虛擬儀器.doc

對虛擬儀器的認(rèn)識 院系：電子信息工程學(xué)院 級別：2010級 班級：測控技術(shù)與儀器1班 姓名：劉旻 學(xué)號：20101527121 日期：2013年12月15日1測量測試技術(shù)與虛擬儀器測試與測量是人類認(rèn)識客觀世界的最基本方法。儀器是實(shí)現(xiàn)測試與測量的工具。種類繁多的各種儀器儀表, 已經(jīng)歷了傳統(tǒng)儀器階段和虛擬儀器階段。傳統(tǒng)儀器的缺點(diǎn)是靈活性差, 沒有擺脫獨(dú)立使用、手動操作的模式, 難以勝任復(fù)雜的多參數(shù)、多任務(wù)的測試要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 傳統(tǒng)的儀器已經(jīng)不適應(yīng)快速、復(fù)雜的多參數(shù)的測試與測量, 迫切要求測試、測量技術(shù)不斷改進(jìn)與完善。由于微型計算機(jī)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展, 儀器的功能和組成也發(fā)生了質(zhì)的變化。計算機(jī)處于核心地位, 計算機(jī)軟件技術(shù)和測試儀器更緊密結(jié)合成了一個有機(jī)整體, 儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計觀點(diǎn)等都發(fā)生了突破性的變化。在上述的背景下, 20 世紀(jì)80年代中期, 美國NI 公司提出了全新概念的儀器虛擬儀器。2虛擬儀器的基本概念虛擬儀器是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器充分利用了計算機(jī)的運(yùn)算、存儲、運(yùn)算、回放顯示及文件管理等智能化功能, 同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化, 使之與計算機(jī)結(jié)合構(gòu)成一臺功能完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同, 同時又充分享用了計算機(jī)軟硬件資源的全新的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的虛擬二字主要體現(xiàn)在如下兩個方面。(1) 虛擬儀器的面板是虛擬的虛擬儀器的各種面板和面板上的各種控件是由軟件來實(shí)現(xiàn)的。用戶通過對鍵盤或鼠標(biāo)來對控件操作, 從而完成對儀器的操作控制。(2) 虛擬儀器的測試功能是由軟件來控制硬件實(shí)現(xiàn)的與傳統(tǒng)儀器相比, 虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其功能由軟件定義, 可以由用戶根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行軟件的編寫, 選擇不同的應(yīng)用軟件就可以形成不同的虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。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測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的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測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。3虛擬儀器的組成及其分類虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和軟件兩大部分組成。硬件平臺包括計算機(jī)和總線與I/ O 接口設(shè)備兩大部分。(1) 計算機(jī)一般為PC 機(jī)或計算機(jī)工作站, 是硬件平臺的核心。(2) 總線與I/ O 接口設(shè)備總線是連接PC 機(jī)與各種程控儀器與設(shè)備的通道, 完成命令、數(shù)據(jù)的傳輸與交換。I/ O 接口設(shè)備主要完成被測信號的采集、放大、A/ D轉(zhuǎn)換, 當(dāng)然也包括機(jī)械接插件、插槽、電纜等。根據(jù)總線的類型不同, 虛擬儀器主要有如圖1所示的幾種類型。圖1 虛擬儀器的構(gòu)成框圖由圖1 可見, 不同的類型的總線有其相應(yīng)的I/O 接口硬件設(shè)備, 按總線類型分, 虛擬儀器主要分為以下幾種類型: PCI總線插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計算機(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NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過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，通過三種編程語言Visual C+,Visual Basic,Labviews/cvi構(gòu)成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機(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算機(jī)并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國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算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、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)使電子測量獨(dú)立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB形式的儀器通過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臺儀器，電纜長度可達(dá)40米。GPIB技術(shù)可用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要應(yīng)用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機(jī)高速傳輸狀況時應(yīng)用。VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計算機(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)過多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。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個擴(kuò)展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有34個擴(kuò)展槽，通過使用PCIPCI橋接器，可擴(kuò)展到256個擴(kuò)展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。4虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展及其在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)物。 隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展, 新的測試?yán)碚?、測試方法、測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn), 在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。在此背景下， 1986 年美國國家儀器公司( National Instruments, NI) 提出了虛擬儀器( Virtual Instrument, V I) 的概念。 盡管迄今為止虛擬儀器還沒有一個統(tǒng)一的定義， 但是一般認(rèn)為：虛擬儀器是在PC 基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測試儀器系統(tǒng). 和傳統(tǒng)儀器相比， 虛擬儀器具有巨大的優(yōu)越性： (1) 融合計算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源, 突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制, 大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能；(2) 利用計算機(jī)豐富的軟件資源， 實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)靈活性； 通過軟件技術(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法，實(shí)時、直接地對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理； 通過圖形用戶界面技術(shù)，真正做到界面友好、人機(jī)交互；(3) 虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶可根據(jù)自己的需要，選用不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活，效率更高，縮短了系統(tǒng)組建時間。作為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的方向，虛擬儀器已迅速發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國。 國內(nèi)虛擬儀器研究的起步較晚，最早的研究也是從引進(jìn)消化NI 的產(chǎn)品開始。但經(jīng)過多年研究，我國已經(jīng)在虛擬儀器開發(fā)方面形成了自己的特色。國家自然科學(xué)基金委員會已將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機(jī)械工程科學(xué)前沿學(xué)科之一，并被列為十五期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，加快了企業(yè)的技術(shù)升級步伐，先進(jìn)儀器設(shè)備的需求更加強(qiáng)勁；虛擬儀器