【文章內(nèi)容簡介】 總線擴展插槽即可，因此 ， 這種虛擬儀器又叫 PCDAQ/PCI 插卡式虛擬儀器。 PCDAQ 為采集卡，由過去的 16 位標(biāo)準(zhǔn) ISA 總線發(fā)展到 32 位的 PCI 總線插卡，易于構(gòu)成 個人儀器系統(tǒng)，但需打開主機箱直接與 ISA、 PCI 總線連接，沒有定義儀器系統(tǒng)所需的總線 。 （ 2） 基于通用接口總線 GPIB(general purpose interfacebus)接口的虛擬儀器，它是以GPIB 接口儀器、 GPIB 接口卡及 PC 機為儀器硬件平臺， GPIB 為通用接口總線的簡稱，是一種并行方式的外總線，它實質(zhì)上是通過計算機對傳統(tǒng)儀器的功能擴展和延伸，目前，許多市售的臺式儀器大多裝有 GPIB 接口。 GPIB 儀器具有獨立的儀器操作界面，可以脫離計算機使用，也可以通過標(biāo)準(zhǔn) GPIB 電纜連接計算機實施程序控制。 （ 3） 基于串行口儀器的虛擬儀器，它是由 Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及 PC 機為儀器硬件內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 平臺的，它包括符合 RS232/ RS422 標(biāo)準(zhǔn)的 PLC(program logic controller)和單片機系統(tǒng)。 （ 4） 基于 VXI 儀器的虛擬儀器，它是以 VXI(VMEbusextension for instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊及 PC 機為儀器硬件平臺的，由主機箱、控制器和儀器模塊構(gòu)成。其中 ， 控制器安裝在零號槽中，稱為零槽控制器。 VXI 控制器包括嵌入式 PC 控制、嵌入式工作站控制器和外置工作站控制器 ， 可根據(jù)測試功能的不同要求來選用。 VXI 是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線 VME 的擴展，是一種完全開放的、模塊化儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器開發(fā)平臺，其可靠性、人機交互性能、測試速度優(yōu)越，但價格較為昂貴。 （ 5） 基于 PXI 儀器的虛擬儀器，它是以 PXI(PCI extension for instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊及 PC 機為儀器硬件平臺， PXI 總線方式是在 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)上增加 了參考時鐘技術(shù)規(guī)范和要求形成 的 。 標(biāo)準(zhǔn)的 PXI 模塊化儀器系統(tǒng)有 8 個插槽，還可與 CompactPCI 交互操作，可與 GPIB或 VXI 集成，組 成大規(guī)模、多用途系統(tǒng)。 PXI 是 PCI 總線在儀器領(lǐng)域的擴展，以 PCI 總線為基礎(chǔ)，利用了豐富的 PCI 模板 資源和 PC 軟件工具及開發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá) 132MB/s，應(yīng)用軟件開發(fā)與 VXI 一樣。PXI 實現(xiàn)了 VISA 虛擬儀器軟件體系，不僅能夠控制 PXI 模塊，也能控制 VXI、 GPIB 及串行接口器件，還可以通過采用標(biāo)準(zhǔn)的 PCIPCI 橋接器提高擴展槽數(shù)量，有利于系統(tǒng)集成。它的最大優(yōu)勢在于價格低廉，并且 PXI 與主流 PC 技術(shù)完全兼容，在許多測試領(lǐng)域，由 PC 組建的系統(tǒng)與 PXI 系統(tǒng)可以相互替代。 （ 6） 基于現(xiàn)場總線設(shè)備的虛擬儀 器，它是以 Fieldbus 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器及 PC 機為儀器硬件平臺的。 上述的幾種方案中， GPIB， VXI， PXI 方案主要適合構(gòu)成大型高精度集成測試系統(tǒng)；PCI— DAQ/PCI、串行口方案主要適合構(gòu)成普及型的廉價測試系統(tǒng)；現(xiàn)場總線方案主要內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 適合構(gòu)成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，如測試任務(wù)需要，也可將上述 幾種 方案結(jié)合構(gòu)成混合測試系統(tǒng)。 虛擬儀器的軟件組成 虛擬儀器系統(tǒng)的核心是軟件技術(shù)，軟件開發(fā)環(huán)境是其重要的組成部分 。 虛擬儀器 的軟件 從底層到頂層包括三部分： VISA 庫、儀器驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件。 （ 1） VISA（ Virtual Instrumentation Software Architecture）庫 。 VISA 庫實質(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，它駐留在計算機系統(tǒng)中，執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，用來實現(xiàn)對儀器的控制。 （ 2）儀器驅(qū)動程序 。 儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合，是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個儀器都有自己的儀器驅(qū)動程序，由儀器廠商提供。 （ 3）應(yīng)用軟件 。 應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀、友好的操作界面 、豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能，來完成自動測試任務(wù)。 虛擬儀器 必須具有強大的人機交互界面設(shè)計能力，易于實現(xiàn)各種復(fù)雜的儀器面板，還必須具有數(shù)據(jù)可視化分析能力，能提供豐富的儀器和總線接口的硬件驅(qū)動程序 使用正確的軟件工具并通過設(shè)計或調(diào)用特定的程序模塊 ， 工程師們可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機交互界面。 目前 ， 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺主要有 Visual C++， Visual Basic， 以及 HP 公司的VEE 和 NI 公司的 LabVIEW、 Lab Windows/CVI 等。 美國 NI 公司是虛擬儀器技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者 ， LabVIEW 就是其推出的一種基于圖形的開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境，是目前國際上唯一的 基于數(shù)據(jù)流的 編譯型圖形化編程語言， 是一種優(yōu)秀 的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 。 它不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 的連接 ， 更能提供強大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力 ， 設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲的方式 ， 并將結(jié)果顯示給用戶。 LabVIEW 中編寫的源程序，很接近程序流程圖。所以，只要把程序流程框圖畫好了，程序也就差不多編好了。 LabVIEW 圖形編程語言中的基本編程單元是 VI(VinualInstrument，虛擬儀器 )， VI包括三個部分：前面板 (Frontpanel)、框圖程序 (BlockDiagram)和圖標(biāo) (Icon)連接器(Connector)。 前面板既接受來自框圖程序的指令，又是用戶與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。這個窗口模擬真實儀表的前面板，用于設(shè)置輸入和觀察輸出，輸入量稱為控 件 (Controls)，輸出量稱為指示器 (Indicators)。