【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在 一起。 NI 設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。 無(wú)縫集成 虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。 NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。 虛擬儀器的分類 虛 擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型： PC 總線 ——插卡型虛擬儀器 這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如 LabVIEW 相結(jié)合（注：美國(guó) NI 公司的 Labview 是圖形化編程工具，它可以通過(guò)各種控件自己組建各種儀器。 Labview/cvi 是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過(guò)三種編程語(yǔ)言 Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi 構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受 PC 機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功 率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。另外， ISA 總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰， PCI 總線的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。 并行口式虛擬儀器 最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國(guó) LI常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 NK公司的 DSO2XXX 系列虛擬儀器 ,它們的最大好處 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機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。 GPIB 總線方式的虛擬儀器 GPIB 技術(shù)是 IEEE488 標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(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) BPIB 形式的儀器通過(guò) GPIB 電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊 GPIB 接口可帶多達(dá) 14臺(tái)儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá) 40米。 GPIB 技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí) 現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺(tái)儀器組合起來(lái)，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。 GPIB 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用。 VXI 總線方式虛擬儀器 VXI 總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線 VME 總線在 VI 領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(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)開放、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)，很快得到廣泛的應(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，尤其是組建大、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。有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，組建 VXI 總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。 PXI 總線方式虛擬儀器 PXI 總線方式是 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。 PXI 的高度可擴(kuò)展性。 PXI 具有 8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式 PCI 系統(tǒng)只有 3~4 個(gè)擴(kuò)展槽，通過(guò)使用 PCI— PCI 橋接器，可擴(kuò)展到 256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(lái)，將形成未來(lái)的虛擬儀器平臺(tái)。 圖 22 總線方式 虛擬儀器 系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 虛擬儀器 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以 PC 為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、 VXI 總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測(cè)試設(shè)備，設(shè)備測(cè)控對(duì)象 信號(hào)調(diào)理 GPIB 儀器 數(shù)據(jù)采集卡 GPIB 接口 串行口儀器 VXI 或 PXI儀器 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備 LabVIEW PC機(jī) 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，虛擬儀器通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真 實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便。 圖 23 虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 (1)虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件。計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ) 。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。 按照測(cè)控功能硬件的不同， VI 可分為 DAQ、 GPIB、 VXI、 PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。 (2)虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成 測(cè)試軟件是虛擬儀器的主心骨。 NI 公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實(shí)用成果時(shí)，就用軟件就是儀器來(lái)表達(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。 NI 公司從一開始就推出豐富而又簡(jiǎn)潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的 測(cè)試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測(cè)試軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個(gè)儀器從系統(tǒng)中消失，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能。虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分。 [1]儀器面板控制軟件 儀器面板控制軟件即測(cè)試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇你所需要的 對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上。 [2]數(shù)據(jù)分析處理軟件 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時(shí)間。 [3]儀器驅(qū)動(dòng)軟件 虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序是處理與特定儀器進(jìn)行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動(dòng)器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級(jí)的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動(dòng)器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對(duì)儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的核心是驅(qū)動(dòng)程序函數(shù) /VI 集，函數(shù) /VI 是指組成驅(qū)動(dòng)的模塊化 子程序。驅(qū)動(dòng)程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應(yīng)用函數(shù) /VI 層，它根據(jù)具體測(cè)量要求調(diào)用底層的函數(shù) /VI。 [4]通用 I/O 接口軟件 在虛擬儀器系統(tǒng)中， I/O 接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來(lái)越重要。 VXI 總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標(biāo)準(zhǔn)，提出了自底向上的 I/O接口軟件模型即 VISA。作為通用 I/O標(biāo)準(zhǔn)， VISA 具有與儀器硬件接口無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)， 即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程 師為帶 GPIB 接口儀器所寫的軟件，也可以于 VXI 系統(tǒng)或具有 RS232接口的設(shè)備上，這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開發(fā)周期，而且徹底改變了測(cè)試軟件開發(fā)的方式和手段。 虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 虛擬儀器軟面板是用戶用來(lái)操作儀器，與儀器進(jìn)行通信，輸入?yún)?shù)設(shè)置，輸出結(jié)果顯示的用戶接口。其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是： （ 1）按照 VPP 規(guī)范設(shè)計(jì)軟面板，使面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、可移植性。 （ 2）根據(jù)測(cè)試要求確定儀器功能。根據(jù)測(cè)試任務(wù)確定儀器軟面板具體測(cè)試、測(cè)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(jì)方法設(shè)計(jì)軟面 板。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，一個(gè)虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個(gè)虛擬儀器組成，每個(gè)虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控件組成。 在虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案，主要包括底層硬件、軟硬件接口、應(yīng)用程序以及驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)。 （ 1） 制定所設(shè)計(jì)儀器的接口形式 如果儀器設(shè)備具有 RS232 串行接口，則直接用連線將儀器設(shè)備和計(jì)算機(jī)的 RS232 串行口連接即可。如果是 GPIB 接口，需要額外配備一塊 GPIB488 接口板，將接口板插入計(jì)算機(jī)的 ISA插槽，建立起計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備之間的通信橋梁。 如果使用計(jì)算機(jī)來(lái)控制 VXI 總線設(shè)備，則需要配置一塊 GPIB 接口卡，通過(guò) GPIB 總線與 VXI 主機(jī)箱零槽模塊通信。零槽模塊的 GPIBVXI 翻譯器將 GPIB 的命令翻譯成 VXI 命令并把各模塊返回的數(shù)據(jù)以一定的格式傳回主控計(jì)算機(jī)。 DAQ 數(shù)據(jù)采集卡是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的，因此可以將數(shù)據(jù)采集卡直接插到計(jì)算機(jī)的插槽上。 (2） 開發(fā)硬件采集卡 一種典型的數(shù)據(jù)采集卡組成包括，先用傳感器把非電的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電量，采樣 /保持器可以保持信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)進(jìn)行采集，以便 ADC進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，提高 ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。實(shí) 現(xiàn)在測(cè)量中同時(shí)對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。多路模擬開關(guān)可以分時(shí)選通來(lái)自多個(gè)輸入通道的某一路信號(hào)，這樣在多路開關(guān)后的單元電路，只需一套即可，也可以采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多路選擇控制。當(dāng)傳感器輸常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 出的信號(hào)比較小，可以用放大器放大和緩沖輸入信號(hào)，如果采用的是可編程增益放大器就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行增益選擇控制確定增益倍數(shù)。精度及性能是儀器系統(tǒng)的生命，而這完全依賴于提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的信號(hào)采集控制電路，因此在硬件采集電路的設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)所設(shè)計(jì)的虛擬儀器所要達(dá)到的性能指標(biāo)和被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理與否，對(duì)系統(tǒng)的可靠 性、性能價(jià)格比等有直接影響，在硬件和軟件功能的設(shè)計(jì)上要盡量使虛擬儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低廉，選用合適的單元器件，盡可能的提高采集卡采集的精度和速度。 (3)確定設(shè)計(jì)采集卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序方案 采集卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是控制各種硬件采集卡的驅(qū)動(dòng)程序，是連接主控計(jì)算機(jī)與信號(hào)采集調(diào)理部件的紐帶。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，它是虛擬儀器核心軟件之一。 (4)確定虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用程序編程語(yǔ)言 虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的性能和靈活性方面作用很大，因此在開發(fā)虛擬 儀器系統(tǒng)的軟件部分時(shí)，首先要根據(jù)所開發(fā)的虛擬儀器功能和性能，確定應(yīng)用程序和軟面板程序的模塊結(jié)構(gòu)和功能，畫出各部分的流程圖，采用合適的編程語(yǔ)言。在編制虛擬儀器軟件中可采用兩種編程方法。一種是采用面向?qū)ο蟮目梢暬母呒?jí)編程語(yǔ)言，如 VC++、 VB和 Delphi 等編寫虛擬儀器的軟件，這種方法實(shí)現(xiàn)