【正文】 包括一臺(tái)計(jì)算機(jī) ,一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺(tái) GPBI 儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件 ?每 臺(tái) GPIB 儀器有單獨(dú)的地址 ,由計(jì)算機(jī)控制操作 ?系統(tǒng)中的儀器可以增加 ?減少或更換 ,只需對(duì)計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動(dòng) ?基于 GPIB 總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于 500kb/s,不適合與對(duì)系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用 ? (3) VXI(VMEbus eXtension for Insturmenattion)是 VME 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展 ,1993年 VXI總線 版本被批準(zhǔn)為 EIEE1155 標(biāo)準(zhǔn) ,成為開(kāi)放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ?儀器專用總線在吸收EIEE488 的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上 ,增加了 10MHz時(shí)鐘線 ,模擬和數(shù)字混合總線 ,星 形總線等高速總線 ,定時(shí)關(guān)系嚴(yán)格 ,兼有計(jì)算機(jī)總線和儀器總線的優(yōu)點(diǎn) ? (4) Pxl(PCI extension for Instrumentation)是 Compact PCI 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展 ,是Nl 公司于 1997 年發(fā)布的一種新的開(kāi)放性 ?模塊化儀器總線規(guī)范 ?其核心是 Compaet PCI結(jié)構(gòu)和 Mierosotf 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 增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和舊 MHz 參考時(shí)鐘 ?用于精確定時(shí)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(lái)滿足實(shí)驗(yàn)和測(cè)量用戶的要求 ? PXI 兼容 Compact PCI 機(jī)械規(guī)范 ,并增加了空氣冷卻裝置 ?環(huán)境測(cè)試 (溫度 ?濕度 ?振動(dòng)和沖擊實(shí)驗(yàn) )等要求 ?這樣可保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性 ? (5) 串口系統(tǒng) :串口系統(tǒng)是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器精簡(jiǎn)平臺(tái)組成的虛擬測(cè)試系統(tǒng) ?RS— 232 總線是早期采用的通用串行總線 ,將帶有 RS— 232 總線接口的儀器作為 1/0接口設(shè)備 ,通過(guò) RS— 232 串口總線與計(jì)算機(jī)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(cè)試系統(tǒng) ? 虛擬儀器的軟件結(jié) 構(gòu) 虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件 ,其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 所示 ?用戶可以采用各種編程軟件來(lái)開(kāi)發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件 ?以美國(guó) Nl 公司的軟件產(chǎn)品 LabVIEW 和LabWindows/CVI為代表的虛擬儀器專用開(kāi)發(fā)平臺(tái)是當(dāng)前流行的集成化開(kāi)發(fā)工具 ?這些軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè)計(jì)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(dòng)程序模塊 ,大大簡(jiǎn)化了虛擬儀器的設(shè)計(jì)工作 ?隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展 ,軟件開(kāi)發(fā)的模塊化 ?復(fù)用化 ,和各種硬件儀器驅(qū)動(dòng)軟件的模塊化 ?標(biāo)準(zhǔn)化 ,虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)將變得更加快速 ?方便 ? 硬 件 驅(qū) 動(dòng) 程 序數(shù) 據(jù) 處 理用 戶 界 面 圖 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 虛擬儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有 :標(biāo)準(zhǔn) C,VisualC++,VisualBasci 等通用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 ?但 直接由這些語(yǔ)言開(kāi)發(fā)虛擬儀器系統(tǒng) ,是有相當(dāng)難度的 ?除了要花大量時(shí)間進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)外 ,還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和底層控制程序 ?這些工作對(duì)于那些不熟悉這方面知識(shí)的工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō) ,要花費(fèi)大量時(shí)間和精力 ,這樣直接影響了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的周期和性能 ?除了通用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言以外 ,還有一些專用的虛擬 儀器開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和軟件 ,其中有影響的開(kāi)發(fā)軟件有 :NI公司的 LabVIEW,LabWindowsCVI?LabviEW采用圖形化編程方案 ,是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件 ?LabWindowsCVI 是為熟悉 C 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員準(zhǔn)備的 ,是在 Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSIC 開(kāi)發(fā)環(huán)境 ?除此以外還有 HP 公司的 HP— VEE,HP— TIG 開(kāi)發(fā)平臺(tái) ,美國(guó) Tektrornix公司的 EzTest,TekTNs 平臺(tái)軟件 ,這些都是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái) ? 虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) —— LabVIEW LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語(yǔ)言 ,它廣泛地被工業(yè)界 ?學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受 ,視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用 TCP/IP?ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù) ?