當(dāng)把一個控件或指示器放到前面板上時，框圖中相應(yīng)地放置一個端子 (Terminals)，這個端子不能隨意被刪除，只有刪除它對應(yīng)的控件或指示器時它才隨之一起被刪除。用戶可以使用多種圖標(biāo)，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、文本框 、圖形等，使前面板易看易懂。我們可以把它想象為傳統(tǒng)儀器的面板，面板上自然會有表頭，按紐 ，撥盤等各種元件。 前面板的設(shè)計準(zhǔn)則是： （ 1） 按照 VPP 規(guī)范設(shè)計前 面板，使 前 面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、可移植性。 （ 2） 根據(jù)測試要求確定儀器功能。根據(jù)測試任務(wù)確定儀器前 面板具體測試、測量功能，開關(guān)、控制等設(shè)置要求。 （ 3） 用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法設(shè)計前面板。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，一個虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個虛擬儀器組成，每個虛擬儀器均由前面板控制。前面板由大量的虛擬控件組成。用戶可以根據(jù)測試需要，通過界面方便的設(shè)置信號源的各項 參數(shù)，選擇不同的測試頻段及頻率步進(jìn)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示。 每一個 VI 程序的前面板都對應(yīng)著一段框圖程序。框圖程序用 LabVIEW 圖形編程語內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的 源代碼。也可以把它想象為傳統(tǒng)儀器機箱里用來實現(xiàn)儀器功能的零部件。 所有 VI 源程序的框圖都是由節(jié)點 (Nodes)、端子、圖框和連線 (Wires)四種元素構(gòu)成。其中，端子被用來同程序前面板的控件和指示器傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。編 制框圖程序時，從功能模板中選擇需要的節(jié)點圖標(biāo)或圖框，將之置于 窗口 面板上適當(dāng)?shù)奈恢?，然后用連線連接它們及框圖中的端子即可。在彩色監(jiān)視器上，每種數(shù)據(jù)類型以不同的顏色和線形強調(diào)顯示。 虛擬儀器總線技術(shù) 目前 VI 使用的總線技術(shù)主要有以下幾種。 DAQ 總線方式的虛擬儀器 DAQ 指的是基于計算機標(biāo)準(zhǔn)總線（如 ISA、 PCI 等）的內(nèi)置功能插卡，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 可以方便快捷地組建虛擬儀器，實現(xiàn) “一機多型”和“一機多用” 。 在性能上，隨著 A/D 轉(zhuǎn)換技 術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展， DAQ 的采樣速率已達(dá) 1Gb/s，精度高達(dá) 24 位，通道數(shù)高達(dá) 64 個，并能任意結(jié)合數(shù)字 I/O、模擬 I/O、計數(shù)器 /定時器等通道。 DAQ 虛擬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。對大多數(shù)用戶來說，這種方案不但實用，而且具有很高的性能價格比，是一種特別適合于我國國情的虛擬儀器方案。 下面以基于 PCI 總線和 USB 總線的多功能虛擬儀器的實現(xiàn)為例，介紹 DAQ 型虛擬儀器的結(jié)構(gòu)。 （ 1） 基于 PCI 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)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 傳輸率高達(dá) 132 MB/s~264MB/s， PCI 總線技術(shù)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(shè)備可以和 CPU 并行工作，因此 PCI 總線得到了廣泛的應(yīng)用。 這種方式借助于插入 PC 機和工控機內(nèi)的高速數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件相結(jié)合，將它們安裝在一臺運行的 PC 機上，可構(gòu)成一個功能強大的數(shù)字虛擬儀器，完成測試任務(wù)。另外，通過改變應(yīng)用程序，即界面程序設(shè)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(jìn)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(nèi)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(nèi)，通過 LabVIEW 軟件模塊對信號進(jìn)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(xué)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(jìn)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(nèi)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(shè)計 嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為：信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)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 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?jǐn)z像機、掃描儀、打印機及存儲設(shè)備。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 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?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計按照智能模塊的設(shè)計思路進(jìn)行，智能模塊的作用是完成特定應(yīng)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(dāng)需要添加新測試功能時，只需開發(fā)支持 USB 接口的相應(yīng)測試功能的嵌入式虛擬儀器模塊即可。 USB 技術(shù)和虛擬儀器技術(shù) 結(jié)合在一起是計算機儀表領(lǐng)域研究的熱點，基于 USB 總線接口設(shè)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(gòu)建大型的測試系統(tǒng)，完成復(fù)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(shè)的需要。基于 USB 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(shè)計的 HPIB儀器接口總線的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，經(jīng)歷了 、 、目前市面上使用的是 GPIB。該標(biāo)準(zhǔn)的成功之處在于，它使測試系統(tǒng)的互連和通訊標(biāo)準(zhǔn)化。 GPIB（ General Purpose Interface Bus）是計算機和儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn) IEEE 和 IEEE 中。 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，不適合對于系內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)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