虛擬儀器技術(shù)(Virtual instrument)就是利用高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問世以來(lái),世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié),從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間,并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連,分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息,共享信息成果,有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。
簡(jiǎn)介
20年來(lái),無(wú)論是初學(xué)乍用的新手還是經(jīng)驗(yàn)豐富的程序開發(fā)人員,虛擬儀器(Virtual Instrument)在各種不同的工程應(yīng)用和行業(yè)的測(cè)量及控制的用戶中廣受歡迎,這都?xì)w功于其直觀化的圖形編程語(yǔ)言。虛擬儀
器的圖形化數(shù)據(jù)流語(yǔ)言和程序框圖能自然地顯示您的數(shù)據(jù)流,同時(shí)地圖化的用戶界面直觀地顯示數(shù)據(jù),使我們能夠輕松地查看、修改數(shù)據(jù)或控制輸入。
美國(guó)國(guó)家儀器NI(National Instruments)提出的虛擬測(cè)量?jī)x器(VI)概念,引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革,使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域,和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái),從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。
“軟件即是儀器”這是LabWindows/CVI提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發(fā),基于電腦或工作站、軟件和I/O部件來(lái)構(gòu)建虛擬儀器。I/O部件可以是獨(dú)立儀器、模塊化儀器、數(shù)據(jù)采集板(DAQ)或傳感器。NI所擁有的虛擬儀器產(chǎn)品包括軟件產(chǎn)品(如LabVIEW)、GPIB產(chǎn)品、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、信號(hào)處理產(chǎn)品、圖像采集產(chǎn)品、DSP產(chǎn)品和VXI控制產(chǎn)品等。
優(yōu)勢(shì)
同其他技術(shù)相比,虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢(shì):
性能高
虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,所以完全"繼承"
了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),包括功能超卓的處理器和文件I/O,使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外,不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。
擴(kuò)展性強(qiáng)
NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于NI軟件的靈活性,只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件,就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候,我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備,最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。
節(jié)約時(shí)間
在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上,NI高效的軟件構(gòu)架能與計(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。
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:
1、PCI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。
2、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,通常可以完成各種測(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)LINK公司的DSO-2XXX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。
3、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)GPIB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。
4、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。
5、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)。
發(fā)展過(guò)程
1、GPIB→VXI→PXI總線方式(適合大型高精度集成系統(tǒng))GPIB 于1978年問世,VXI于1987年問世,PXI于1997年問世。
2、PC插卡→并口式→串口USB方式(適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng),有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景)PC插卡式于80年代初問世,并行口方式于1995年問世,串口USB方式于1999年問世。
綜上所述,虛擬儀器的發(fā)展取決于三個(gè)重要因素。①計(jì)算機(jī)是載體,②軟件是核心③高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。
設(shè)計(jì)方案
1 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成
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。
1.1 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。
1.2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。LabWindows/CVI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。
1.2.1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。
1.2.2數(shù)據(jù)分析處理軟件
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。
1.2.3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集成開發(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。
1.2.4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。
2 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。
3 虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案
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)。
3.1 制定所設(shè)計(jì)儀器的接口形式
如果儀器設(shè)備具有RS-232串行接口,則直接用連線將儀器設(shè)備和計(jì)算機(jī)的RS-232串行口連接即可。如果是GPIB接口,需要額外配備一塊GPIB-488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GPIB-VXI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。
3.2 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。
3.3 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。
3.4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)的系統(tǒng)靈活性高,易于擴(kuò)充和升級(jí)維護(hù)。另一種是采用圖形化編程方法,如LabVIEW,HPVEE,采用圖形化編程的優(yōu)勢(shì)是軟件開發(fā)周期短、編程較簡(jiǎn)單,特別適合工程技術(shù)人員使用。總之在編寫程序時(shí),要盡可能的讓每一模塊都有一定的獨(dú)立性,模塊之間明確定義接口,模塊之間可以采用數(shù)據(jù)傳遞的形式進(jìn)行聯(lián)系。
3.5軟件調(diào)試和運(yùn)行
程序編寫好以后要對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行,可以通過(guò)采集各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來(lái)驗(yàn)證虛擬儀器系統(tǒng)功能的正確性和性能的優(yōu)良性。
內(nèi)容補(bǔ)充
基于虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)變測(cè)量
參考資料 >