虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計思路
虛擬儀器是全新概念的儀器，它是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，它的出現(xiàn)開始了儀器發(fā)展的全新時代，是儀器領(lǐng)域的一場革命。設(shè)計功能強大、高效、集成完美，應(yīng)用于測試和測控領(lǐng)域的虛擬儀器系統(tǒng)是信息時代的需求。
1 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成
虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。
1.1 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。
按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。
1.2 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分。
1.2.1儀器面板控制軟件
儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。
1.2.2 數(shù)據(jù)分析處理軟件
利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強大的函數(shù)庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時間。
1.2.3 儀器驅(qū)動軟件
虛擬儀器驅(qū)動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動程序的核心是驅(qū)動程序函數(shù)/VI集，函數(shù)/VI是指組成驅(qū)動的模塊化子程序。驅(qū)動程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應(yīng)用函數(shù)/VI層，它根據(jù)具體測量要求調(diào)用底層的函數(shù)/VI。
1.2.4 通用I/O接口軟件
在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來越重要。VXI總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標(biāo)準(zhǔn)，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標(biāo)準(zhǔn)，VISA具有與儀器硬件接口無關(guān)性的特點， 即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設(shè)備上，這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開發(fā)的方式和手段。
2 虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
虛擬儀器軟面板是用戶用來操作儀器，與儀器進行通信，輸入?yún)?shù)設(shè)置，輸出結(jié)果顯示的用戶接口。其設(shè)計準(zhǔn)則是：
?。?） 按照VPP規(guī)范設(shè)計軟面板，使面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、可移植性。
?。?） 根據(jù)測試要求確定儀器功能。根據(jù)測試任務(wù)確定儀器軟面板具體測試、測量功能，開關(guān)、控制等設(shè)置要求。
?。?） 用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法設(shè)計軟面板。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，一個虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個虛擬儀器組成，每個虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控件組成。
3 虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案
在虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案，主要包括底層硬件、軟硬件接口、應(yīng)用程序以及驅(qū)動程序的設(shè)計與開發(fā)。
3.1 制定所設(shè)計儀器的接口形式
如果儀器設(shè)備具有RS-232串行接口，則直接用連線將儀器設(shè)備和計算機的RS-232串行口連接即可。如果是GPIB接口，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)備之間的通信橋梁。如果使用計算機來控制VXI總線設(shè)備，則需要配置一塊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。DAQ數(shù)據(jù)采集卡是基于計算機標(biāo)準(zhǔn)總線的，因此可以將數(shù)據(jù)采集卡直接插到計算機的插槽上。
3.2 開發(fā)硬件采集卡
一種典型的數(shù)據(jù)采集卡組成包括，先用傳感器把非電的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電量，采樣/保持器可以保持信號，實現(xiàn)對瞬時信號進行采集，以便ADC進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，提高ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。實現(xiàn)在測量中同時對多路模擬信號進行采樣。多路模擬開關(guān)可以分時選通來自多個輸入通道的某一路信號，這樣在多路開關(guān)后的單元電路，只需一套即可，也可以采用計算機進行多路選擇控制。當(dāng)傳感器輸出的信號比較小，可以用放大器放大和緩沖輸入信號，如果采用的是可編程增益放大器就可以通過計算機進行增益選擇控制確定增益倍數(shù)。精度及性能是儀器系統(tǒng)的生命，而這完全依賴于提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的信號采集控制電路，因此在硬件采集電路的設(shè)計時，需根據(jù)所設(shè)計的虛擬儀器所要達到的性能指標(biāo)和被測信號的特點，設(shè)計合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理與否，對系統(tǒng)的可靠性、性能價格比等有直接影響，在硬件和軟件功能的設(shè)計上要盡量使虛擬儀器的結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低廉，選用合適的單元器件，盡可能的提高采集卡采集的精度和速度。
3.3 確定設(shè)計采集卡的設(shè)備驅(qū)動程序方案
采集卡的設(shè)備驅(qū)動程序是控制各種硬件采集卡的驅(qū)動程序，是連接主控計算機與信號采集調(diào)理部件的紐帶。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，它是虛擬儀器核心軟件之一。
3.4 確定虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用程序編程語言
虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計在體現(xiàn)整個系統(tǒng)的性能和靈活性方面作用很大，因此在開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)的軟件部分時，首先要根據(jù)所開發(fā)的虛擬儀器功能和性能，確定應(yīng)用程序和軟面板程序的模塊結(jié)構(gòu)和功能，畫出各部分的流程圖，采用合適的編程語言。在編制虛擬儀器軟件中可采用兩種編程方法。一種是采用面向?qū)ο蟮目梢暬母呒壘幊陶Z言，如VC++、VB和Delphi等編寫虛擬儀器的軟件，這種方法實現(xiàn)的系統(tǒng)靈活性高，易于擴充和升級維護。另一種是采用圖形化編程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用圖形化編程的優(yōu)勢是軟件開發(fā)周期短、編程較簡單，特別適合工程技術(shù)人員使用?？傊诰帉懗绦驎r，要盡可能的讓每一模塊都有一定的獨立性，模塊之間明確定義接口，模塊之間可以采用數(shù)據(jù)傳遞的形式進行聯(lián)系。
3.5 軟件調(diào)試和運行
程序編寫好以后要對各模塊進行調(diào)試和運行，可以通過采集各種標(biāo)準(zhǔn)信號來驗證虛擬儀器系統(tǒng)功能的正確性和性能的優(yōu)良性。
4 文章結(jié)語
本文研究了虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計方案，主要包括了虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成，虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、以及虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案，用虛擬儀器技術(shù)組建的系統(tǒng)，更加靈活、更緊湊、更經(jīng)濟、功能更強大。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，設(shè)計虛擬儀器系統(tǒng)都是理想的、高效率的解決方案。