這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件 ?利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器 ,其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣 ? 圖形化的程序語(yǔ)言 ,又稱為“ G”語(yǔ)言 ?使用這種語(yǔ)言編程時(shí) ,基本上不寫程序代碼 ,取而代之的是流程圖或流程圖 ?它盡可能利用了技術(shù)人員 ?科學(xué)家 ?工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ) ?圖標(biāo)和概念 ,因此 ,LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具 ?它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力 ,提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑 ?使用它進(jìn)行原理研究 ?設(shè)計(jì) ?測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí) ,可以大大提高工作效率 ?利用 LabVIEW,可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件 ,它是一個(gè)真正的 32 位編譯器 ?像許多重要的軟件一樣 ,LabVIEW 提供了Windows?UNIX?Linux?Macintosh 的多種版本 ? 控制對(duì)象(輸入 ) 顯示對(duì) 象 (輸出 ) 隨 機(jī)數(shù)機(jī)數(shù)機(jī)數(shù)發(fā)生器 結(jié)開(kāi)關(guān)構(gòu)：循環(huán) 與前面板控件對(duì)應(yīng)的連線端子 與前面板控件對(duì)應(yīng)的連線端子 LabVIEW 應(yīng)用程序的構(gòu)成 所有的 LabVIEW 應(yīng)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(biāo) /連結(jié)器 (icon/connector)三部分 ? (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(duì)象 ,具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān) ?旋鈕 ?圖形以及其他控制 (control)和顯示對(duì)象(indicator)?圖 所示是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)發(fā)生和顯示的簡(jiǎn)單 VI 是它的前面板 ,上面有一個(gè)顯示對(duì)象 ,以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列 隨機(jī)數(shù) ?還有一個(gè)控制對(duì)象 —— 開(kāi)關(guān) ,可以啟動(dòng)和停止工作 ?顯然 ,并非簡(jiǎn)單地畫兩個(gè)控件就可以運(yùn)行 ,在前面板后還有一個(gè)與之配套的流程圖 ? 開(kāi)關(guān) 圖 隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器前面板 圖 隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器程序框圖 (2) 流程圖 :流程圖提供 VI 的圖形化源程序 ?在流程圖中對(duì) VI 編程 ,以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能 ?流程圖中包括前面板上的控件的連線端子 ,還有一些前面板上沒(méi)有 ,但編程必須有的東西 ,例如函數(shù) ?結(jié)構(gòu)和連線等 ?圖 是與圖 對(duì)應(yīng)的流程圖 ?我們可以看 到流程圖中包括了前面板上的開(kāi)關(guān)和隨機(jī)數(shù)顯示器的連線端子 ,還有一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu) ?隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過(guò)連線將產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)送到顯示控件 ,為了使它持續(xù)工作下去 ,設(shè)置了一個(gè) While Loop 循環(huán) ,由開(kāi)關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束 ? 如果將 VI 與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較 ,那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西 ,而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西 ?在許多情況下 ,使用 VI 可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器 ,不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板 ,而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無(wú)幾 ?這種設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在兩方面 : ① 類似流程圖的設(shè)計(jì) 思想 ,很容易被工程人員接受和掌握 ,特別是那些沒(méi)有很多程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程人員 ? ② 設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行過(guò)程清晰而且直觀 ?如通過(guò)使用數(shù)據(jù)探針 ?高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法 ,程序以較慢的速度運(yùn)行 ,使沒(méi)有執(zhí)行的代碼顯示灰色 ,執(zhí)行后的代碼會(huì)高亮顯示 ,同時(shí)在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值 ,完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運(yùn)行 ?這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來(lái)諸多的方便 ? 3 圖標(biāo) /連接器 :VI 具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征 ?一個(gè) VI 可以作為子程序 ,這里稱為子VI(subvi),被其他 VI 調(diào)用 ?圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù) ,在設(shè)計(jì)大型自檢系統(tǒng)時(shí) ,一步完 成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是相當(dāng)有難度的 ?而在 LabVIEW 中提供的圖標(biāo) /連接工具 ,正是為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的 ?設(shè)計(jì)者可把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng) ,每一個(gè)都可完成一定的功能 ?這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾方面 : ① 把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng) ,程序設(shè)計(jì)思路清晰 ,給設(shè)計(jì)者調(diào)試程序帶來(lái)了諸多的方便 ?