《基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術》課件第1章

第1章虛擬儀器技術1.1虛擬儀器概述1.2虛擬儀器技術前景展望本章小結練習與思考

1.1虛擬儀器概述

1.1.1虛擬儀器的基本概念

所謂虛擬儀器(VirtualInstrument，VI)，是指以通用計算機作為系統(tǒng)控制器，由軟件來實現(xiàn)人機交互和大部分儀器功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。用戶操作這臺通用計算機就像操作一臺為自己專門設計的傳統(tǒng)電子儀器一樣。虛擬儀器的出現(xiàn)，使得測量儀器與計算機之間的界線逐漸模糊。虛擬儀器通過I/O接口設備完成信號的調理、采集與測量，利用個人計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析、處理，由個人計算機顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測結果，從而完成各種測試功能?！疤摂M”二字主要包含以下兩方面含義：

(1)虛擬儀器的面板是虛擬的。虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的。

傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是實物，需要通過手動或觸摸進行操作；而在虛擬儀器中，物理的開關、按鍵等器件均由與實物外觀相似的圖形控件來代替，它們分別對應著相應的軟件程序。這些程序是已設計好的，用戶可直接通過鼠標或鍵盤操縱這些控件來完成對儀器的操控。

(2)虛擬儀器的測量功能是由軟件編程來實現(xiàn)的。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅用來處理信號的輸入/輸出，軟件才是整個測試儀器系統(tǒng)的關鍵。用戶可以通過軟件編程來實現(xiàn)儀器的測試功能，還可以通過組合不同測試功能的軟件模塊來實現(xiàn)多種測試功能。當測試要求發(fā)生變化或者需要增加(減少)測試項目時，用戶只需要適當?shù)馗能浖绦颍纯缮蓾M足測試要求的全新的測試儀器系統(tǒng)。因此，在硬件平臺確定后，有著“軟件就是儀器”的說法，它體現(xiàn)了測試技術與計算機深層次的結合。1.1.2虛擬儀器的構成

從內部功能來講，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器一樣，均由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理及結果顯示三部分組成，如圖1-1所示。圖1-1虛擬儀器的內部功能劃分從構成要素來講，虛擬儀器由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1-2所示。圖1-2虛擬儀器的系統(tǒng)構成

1.虛擬儀器的硬件系統(tǒng)

虛擬儀器的硬件系統(tǒng)通常包括通用計算機和外圍硬件設備。其中，通用計算機可以是筆記本電腦、臺式機或工作站等。外圍硬件設備可分為GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)、VXI(VMEbuseXtensionforInstrumentation)、PXI(PCIeXtensionforInstrumentation)和DAQ(DataAcquisition)四種標準體系結構。構成系統(tǒng)時，可以選擇單一的，也可以選擇由兩種或兩種以上硬件系統(tǒng)構成的混合系統(tǒng)。其中，最簡單、最廉價的形式是采用ISA或PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，或是基于RS-232或USB總線的便攜式數(shù)據(jù)采集模塊。

2.虛擬儀器的軟件系統(tǒng)

虛擬儀器的軟件系統(tǒng)從底層到頂層共包括三部分，即VISA(I/O)庫、儀器驅動程序與應用軟件。

1)?VISA庫

VISA(VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture)即虛擬儀器軟件體系結構，實質是標準的I/O函數(shù)庫及其相關規(guī)范的總稱。一般稱這個I/O函數(shù)庫為VISA庫，它駐留于計算機系統(tǒng)之中，執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，可實現(xiàn)對儀器的程控。對于儀器驅動程序開發(fā)者來說，它是一個個可調用的操作函數(shù)集。

2)儀器驅動程序

儀器驅動程序是完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集，它是應用程序實現(xiàn)儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅動程序，儀器廠商將儀器驅動程序以源碼的形式提供給用戶。

3)應用軟件

應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶。它通過直觀、友好的測控操作界面，豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動測試任務。虛擬儀器應用軟件的編寫大致可分為兩種方式：

(1)用通用編程軟件進行編寫。通用編程軟件主要有Microsoft公司的VisualBasic與VisualC++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder等。

(2)用專業(yè)圖形化編程軟件進行開發(fā)。專業(yè)圖形化編程軟件如HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等。應用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件，它主要由用于數(shù)字信號處理的各種功能函數(shù)(如頻域分析的功率譜估計、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和細化分析等；時域分析的相關分析、卷積運算、反卷運算、均方根估計、差分積分運算和排序等)及數(shù)字濾波等部分組成。這些功能函數(shù)為用戶進一步擴展虛擬儀器的功能奠定了基礎。1.1.3虛擬儀器的特點