信息整理：揚州拓普電氣科技有限公司 信息來源：ewkbg.com
1 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成
虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。
1.1 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。
按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。
1.2 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分。
1.2.1儀器面板控制軟件
儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。
1.2.2 數(shù)據(jù)分析處理軟件
利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強大的函數(shù)庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時間。
1.2.3 儀器驅(qū)動軟件
虛擬儀器驅(qū)動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動程序的核心是驅(qū)動程序函數(shù)/VI集，函數(shù)/VI是指組成驅(qū)動的模塊化子程序。驅(qū)動程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應(yīng)用函數(shù)/VI層，它根據(jù)具體測量要求調(diào)用底層的函數(shù)/VI。
1.2.4 通用I/O接口軟件
在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來越重要。VXI總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標(biāo)準(zhǔn)，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標(biāo)準(zhǔn)，VISA具有與儀器硬件接口無關(guān)性的特點， 即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設(shè)備上，這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開發(fā)的方式和手段。
2 虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
虛擬儀器軟面板是用戶用來操作儀器，與儀器進行通信，輸入?yún)?shù)設(shè)置，輸出結(jié)果顯示的用戶接口。其設(shè)計準(zhǔn)則是：
?。?） 按照VPP規(guī)范設(shè)計軟面板，使面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、可移植性。
?。?） 根據(jù)測試要求確定儀器功能。根據(jù)測試任務(wù)確定儀器軟面板具體測試、測量功能，開關(guān)、控制等設(shè)置要求。
?。?） 用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法設(shè)計軟面板。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，一個虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個虛擬儀器組成，每個虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控件組成。
3 虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案
在虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案，主要包括底層硬件、軟硬件接口、應(yīng)用程序以及驅(qū)動程序的設(shè)計與開發(fā)。
3.1 制定所設(shè)計儀器的接口形式
如果儀器設(shè)備具有RS-232串行接口，則直接用連線將儀器設(shè)備和計算機的RS-232串行口連接即可。如果是GPIB接口，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)備之間的通信橋梁。如果使用計算機來控制VXI總線設(shè)備，則需要配置一塊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。DAQ數(shù)據(jù)采集卡是基于計算機標(biāo)準(zhǔn)總線的，因此可以將數(shù)據(jù)采集卡直接插到計算機的插槽上。
3.2 開發(fā)硬件采集卡
一種典型的數(shù)據(jù)采集卡組成包括，先用傳感器把非電的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電量，采樣/保持器可以保持信號，實現(xiàn)對瞬時信號進行采集，以便ADC進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，提高ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。實現(xiàn)在測量中同時對多路模擬信號進行采樣。多路模擬開關(guān)可以分時選通來自多個輸入通道的某一路信號，這樣在多路開關(guān)后的單元電路，只需一套即可，也可以采用計算機進行多路選擇控制。當(dāng)傳感器輸出的信號比較小，可以用放大器放大和緩沖輸入信號，如果采用的是可編程增益放大器就可以通過計算機進行增益選擇控制確定增益倍數(shù)。精度及性能是儀器系統(tǒng)的生命，而這完全依賴于提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的信號采集控制電路，因此在硬件采集電路的設(shè)計時，需根據(jù)所設(shè)計的虛擬儀器所要達到的性能指標(biāo)和被測信號的特點，設(shè)計合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理與否，對系統(tǒng)的可靠性、性能價格比等有直接影響，在硬件和軟件功能的設(shè)計上要盡量使虛擬儀器的結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低廉，選用合適的單元器件，盡可能的提高采集卡采集的精度和速度。
3.3 確定設(shè)計采集卡的設(shè)備驅(qū)動程序方案
采集卡的設(shè)備驅(qū)動程序是控制各種硬件采集卡的驅(qū)動程序，是連接主控計算機與信號采集調(diào)理部件的紐帶。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，它是虛擬儀器核心軟件之一。
3.4 確定虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用程序編程語言
虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計在體現(xiàn)整個系統(tǒng)的性能和靈活性方面作用很大，因此在開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)的軟件部分時，首先要根據(jù)所開發(fā)的虛擬儀器功能和性能，確定應(yīng)用程序和軟面板程序的模塊結(jié)構(gòu)和功能，畫出各部分的流程圖，采用合適的編程語言。在編制虛擬儀器軟件中可采用兩種編程方法。一種是采用面向?qū)ο蟮目梢暬母呒壘幊陶Z言，如VC++、VB和Delphi等編寫虛擬儀器的軟件，這種方法實現(xiàn)的系統(tǒng)靈活性高，易于擴充和升級維護。另一種是采用圖形化編程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用圖形化編程的優(yōu)勢是軟件開發(fā)周期短、編程較簡單，特別適合工程技術(shù)人員使用?？傊诰帉懗绦驎r，要盡可能的讓每一模塊都有一定的獨立性，模塊之間明確定義接口，模塊之間可以采用數(shù)據(jù)傳遞的形式進行聯(lián)系。
3.5 軟件調(diào)試和運行
程序編寫好以后要對各模塊進行調(diào)試和運行，可以通過采集各種標(biāo)準(zhǔn)信號來驗證虛擬儀器系統(tǒng)功能的正確性和性能的優(yōu)良性。
4 文章結(jié)語
本文研究了虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計方案，主要包括了虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成，虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、以及虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案，用虛擬儀器技術(shù)組建的系統(tǒng)，更加靈活、更緊湊、更經(jīng)濟、功能更強大。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，設(shè)計虛擬儀器系統(tǒng)都是理想的、高效率的解決方案。
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