虛擬儀器技術及其在數(shù)據采集中的應用
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1、虛擬儀器的特點和構成
1.1 虛擬儀器的特點
與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性 好等明顯優(yōu)點，具體表現(xiàn)為：
智能化程度高，處理能力強 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。用戶完全可以根據實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。
復用性強，系統(tǒng)費用低 應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高 速數(shù)字采樣器，可設計出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計數(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)費用更低。通過與計算機網絡連接，還可實現(xiàn)虛 擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。
可操作性強，易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的 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，測量結果可以直接進入數(shù) 據庫系統(tǒng)或通過網絡發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的 可操作性大大提高而且易用、靈活。
1.2 虛擬儀器的構成
虛擬儀器的構建主要從硬件電路的設計、軟件開發(fā)與設計2個方面考慮。
硬件電路的設計主要根據用戶所面對的任務決定，其中接口設計可選用的接口總線標準包 括GP IB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因為他具有通用性強、可擴充性好、傳輸速 率高、抗干擾能力強以及良好的開放性能等優(yōu)點，因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀 器生產廠家的認可，目前VXI模塊化儀器被認為是虛擬儀器的最理想平臺，是儀器硬件的發(fā) 展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電 路的設計一般可以選擇用現(xiàn)有的各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括：信號調 理和高速數(shù)據采集；信號輸出與控制；數(shù)據實時處理。這3部分概括了數(shù)字化儀 器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就能構成任何一種虛擬儀器。 例如使用高速數(shù)據采集模塊和高速實時數(shù)據處理模塊就能構成1臺示波器、1臺數(shù)字化儀或 1臺頻譜分析儀；使用信號輸出與控制模塊和實時數(shù)據處理模塊就能構成1臺函數(shù)發(fā)生器、1臺信號源或1臺控制器。專用接口是針對特定用途儀器需要的設計，也包括一些現(xiàn)場總線 接口和各類傳感器接口。系統(tǒng)的主要硬件包括控制器、主機箱和儀器模塊。常用的控制方案 有GPIB總線控制方式的硬件方案、MXI總線控制方式的硬件方案、嵌入式計算機控制方式的硬件方案3種。VXI儀器模塊又稱為器件（devices）。VXI有4種器件：寄存器基器件、消 息基器件、存儲器器件和擴展器件。存儲器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸 大量數(shù)據。擴展器目前是備用件，為今后新型器件提供發(fā)展通道。將VXI儀器制作成寄存器 基器件，還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像VME總線器件 ，是在低層用二進制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制這一層次上進行通信的。這種高速通信可以使測試系統(tǒng)吞吐量大大提高。因此，寄 存器基器件適用于虛擬儀器中信號/輸出部分的模塊（如開關、多路復用器、數(shù)/模轉換輸出 卡、模/數(shù)轉換輸入卡、信號調理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用A SCII字符進行通信，與這種器件十分相似是獨立HPIB儀器。消息基器件用一組意義 明確的 “字串行協(xié)議”相互進行通信，這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數(shù)據所需的掛鉤 要求。消息基器件必須有CPU（或DSP）進行管理與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器 中數(shù)字信號處理部分的模塊。
軟件的開發(fā)與設計包括3部分：VXI總線接口軟件、儀器驅動軟件和應用軟件（軟面板） 。軟件結構如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)軟件構成
儀器驅動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅動軟件，他 的設計必須符合VPP的2個規(guī)范，即VPP3.1《儀器驅動程序結構和模型》和VPP3.2《儀器 驅動程序設計規(guī)范》。
“軟面板”設計就是設計具有可變性、多層性、自助性、人性化的面板，這個面板應不 僅同傳統(tǒng)儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動條、開關按鈕、報警裝 置等功能部件，而且應還具有多個連貫操作面板、在線幫助功能等。
2、虛擬儀器在數(shù)據采集中的應用
利用虛擬儀器制作數(shù)據采集器可以按照硬件設計、軟件設計兩個步驟來完成。
2.1 硬件設計
硬件設計要完成以下內容：
(1) 模/數(shù)轉換及數(shù)據存儲
設置具有通用性的數(shù)據自動采集系統(tǒng)，一般應滿足能對多路信號盡可能同步地進行采集，為了使所采集到的數(shù)據不但能夠在數(shù)據采集器上進行存儲，而且還能及時地在采集過程中 將數(shù)據傳送到上位機，選用存儲量比較適中的先進先出存儲器，這樣既能滿足少量數(shù)據存儲 的需要，又能在需要實時傳送數(shù)據時，在A/D轉換的同時進行數(shù)據傳送，不丟失任何數(shù)據。
(2) VXI總線接口
VXI總線數(shù)據采集器通?？梢岳脙煞NVXI總線通用接口消息基接口和寄存器基接口。消 息基接口的作用是通過總線傳送命令，從而控制儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡單的讀寫來控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進行設計，具體消息基接口的框圖見圖2。
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