虛擬儀器具有如下六個特點：

(1)突出“軟件就是儀器”的新概念，用戶可自定義測量功能。在通用硬件平臺確定后，可由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。軟件的靈活性和復用性使用戶可以按自己的需要定義(設置)測量功能，這就給用戶提供了一個充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。

(2)強大的數(shù)據(jù)處理功能。虛擬儀器將信號分析、顯示、存儲、打印和其他管理交由計算機來集中處理，充分利用了計算機強大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和發(fā)布功能。信號處理理論的不斷完善以及計算機運算速度的大大提高，為虛擬儀器快速、準確地處理數(shù)據(jù)提供了良好的基礎。

(3)靈活性和可擴展性強，性價比高，便于組成復雜的測試系統(tǒng)。當希望測試系統(tǒng)增加一個新的測量功能時，只需通過增加軟件來執(zhí)行新的功能或增加一個通用模塊來擴展系統(tǒng)的測量范圍；為提高測試系統(tǒng)的性能，可以通過加入一個通用儀器卡或更換一個儀器卡來實現(xiàn)，這樣有利于系統(tǒng)的擴展，也可大大節(jié)約購買和維護儀器的費用。

(4)良好的人機界面。虛擬儀器的操控界面是一種虛擬面板，亦稱為軟面板。虛擬面板可以模擬傳統(tǒng)儀器面板的風格來設計，也可以由用戶根據(jù)實際需求自行設計。測量結果可以通過計算機顯示器以曲線、圖形數(shù)據(jù)或表格等形式方便靈活地顯示出來。

(5)與其他設備互連的能力強。虛擬儀器通常具有標準化的總線或通信接口，具有與其他設備互連的能力。近年來，隨著網絡技術的發(fā)展，已經形成了網絡虛擬儀器。這是一種新型的基于Web技術的虛擬儀器，它使得虛擬儀器測試系統(tǒng)成為Internet/Intranet的一部分，可實現(xiàn)遠程測試、監(jiān)控和故障診斷等功能，以便充分利用有效資源，提高測試效率。

(6)技術更新快。由于虛擬儀器技術是建立在當今世界最新的計算機技術、數(shù)據(jù)采集技術和通信技術基礎上的，因而技術更新速度快于傳統(tǒng)儀器。

1.1.4虛擬儀器接口總線技術

隨著計算機技術、測試儀器和測試技術的不斷發(fā)展，虛擬儀器接口總線技術也得到了不斷的完善和提高。目前用于虛擬儀器和測試系統(tǒng)的總線技術有GPIB總線、VXI總線、PXI總線、IEEE1394總線和USB總線等。

1.?GPIB總線

GPIB在20世紀70年代由惠普公司率先提出，經批準后成為IEEE488標準，是業(yè)界所接受的第一個程控通用儀器總線。GPIB包括IEEE488.1-1978標準和IEEE488.2-1987標準兩部分，前者定義了硬件標準，后者則定義了軟件標準。GPIB總線接口有24線(IEEE488標準)和25線(IEC-625標準)兩種形式，其中以IEEE488的24線GPIB總線接口應用最多。在我國，國家標準中規(guī)定采用24線的電纜及相應的插頭插座。如今，GPIB已經成為計算機與儀器間最通用的總線標準。由于歷史悠久，GPIB具有廣泛的軟/硬件支持，幾乎所有的獨立儀器都配有GPIB接口。因GPIB的最大帶寬為1.8Mb/s(最新的高速版HS488更是將最大帶寬提高到了8Mb/s)，所以最為適合與分立儀器通信，并對分立儀器進行控制。GPIB中的數(shù)據(jù)傳遞采用基于信息的通信模式，并常使用ASCII字符。

典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器，其總距為20m，帶寬為總線上的所有儀器共享。GPIB測試系統(tǒng)的儀器之間可采用總線型連接或星型連接，如圖1-3所示。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。整個測試系統(tǒng)中的儀器若要增加、減少或更換，只需對計算機的控制軟件做相應改動即可。圖1-3GPIB測試系統(tǒng)儀器間的連接方式(a)儀器間采用總線型連接；(b)儀器間采用星型連接

