計算機在測控領域的應用

1　引 言

　　隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術的高度發(fā)展及其在電子測量技術與儀器上的應用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領域以及新的儀器結構不斷出現(xiàn)，在許多方面已經突破傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用已經發(fā)生了質的變化。在這種背景下，美國國家儀器公司（National Instruments Corporation，簡稱NI）在20世紀80年代最早提出虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）的概念。虛擬儀器這種計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)在世界范圍內得到了廣泛的認同和應用，國內近幾年的應用需求急劇高漲。因此，虛擬儀器的產生是測控領域的一次革命。  

2　虛擬儀器的基本概念、特點及其構成

　　所謂虛擬儀器，就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義、具有虛擬前面板、測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。其基本思想就是在測試系統(tǒng)或儀器設計中盡可能地用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”。簡而言之VI系統(tǒng)是由計算機、應用軟件和儀器硬件組成的。用戶可以通過友好的圖形界面（這里稱作虛擬前面板）操作計算機，如同操作功能相同的單臺傳統(tǒng)儀器一樣。虛擬儀器具有以下特點

　?、佟≡谕ㄓ糜布脚_確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。

　　②　儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。

　?、邸x器性能的改進和功能擴展只需進行相關軟件的設計更新，而不需購買新的儀器。

　?、堋⊙兄浦芷谳^傳統(tǒng)儀器大為縮短。

　?、荨√摂M儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，可與網絡及其它周邊設備互聯(lián)。

　　與傳統(tǒng)非數(shù)字化儀器相比，虛擬儀器技術的優(yōu)勢在于用戶自定義儀器功能、結構等，且構建容易，轉換靈活以及其開放性。

　　虛擬儀器的基本構成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。其中，硬件接口模塊可以包括插入式數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）、串／并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其它接口卡。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。在這里，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個系統(tǒng)的關鍵。

　　2．1　虛擬儀器的硬件構成

　　如圖2—1所示，虛擬儀器的硬件構成有多種方案，通常采用以下幾種



　?。?）基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng) 
這種方式借助于插入計算機內的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW（或LabWindows／CVI）相結合，通過A／D變換將模擬、數(shù)字信號采集到計算機進行分析、處理、顯示等，并可通過D／A轉換實現(xiàn)反饋控制。根據(jù)需要還可加入信號調理和實時DSP等硬件模塊。

　?。?）基于通用接口總線GPIB接口的儀器系統(tǒng)

　　GPIB（General Purpose Interface Bus）儀器系統(tǒng)的構成是邁向虛擬儀器的第一步，即利用GPIB接口卡將若干GPIB儀器連接起來，用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能，組織大型柔性自動測試系統(tǒng)，技術易于升級，維護方便，儀器功能和面板自定義，開發(fā)和使用容易。它可高效靈活地完成各種不同規(guī)模的測試測量任務。利用GPIB技術，可由計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測試測量誤差。同時，由于可預先編制好測試程序，實現(xiàn)自動測試，提高了測試效率。

　?。?）利用VXI總線儀器實現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)

　　VXI（VMEbus ExtensionforInstrumentation）總線為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個更為廣闊的發(fā)展空間。VXI總線是一種高速計算機總線———VME（VersaModule Eurocard）總線在儀器領域的擴展。由于其標準開放、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊化設計、結構緊湊、使用方便靈活，已越來越受到重視。它便于組織大規(guī)模、集成化系統(tǒng)，是儀器發(fā)展的一個方向。

　?。?）基于串行口或其它工業(yè)標準總線的系統(tǒng)

　　將某些串行口儀器和工業(yè)控制模塊連接起來，組成實時監(jiān)控系統(tǒng)。將帶有RS－232總線接口的儀器作為I／O接口設備通過RS－232串口總線與PC計算機組成虛擬儀器系統(tǒng)，目前仍然是虛擬儀器的構成方式之一。當今，PC計算機已更多地采用了USB總線和IEEE1394總線。

　　2．2　虛擬儀器的軟件體系構成

　　構成一個虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定以后，就可通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關鍵。沒有一個優(yōu)秀的控制分析軟件，很難構成一臺理想的虛擬儀器系統(tǒng)。根據(jù)VPP（VXIPlug＆Play）系統(tǒng)規(guī)范的定義，虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結構應包含3部分，如圖2—2所示：



　?。?）I／O接口軟件

　　I／O接口軟件存在于儀器（即I／O接口設備）與儀器驅動程序之間，是一個完成對儀器寄存器單元進行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器與儀器驅動程序提供信息傳遞的底層軟件，是實現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎與核心。在VPP系統(tǒng)規(guī)范中，詳細規(guī)范了虛擬儀器的I／O接口軟件的特點、組成、內部結構與實現(xiàn)規(guī)范，并將符合VPP規(guī)范的虛擬儀器I／O接口軟件定義為VISA軟件。 

（2）儀器驅動程序

　　每個儀器模塊均有自己的儀器驅動程序。儀器驅動程序的實質是為用戶提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。對于應用程序來說，它對儀器的操作是通過儀器驅動程序來實現(xiàn)的；儀器驅動程序對于儀器的操作與管理，又是通過I／O軟件所提供的統(tǒng)一基礎與格式的函數(shù)庫（VISA）的調用來實現(xiàn)的。對于應用程序設計人員來說，一旦有了儀器驅動程序，在不是十分了解儀器內部操作過程的情況下，也可以進行虛擬儀器系統(tǒng)的設計工作。虛擬儀器驅動程序是連接上層應用程序與底層I／O接口軟件的紐帶和橋梁。

