虛擬儀器技術及其在數(shù)據(jù)采集中的應用

1、虛擬儀器技術及其在數(shù)據(jù)采集中的應用         摘  要：介紹了虛擬儀器的構成及其特點，分析了如何從軟件和硬件方面構造具體的虛擬儀器；提出了一種虛擬儀器技術在數(shù)據(jù)采集中新的應用方法，該方法利用虛擬儀器制作數(shù)據(jù)采集器，分別從硬件設計、軟件設計兩個角度闡述了數(shù)據(jù)采集器的具體制作方法。實際應用證明是 行之可靠的，可供技術人員在組建基于虛擬儀器技術的數(shù)據(jù)采集器時參考使用。   關鍵詞：虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；VXI總線；軟件技術  虛擬儀器是以一種全新的理念來設計

2、和發(fā)展的儀器，他是90年代發(fā)展起來的一項新技術，主要用于自動測試、過程控制、儀器設計和數(shù)據(jù)分析等領域，其基本思想是在儀器設計或測試系統(tǒng)中盡可能用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”，他是在通用計算機平臺上，根據(jù)用戶需求來定義和設計儀器的測試功能，其實質是充分利用計算機的最新技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。   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

3、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(jù)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(wǎng)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

4、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(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)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(jù)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、

5、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(chǎn)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(jù)采集；信號輸出與控制；數(shù)據(jù)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(jù)采集模塊和高速實時數(shù)據(jù)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

6、；使用信號輸出與控制模塊和實時數(shù)據(jù)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(jù)。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

7、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(jù)所需的掛鉤 要求。消息基器件必須有CPU（或D

8、SP）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。    VXI總線接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和 編程函數(shù)庫等。該軟件在編程語言和VXI總線之間建立連接，提供對VXI背板總線的控制和支 持，是實現(xiàn)VXI系統(tǒng)集成的基礎。  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V

9、PP3.1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(jù)采集中的應用  利用虛擬儀器制作數(shù)據(jù)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  

10、硬件設計要完成以下內容：  1)模/數(shù)轉換及數(shù)據(jù)存儲   設置具有通用性的數(shù)據(jù)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(jù)不但能夠在數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)存儲 的需要，又能在需要實時傳送數(shù)據(jù)時，在A/D轉換的同時進行數(shù)據(jù)傳送，不丟失任何數(shù)據(jù)。            2)VXI總線接口   

11、VXI總線數(shù)據(jù)采集器通常可以利用兩種VXI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。     3)采樣通道控制   為了滿足幾種典型系統(tǒng)通道控制的要求，使通道的數(shù)量足夠多，通道的選取比較靈活，可以利用寄存器電路、可預置計數(shù)器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設計成最多64路、最少2路可以任意選擇，而且可以從任意一路開始采樣，也可以到任意一路結束采樣，只要截止通道

12、號大于起始通道號就可以了。整個控制在虛擬儀器軟面板上進行操作，通過消息基接口將命令寫在這部分的控制寄存器中，從而設置計數(shù)器的初值以及采樣的通道總數(shù)。  4)定時采樣控制   由于不同的自動測試系統(tǒng)對采樣時間間隔的要求不同，以及同一系統(tǒng)在不同的試驗中 需要的采樣時間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時間間隔設置在2 s13. 0 ms之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是2 s。所有這些選擇設置可以在虛擬儀器軟面板上進行。  5)采樣點數(shù)控制   根據(jù)不同測試系統(tǒng)的需求，將采樣點數(shù)設計成可在一個比較大的范圍

13、中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進行。  6)采樣方式控制   總結各種自動測試系統(tǒng)的采樣方式不外乎軟件觸發(fā)采樣和硬件 觸發(fā)采樣。在硬件觸發(fā)采樣中又包括同步整周期采樣和非同步整周期采樣，這2種采樣又可 以是定時進行的或等轉速差進行的。所有這些采樣方式，對于數(shù)據(jù)采集器來說都可以在軟面 板上進行選擇。  2.2  軟件設計  軟件是虛擬儀器的關鍵，為使VI系統(tǒng)結構清晰簡潔，一般可采用組件化設計思想，將各部分彼此獨立的軟件單元分別制成標準的組件，然后按照系統(tǒng)的總體要求組成完整的應用系統(tǒng)，一個標準的組

14、件化的虛擬儀器軟件系統(tǒng)，如圖3所示。    應用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴展其功能的必要工具，以及利用PC機、工作站的 強大功能。同時VPP聯(lián)盟提出了建立虛擬儀器標準結構庫（VISA）的建議，為虛擬儀器的研 制與開發(fā)提供了標準。這也進一步使由通用的VXI數(shù)據(jù)采集模塊、CPU/DSP模塊來構成虛擬儀 器成為可能。  基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集器的軟件包括系統(tǒng)管理軟件、應用程序、儀器驅動軟件和I/O接 口 軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開發(fā)，往往很困難，但現(xiàn)在NI公司提供了所有這 四部分軟件，使應用開發(fā)比以往容易得多。 

15、 下面簡單介紹以NI公司的Lab Windows/CVI為開發(fā)環(huán)境，來進行VXI虛擬儀器的驅動程序開 發(fā)的方法。   第一步：生成儀器模塊的用戶接口資源文件（UIR）。用戶接口資源、文件是儀器模塊 開 發(fā)者利用Lab Windows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設計的一個圖形用戶界面（GUI）。 一個Lab Windows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及 許多其他控制項和說明項構成。  第二步：Lab Windows/CVI事件驅動編程。應用程序開發(fā)環(huán)境Lab Windows/CVI中設計一個 用戶接

16、口，實際上是在用戶計算機屏幕上定義一個面板，他由各種控制項（如命令按鈕、菜 單、曲線等）構成。用戶選中這些控制項就可以產(chǎn)生一系列用戶接口事件（events）。例如 ，當用戶單擊一個命令按鈕，這個按鈕產(chǎn)生一個用戶接口事件，并傳遞給開發(fā)者編寫的C語 言驅動程序。這是運用了Windows編程的事件驅動機制。Lab Windows/CVI中使用不同類型的 控制項，在界面編輯器中將顯示不同類型的信息，并產(chǎn)生不同操作的接口事件。在Lab Wind ows/CVI的開發(fā)平臺中，對事件驅動進行C程序編程時可采用2種基本的方法：回調函數(shù)法和 事件循環(huán)處理法。  回調函數(shù)法是開發(fā)者為每一個用戶

17、界面的控制項寫一個獨立的用戶界面的控制函數(shù) ，當選中某個控制項，就調用相應的函數(shù)進行事件處理。在循環(huán)處理法中，只處理GUI控制 項所產(chǎn)生的COMMIT事件。通過Get User Event函數(shù)過濾，將所有的COMMIT事件區(qū)分開，識別 出是由哪個控制項所產(chǎn)生的事件，并執(zhí)行相應的處理。   第三步：應用函數(shù)/VI集與應用程序軟件包編寫。應用函數(shù)/VI集需針對具體儀器模塊 功能進行編程，應用程序軟件包只是一些功能強大、需要完善的數(shù)據(jù)處理能力的模塊才需要 提供，如波形分析儀模塊、DSP模塊等。   圖4是基于虛擬儀器的系統(tǒng)測試流程。    3  結語  本文探討了虛擬儀器的基本組成，以及實際的虛擬儀器軟硬件設計的一般方法，這些方法經(jīng)過實際設計工作運用證明是可靠的，可供系統(tǒng)工程技術人員在組建具體的基于VXI總線的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集、測試時參考使用。