虛擬儀器的原理及發(fā)展

0、引言

電子測(cè)試儀器是電子行業(yè)的基礎(chǔ)，它在電子行業(yè)中長(zhǎng)期占據(jù)著十分重要的地位，它是一個(gè)時(shí)代的電子行業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志，并隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷地更新變化著。傳統(tǒng)的測(cè)試儀器由于功能固定，研制生產(chǎn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，越來(lái)越不能滿(mǎn)足信息時(shí)代的要求。這就給一種新型的測(cè)量?jī)x器虛擬儀器提供了極大的發(fā)展空間，由于其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以軟件為主實(shí)現(xiàn)各種功能，且隨計(jì)算機(jī)的發(fā)展不斷提高其性能，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，所以越來(lái)越引起世人的高度關(guān)注。本文就虛擬儀器的產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程、結(jié)構(gòu)原理、性能特點(diǎn)及應(yīng)用等方面進(jìn)行詳細(xì)的介紹，使讀者對(duì)虛擬儀器有更深入地了解。

1、虛擬儀器的發(fā)展

主要利用PC技術(shù)，只是添加A/D及D/A變換等少許硬件和以軟件為主的儀器稱(chēng)為虛擬儀器。虛擬儀器通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來(lái)，用戶(hù)可通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等。它是在 PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，能在數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤(pán)的同時(shí)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。具有高效的性能、強(qiáng)大的擴(kuò)展功能、節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間，以及完美的集成性能等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

早在八十年代初，就有人以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，在微機(jī)內(nèi)部增加一些插件或外附插件箱，將各種測(cè)量電路插件接于PC內(nèi)部總線(xiàn)，加上某些軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，這種儀器稱(chēng)為PC儀器或個(gè)人儀器。因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬軟件資源可代替一般自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和智能儀表中的微處理器、存儲(chǔ)器、接口電路和顯示器，因而減少了儀器的許多硬件，降低了儀器成本，而且無(wú)需對(duì)每一種新儀表都從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)，所以該方案一經(jīng)提出就在儀表界引起極大的轟動(dòng)。

隨著VXI(開(kāi)放式測(cè)量系統(tǒng))總線(xiàn)系統(tǒng)問(wèn)世以及PC機(jī)的結(jié)構(gòu)的變化，不斷推動(dòng)了虛擬儀表發(fā)展。VXI總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)是一種全開(kāi)放型卡式儀表標(biāo)準(zhǔn)，具有靈活適用、性能先進(jìn)、高速運(yùn)行、小型便攜的特點(diǎn)，適用于模塊化設(shè)計(jì)儀表。PC機(jī)微處理器CPU速度不斷提高、采用流水線(xiàn)、RISC結(jié)構(gòu)，大大地提高了測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)值處理能力。近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)資源的極大豐富，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，圖形化界面技術(shù)和自動(dòng)生成程序等技術(shù)的提高，使虛擬儀器的進(jìn)一步發(fā)展有了雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)。

2、虛擬儀器的結(jié)構(gòu)原理

虛擬儀器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。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶(hù)界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿(mǎn)足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。虛擬儀器的本質(zhì)是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專(zhuān)用軟件形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。它是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線(xiàn)幫助功能，建立虛擬儀器面板，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能。虛擬儀器的輸入輸出由數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡等硬件模塊完成，儀器的功能主要由軟件構(gòu)成。虛擬儀器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　虛擬儀器系統(tǒng)框圖

一套完整的虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般來(lái)說(shuō)分為四層：

1)測(cè)試管理層

用戶(hù)使用虛擬儀器生產(chǎn)廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，組成自己的一套測(cè)試儀器。這是虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)之一，它可以方便地使用戶(hù)根據(jù)自己的需要，自己的風(fēng)格建立自己的測(cè)試儀器。

2)應(yīng)用(程序)開(kāi)發(fā)層

由生產(chǎn)商提供的軟件開(kāi)發(fā)工具，如NI(NATIONAL INSTRUMENTS)公司的LabVIEW軟件，LabWindows/CVI軟件。用戶(hù)可以用這類(lèi)軟件進(jìn)行深層開(kāi)發(fā)，以擴(kuò)展儀器原有的功能。

3)儀器驅(qū)動(dòng)層

由生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)，針對(duì)不同類(lèi)型的儀器有不同的驅(qū)動(dòng)程序接口。為給用戶(hù)提供方便、易用的儀器驅(qū)動(dòng)程序，泰克公司、惠普公司和美商國(guó)家儀器公司等35家國(guó)際上最大的儀器公司成立了VXI plug play系統(tǒng)聯(lián)盟，并于推出VISA(Virtu-al Instrument Software Architecture)標(biāo)準(zhǔn)。

4)I/O總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)層

由生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)，用于將不同類(lèi)型的實(shí)際儀器通過(guò)相同標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)連接起來(lái)形成一套完整的測(cè)試系統(tǒng)，如得到廣泛應(yīng)用的VXI(開(kāi)放式測(cè)量系統(tǒng))總線(xiàn)系統(tǒng)。

3、虛擬儀器的性能特點(diǎn)

虛擬儀器徹底改變了傳統(tǒng)儀器由生產(chǎn)廠(chǎng)家定義功能的模式，而是在少量附加硬件的基礎(chǔ)上，由用戶(hù)定義儀器功能。因?yàn)樗倪\(yùn)行主要依賴(lài)軟件，所以修改或增加功能、改善性能都非常靈活，也便于利用PC的軟硬件資源和直接使用PC的外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)功能。虛擬儀器不但造價(jià)低，而且通過(guò)修改軟件可增加它的適應(yīng)性，進(jìn)而延長(zhǎng)它的生命周期，是一種具有很好發(fā)展前景的儀器。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開(kāi)放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性?xún)r(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：

1)智能化程度高，處理能力強(qiáng)

虛擬

儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶(hù)完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。

2)應(yīng)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低

應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測(cè)試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開(kāi)放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過(guò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。

3)操作性強(qiáng)，易用靈活

虛擬儀器面板可由用戶(hù)定義，針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀(guān)、簡(jiǎn)便、易于理解，測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線(xiàn)。這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。

4、虛擬儀器的應(yīng)用

虛擬儀器的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著PC、半導(dǎo)體和軟件功能的進(jìn)一步更新，未來(lái)虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)極佳的模式，并且在測(cè)量和控制方面都有無(wú)以倫比的強(qiáng)大功能和靈活性?？蓮V泛應(yīng)用于電子測(cè)量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機(jī)械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。

虛擬儀器的各種優(yōu)點(diǎn)讓用戶(hù)可以放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，接受更新型、以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷改進(jìn)，使虛擬儀器的價(jià)格更為大眾化，用戶(hù)不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價(jià)格，進(jìn)一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大功能推向一個(gè)新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強(qiáng)和擴(kuò)大。