同時(shí)也對(duì)于將來(lái)系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利 ? ② 一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng) ,每一個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)完整的功能模塊 ,這樣把測(cè)試功能細(xì)節(jié)化 ,便于實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用 ,大大節(jié)省軟件研發(fā)周期 ,提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性 ? ③ 便于實(shí) 現(xiàn)“測(cè)試集成”和虛擬儀器庫(kù)的思想 ?同時(shí)為實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計(jì)的靈活性提供了前提 ? 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用 虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展 ?它可以取代測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器 ?虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟(jì)性 ,因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高更新的測(cè)量課題和測(cè)量需求 ?“沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有鑒別 ,科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)” ?虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 ? 圖形化編程平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展與完善是虛擬儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向 ?如何使用戶進(jìn)行少量的學(xué)習(xí)甚至不需要 學(xué)習(xí)就可使用功能強(qiáng)大的虛擬儀器 ,如何使用構(gòu)成簡(jiǎn)單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復(fù)雜的測(cè)試內(nèi)容 ,如何幫助用戶對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和判斷等內(nèi)容 ,是虛擬儀器技術(shù)的努力方向 ?我國(guó)還基本處于傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)化儀器互相分離的狀態(tài) ,世界各大相關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)進(jìn)軍 ?結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況 ,我們必須走引進(jìn)與自行開(kāi)發(fā)相結(jié)合的道路 ?一方面 ,大力引進(jìn)國(guó)外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù) 。 ⑤ 便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng) ,經(jīng)濟(jì)性好 ? (2) 虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用 虛擬儀器技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù) ,應(yīng)用前景十分廣泛 ?從總體而言 ,虛擬儀器是測(cè)量 /測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新概念 ,改變了人們對(duì)儀器的傳統(tǒng)觀念 ,適應(yīng)了現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化 ?智能化發(fā)展趨勢(shì) ?虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用方式各種各樣 ,尤其在工業(yè)自動(dòng)化 ?儀器制造及實(shí)驗(yàn)室方面的應(yīng)用前景良好 ,并取得可觀的效益 ? 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì) ,因而必 將成為未來(lái)儀器發(fā)展的趨勢(shì) ?如表 所示 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 VI 傳統(tǒng)儀器 開(kāi)放 ?靈活 ,可與計(jì)算機(jī)技術(shù) 保持同步發(fā)展 封閉 ?固定 用戶定義儀器功能 廠商定義儀器功能 關(guān)鍵是軟件 關(guān)鍵是硬件 價(jià)格低 ?可復(fù)用與可重配置性強(qiáng) 價(jià)格昂貴 技術(shù)更新周期短 (1~2 年 ) 技術(shù)更新周期長(zhǎng) (5~10 年 ) 軟件使得開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低 開(kāi)發(fā)與維護(hù)開(kāi)銷高 與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備方便互聯(lián)的面向應(yīng)用的儀器系統(tǒng) 功能單一 ?只可連有限的設(shè)備 友好的圖形界面 ,計(jì)算機(jī)讀數(shù)分 析處理 圖形界面小 ,人工讀數(shù) ,信息量小數(shù) 面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ,可方便地與外設(shè)連接與其他儀器設(shè)備的連接十分有限 與其他儀器設(shè)備的連接十分有限 虛擬儀器的組成 虛擬儀器 (ViurtalInsrtum)是基于計(jì)算機(jī)的儀器 ?計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向 ?這種結(jié)合基本有兩種方式 ,一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器 ,其典型的例子就是所謂智能化的儀器 ?隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小 ,這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)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(jì)算機(jī) ?以通用的計(jì)算機(jī)硬件 及操作系統(tǒng)為依托 ,實(shí)現(xiàn)各種儀器功能 ,虛擬儀器主要是指這種方式 ? 虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣 ,如圖 所示的數(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 ? 采 集 與 控 制插 入 式 數(shù) 采 集 板G P I B 儀 器V X I / P X I 儀 器R S 2 3 2數(shù) 據(jù) 分 析 和 處 理數(shù) 字 信 號(hào) 處 理數(shù) 字 濾 波統(tǒng) 計(jì) 分 析數(shù) 值 分 析結(jié) 果 顯 示網(wǎng) 絡(luò) 通 信硬 盤 拷 貝 輸 出文 件 I / O圖 形 用 戶 口 圖 虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分 對(duì)于傳統(tǒng)儀器 ,這三個(gè)部分幾乎均由硬件完成 。 ③ 儀器由用戶自己定義 。 目 錄 摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract............................................................................................................................