虛擬儀器技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)分析介紹

 
   虛擬儀器是在電腦基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬體和軟體構(gòu)建而成的、具有視覺化介面的儀器。 
 
         虛擬儀器徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)廠家定義，用戶無法改變的局面，從而使得任何一個(gè)用戶都可以方便靈活地用滑鼠或按鍵在電腦顯示幕幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進(jìn)行測(cè)試工作，並可以根據(jù)不同的測(cè)試要求通過視窗切換不同的虛擬儀器，或通過修改軟體來改變、增減虛擬儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬儀器具有的這種“可開發(fā)性”和“可擴(kuò)展性”等優(yōu)越特點(diǎn)使虛擬儀器具有強(qiáng)大的生命力和競爭力。 
 
         虛擬儀器技術(shù)由三大部分組成一、高效的軟體。軟體是虛擬儀器技術(shù)中*重要的部分。使用正確的軟體工具並通過設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程式模組，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(jī)交互介面。NI公司提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟體－－-LabVIEW，不僅能輕鬆方便地完成與各種軟硬體的連接，更能提供強(qiáng)大的後續(xù)資料處理能力，設(shè)置資料處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的方式，並將結(jié)果顯示給用戶。此外，NI提供了更多互動(dòng)式的測(cè)量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟體工具，滿足客戶對(duì)高性能應(yīng)用的需求。二、模組化的I/O硬體。面對(duì)如今日益複雜的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用，NI提供了全方位的軟硬體的解決方案。無論用戶是使用PCI、PXI、PCMCIA、USB或者是1394匯流排，NI都能提供相應(yīng)的模組化的硬體產(chǎn)品，產(chǎn)品種類從資料獲取、信號(hào)處理、聲音和振動(dòng)測(cè)量、視覺、運(yùn)動(dòng)、儀器控制、分散式I/O到CAN介面等工業(yè)通信，應(yīng)有盡有。NI高性能的硬體產(chǎn)品結(jié)合靈活的開發(fā)軟體，可以為負(fù)責(zé)測(cè)試和設(shè)計(jì)工作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測(cè)量系統(tǒng)，滿足各種獨(dú)特的應(yīng)用要求。目前，NI已經(jīng)達(dá)到了每兩個(gè)工作日推出一款硬體產(chǎn)品的速度，大大拓寬了用戶的選擇面。三、用於集成的軟硬體平臺(tái)。NI首先提出的專為測(cè)試任務(wù)設(shè)計(jì)的PXI硬體平臺(tái)，已經(jīng)成為當(dāng)今測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，它的開放式構(gòu)架、靈活性和PC技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)，為測(cè)量和自動(dòng)化行業(yè)帶來了一場翻天覆地的變革。由NI發(fā)起的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟現(xiàn)已吸引了68家廠商，聯(lián)盟屬下的產(chǎn)品數(shù)量也已激增至近千種。 
 
         1、硬體技術(shù) 
 
         1.1卡式儀器 
 
         傳統(tǒng)儀器主要由控制面板和內(nèi)部處理電路組成；而卡式儀器自身不帶儀器面板，它必須借助電腦強(qiáng)大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對(duì)儀器的控制、資料分析和顯示。以資料獲取卡為例，它通常具有A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)位I/O和計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等功能，有些還具有數(shù)位濾波和數(shù)位信號(hào)處理的功能?，F(xiàn)在的多功能資料獲取卡多採用了“虛擬硬體（VirtualHardware，簡稱VH）的技術(shù)，它的思想源於可編程器件，使用戶通過程式能夠方便地改變硬體的功能或性能參數(shù)，從而依靠硬體設(shè)備的柔性來增強(qiáng)其適用性和靈活性。目前市面上的VH，其採樣率和精度都是可變的。 
 
         由於卡式儀器與電腦結(jié)合緊密，能夠充分利用已有的電腦資源，較之傳統(tǒng)儀器成本更低廉、使用更靈活、性能更強(qiáng)，因此它是一種極具潛力的儀器種類。 
 
         1.2匯流排技術(shù) 
 
