基于PC的虛擬儀器技術(shù)3

1、基于 PC 的虛擬儀器技術(shù) 3 The Technology of Virtual Instrument Based on PC王紅超 陳永明 黃元慶(廈門大學(xué)機(jī)電系 , 福建 廈門 361005摘 要 :本文簡(jiǎn)要介紹了基于 PC 的虛擬儀器的概念、 特點(diǎn)、 系統(tǒng)組成、 應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)關(guān)鍵詞 :虛擬儀器 ;LabVIEW; 驅(qū)動(dòng)程序 ;VIS A1 虛擬儀器的概念傳統(tǒng)儀器由信號(hào)采集 、 信號(hào)處理 、 結(jié)果表達(dá)與儀器控 制這三部分組成 。 在傳統(tǒng)儀器里 , 這三部分都是用硬件 和一些固化的軟件來實(shí)現(xiàn)的 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 , 尤其是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步 ,能的軟件算法精度越來越高 ,號(hào)處理

2、部分 , ,電子線路 , 。 同時(shí) , 結(jié) 果表達(dá)與儀器控制原本就是計(jì)算機(jī)的特長(zhǎng) 。這樣 , 把傳 統(tǒng)儀器的后兩部分 (信號(hào)處理 、 結(jié)果表達(dá)與儀器控制 用 計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn) , 而不再采用硬件 (電子線路 來實(shí)現(xiàn) , 基于這種思想形成的儀器 , 就叫虛擬儀器 。綜上所述 , 所謂的虛擬儀器 , 就是在以通用計(jì)算機(jī)為 核心的通用硬件平臺(tái)上 , 由用戶設(shè)計(jì)定義 , 具有虛擬面 板 , 測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng) 。 這里的 “ 虛擬” 有兩層含義 :(1 虛擬的儀器面板在虛擬儀器里由軟件在計(jì)算機(jī)顯示器上生成類似于 真實(shí)儀器的操作面板 , 物理的開關(guān) 、 按鍵 、 旋鈕以及數(shù)碼 管

3、等顯示器件都是由與實(shí)物外觀很相似的圖形控件來代 替 , 操作人員通過鼠標(biāo)或者鍵盤操縱軟件界面中的這些 控件來完成儀器的控制 。(2 由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能在虛擬儀器系統(tǒng)中 , 儀器功能是由軟件編程來實(shí)現(xiàn) 的。 它不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的測(cè)量功能 , 也能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀 器不能實(shí)現(xiàn)或者很難實(shí)現(xiàn)的一些數(shù)據(jù)處理功能 , 如 FFT 分 析、 小波分析、 數(shù)字濾波、 回歸分析、 統(tǒng)計(jì)分析等。 通過不 同軟件模塊的組合 , 還可以實(shí)現(xiàn)多種自動(dòng)測(cè)試功能。 2 虛報(bào)儀器的特點(diǎn)虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一種 新型的 、 富有生命力的儀器種類 。 與傳統(tǒng)儀器相比 , 虛擬 儀器的特點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方

4、面 :(1 豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能3廈門大學(xué)預(yù)研基金資助項(xiàng)目 , 項(xiàng)目編號(hào) :0620 y07001虛擬儀器融合了計(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 、 , 大大增強(qiáng)的新概念, 實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件 , 節(jié)省了物質(zhì)資源 , 增加了系統(tǒng)靈活性 ; 通過軟 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 ; 通過圖形用戶界面 (G Ul 技術(shù) , 真正做到 界面友好 、 人機(jī)交互 。(3 虛擬儀器的功能 、 性能 、 指標(biāo)可由用戶定義 即可以根據(jù)用戶的不同要求對(duì)同一儀器的功能 、 性 能 、 指標(biāo)進(jìn)行修改或增刪 , 徹底打破了傳統(tǒng)儀器一經(jīng)設(shè) 計(jì) 、 制

