虛擬儀器技術(shù)及其在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

1、虛擬儀器技術(shù)及其在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用                        摘  要：介紹了虛擬儀器的構(gòu)成及其特點(diǎn)，分析了如何從軟件和硬件方面構(gòu)造具體的虛擬儀器；提出了一種虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)采集中新的應(yīng)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(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)角度闡述了數(shù)據(jù)采集器的具體制作方法。實(shí)際應(yīng)用證明是 行之可靠的

2、，可供技術(shù)人員在組建基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集器時(shí)參考使用。     關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；VXI總線；軟件技術(shù)    虛擬儀器是以一種全新的理念來(lái)設(shè)計(jì)和發(fā)展的儀器，他是90年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，主要用于自動(dòng)測(cè)試、過(guò)程控制、儀器設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，其基本思想是在儀器設(shè)計(jì)或測(cè)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(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)用戶需求來(lái)定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，其實(shí)質(zhì)是充分利用計(jì)算機(jī)的最新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。     1

3、0; 虛擬儀器的特點(diǎn)和構(gòu)成    1.1  虛擬儀器的特點(diǎn)    與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開(kāi)放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性 好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：    智能化程度高，處理能力強(qiáng) 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(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。    復(fù)用性強(qiáng)

4、，系統(tǒng)費(fèi)用低 應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高 速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測(cè)試儀 器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開(kāi)放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過(guò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛 擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。    可操作性強(qiáng)，易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶定義，針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的 多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解，測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù) 據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線，

5、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(gòu)成    虛擬儀器的構(gòu)建主要從硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)2個(gè)方面考慮。    硬件電路的設(shè)計(jì)主要根據(jù)用戶所面對(duì)的任務(wù)決定，其中接口設(shè)計(jì)可選用的接口總線標(biāo)準(zhǔn)包 括GP IB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因?yàn)樗哂型ㄓ眯詮?qiáng)、可擴(kuò)充性好、傳輸速 率高、抗干擾能力強(qiáng)以及良好的開(kāi)放性能等優(yōu)點(diǎn)，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(rèn)可，目前VXI模塊化儀器被

6、認(rèn)為是虛擬儀器的最理想平臺(tái)，是儀器硬件的發(fā) 展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺(tái)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(shè)計(jì)一般可以選擇用現(xiàn)有的各種不同的功能模塊來(lái)搭建。通用模塊包括：信號(hào)調(diào) 理和高速數(shù)據(jù)采集；信號(hào)輸出與控制；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(lái)，就能構(gòu)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺(tái)示波器、1臺(tái)數(shù)字化儀或 1臺(tái)頻譜分析儀；使用信號(hào)輸出與控制模塊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺(tái)函數(shù)發(fā)生器、 1臺(tái)信號(hào)源或1臺(tái)控制器。專用接口是針對(duì)特定用途儀器需要的設(shè)計(jì)，也包括一些現(xiàn)場(chǎng)總

7、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(jī)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(jì)算機(jī)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(chǔ)器器件和擴(kuò)展器件。存儲(chǔ)器器件不過(guò)是專用寄存器基器件，用來(lái)保存和傳輸 大量數(shù)據(jù)。擴(kuò)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(jìn)制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點(diǎn)在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬

8、件控制這一層次上進(jìn)行通信的。這種高速通信可以使測(cè)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(hào)/輸出部分的模塊（如開(kāi)關(guān)、多路復(fù)用器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出 卡、模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入卡、信號(hào)調(diào)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(jìn)行通信，與這種器件十分相似是獨(dú)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(jìn)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DSP）進(jìn)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(hào)處理部分的模塊。    軟件的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)包

9、括3部分：VXI總線接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件（軟面板） 。軟件結(jié)構(gòu)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(kù)等。該軟件在編程語(yǔ)言和VXI總線之間建立連接，提供對(duì)VXI背板總線的控制和支 持，是實(shí)現(xiàn)VXI系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。    儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅(qū)動(dòng)軟件，他 的設(shè)計(jì)必須符合VPP的2個(gè)規(guī)范，即VPP3.1儀器驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)和模型和VPP3.2儀器

10、 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)規(guī)范。    “軟面板”設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)具有可變性、多層性、自助性、人性化的面板，這個(gè)面板應(yīng)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(dòng)條、開(kāi)關(guān)按鈕、報(bào)警裝 置等功能部件，而且應(yīng)還具有多個(gè)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(yīng)用    利用虛擬儀器制作數(shù)據(jù)采集器可以按照硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)步驟來(lái)完成。    2.1  硬件設(shè)計(jì)  &