         1.2.1儀器匯流排 
 
         GPIB匯流排（即IEEE488匯流排）是一種數(shù)位式平行匯流排，主要用於連接測(cè)試儀器和電腦。
 該匯流排*多可以連接15個(gè)設(shè)備（包括作為主控器的主機(jī)）。如果採用高速HS488交互握手協(xié)定，傳輸速率可高到8MBps。 
         VXI匯流排（即IEEE1155匯流排）是一種高速電腦匯流排—VME匯流排在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。它是在1987年，由五家測(cè)試和儀器公司（Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-DanaInstruments）制訂的儀器匯流排標(biāo)準(zhǔn)。VXI匯流排具有標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、資料吞吐能力強(qiáng)，*高可達(dá)40MBps，定時(shí)和同步精確、模組可重複利用、眾多儀器廠家支援的特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。不過，由於價(jià)格較高，推廣應(yīng)用受到一定限制，主要集中在航空、航太等國防軍工領(lǐng)域。 
 
         PXI匯流排是以CompactPCI為基礎(chǔ)的，由具有開放性的PCI匯流排擴(kuò)展而來（NI公司於1997年提出）。PXI匯流排符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械、電氣和軟體特性方面充分發(fā)揮了PCI匯流排的全部優(yōu)點(diǎn)。PXI構(gòu)造類似於VXI結(jié)構(gòu)，但它的設(shè)備成本更低、運(yùn)行速度更快，體積更緊湊。目前基於PCI匯流排的軟硬體均可應(yīng)用於PXI系統(tǒng)中，從而使PXI系統(tǒng)具有良好的相容性。PXI還有高度的可擴(kuò)展性，它有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。PXI系統(tǒng)通過使用PCI-PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽。PXI匯流排的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到132Mbps（*高為500Mbps），是目前已經(jīng)發(fā)佈的*高傳輸速率。因此，基於PXI匯流排的儀器硬體將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。 
 
         1.2.2電腦匯流排 
 
         ISA匯流排是一種8位元或16位元非同步資料匯流排，工作頻率為8MHz，*高資料傳輸率在8位時(shí)為24MBps，16位時(shí)為48MBps。這種匯流排對(duì)於低速資料採樣與處理來說是有效的，但對(duì)於基於高性能PC機(jī)的多工作業(yè)系統(tǒng)和高速資料獲取系統(tǒng)來說，ISA匯流排由於其帶寬、位數(shù)等的限制，故不能滿足系統(tǒng)工作的要求。新型主板和高版本作業(yè)系統(tǒng)已不再支援ISA匯流排。 
 
         PCI匯流排是一種同步的獨(dú)立於CPU的32位元或64位元區(qū)域匯流排，時(shí)鐘頻率為33MHz，資料傳輸率高達(dá)132～264MBps，PCI匯流排技術(shù)的無限讀寫突發(fā)方式，可在一瞬間發(fā)送大量資料。PCI匯流排上的週邊設(shè)備可與CPU併發(fā)工作，從而提高了整體性能。PCI匯流排還有自動(dòng)配置功能，從而使所有與PCI相容的設(shè)備實(shí)現(xiàn)真正的“即插即用”（plug&play）。PCI匯流排由於上述優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，已成為PC工業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。 
 
         USB通用串列匯流排（Universalserialbus）和IEEE1394匯流排（又叫Fireware匯流排）是被PC機(jī)廣泛採用的兩種匯流排，它們已被集成到電腦主板上。 
 
         USB匯流排能以雛菊鏈方式連接127個(gè)裝置，需要一對(duì)信號(hào)線及電源線。USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的資料傳輸率能達(dá)到480Mbps。該匯流排具有輕巧簡便、價(jià)格便宜、連接方便快捷的特點(diǎn)，現(xiàn)在已被廣泛用於寬頻數(shù)位攝像機(jī)、掃描器、印表機(jī)及存儲(chǔ)設(shè)備。IEEE1394匯流排是由蘋果公司於1989年設(shè)計(jì)的高性能串口匯流排，目前傳輸速率為100、200、400Mbps，將來可達(dá)3.2Gbps。這種匯流排需要兩對(duì)信號(hào)線和一對(duì)電源線，可以用任意方式連接63個(gè)裝置，它是專為需要大資料量串列傳送的數(shù)碼相機(jī)、硬碟等設(shè)計(jì)的。
 
       USB及IEEE-1394匯流排均具有“即插即用”的能力，與平行匯流排相比，更適合於連接多外設(shè)的需要。 
 
         1.2.3工業(yè)現(xiàn)場匯流排 
 
         為了共用測(cè)試系統(tǒng)資源，越來越多的用戶正在轉(zhuǎn)向網(wǎng)路。工業(yè)現(xiàn)場匯流排是一個(gè)網(wǎng)路通訊標(biāo)準(zhǔn)，它使得不同廠家的產(chǎn)品通過通訊匯流排使用共同的協(xié)定進(jìn)行通訊?，F(xiàn)在，有很多現(xiàn)場匯流排標(biāo)準(zhǔn)，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它們競爭非常激烈。通用現(xiàn)場匯流排的發(fā)展需要一段時(shí)間。 
 