5、造完成后 , 其功能 、 性能 、 指標(biāo)不可改變的封閉性 、 單一性 。 另一方面也可以將多種儀器的功能 、 性能 、 指標(biāo) 等以軟件的形式集成在一個(gè) “ 功能軟件庫(kù)” 虛擬儀器 庫(kù)內(nèi) , 通過它們的不同組合以及與各種不同類型的硬件 接口搭配 , 使得用一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)就可實(shí)現(xiàn)各種儀器的 不同功能 , 大大提高了儀器功能的靈活性 , 甚至可以進(jìn)行 非常復(fù)雜性的測(cè)試工作 。(4 易于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)量?jī)x器基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù) , 虛擬儀器系統(tǒng)具有 方 便、 靈活的互聯(lián)性 (connectivity , 廣泛支持諸如 C AN 、 FieldBus 、 PROFI BUS 等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。

6、 因此 , 利用虛 擬儀器技術(shù)可方便地構(gòu)建遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) (A TS ,Auto 2 matic T est System , 實(shí)現(xiàn)測(cè)量、 控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。(5 開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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 , 使資源的可重復(fù)利用率提高 , 所組建的 儀器系統(tǒng)功能易于擴(kuò)展 , 維護(hù)和開發(fā)費(fèi)用降低 。3 虛擬儀器的組成虛擬儀器通常是由計(jì)算機(jī) 、 硬件接口電路和軟件這 三部分組成 。311 計(jì)算機(jī) 計(jì)量與測(cè)試技術(shù) 2005年第 32卷第 6期計(jì)算機(jī)管理著虛擬儀器的硬軟件資源 , 是虛擬儀

7、器的 核心。 計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、 存儲(chǔ)能力、 處理性能、 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。圖 1 虛擬儀器的組成312 硬件接口電路根據(jù)硬件接口電路的不同 , G PI B 系統(tǒng) 、 VXI 系統(tǒng) DAQ 系 統(tǒng)等幾種常用的類型 一下簡(jiǎn)要介紹 :(1 G PI B (G eneral Purpose Interface Bus 系統(tǒng)G PI B 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IEEE488. 1和 IEEE488. 2, 它是最早的儀器總線 , 目前多 數(shù)儀器都配置了遵循 IEEE488的 G PI B 接口 。典型的 G PI B 測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)

8、計(jì)算機(jī) 、 一塊 G PI B 接口卡和若 干臺(tái) G PI B 儀器 。 每臺(tái) G PI B 儀器有單獨(dú)的地址 , 由計(jì)算 機(jī)控制操作 。 系統(tǒng)中的儀器可以增加 、 減少或更換 , 只需 對(duì)計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)改動(dòng) 。 這種概念已被應(yīng)用于 儀器的內(nèi)部設(shè)計(jì) 。 在價(jià)格上 , G PI B 儀器覆蓋了從比較便 宜的到異常昂貴的儀器 。但是 G PI B 的數(shù)據(jù)傳輸速度一 般低于 500kb/s , 不適合于對(duì)系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用 。(2 VXI (VMEbus eX tension for lnstrumentation 系統(tǒng) VXI 總線是 VME 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展 , 是 1987年

9、在 VME 總線 、 Eurocard 標(biāo)準(zhǔn) (機(jī)械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn) 和 IEEE488等的基礎(chǔ)上 , 由主要儀器制造商共同制訂的開放性儀器 總線標(biāo)準(zhǔn) 。 VXI 系統(tǒng)最多可包含 256個(gè)裝置 , 主要由主 機(jī)箱 、 “ O 槽” 控制器 、 具有多種功能的模塊儀器和驅(qū)動(dòng)軟 件 、 系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成 。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更 換 , 即插即用組成新系統(tǒng) 。 但是 VXI 價(jià)格相對(duì)較高 , 適合 于尖端的測(cè)試領(lǐng)域 。(3 PXI (PCIeX tension for lnstrumentaion 系統(tǒng)PXI 總線是 PCI 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展 , 是 NI 公司 于 1997年發(fā)布的一種新的開放性

10、 、 模塊化儀器總線規(guī) 范 。 其核心是 C om pactPCI 結(jié)構(gòu)和 Micros oft Windows 軟件 。 PXI 是在 PCI 內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求 形成的 。 PXI 增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí) 鐘 、 用于精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線 、 以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等 , 以滿足試驗(yàn)和用戶的要求 。 PXI兼容 C om pactPCI 機(jī)械規(guī)范 , 并增加了主動(dòng)冷卻 、 環(huán)境測(cè) 試 (溫度 、 濕度 、 振動(dòng)和沖擊試驗(yàn) 等要求 , 這樣可保證多 廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性 。(4 串行總線系統(tǒng)它是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算

