虛擬儀器技術(shù)的構(gòu)成及發(fā)展趨勢(shì)_第1頁(yè)
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虛擬儀器技術(shù)的構(gòu)成及發(fā)展趨勢(shì)虛擬儀器技術(shù)的構(gòu)成及發(fā)展趨勢(shì)虛擬儀器技術(shù)的構(gòu)成及發(fā)展趨勢(shì)xxx公司虛擬儀器技術(shù)的構(gòu)成及發(fā)展趨勢(shì)文件編號(hào):文件日期:修訂次數(shù):第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì),管理制度虛擬儀器技術(shù)的構(gòu)成及發(fā)展趨勢(shì)摘要:上個(gè)世紀(jì)80年代,美國(guó)NI公司的劃時(shí)代產(chǎn)品LabVIEW誕生,并隨后提出“軟件就是儀器”的口號(hào),從而開辟了“虛擬儀器技術(shù)”的全新測(cè)量概念,成為現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向。本文介紹了虛擬儀器技術(shù)的定義、特點(diǎn),構(gòu)成、以及虛擬儀器系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程和今后的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞:虛擬儀器計(jì)算機(jī)LabVIEWI/O測(cè)試技術(shù)引言虛擬儀器簡(jiǎn)稱VI(VisualInstruments),是電子測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的新一代電子儀器。虛擬儀器就是利用計(jì)算機(jī)及其測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能,并在計(jì)算機(jī)屏幕上模擬傳統(tǒng)儀器的操作面板,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,使得人們?cè)诓僮饔?jì)算機(jī)的同時(shí)就像操作自己設(shè)計(jì)的儀器一樣。虛擬儀器要比傳統(tǒng)的電子儀器更為通用,在組建儀器、確定功能和技術(shù)更新等方面更為靈活、更為經(jīng)濟(jì),更能適應(yīng)故障診斷技術(shù)對(duì)測(cè)量技術(shù)和測(cè)量?jī)x器不斷提出的更新、擴(kuò)展功能和提高性能的要求。任何測(cè)量與控制都離不開儀器儀表,傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器模式為:獨(dú)立的機(jī)箱;有面板操作鍵和旋鈕,有信號(hào)的輸入與輸出端口,有測(cè)量結(jié)果的顯示方式,即指針、表頭或數(shù)碼管窗口等。以往的儀器包括電子測(cè)量?jī)x器、分析儀器、生化儀器、醫(yī)療電子儀器等稱為傳統(tǒng)儀器,它的功能和技術(shù)指標(biāo)是由生產(chǎn)廠家定義好的,用戶基本上是被動(dòng)地操作和使用。計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,從根本上影響和改變著儀器技術(shù)的發(fā)展。由于計(jì)算機(jī)可以通過(guò)其擴(kuò)展槽、接口板和裝置倉(cāng)等與外部?jī)x器或設(shè)備相連接,使外部?jī)x器設(shè)備可以共享其豐富的軟件資源,這樣就大大增加了儀器的功能,提高了儀器的性能。通過(guò)計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽或接口板等裝置,把計(jì)算機(jī)的軟件資源和硬件資源(數(shù)據(jù)采集板或模塊)與外部的儀器設(shè)備連接起來(lái),形成了一類全新的測(cè)試儀器設(shè)備,人們稱這樣一種全新的儀器設(shè)備為“虛擬儀器”。虛擬儀器的定義及特點(diǎn)虛擬儀器的定義儀器的基本功能就是:信息采樣控制、信息分析處理、信息指示表達(dá)。傳統(tǒng)儀器在實(shí)現(xiàn)這三大功能時(shí),是以固化的電路結(jié)構(gòu)來(lái)完成的,其專業(yè)性很強(qiáng),用戶無(wú)法改變儀器的測(cè)量功能,因此測(cè)量功能單一,使用場(chǎng)合狹窄,從采樣、分析、到數(shù)據(jù)處理全部由人工操作,效率低,可靠性差。如果將上述三大功能塊放在計(jì)算機(jī)上,充分利用計(jì)算機(jī)的軟件P硬件優(yōu)勢(shì),就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理,達(dá)到傳統(tǒng)儀器所達(dá)到的效果,這種方式突破了傳統(tǒng)儀器在測(cè)量速度、測(cè)量功能以及適應(yīng)范圍的局限,并且給用戶拓展了想象空間。用戶可根據(jù)實(shí)際測(cè)量需求,隨意修改軟件或增添硬件,設(shè)計(jì)自己的測(cè)量系統(tǒng),達(dá)到一機(jī)多用的功效。由于傳統(tǒng)儀器的采樣、分析和處理分別由計(jì)算機(jī)硬件和軟件完成,從而以往我們所看到的測(cè)量?jī)x器實(shí)體現(xiàn)僅被一臺(tái)通用型的計(jì)算機(jī)所代替,測(cè)量者面對(duì)的操作儀器就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)內(nèi)部安裝的數(shù)據(jù)采集卡的作用就是實(shí)現(xiàn)信息采樣和傳輸,測(cè)量者可通過(guò)自行編制的應(yīng)用軟件對(duì)被測(cè)信息進(jìn)行分析處理,并按測(cè)量者的意愿(顯示或打印)輸出測(cè)量結(jié)果。