　?。?）應用軟件開發(fā)環(huán)境

　　應用軟件開發(fā)環(huán)境的選擇，可因開發(fā)人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶一個界面友好、功能強大的應用程序。在目前，虛擬儀器系統(tǒng)應用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種：

　　①基于傳統(tǒng)的文本語言式的平臺。主要是NI公司的LabWindows／CVI、Microsoft公司的VisualC＋＋、Visual Basic、Borland公司的Delphi等。

　?、诨趫D形化編程環(huán)境的平臺。如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW等。圖形化軟件開發(fā)平臺的提出，可以大大減輕系統(tǒng)開發(fā)人員的負擔，使其將主要精力集中投入到系統(tǒng)設計中，而不再是具體軟件細節(jié)的推敲上。 

3　虛擬儀器的關鍵技術

　　虛擬儀器的發(fā)展領域非常廣闊，開發(fā)虛擬儀器既要擁有計算機技術，又要擁有信息處理技術?？偩€技術是VI的一個關鍵問題，VI需要利用計算機的擴展槽、PCI插槽或ISA插槽，所以開發(fā)VI的儀器硬件，首先要確定應采用哪一種總線標準，PCI總線是一種最新的計算機總線規(guī)范，它兼容性強，功能全，傳輸率高，工作時鐘頻率33MHz，結構與處理器獨立，適合于未來的計算機。1997年9月，美國NI公司發(fā)布了一項PXI總線標準，PXI（PCIExtention forInstrument）是PCI在儀器領域的擴展。開發(fā)VI可以考慮采用PXI標準，因為數(shù)據(jù)處理工作量大，VI的儀器硬件部分要盡量做得功能強大，否則，采用軟件會影響儀器處理速度。目前，虛擬儀器已具備時域分析和頻率域分析的功能，速度都非?？臁?

　　圖形化的編程環(huán)境是VI技術的又一關鍵因素。1986年，NI公司推出了LabVIEW軟件包，它簡單直觀、效率高、速度快、具有優(yōu)化的圖形編譯機制，獨特快捷的查錯、調試方法，極大地提高了運行速度，采用LabVIEW可以數(shù)倍地提高系統(tǒng)開發(fā)速度。近年來基于Windows95和WindowsNT的開發(fā)平臺成為后起之秀，可以使用Visual C＋＋、Visual Basic、BorlandC＋＋等功能強大的編程軟件編寫專用應用軟件。

4　虛擬儀器的整體設計

　　在科學研究與工程實驗室里，有各種各樣的儀器與設備。如何提高它們的綜合使用效率？如何對它們進行更有效的管理？是儀器用戶值得考慮的問題。目前，最有效的方法是采用“虛擬儀器”技術。即充分利用計算機強大的管理與處理能力，以此為基礎，將實驗室相關設備搭配起來，構成一種全新的實驗環(huán)境。實驗室中的儀器與設備一般都是具有特定功能的單臺設備。如果它們具有某種總線接口，就有可能進行虛擬儀器的構造。步驟如下：

　　1）確定所用儀器或設備的接口形式。如果儀器設備具有RS－232串行總線接口，則不用進行處理，直接用連線將儀器設備與計算機的RS－232串行接口連接即可；如果是GPIB或HP－IB接口，則需要額外配備一塊GPIB－488接口板，將接口板插入計算機的ISA插槽，建立起計算機與儀器設備之間的通訊渠道；如果使用計算機來控制VXI總線設備，也需要配備一塊GPIB接口卡，通過GPIB總線與VXI主機箱零槽模塊通信，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算機。由于計算機的RS－232串行接口有限，若儀器設備比較多，必要時必須擴展計算機的RS－232接口。市場上此類產品品種繁多，用戶可以根據(jù)具體情況，選擇合適的RS－232總線接口擴展產品。 

2）確定所選擇的接口卡是否具有設備驅動程序。接口卡的設備驅動程序是控制各種硬件接口的驅動程序，是連接主控計算機與儀器設備的紐帶；如果有設備驅動程序，它適合于何種操作系統(tǒng)？如果沒有，或者所帶的設備驅動程序不符合用戶所用的操作系統(tǒng)，用戶就有必要針對所用接口卡，編寫設備驅動程序。

　　3）確定應用管理程序的編程語言。如果用戶有專業(yè)的圖形化編程軟件，如LabVIEW、HPVEE，那么就可以采用專業(yè)的圖形化編程軟件進行編程。如果沒有此類軟件，則可以采用通用編程語言，如VisualC＋＋、Visual Basic或者Delphi。由于它們易于使用、功能強大而倍受測控人員的青睞。

　　4）在硬件連接無誤的情況下，編寫用戶的應用管理程序。 

5　結束語

　　虛擬儀器技術使現(xiàn)代測控系統(tǒng)更靈活、更緊湊、更經濟、功能更強。而圖形編程方式使系統(tǒng)軟件開發(fā)更省時、更省力、更容易。無論是測量、測試、計量，或是工業(yè)過程控制和分析處理，還是其它更為廣泛的測控領域，虛擬儀器都是理想的高效率的解決方案。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術也會在各領域中發(fā)揮其重要作用，并表現(xiàn)出強大的生命力，它必然會對科技發(fā)展和工業(yè)生產產生不可估量的影響。

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