11、#160; 硬件設(shè)計(jì)要完成以下內(nèi)容：    1)模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)     設(shè)置具有通用性的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，一般應(yīng)滿足能對(duì)多路信號(hào)盡可能同步地進(jìn)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(jìn)行存儲(chǔ)，而且還能及時(shí)地在采集過(guò)程中 將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，選用存儲(chǔ)量比較適中的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，這樣既能滿足少量數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 的需要，又能在需要實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，在A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，不丟失任何數(shù)據(jù)。         

12、                        2)VXI總線接口     VXI總線數(shù)據(jù)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(guò)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(jiǎn)單的讀寫(xiě)來(lái)控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體消息基接口的框圖見(jiàn)圖2。

13、        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(yù)置計(jì)數(shù)器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設(shè)計(jì)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(kāi)始采樣，也可以到任意一路結(jié)束采樣，只要截止通道號(hào)大于起始通道號(hào)就可以了。整個(gè)控制在虛擬儀器軟面板上進(jìn)行操作，通過(guò)消息基接口將命令寫(xiě)在這部分的控制寄存器中，從而設(shè)置計(jì)數(shù)器的初值以及采樣的通道總數(shù)。   

14、; 4)定時(shí)采樣控制     由于不同的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)采樣時(shí)間間隔的要求不同，以及同一系統(tǒng)在不同的試驗(yàn)中 需要的采樣時(shí)間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時(shí)間間隔設(shè)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(shè)置可以在虛擬儀器軟面板上進(jìn)行。     5)采樣點(diǎn)數(shù)控制     根據(jù)不同測(cè)試系統(tǒng)的需求，將采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)成可在一個(gè)比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進(jìn)行。   

15、; 6)采樣方式控制     總結(jié)各種自動(dòng)測(cè)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(shí)進(jìn)行的或等轉(zhuǎn)速差進(jìn)行的。所有這些采樣方式，對(duì)于數(shù)據(jù)采集器來(lái)說(shuō)都可以在軟面 板上進(jìn)行選擇。    2.2  軟件設(shè)計(jì)    軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，為使VI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔，一般可采用組件化設(shè)計(jì)思想，將各部分彼此獨(dú)立的軟件單元分別制成標(biāo)準(zhǔn)的組件，然后按照系統(tǒng)的總體要求組成完整的

16、應(yīng)用系統(tǒng)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的組件化的虛擬儀器軟件系統(tǒng)，如圖3所示。        應(yīng)用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴(kuò)展其功能的必要工具，以及利用PC機(jī)、工作站的 強(qiáng)大功能。同時(shí)VPP聯(lián)盟提出了建立虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫(kù)（VISA）的建議，為虛擬儀器的研 制與開(kāi)發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)。這也進(jìn)一步使由通用的VXI數(shù)據(jù)采集模塊、CPU/DSP模塊來(lái)構(gòu)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(yīng)用程序、儀器驅(qū)動(dòng)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(kāi)

17、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(yīng)用開(kāi)發(fā)比以往容易得多。    下面簡(jiǎn)單介紹以NI公司的Lab Windows/CVI為開(kāi)發(fā)環(huán)境，來(lái)進(jìn)行VXI虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi) 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(kāi) 發(fā)者利用Lab Windows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設(shè)計(jì)的一個(gè)圖形用戶界面（GUI）。 一個(gè)Lab Windows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標(biāo)、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及 許多其他控制項(xiàng)和說(shuō)明項(xiàng)構(gòu)成

18、。    第二步：Lab Windows/CVI事件驅(qū)動(dòng)編程。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境Lab Windows/CVI中設(shè)計(jì)一個(gè) 用戶接口，實(shí)際上是在用戶計(jì)算機(jī)屏幕上定義一個(gè)面板，他由各種控制項(xiàng)（如命令按鈕、菜 單、曲線等）構(gòu)成。用戶選中這些控制項(xiàng)就可以產(chǎn)生一系列用戶接口事件（events）。例如 ，當(dāng)用戶單擊一個(gè)命令按鈕，這個(gè)按鈕產(chǎn)生一個(gè)用戶接口事件，并傳遞給開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)的C語(yǔ) 言驅(qū)動(dòng)程序。這是運(yùn)用了Windows編程的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制。Lab Windows/CVI中使用不同類型的 控制項(xiàng)，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(kāi)發(fā)平臺(tái)中，對(duì)事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行C程序編程時(shí)可采用2種基本的方法：回調(diào)函數(shù)法和 事件循環(huán)處理法。    回調(diào)函數(shù)法是開(kāi)發(fā)者為每一個(gè)用戶界面的控制項(xiàng)寫(xiě)一個(gè)獨(dú)立的用戶界面的控制函數(shù) ，當(dāng)選中某個(gè)控制項(xiàng)，就調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行事件處理。在循環(huán)處理法中，只處理GUI控制 項(xiàng)所產(chǎn)生的COMMIT事件。通過(guò)Get User Event函數(shù)過(guò)濾，將所有的COMMIT事件區(qū)分開(kāi)，識(shí)別