整個(gè)測(cè)量過(guò)程僅僅是通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕上生成的儀器面板的操作而完成的。綜上所述,虛擬儀器的定義可為:通用計(jì)算機(jī)加上一組軟件和硬件,通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作,實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能,達(dá)到傳統(tǒng)儀器所達(dá)到的測(cè)試效果。虛擬儀器的主要特點(diǎn)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,工程師在數(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)虛擬儀器的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前的技術(shù)中。由于虛擬儀器軟件的靈活性,用戶只需更新計(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)測(cè)試系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候,就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。開發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上,虛擬儀器高效的軟件構(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。方便了用戶的操作,使用戶可以輕松地配置、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。系統(tǒng)的開放性強(qiáng)虛擬儀器具有與其它設(shè)備互聯(lián)的能力,如可通過(guò)與網(wǎng)絡(luò)或其它高檔外設(shè)的連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和管理,這種互聯(lián)能力使測(cè)控系統(tǒng)的功能顯著增加,應(yīng)用領(lǐng)域明顯擴(kuò)大。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)備要耗費(fèi)大量的時(shí)間。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,幫助用戶輕松地將多個(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,如圖1所示。圖1IDMV304性價(jià)比高虛擬儀器之所以能達(dá)到一機(jī)多用的功效,是由于它測(cè)量功能的設(shè)置極為方便,技術(shù)更新周期短,系統(tǒng)組建時(shí)間少,同時(shí)由于測(cè)量時(shí)完全采用數(shù)字化,降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響,從而節(jié)省了硬件環(huán)節(jié),也減少了測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護(hù)成本,所以經(jīng)濟(jì)實(shí)用。虛擬儀器的特點(diǎn)遠(yuǎn)不止上述幾點(diǎn),它的實(shí)用性、開放性、可靠性均有很大的優(yōu)勢(shì),毫無(wú)疑問(wèn),虛擬儀器是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的必然,是未來(lái)測(cè)控領(lǐng)域的中堅(jiān)。虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成目前虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPIB儀器控制系統(tǒng)、VXI計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)以及三者之間的任意組合。系統(tǒng)框圖如圖2:圖2虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成框圖從系統(tǒng)框圖中可見(jiàn),虛擬儀器主要組成部分為硬件和軟件兩類。硬件是基本的框架,是系統(tǒng)的支撐,軟件是儀器的靈魂,是系統(tǒng)運(yùn)作的關(guān)鍵,下面就兩部分分別給予介紹。虛擬儀器的硬件系統(tǒng)在以計(jì)算機(jī)為核心組成的硬件平臺(tái)支持下,可以通過(guò)不同測(cè)試功能模塊的組合,來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的多種測(cè)控功能。計(jì)算機(jī)與外界的通信主要通過(guò)對(duì)外通信接口(如RS232C,GPIB,1394等)、信號(hào)轉(zhuǎn)換功能(如A/D,D/A,I/O卡等)以及總線通信(如VXI,PXI)等來(lái)實(shí)現(xiàn)的,本文主要列舉下列六種類型加以簡(jiǎn)單說(shuō)明。RS232C串口通信接口串口通信是以Serial標(biāo)準(zhǔn)總線的儀器,具有獨(dú)立的通信功能,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。