11、機(jī)為硬件平臺(tái)的 系統(tǒng) , 包括符合 RS -232標(biāo)準(zhǔn)的 P LC 系統(tǒng)和單片機(jī)系統(tǒng) 。 串行總線儀器比較普遍 , 這是由于大多數(shù)電腦都有一至兩 個(gè)串行通信接口 , 且連接和編程都比較方便。 然而串行通 信的缺點(diǎn)是一個(gè)串行接口只能與一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信而且 速度相對(duì)比較慢 , 僅適用于簡(jiǎn)單、 低速的測(cè)控系統(tǒng)。(5 DAQ (Data 系統(tǒng) , , 大大增加 利用 DAQ 可方便快速地 (C om puter -Based lnstruments , 實(shí) “ 一機(jī)多型” 和 “ 一機(jī)多用” 。 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā) 展 ,PC 機(jī)的性能得到了極大的提高 。它擁有強(qiáng)大的硬件 基礎(chǔ) 、 廣泛的軟件支持

12、 、 一大批熟練的用戶以及低廉的價(jià) 格 。 因此 , 基于 PC -DAQ 的虛擬儀器將成為虛擬儀器的 一個(gè)重要發(fā)展方向 。 3. 3 軟件虛擬儀器技術(shù)最核心的思想 , 就是充分利用計(jì)算機(jī) 的軟件資源 , 使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的功能軟件化 , 以便最 大限度地降低系統(tǒng)成本 , 增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性 。虛 擬儀器的軟件系統(tǒng)框架從低層到頂層 , 包括三部分 :VISA 庫(kù) 、 儀器驅(qū)動(dòng)程序 、 應(yīng)用軟件 。VIS A (Virtual Instrumentation s oftware Architecture 虛擬 儀器軟件體系結(jié)構(gòu) , 實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的 I/O 函數(shù)庫(kù)及其相 關(guān)規(guī)范的總稱 。一般

13、稱這個(gè) I/O 函數(shù)庫(kù)為 VIS A 庫(kù) 。它 駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能 , 是計(jì) 算機(jī)與儀器之間的軟件層連接 , 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程控 。 它對(duì)于儀器驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者來說是一個(gè)個(gè)可調(diào)用的操作 函數(shù)集 。儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器控制與通信的 軟件程序集 。 它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁 。 每個(gè) 儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序 , 儀器廠商以源碼的 形式提供給用戶 。應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上 , 直接面對(duì)操作 用戶 , 通過提供直觀友好的測(cè)控操作界面 、 豐富的數(shù)據(jù)分 析與處理功能 , 來完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù) 。虛擬儀器應(yīng)用軟 件由用戶編寫 , 可以采用通用編程軟件

14、 , 主要有 Micros oft 公司的 Visual Basic 與 Visual C +、 Borland 公司的 Delphi 等 ; 也可以采用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開發(fā) , 如 HP 公 司的 VEE 、 NI 公司的 LabVIEW 等 。 4 虛擬儀器的應(yīng)用和發(fā)展前景 王紅超等 :基于 PC 的虛擬儀器技術(shù) 虛擬儀器技術(shù)先進(jìn) 、 功能靈活 、 容易構(gòu)建 , 應(yīng)用面極為廣泛 , 下面主要針對(duì)虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化 、 儀器 產(chǎn)業(yè)改造和實(shí)驗(yàn)室方面的應(yīng)用前景和效益進(jìn)行分析 。 4. 1 工業(yè)自動(dòng)化在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域 , 絕大多數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)要求 精確的采樣 , 及時(shí)的數(shù)據(jù)處理和快速

