虛擬儀器的原理及發(fā)展

0、引言

電子測試儀器是電子行業(yè)的基礎(chǔ)，它在電子行業(yè)中長期占據(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)的測試儀器由于功能固定，研制生產(chǎn)周期長等缺點(diǎn)，越來越不能滿足信息時(shí)代的要求。這就給一種新型的測量儀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為虛擬儀器。虛擬儀器通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來，用戶可通過友好的圖形界面來操作計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺儀器一樣，從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)儲存等。它是在 PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能在數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤的同時(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)約開發(fā)時(shí)間，以及完美的集成性能等技術(shù)優(yōu)勢。

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，將各種測量電路插件接于PC內(nèi)部總線，加上某些軟件來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，這種儀器稱為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測試系統(tǒng)和智能儀表中的微處理器、存儲器、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，而且無需對每一種新儀表都從頭開始設(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。

隨著VXI(開放式測量系統(tǒng))總線系統(tǒng)問世以及PC機(jī)的結(jié)構(gòu)的變化，不斷推動了虛擬儀表發(fā)展。VXI總線標(biāo)準(zhǔn)是一種全開放型卡式儀表標(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、RISC結(jié)構(gòu)，大大地提高了測試系統(tǒng)的數(shù)值處理能力。近年來，由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)資源的極大豐富，數(shù)字信號處理技術(shù)，圖形化界面技術(shù)和自動生成程序等技術(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完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，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)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時(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)的儀器硬件和專用軟件形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒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)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對儀器的控制、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)一般來說分為四層：

1)測試管理層

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

2)應(yīng)用(程序)開發(fā)層

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

3)儀器驅(qū)動層

由生產(chǎn)商開發(fā)，針對不同類型的儀器有不同的驅(qū)動程序接口。為給用戶提供方便、易用的儀器驅(qū)動程序，泰克公司、惠普公司和美商國家儀器公司等35家國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總線驅(qū)動層

由生產(chǎn)商開發(fā)，用于將不同類型的實(shí)際儀器通過相同標(biāo)準(zhǔn)的總線連接起來形成一套完整的測試系統(tǒng)，如得到廣泛應(yīng)用的VXI(開放式測量系統(tǒng))總線系統(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，由用戶定義儀器功能。因?yàn)樗倪\(yùn)行主要依賴軟件，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，而且通過修改軟件可增加它的適應(yīng)性，進(jìn)而延長它的生命周期，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、開放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(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。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(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。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過與計(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定義，針對不同應(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、簡便、易于理解，測量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線。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，未來虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)極佳的模式，并且在測量和控制方面都有無以倫比的強(qiáng)大功能和靈活性?？蓮V泛應(yīng)用于電子測量、振動分析、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)讓用戶可以放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測量設(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。