盡管RS232C總線是PC機(jī)早期采用的通用串行總線,但由于其傳輸簡(jiǎn)單、便利,所以至今仍然適用于傳輸速率較低的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)。GPIB總線接口GPIB總線主要是將帶有GPIB接口的儀器,通過(guò)GPIB總線與計(jì)算機(jī)通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。GPIB儀器是以GPIB總線標(biāo)準(zhǔn)的儀器,具有獨(dú)立的儀器功能。GPIB為8位并行傳輸,所以傳輸速率比串口通信效率高,速度快。目前正在使用的傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品中,許多帶有GPIB接口總線,所以只要將計(jì)算機(jī)沖入GPIB接口板,就可與之通信。但8位并行儀器總線的傳輸速率和傳輸距離還是有限,已經(jīng)跟不上當(dāng)今大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的需求。USB和1394接口USB接口是Inter、Microsoft等大廠商為解決計(jì)算機(jī)外設(shè)種類的Et益增加,與有限的主板插槽和端口之間的矛盾,而設(shè)計(jì)的一種通用串行總線接口。USB設(shè)備具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率(目前流行的,速度可達(dá)480Mbps)、使用靈活、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)上的1394接口原為采集數(shù)字?jǐn)z像機(jī)圖像而設(shè)計(jì)的,它與USB是兩代標(biāo)準(zhǔn),其通信速率可達(dá)400Mbps,比最快的USB通信速率快8倍多,所以近來(lái)也出現(xiàn)一些利用1394接口來(lái)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)摹/D和D/A接口板A/D指模擬量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)外部模擬信號(hào)輸入計(jì)算機(jī);D/A指數(shù)字量與模擬量轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制信號(hào)的輸出。A/D和D/A接口板早期為計(jì)算機(jī)內(nèi)置插板式,即將接口板插入計(jì)算機(jī)的PCI或ISA插槽或筆記本電腦的PCMA插槽中;后來(lái)出現(xiàn)一些并口數(shù)據(jù)采集板,即將接口板連接在計(jì)算機(jī)外部的并口上,易于拆卸方便用戶;目前發(fā)展較快的是遠(yuǎn)端串口模塊和USB接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。所有上述各種方式,都是將外部模擬信號(hào)與計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。I/O接口板I/O指計(jì)算機(jī)的數(shù)字量輸入輸出,以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)控制信號(hào)的輸出。與A/D和D/A接口板雷同,I/O板早期為計(jì)算機(jī)內(nèi)置插板式,后來(lái)出現(xiàn)一些并口I/O板,近來(lái)大力發(fā)展的是遠(yuǎn)端串口I/O模塊和USB接口的I/O模塊。PXI系統(tǒng)和VXI模塊PXI系統(tǒng)是以PXI標(biāo)準(zhǔn)總線模塊,是PCI總線的擴(kuò)展,完成某些特定的功能,通過(guò)PXI總線與計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)。VXI模塊是以VXI總線標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊,單獨(dú)集成在VXI標(biāo)準(zhǔn)箱內(nèi),完成某些特定的功能,通過(guò)VXI總線與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。VXI模塊以其高速和高可靠性來(lái)滿足當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的測(cè)試要求,成為世界各國(guó)開發(fā)虛擬儀器最重視的開發(fā)對(duì)象。上述板卡、模塊或儀器,與傳感器和計(jì)算機(jī)組成完整的虛擬儀器系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)可以是臺(tái)式計(jì)算機(jī)或工作站,也可以為便攜的筆記本電腦。最終用各種實(shí)用化的計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種特定的功能。虛擬儀器的軟件系統(tǒng)虛擬儀器技術(shù)最核心的思想,就是利用計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源,使本來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化(虛擬化),從而最大限度地降低系統(tǒng)成本,增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和靈活性。所以軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵?!