yǔ)言采用文本編程 ,而 G 語(yǔ)言采用圖形化編程語(yǔ)言 ?G 語(yǔ)言是 LabV1EW 的核心 ,熟練掌握 G 語(yǔ)言的編程要素和語(yǔ)法規(guī)則 ,是開(kāi)發(fā) LabVIEW 應(yīng)用程序的最重要的基礎(chǔ) ? LabVIEW 是 帶有可以產(chǎn)生最佳編碼的編譯器的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境 ,運(yùn)行速度等同于編好的 C 或 C++程序 ?LabVIEW 具有模塊化特性 ,有利于程序的可重用性 ?LabVIEW 將軟件的界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開(kāi)來(lái) ,修改人機(jī)界面無(wú)需對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)整 ,LabVIEW 是利用數(shù)據(jù)流框圖接收指令 ,使程序簡(jiǎn)單明了 ,充分發(fā)揮了 G 語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn) ,這就大大簡(jiǎn)短了虛擬儀器的開(kāi)發(fā)周期 ?消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過(guò)程 ?而通用的編程軟件需利用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟面板的設(shè)計(jì) ,這使程序設(shè)計(jì)變得非常麻煩 ?因此相比之下 ,本論文選擇使用 G 語(yǔ)言的圖形化編程軟件 LabVIEW? LabVIEW 簡(jiǎn)介 LabVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái) (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡(jiǎn)稱 ,是美國(guó) NI 公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品 ,也是目前應(yīng)用最廣泛 ?發(fā)展最快 ?功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 ?LabVIEW 的特點(diǎn)在于 :它使用圖形化編程語(yǔ)言在流程圖中創(chuàng)建源程序 ,運(yùn)行方便 ,編程簡(jiǎn)單易懂 ? LabVIEW 作為開(kāi)發(fā)環(huán)境所具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下所述 [8]: (1)圖形化編程 ,降低了對(duì)使用者編程經(jīng)驗(yàn)的要求 。 (2)采用面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍?,有利于軟件的開(kāi)發(fā)和 再利用 。 (3)對(duì)象 ?框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在 Windows,Windows XP,UNIX等多平臺(tái)之間和各種 PC 機(jī)及工作站間兼容 ,便于軟件移植 。 (4)支持 550 多種標(biāo)準(zhǔn)總線設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡 ,如串行接口 ?GPIB?VXI 等 。 (5)具有豐富的庫(kù)函數(shù)和例子 ,對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序 ,用戶可以從例子中取得程序框架 ,便于提高開(kāi)發(fā)速度 。 (6)具有比較完備的代碼接口 ,可調(diào)用 Windows 中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) (DLL)中的函數(shù)以及 C 語(yǔ)言程序 ,以彌補(bǔ)自身的某些不足 。 (7)直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換 (DDE)?對(duì)象聯(lián)接與嵌入 (OLE)?結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(SQL),便于與其它 Windows 應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序接口 。 (8)支持 TCP?UDP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 ,網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大 ,可遙控分布在其他微機(jī)上的虛擬儀器設(shè)備 。