         1.3虛擬儀器系統(tǒng)組建方案 
 
         虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用PC機(jī)組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的介面匯流排，組建不同規(guī)模的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)按硬體構(gòu)成方式，可有以下幾種組建方案： 
 
         （1）GPIB儀器通過GPIB介面卡與計(jì)算機(jī)組成GPIB系統(tǒng)。 
 
         （2）VXI儀器與計(jì)算機(jī)組成VXI系統(tǒng)。 
 
         （3）PXI儀器組成PXI系統(tǒng)。 
 
         （4）以DAQ和信號(hào)調(diào)理部分為硬體組成PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)。 
 
         （5）平行匯流排儀器組成平行匯流排系統(tǒng)。 
 
         （6）串列匯流排儀器組成串列匯流排系統(tǒng)。 
 
         （7）現(xiàn)場匯流排設(shè)備組成現(xiàn)場匯流排系統(tǒng)。 
 
         一般來說，GPIB、VXI、PXI適合大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng)；PC-DAQ、並行口式、串列口式（如USB式）系統(tǒng)適合普及型的廉價(jià)系統(tǒng)；現(xiàn)場匯流排系統(tǒng)主要用於大規(guī)模的網(wǎng)路測(cè)試。有時(shí)，可以根據(jù)不同需要組建不同規(guī)模的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，也可以將上述幾種方案結(jié)合起來組成混合測(cè)試系統(tǒng)。 
 
         2、軟體技術(shù) 
 
         軟體是虛擬儀器的關(guān)鍵，以下介紹虛擬儀器應(yīng)用軟體的開發(fā)平臺(tái)、儀器驅(qū)動(dòng)程式以及I/O介面軟體。 
 
         2.1軟體發(fā)展平臺(tái) 
 
         虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。VC、VB、LabWindows/CVI雖然是視覺化的開發(fā)工具，但它們對(duì)開發(fā)人員的編程能力要求很高，而且開發(fā)週期較長。HPVEE是一個(gè)基於圖形的虛擬儀器編程環(huán)境，擁有較多的用戶，缺點(diǎn)是其生成的應(yīng)用程式是解釋執(zhí)行的，運(yùn)行速度較慢。 
 
         LabVIEW是目前國際上**的基於資料流程的編譯型圖形編程環(huán)境，它把複雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡化成用簡單或圖示提示的方法選擇功能（圖形），並用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測(cè)試要求和任務(wù)快速“畫”出自己的程式，“畫”出儀器面板，這大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術(shù)人員的工作量，因此，LabVIEW是一種優(yōu)秀的虛擬儀器軟體發(fā)展平臺(tái)。
 
        2.2儀器驅(qū)動(dòng)程式 
 
         儀器驅(qū)動(dòng)程式是測(cè)試系統(tǒng)中*重要的組成部分之一，用來實(shí)現(xiàn)儀器硬體的通信、控制功能。傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動(dòng)程式由儀器硬體廠商隨硬體提供，由於不同廠家儀器硬體的差異，使得在更換儀器硬體的同時(shí)不得不修改測(cè)試代碼。為了能自由互換儀器硬體而無需修改測(cè)試程式，即解決儀器的互操作問題，VXIplug&play聯(lián)盟開發(fā)了儀器驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)VISA。VISA用G語言（圖形語言）或ANSIC語言寫成，它可以用於多種虛擬儀器開發(fā)環(huán)境和多種作業(yè)系統(tǒng)。 
 
         1999年NI公司提出了可互換虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)IVI（InterchangeableVirtualInstruments），使程式的開發(fā)完全獨(dú)立於硬體。IVI是建立在VXIplug&play驅(qū)動(dòng)程式標(biāo)準(zhǔn)之上的，它解決了儀器的互操作問題。IVI驅(qū)動(dòng)器通過一個(gè)通用的類驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。類驅(qū)動(dòng)器是儀器的功能和屬性集，通過這些功能和屬性集實(shí)現(xiàn)對(duì)一種儀器類（示波器、數(shù)位電壓表、函數(shù)發(fā)生器等）中的儀器進(jìn)行控制。應(yīng)用程式調(diào)用類驅(qū)動(dòng)器，類驅(qū)動(dòng)器再通過專用的驅(qū)動(dòng)器與物理的儀器通信。專用的儀器驅(qū)動(dòng)器（和對(duì)應(yīng)的物理儀器）可以被改變，但應(yīng)用程式碼保持不變。採用IVI技術(shù)，可以降低軟體的維護(hù)費(fèi)用，減少系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間，提高測(cè)試代碼的可重用性，使儀器編程更簡單。 
 