败浖词莾x器”已成為事實(shí)并為多數(shù)人所接受,因?yàn)殡S著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展,在現(xiàn)代儀器中和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中,軟件的投資占有的比例越來(lái)越大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬件投資,有的甚至占到70%-80%以上。軟件開發(fā)平臺(tái)虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境主要有VisualC++,VisualBasic,LabVIEW等。虛擬儀器的重要組成部分是軟面板,它是代表虛擬儀器的整個(gè)驅(qū)動(dòng)軟件,因此,軟面板的水平在很大程度上代表了虛擬儀器的水平。VC、VB等軟件是可視化的開發(fā)編程工具,它們對(duì)開發(fā)人員的編程能力要求很高,且開發(fā)周期長(zhǎng)。LabVIEW是專業(yè)化圖形編程軟件,能把復(fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用簡(jiǎn)單圖標(biāo)提示的方法表示,從而使原本不太熟悉編程的技術(shù)人員都可以按照測(cè)試要求和任務(wù),快速地編出自己的程序,“畫”出儀器面板,提高了工作效率,因此LabVIEW是一種比較優(yōu)秀的、可首選的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。美國(guó)國(guó)家儀器公司NationalInstruments(簡(jiǎn)稱NI)在開發(fā)、推廣圖形化編程技術(shù)方面進(jìn)行了許多卓有成效的努力,NI的虛擬開發(fā)平臺(tái)LabVIEW是建立在Windows基礎(chǔ)上的圖形化儀器開發(fā)系統(tǒng)。用LabVIEW建立的軟面板,其界面友好、形象逼真、操作簡(jiǎn)單直觀,與傳統(tǒng)文本語(yǔ)言相比,用LabVIEW編程易學(xué)易懂省時(shí)省力,可以節(jié)省大量系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間,即使對(duì)于沒(méi)有文本語(yǔ)言基礎(chǔ)的非軟件工程師來(lái)說(shuō),也可以很快學(xué)習(xí)、掌握并應(yīng)用來(lái)開發(fā)虛擬儀器,是一個(gè)完全的開放的儀器開發(fā)系統(tǒng)。利用它可以構(gòu)成任意形式的虛擬儀器,如GPIM、VXI、PXI、串行系統(tǒng)、PLC和插入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等,并可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與其他數(shù)據(jù)源連接進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換。LabVIEW分析庫(kù)大約有230多個(gè)數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)計(jì)算庫(kù)函數(shù),包括測(cè)量、信號(hào)生成、窗12I、濾波、統(tǒng)計(jì)、信號(hào)處理、吐線彌合、線性代數(shù)等,這使得LabVIEW具有強(qiáng)大的分析和計(jì)算功能,加上與其配套的一系列工具軟件,使LabVIEW幾乎可以構(gòu)成任何復(fù)雜的虛擬儀器,并可進(jìn)行任何復(fù)雜的分析計(jì)算,比如圖像的采集和分析,而這在常規(guī)文本語(yǔ)言下普通人是難以完成的工作。NI的虛擬開發(fā)平臺(tái)LabVIEW作為國(guó)際上最早的編譯型圖形化編程語(yǔ)言,把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形)并用線條把各種功能(圖形)連接起來(lái)的簡(jiǎn)單圖形編程方式。LabVIEW中編寫的源程序,很接近程序流程圖。LabVIEW中的程序調(diào)試方法也很簡(jiǎn)單,程序調(diào)試的數(shù)據(jù)探針工具最具典型性。在程序調(diào)試運(yùn)行時(shí),可在程序的任意位置插入任意多的數(shù)據(jù)探針,檢查任意一個(gè)中間結(jié)果。增加或取消一個(gè)數(shù)據(jù)探針,只需要輕輕點(diǎn)兩下鼠標(biāo)即可。儀器驅(qū)動(dòng)程序儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器控制與通信的軟件程序集,它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序,儀器廠商以源碼形式提供給用戶,用戶在更換儀器硬件的同時(shí)必須修改測(cè)試代碼,這樣使用起來(lái)比較麻煩。有一種可互換虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)IVI,使程序的開發(fā)完全獨(dú)立于硬件。IVI驅(qū)動(dòng)器通過(guò)一個(gè)通用的類驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)一種儀器類(如示波器、數(shù)字電壓表、函數(shù)發(fā)生器等)的控制。應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用類驅(qū)動(dòng)器,類驅(qū)動(dòng)器再通過(guò)專用的驅(qū)動(dòng)器與物理的儀器通信。