15、的數(shù)據(jù)傳輸 。虛擬 儀器系統(tǒng)恰恰符合上述要求 , 十分適合測(cè)控一體化的設(shè) 計(jì) 。 尤其在制造業(yè) , 虛擬儀器卓越的計(jì)算能力和巨大的 數(shù)據(jù)吞吐能力必將使其在溫控系統(tǒng) 、 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 、 電力 儀表系統(tǒng) 、 流程控制系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用 。 另一方面 , 采用虛擬儀器技術(shù) , 根據(jù)實(shí)際流程和控制要 求 , 將分布在企業(yè)不同位置的各種測(cè)量?jī)x器和控制裝置 連接為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) , 通過計(jì)算機(jī)實(shí)施集中控制和管理 , 可以改變采用傳統(tǒng)單元分散工作時(shí)成本高 、 維護(hù)困難 、 資 源配置重復(fù)等缺點(diǎn) , 提高工業(yè)自動(dòng)化改造的經(jīng)濟(jì)效益 , 低管理成本 。 4. 2 儀器產(chǎn)業(yè)改造 一個(gè)重要領(lǐng)域 。 , 對(duì)整

16、 個(gè)國(guó)家的科技開發(fā)能力 、 國(guó)防高科技水平和工業(yè)現(xiàn)代化 水平都有直接或潛在的重要影響 。 由于工業(yè)基礎(chǔ)比較落 后 , 我國(guó)的儀器制造 , 尤其是高性能科學(xué)儀器的制造還遠(yuǎn) 遠(yuǎn)不能滿足國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要 。目前 , 像數(shù)字 示波器 、 頻譜分析儀和邏輯分析儀等中高檔儀器還主要 依賴進(jìn)口 , 即使像數(shù)字萬用表 、 函數(shù)發(fā)生器等基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x 器 , 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品在功能 、 易用性等方面仍然存在差 距 。 傳統(tǒng)臺(tái)式儀器制造水平不僅取決于設(shè)計(jì) , 還依賴于 工藝和加工水平 , 因此短期內(nèi)提高有一定困難 。采用虛 擬儀器技術(shù) , 將過去儀器中許多靠硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟 件來代替 , 利用商品化的數(shù)據(jù)采集

17、和 PC 技術(shù) , 完全可以 開發(fā)出各行各業(yè)急需的各種測(cè)量?jī)x器 , 縮短我國(guó)與先進(jìn) 國(guó)家在儀器領(lǐng)域的差距 。 這是采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn) 業(yè)的一個(gè)大有作為的領(lǐng)域 。4. 3 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用電子儀器與測(cè)試實(shí)驗(yàn)室是高等理工院校必備的教學(xué) 實(shí)驗(yàn)條件 。 為了提供一定的實(shí)驗(yàn)規(guī)模 , 保證每個(gè)學(xué)生得 到實(shí)際動(dòng)手能力的訓(xùn)練 , 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室一般需購(gòu)置大量 的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器 , 如示波器 、 萬用表 、 信號(hào)源等 , 投資大 、 技術(shù)更新慢 、 維護(hù)成本高 。 利用虛擬儀器技術(shù) , 我們可以 設(shè)計(jì)出與實(shí)際儀器在原理 、 功能和操作等方面一樣的虛 擬儀器 。 利用這些虛擬儀器 , 學(xué)生在計(jì)算機(jī)上就可以學(xué) 習(xí)和掌握儀

18、器原理 、 功能和操作 , 并通過儀器與儀器 , 儀 器與電路的相互配合 , 完成實(shí)際測(cè)試過程 , 達(dá)到與實(shí)際儀 器教學(xué)的相同目的 。 這種思想對(duì)從根本上改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn) , , 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教 , 完全可以實(shí)現(xiàn)設(shè) 。通過這樣一種實(shí)驗(yàn)方式 , 也 。 隨著計(jì)算機(jī)的普 及 , 虛擬儀器甚至可以進(jìn)入中學(xué)物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂 。 虛擬儀器技術(shù)是一項(xiàng)涉及多種技術(shù)領(lǐng)域的綜合性技 術(shù) , 并且也是一項(xiàng)仍然在不斷發(fā)展的新技術(shù) 。 總的說來 , 虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一次革命 , 它代表著 儀器發(fā)展的最新方向和潮流 , 對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè) 生產(chǎn)的進(jìn)步將產(chǎn)生不可估量的影響 。參考文獻(xiàn)1楊樂平 , 李海濤等 . 虛擬儀器技術(shù)概論 . 北京 :電子工業(yè)出版社 , 2003.2石博強(qiáng)等 ,Labview 6. 1編程技術(shù)實(shí)用教程 . 北京 :中國(guó)鐵道出版社 ,2002.3張易知等 , 虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) , 西安 :西安電子科技大學(xué)出版社