         2.3I/O介面軟體 
 
         I/O介面軟體是虛擬儀器系統(tǒng)軟體的基礎(chǔ)，用於處理電腦與儀器硬體間連接的低層通信協(xié)定。當(dāng)今優(yōu)秀的虛擬儀器測(cè)試軟體都建立在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化I/O介面軟體元件的通用內(nèi)核之上，為用戶提供一個(gè)一致的、跨電腦平臺(tái)的應(yīng)用編程介面（API），使用戶的測(cè)試系統(tǒng)能夠選擇不同的電腦平臺(tái)和儀器硬體。 
 
         3、發(fā)展趨勢(shì) 
 
         隨著電腦技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)路通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向以下三個(gè)方向發(fā)展： 
 
         （1）外掛式虛擬儀器 
 
         PC-DAQ式虛擬儀器是現(xiàn)在比較流行的虛擬儀器系統(tǒng)，但是，由於基於PCI匯流排的虛擬儀器在插入DAQ時(shí)都需要打開機(jī)箱等，比較麻煩，而且，主機(jī)上的PCI插槽有限，再加上測(cè)試信號(hào)直接進(jìn)入電腦，各種現(xiàn)場的被測(cè)信號(hào)對(duì)電腦的**造成很大的威脅，同時(shí)，電腦內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影響，故以USB介面方式的外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今後廉價(jià)型虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的主流。 
 
         （2）PXI型高精度集成虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng) 
 
         PXI系統(tǒng)高度的可擴(kuò)展性和良好的相容性，以及比VXI系統(tǒng)更高的性價(jià)比，將使它成為未來大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng)的主流虛擬儀器平臺(tái)。 
 
         （3）網(wǎng)路化虛擬儀器 
 
         儘管Internet技術(shù)*初並沒有考慮如何將嵌入式智慧型儀器器設(shè)備連接在一起，不過NI等公司已開發(fā)了通過Web流覽器觀測(cè)這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過Internet操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性，我們能夠方便地將虛擬儀器組成電腦網(wǎng)路。
 
 利用網(wǎng)路技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的測(cè)試設(shè)備聯(lián)繫在一起，使昂貴的硬體設(shè)備、軟體在網(wǎng)路上得以共用，減少了設(shè)備重複投資。現(xiàn)在，有關(guān)MCN（MeasurementandControlNetworks）方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，並取得了一定進(jìn)展。由此可見，網(wǎng)路化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。 
         4、虛擬儀器技術(shù)凸顯四大優(yōu)勢(shì) 
 
         虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模組化硬體，結(jié)合高效靈活的軟體來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。只有同時(shí)擁有高效的軟體、模組化I/O硬體和用於集成的軟硬體平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。 
 
         4.1性能高 
 
         虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全"繼承"了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的*新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能**的處理器和檔I/O，使用戶在資料高速導(dǎo)入磁片的同時(shí)，就能即時(shí)進(jìn)行複雜的分析。此外，不斷發(fā)展的網(wǎng)際網(wǎng)路和越來越快的電腦網(wǎng)路使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。 
 
         4.2擴(kuò)展性強(qiáng) 
 
         得益於NI軟體的靈活性，只需更新電腦或測(cè)量硬體，就能以*少的硬體投資和極少的、甚至無需軟體上的升級(jí)即可改進(jìn)用戶的整個(gè)系統(tǒng)。在利用*新科技的時(shí)候，用戶還可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，*終以較少的成本加快產(chǎn)品上市時(shí)間。 
 
         4.3開發(fā)時(shí)間少 
 
         在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟體構(gòu)架能與電腦、儀器儀錶和通信方面的*新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟體架構(gòu)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，使用戶輕鬆地配置、創(chuàng)建、發(fā)佈、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。 
 
         4.4集成 
 
         虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個(gè)集成的軟硬體概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷趨於複雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來滿足完整的測(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的虛擬儀器軟體平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的介面，幫助用戶輕鬆地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的複雜性。