基于虛擬儀器概念的多功能無紙記錄儀的設計開發(fā)

摘 要： 從虛擬儀器的概念出發(fā)，采用低成本自動化系統(tǒng)的研究方法，提出了一種在硬件上基于PC/104嵌入式工控模板、軟件上基于通用編程語言的多功能無紙記錄儀，并著重從硬件設計和軟件開發(fā)等方面進行了分析與論述
關鍵詞： 虛擬儀器 嵌入式系統(tǒng) 無紙記錄儀

１ 虛擬儀器技術的概念及其應用前景

自1986年美國國家儀器公司（NI）提出虛擬儀器(Virtual Instrument)的概念以來，這種集計算機技術、通訊技術和測量技術于一體的模塊化儀器便在世界范圍內得到了廣泛的認同與應用，逐步體現(xiàn)了儀器儀表技術發(fā)展的一種趨勢由于微電子技術、計算機技術、網絡通訊技術和軟件技術的高度發(fā)展，以及它們與各種測量技術在儀器儀表上的應用，使新的測試理論、測試方法、測試領域以及儀器結構不斷涌現(xiàn)并發(fā)展成熟，在許多方面已經沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，儀器測量的功能和作用也發(fā)生了質的變化虛擬儀器概念的產生正是基于這樣一種技術背景

儀器儀表技術的發(fā)展大致經歷了以下兩條發(fā)展主線：從測量的技術和方法上劃分，經歷了從機械儀表、模擬電子儀表、數(shù)字化電子儀表到智能儀表的發(fā)展過程；從儀表結構上劃分，經歷了單機儀表、疊架式儀器系統(tǒng)到虛擬儀器系統(tǒng)的發(fā)展過程傳統(tǒng)儀器一般均為一個獨立的裝置，有機箱、操作面板、信號I/O端子、信號處理機構或電路等，檢測結果輸出方式有數(shù)字、指針或圖形窗口等，有的還有打印輸出口傳統(tǒng)儀表的功能可概括描述為：信號采集與控制、信號分析與處理、結果的表達與輸出，這些功能均以硬件或固化軟件的形式存在這種架構形式決定了傳統(tǒng)儀器只能由儀器的生產廠來定義制造，而用戶無法改變傳統(tǒng)儀器基本上未能擺脫獨立使用、手動操作、功能相對固定、使用具有局限性的模式計算機技術的發(fā)展，給傳統(tǒng)儀表技術注入了強大的活力，在微電子技術和LSIC技術推動下，有力地促進了數(shù)字化儀器、智能儀器的快速發(fā)展

在虛擬儀器系統(tǒng)中，用計算機靈活強大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質資源，通過一組軟件和硬件，形成了既有普通儀器的基本功能、又有一般儀器所不具備的特殊功能的新型儀器虛擬儀器本質上是利用PC機強大的運算能力、圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立具有良好人機交互性能的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，并通過一組軟件和硬件，實現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應用環(huán)境和對象的各種功能在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是解決信號的輸入／輸出問題的方法和軟件賴以生存、運行的物理環(huán)境，軟件才是整個儀器的核心構件，正如NI公司提出的口號“軟件就是儀器”，任何使用者只要通過調整或修改儀器的軟件，便可方便地改變和增減儀器的功能和規(guī)模，甚至儀器的性質

虛擬儀器的構成：如果按照構成儀器的三大功能部件來分，所有控制系統(tǒng)、工業(yè)計測系統(tǒng)均可歸納至虛擬儀器的框架中來目前較為常見的虛擬儀器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），見圖１可編程儀器的信號處理、定時控制、集成總線、高速緩存、DMA等技術的應用，使這樣的SCADA系統(tǒng)能達到儀器級的性能、精度與可靠性

虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺：虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺目前主要有兩類：第一類是基于傳統(tǒng)語言的Turbo C、VB、VC++等，這類語言具有適應面廣、開發(fā)靈活的特點，但開發(fā)人員需有較多的編程經驗和較強的調試能力；第二類是基于圖形組態(tài)和編程的圖形組態(tài)軟件，如HP公司的VEE、IOtech公司的Dasylab、NI公司的LabVIEW、Capital Equipment公司的Testpoint 2.0和HEM公司的Snap-Master等這類組態(tài)軟件都通過建立和連接圖標來構成虛擬儀器工作程序并定義其功能，而不是用傳統(tǒng)的文本編輯形式它們具有編程效率高、通用性強、交叉平臺互換性好的特點，適用于大批量多品種儀器的生產該類軟件缺點是缺少程序流程控制，大都解釋執(zhí)行

當今的儀器儀表開發(fā)技術正與計算機技術日益緊密地結合在一起，利用虛擬儀表技術開發(fā)基于PC機的多功能無紙記錄儀，可使其硬件結構簡單、可靠性高、兼容性好、功能大大增強、使用更為靈活，并且可通過更新軟件實現(xiàn)不同的記錄要求，真正達到一機多用的目的