采用IVI技術(shù),可以明顯降低成本,減少系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間,提高測(cè)試代碼的可重用性,使儀器編程直接面對(duì)操作用戶,通過(guò)提供友好的操作界面和豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能,來(lái)完成自動(dòng)檢測(cè)任務(wù)。I/O接口軟件I/O接口軟件用于處理計(jì)算機(jī)與儀器硬件間連接的低層通信協(xié)議,它是虛擬儀器系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)。當(dāng)今優(yōu)秀的虛擬儀器測(cè)試軟件都建立在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化(I/O)接口軟件組件的通用內(nèi)核之上,能為用戶通過(guò)跨計(jì)算機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用編程接口,也能為其測(cè)試系統(tǒng)選擇更多不同的儀器設(shè)備。通用數(shù)字處理軟件虛擬儀器的應(yīng)用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。通用數(shù)字處理軟件主要包括用來(lái)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的功能函數(shù),如時(shí)域分析過(guò)程中的相關(guān)分析、卷積運(yùn)算、差分運(yùn)算等,頻域分析的功率譜估計(jì)、FFT、FHT、逆FFT等,以及數(shù)字濾波等.這些功能函數(shù)為廣大虛擬儀器用戶進(jìn)一步擴(kuò)展其測(cè)試功能提供了必要的基礎(chǔ)。虛擬儀器的發(fā)展過(guò)程及未來(lái)趨勢(shì)虛擬儀器的發(fā)展過(guò)程儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)最重要的組成部分,它們被稱為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù)。虛擬技術(shù)蘊(yùn)含的巨大潛力,使發(fā)達(dá)國(guó)家趨之若鶩,在這一領(lǐng)域的研究上投入了巨資,希望有朝一日能在它的帶動(dòng)下率先進(jìn)入信息時(shí)代,而把工業(yè)時(shí)代遠(yuǎn)遠(yuǎn)地拋在后面。20世紀(jì)80年代首先在美國(guó)興起和發(fā)展起來(lái)的虛擬儀器無(wú)疑是虛擬技術(shù)領(lǐng)域中的重要組成部分,它已成為發(fā)達(dá)國(guó)家研究開發(fā)的熱點(diǎn)技術(shù)之一。虛擬儀器是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件、軟件和總線技術(shù)在向其他技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過(guò)程中,與測(cè)試技術(shù)、儀器技術(shù)密切結(jié)合共同孕育出的一項(xiàng)美妙的新成果。自20世紀(jì)80年代以來(lái),NI公司已研制和推出了多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器,特別是它推出的LabVIEW圖形編程環(huán)境和LabWindows/CVl編程環(huán)境已享譽(yù)世界,成為這類新型儀器開發(fā)系統(tǒng)的世界生產(chǎn)大戶。在NI公司之后,著名的美國(guó)惠普(HP)公司緊緊跟上推出了HPVEE編程系統(tǒng)可提供數(shù)十至數(shù)百種虛擬儀器的組建單元和整機(jī),用戶可用它組建或挑選自己所需的儀器。除此之外,世界上陸續(xù)有數(shù)百家公司,如Tektronix公司、Raeal公司等也相繼推出了總線系統(tǒng)多達(dá)數(shù)百個(gè)品種的虛擬儀器。作為儀器領(lǐng)域中新興的技術(shù),虛擬儀器的研究、開發(fā)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)過(guò)了起步階段。從20世紀(jì)90年代中期以來(lái),國(guó)內(nèi)的重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、電子科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、中科泛華電子科技公司等院校和高科技公司,在研究和開發(fā)儀器產(chǎn)品和虛擬式儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)以及引進(jìn)消化NI公司、HP公司的產(chǎn)品等方面做了一系列有益的工作,取得了一批矚目的成果。虛擬儀器的出現(xiàn)和興起,改變了傳統(tǒng)儀器的概念、模式和結(jié)構(gòu),改變了人們的儀器觀。據(jù)《世界儀表與自動(dòng)化》雜志報(bào)導(dǎo),21世紀(jì)初,虛擬儀器的生產(chǎn)廠家超過(guò)千家,品種達(dá)到數(shù)千種,市場(chǎng)占有率將占到電測(cè)儀器的50%,這一預(yù)測(cè)對(duì)整個(gè)儀器儀表領(lǐng)域不僅是一次強(qiáng)烈的震憾,使從事電測(cè)儀器科學(xué)技術(shù)研究與開發(fā)的科學(xué)家和工程師們都看清了虛擬儀器對(duì)傳統(tǒng)儀器的巨大挑戰(zhàn),認(rèn)識(shí)到在21世紀(jì)虛擬式儀器不僅將成為電測(cè)儀器的發(fā)展方向,而且必將取代實(shí)驗(yàn)室中的傳統(tǒng)硬件化儀器,使成千上萬(wàn)種傳統(tǒng)的硬件化儀器都演變成計(jì)算機(jī)軟件,成為一系列有序的文件融入計(jì)算機(jī)中,那時(shí)有許多種類的儀器在廣義上已不完全屬于儀器領(lǐng)域的某些分支,而可以將它們看成是信息技術(shù)的本體。