計算機在測控領(lǐng)域的應(yīng)用

1　引 言

　　隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領(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)突破傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)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(nèi)得到了廣泛的認同和應(yīng)用，國內(nèi)近幾年的應(yīng)用需求急劇高漲。因此，虛擬儀器的產(chǎn)生是測控領(lǐng)域的一次革命。  

2　虛擬儀器的基本概念、特點及其構(gòu)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(shè)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(shè)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(yīng)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。

　?、凇x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。

　　③　儀器性能的改進和功能擴展只需進行相關(guān)軟件的設(shè)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(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)。

　　與傳統(tǒng)非數(shù)字化儀器相比，虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于用戶自定義儀器功能、結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活以及其開放性。

　　虛擬儀器的基本構(gòu)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(guān)鍵。

　　2．1　虛擬儀器的硬件構(gòu)成

　　如圖2—1所示，虛擬儀器的硬件構(gòu)成有多種方案，通常采用以下幾種



　　（1）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(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW（或LabWindows／CVI）相結(jié)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(zhuǎn)換實現(xiàn)反饋控制。根據(jù)需要還可加入信號調(diào)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(gòu)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(shù)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(wù)。利用GPIB技術(shù)，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(yù)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(lǐng)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(shè)計、結(jié)構(gòu)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。

　　（4）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(shè)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(gòu)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(gòu)成

　　構(gòu)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(guān)鍵。沒有一個優(yōu)秀的控制分析軟件，很難構(gòu)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(jié)構(gòu)應(yīng)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(shè)備）與儀器驅(qū)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(qū)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(chǔ)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(qū)動程序

　　每個儀器模塊均有自己的儀器驅(qū)動程序。儀器驅(qū)動程序的實質(zhì)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(yīng)用程序來說，它對儀器的操作是通過儀器驅(qū)動程序來實現(xiàn)的；儀器驅(qū)動程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過I／O軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫（VISA）的調(diào)用來實現(xiàn)的。對于應(yīng)用程序設(shè)計人員來說，一旦有了儀器驅(qū)動程序，在不是十分了解儀器內(nèi)部操作過程的情況下，也可以進行虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計工作。虛擬儀器驅(qū)動程序是連接上層應(yīng)用程序與底層I／O接口軟件的紐帶和橋梁。

　?。?）應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境

　　應(yīng)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(yīng)用程序。在目前，虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種：

　?、倩趥鹘y(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(shè)計中，而不再是具體軟件細節(jié)的推敲上。 

3　虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)

　　虛擬儀器的發(fā)展領(lǐng)域非常廣闊，開發(fā)虛擬儀器既要擁有計算機技術(shù)，又要擁有信息處理技術(shù)?？偩€技術(shù)是VI的一個關(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(lǐng)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?？?。

　　圖形化的編程環(huán)境是VI技術(shù)的又一關(guān)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(diào)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(yīng)用軟件。

4　虛擬儀器的整體設(shè)計

　　在科學(xué)研究與工程實驗室里，有各種各樣的儀器與設(shè)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(shù)。即充分利用計算機強大的管理與處理能力，以此為基礎(chǔ)，將實驗室相關(guān)設(shè)備搭配起來，構(gòu)成一種全新的實驗環(huán)境。實驗室中的儀器與設(shè)備一般都是具有特定功能的單臺設(shè)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(gòu)造。步驟如下：

　　1）確定所用儀器或設(shè)備的接口形式。如果儀器設(shè)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(shè)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(shè)備之間的通訊渠道；如果使用計算機來控制VXI總線設(shè)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)品。 

2）確定所選擇的接口卡是否具有設(shè)備驅(qū)動程序。接口卡的設(shè)備驅(qū)動程序是控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，是連接主控計算機與儀器設(shè)備的紐帶；如果有設(shè)備驅(qū)動程序，它適合于何種操作系統(tǒng)？如果沒有，或者所帶的設(shè)備驅(qū)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(shè)備驅(qū)動程序。

　　3）確定應(yīng)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(yīng)用管理程序。 

5　結(jié)束語

　　虛擬儀器技術(shù)使現(xiàn)代測控系統(tǒng)更靈活、更緊湊、更經(jīng)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(lǐng)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(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)也會在各領(lǐng)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(chǎn)產(chǎn)生不可估量的影響。

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