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對(duì)虛擬儀器的認(rèn)識(shí) 院系：電子信息工程學(xué)院 級(jí)別：2010級(jí) 班級(jí)：測(cè)控技術(shù)與儀器1班 姓名：劉旻 學(xué)號(hào)：20101527121 日期：2013年12月15日1測(cè)量測(cè)試技術(shù)與虛擬儀器測(cè)試與測(cè)量是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的最基本方法。儀器是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與測(cè)量的工具。種類繁多的各種儀器儀表, 已經(jīng)歷了傳統(tǒng)儀器階段和虛擬儀器階段。傳統(tǒng)儀器的缺點(diǎn)是靈活性差, 沒有擺脫獨(dú)立使用、手動(dòng)操作的模式, 難以勝任復(fù)雜的多參數(shù)、多任務(wù)的測(cè)試要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 傳統(tǒng)的儀器已經(jīng)不適應(yīng)快速、復(fù)雜的多參數(shù)的測(cè)試與測(cè)量, 迫切要求測(cè)試、測(cè)量技術(shù)不斷改進(jìn)與完善。由于微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展, 儀器的功能和組成也發(fā)生了質(zhì)的變化。計(jì)算機(jī)處于核心地位, 計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試儀器更緊密結(jié)合成了一個(gè)有機(jī)整體, 儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等都發(fā)生了突破性的變化。在上述的背景下, 20 世紀(jì)80年代中期, 美國(guó)NI 公司提出了全新概念的儀器虛擬儀器。2虛擬儀器的基本概念虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器充分利用了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、運(yùn)算、回放顯示及文件管理等智能化功能, 同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化, 使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合構(gòu)成一臺(tái)功能完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同, 同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)軟硬件資源的全新的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的虛擬二字主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面。(1) 虛擬儀器的面板是虛擬的虛擬儀器的各種面板和面板上的各種控件是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用戶通過(guò)對(duì)鍵盤或鼠標(biāo)來(lái)對(duì)控件操作, 從而完成對(duì)儀器的操作控制。(2) 虛擬儀器的測(cè)試功能是由軟件來(lái)控制硬件實(shí)現(xiàn)的與傳統(tǒng)儀器相比, 虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其功能由軟件定義, 可以由用戶根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行軟件的編寫, 選擇不同的應(yīng)用軟件就可以形成不同的虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。3虛擬儀器的組成及其分類虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)和軟件兩大部分組成。硬件平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)和總線與I/ O 接口設(shè)備兩大部分。(1) 計(jì)算機(jī)一般為PC 機(jī)或計(jì)算機(jī)工作站, 是硬件平臺(tái)的核心。(2) 總線與I/ O 接口設(shè)備總線是連接PC 機(jī)與各種程控儀器與設(shè)備的通道, 完成命令、數(shù)據(jù)的傳輸與交換。I/ O 接口設(shè)備主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大、A/ D轉(zhuǎn)換, 當(dāng)然也包括機(jī)械接插件、插槽、電纜等。根據(jù)總線的類型不同, 虛擬儀器主要有如圖1所示的幾種類型。圖1 虛擬儀器的構(gòu)成框圖由圖1 可見, 不同的類型的總線有其相應(yīng)的I/O 接口硬件設(shè)備, 按總線類型分, 虛擬儀器主要分為以下幾種類型: PCI總線插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結(jié)合（注：美國(guó)NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過(guò)各種控件自己組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過(guò)三種編程語(yǔ)言Visual C+,Visual Basic,Labviews/cvi構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國(guó)LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。GPIB總線方式的虛擬儀器GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)GPIB形式的儀器通過(guò)GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺(tái)儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)40米。GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺(tái)儀器組合起來(lái)，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用。VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。5、PXI總線方式虛擬儀器PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴(kuò)展性。PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有34個(gè)擴(kuò)展槽，通過(guò)使用PCIPCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將形成未來(lái)的虛擬儀器平臺(tái)。4虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)物。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展, 新的測(cè)試?yán)碚?、測(cè)試方法、測(cè)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)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。在此背景下， 1986 年美國(guó)國(guó)家儀器公司( National Instruments, NI) 提出了虛擬儀器( Virtual Instrument, V I) 的概念。 盡管迄今為止虛擬儀器還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義， 但是一般認(rèn)為：虛擬儀器是在PC 基礎(chǔ)上通過(guò)增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測(cè)試儀器系統(tǒng). 和傳統(tǒng)儀器相比， 虛擬儀器具有巨大的優(yōu)越性： (1) 融合計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源, 突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的限制, 大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能；(2) 利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源， 實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)靈活性； 通過(guò)軟件技術(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法，實(shí)時(shí)、直接地對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理； 通過(guò)圖形用戶界面技術(shù)，真正做到界面友好、人機(jī)交互；(3) 虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶可根據(jù)自己的需要，選用不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活，效率更高，縮短了系統(tǒng)組建時(shí)間。作為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的方向，虛擬儀器已迅速發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。美國(guó)是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國(guó)。 國(guó)內(nèi)虛擬儀器研究的起步較晚，最早的研究也是從引進(jìn)消化NI 的產(chǎn)品開始。但經(jīng)過(guò)多年研究，我國(guó)已經(jīng)在虛擬儀器開發(fā)方面形成了自己的特色。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)已將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機(jī)械工程科學(xué)前沿學(xué)科之一，并被列為十五期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，加快了企業(yè)的技術(shù)升級(jí)步伐，先進(jìn)儀器設(shè)備的需求更加強(qiáng)勁；虛擬儀器