虛擬儀器的一大特點(diǎn)便是具有集成性。如果將多種測(cè)試儀器的測(cè)試、虛擬式儀器庫(kù)功能的形成過(guò)程(在傳統(tǒng)儀器中由機(jī)內(nèi)的各電子卡決定)軟件化,用一個(gè)個(gè)文件來(lái)表示一臺(tái)臺(tái)儀器的功能,這樣便將多種儀器的測(cè)試分析功能集成于計(jì)算機(jī)內(nèi),這稱為“測(cè)試集成”。同樣,如果將儀器的面板控件也一一軟件化后集成于機(jī)內(nèi),并使這些儀器的功能軟件和控件軟件在機(jī)內(nèi)的“框架協(xié)議”軟件平臺(tái)上進(jìn)行軟裝配、軟調(diào)試,最后便形成一個(gè)多品種的虛擬儀器庫(kù)。這時(shí)用戶便可從儀器庫(kù)中調(diào)用自己需要的儀器或由若干儀器組成的實(shí)驗(yàn)研究所需要的虛擬儀器系統(tǒng)。構(gòu)造虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在“集成”的基礎(chǔ)上,通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可構(gòu)造虛擬儀器的功能模塊(每個(gè)功能模塊包括一種功能)和控件模塊(每個(gè)控件模塊包括一種控件)。VI技術(shù)經(jīng)過(guò)10余年的發(fā)展,正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件的模塊化和編程平臺(tái)的圖形化和硬件模塊的即插即用(Plug&Play)化等方向發(fā)展。目前VI技術(shù)已發(fā)展成具有GPIB、PC—DAQ、VXI和PXI四種標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)開放的技術(shù)。1998年NI公司又發(fā)布了虛擬硬件和可互換虛擬儀器的概念,其產(chǎn)品已經(jīng)面市,IVI基金會(huì)也在1998年于美國(guó)成立,并頒布了相應(yīng)的IVI技術(shù)規(guī)范?;赩XI技術(shù)開發(fā)應(yīng)用完全獨(dú)立于硬件,提高了程序代碼的復(fù)用性,大大降低了應(yīng)用系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用,必將成為測(cè)控技術(shù)的主要基礎(chǔ)技術(shù)之一。虛擬儀器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善,一些新的PC技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)逐漸應(yīng)用到虛擬儀器中,虛擬儀器主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展。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,由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入DAQ時(shí)都需要打開機(jī)箱等較麻煩,而且主機(jī)上PCI插槽數(shù)量有限,再加上測(cè)試信號(hào)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī),各種現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)的安全往往會(huì)造成很大的威脅,計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾也會(huì)對(duì)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生大的影響。外掛式虛擬儀器是將測(cè)量到的物理信號(hào)通過(guò)預(yù)處理,轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字信號(hào)后,再由一根串口線或者USB線傳給計(jì)算機(jī)處理,這樣既減少了板卡的裝拆過(guò)程,也節(jié)約了計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源,只需運(yùn)行相配套的軟件就可得到想要的結(jié)果。因此USB接口方式的外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今后廉價(jià)型虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的主流。PXI型高精度集成虛擬儀器開放式平臺(tái)對(duì)于測(cè)試系統(tǒng),現(xiàn)在比較先進(jìn)I/O總線技術(shù)主要是VXI總線和PXI總線。VXI主要用于滿足高端自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用的需要,但是它基于過(guò)時(shí)的VME總線,而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)不支持這種總線結(jié)構(gòu),所以它不能利用PC技術(shù)的優(yōu)勢(shì),從而也不能將主流軟件的支持、低成本、高性能等好處帶給最終用戶。而PXI平臺(tái)基于PCI,所以它固有PCI的一些優(yōu)點(diǎn):較低的成本,不斷提高的性能,以及為最終用戶提供主流軟件模型。PXI系統(tǒng)高度的可擴(kuò)展性和良好的兼容性,以及比VXI系統(tǒng)更高的性價(jià)比,將使它成為未來(lái)大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng)的主流虛擬儀器平臺(tái)。PXI平臺(tái)可以簡(jiǎn)單地將不同的測(cè)試設(shè)備整合到一個(gè)共同的系統(tǒng)中,并對(duì)其進(jìn)行修改或擴(kuò)展,以滿足測(cè)試系統(tǒng)不斷變化的需要。開放式的PXI平臺(tái)將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)科技如Compact/PCI、Windows操作系統(tǒng)與嵌入式的觸發(fā)結(jié)合在一起,提供一個(gè)比PC計(jì)算機(jī)更耐用、更具有確定性的系統(tǒng)。PXI虛擬儀器具有良好的可擴(kuò)展性、兼容性和性價(jià)比,所以它將成為未來(lái)大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng)的主流虛擬儀器平臺(tái),并使虛擬儀器的功能向智能檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器虛擬儀器技術(shù)融合了PC技術(shù)及網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)技術(shù),便產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器。網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的潮流將資料共享帶入了一個(gè)新的階段,加速了虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展,而這些技術(shù)是傳統(tǒng)獨(dú)立儀器不可能實(shí)現(xiàn)的。盡管Internet技術(shù)最初并沒(méi)有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起,但NI等公司已開發(fā)了通過(guò)Web瀏覽器觀測(cè)這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品,使人們可以通過(guò)Internet操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性,可以方便地將虛擬儀器組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。虛擬儀器技術(shù)利用網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的功能,將分散在不同地理位置、不同功能的測(cè)試設(shè)備聯(lián)系在一起,使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享,不僅讓人們能夠輕而易舉地得到自己需要的測(cè)試數(shù)據(jù),還能帶來(lái)巨大的效益。所以,網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中具有極其廣泛的應(yīng)用前景。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將來(lái)自測(cè)量或控制設(shè)備中的資料直接傳送到Web網(wǎng)頁(yè)上,或是用掌上型的數(shù)字工具讀取資料,甚至還可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上。使用虛擬儀器技術(shù),可以使用網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能遠(yuǎn)距離控制儀器設(shè)備,或是與遠(yuǎn)在其他辦公地點(diǎn)甚至其他國(guó)家的同事合作處理一個(gè)項(xiàng)目。由此可見(jiàn),計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代儀器已相互包容,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也就是通用的儀器網(wǎng)絡(luò),“網(wǎng)絡(luò)就是儀器,,的概念確切地概括了儀器的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與測(cè)量、測(cè)控技術(shù)的結(jié)合,使網(wǎng)絡(luò)化、分布式測(cè)控系統(tǒng)的組建更為方便,以Internet為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的不斷完善,使得計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模更大,應(yīng)用更廣。結(jié)束語(yǔ)虛擬儀器設(shè)計(jì)已經(jīng)成為測(cè)試與儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著高速AD芯片和電路的進(jìn)一步集成化,可以設(shè)想在不遠(yuǎn)的將來(lái),一臺(tái)安裝有虛擬儀器軟件的標(biāo)

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