GPIB測試系統(tǒng)的結構和命令簡單，有專為儀器控制所設計的接口信號和接口插件，具有突出的堅固性和可靠性。網絡上也有各種GPIB驅動，因而具有較好的兼容性。GPIB適用于現(xiàn)有的自動化測試設備、混合測控系統(tǒng)和有特殊要求的專用儀器系統(tǒng)。GPIB的缺點是無法提供多臺儀器同步和觸發(fā)的功能，在傳輸大量數(shù)據(jù)時帶寬不足。

2．VXI總線

VXI即VME總線在儀器領域的擴展，它于1987年，由主要儀器制造商在VME總線、Eurocard標準(機械結構標準)和IEEE488等基礎上，共同制定的開放性儀器總線標準。目前，國際上有兩個VXI總線組織：一是VXI聯(lián)盟，負責制定VXI的硬件(儀器級)標準規(guī)范，包括機箱背板總線、電源分布、冷卻系統(tǒng)、“0槽”模塊、儀器模塊的電氣特性、機械特性、電磁兼容性以及系統(tǒng)資源管理和通信規(guī)程等內容；二是VXI總線即插即用(VXIPlug&Play，VPP)系統(tǒng)聯(lián)盟，宗旨是通過制定一系列VXI的軟件(系統(tǒng)級)標準來提供一個開放性的系統(tǒng)結構，真正實現(xiàn)VXI總線產品的“即插即用”。這兩套標準組成了VXI標準體系，實現(xiàn)了VXI的模塊化、系列化、通用化，提高了VXI儀器的互換性和互操作性。

VXI系統(tǒng)最多可包含256個裝置，主要由主機箱、“0槽”控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅動軟件、系統(tǒng)應用軟件等組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用，可組成新系統(tǒng)。1998年，VXI2.0版采用了VME總線的最新擴展技術，提供有64位的擴展能力，數(shù)據(jù)傳輸率可達80Mb/s，而且經過一段時間的努力，VXI總線系統(tǒng)已成功地應用于微波頻段。目前，可用的VXI儀器已有將近2000種，并還在以每年150～200種的速度增加，基本上可以滿足絕大多數(shù)VXI系統(tǒng)的需要。由于VXI的價格相對較高，而且許多GPIB儀器還能滿足實際的需要，再則在集成VXI系統(tǒng)時，需要有系統(tǒng)設計能力、系統(tǒng)調試經驗、誤差分析修正定標、校準技術及測試程序開發(fā)能力，因此VXI儀器的使用和推廣受到了一定的限制。目前，VXI主要應用于國防、航空航天、通信以及其他需要高性能、高質量、大批量產品的生產環(huán)境或實驗室及研究開發(fā)中。

3．PXI總線

PXI是PCI在儀器領域的擴展，NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范，其核心是CompactPCI結構和MicrosoftWindows軟件。PXI是在PCI內核技術上增加了成熟的技術規(guī)范和要求而形成的。

PXI兼容CompactPCI機械規(guī)范，并增加了主動冷卻、環(huán)境測試(溫度、濕度、振動和沖擊試驗)等要求。這樣，可保證多廠商產品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。

與VXI模塊相比，PXI模塊體積更小、傳輸速率更高、價格也較便宜，而且組建一個PXI系統(tǒng)要比VXI系統(tǒng)簡單。PXI與臺式機的區(qū)別在于，PXI將計算機和插卡式儀器模塊安裝在帶有許多擴展槽的工業(yè)機機箱中。從軟件角度上說，安裝一個PXI模塊就像在臺式機上安裝一塊PC卡，PXI模塊作為標準的即插即用PCI器件能被自動識別和設置，并配置有相應的Windows驅動程序。由于PXI和主流計算機技術完全兼容，因此在許多測試領域，由臺式機組成的系統(tǒng)與PXI系統(tǒng)可以相互替代，而且PXI系統(tǒng)在性能上還遠遠超過了臺式機。

4．USB總線和IEEE1394總線

USB總線和IEEE1394總線是目前廣泛使用的兩種總線接口，它們支持熱插拔，可以自動識別、自動組態(tài)，實現(xiàn)即插即用。與并行總線比較，它們更適合連接多外設的需要，且傳輸速率高，目前已有一些測量儀器使用了這兩種總線。

USB(UniversalSerialBus)主要用來連接外圍設備，如鍵盤﹑掃描儀﹑磁盤機等。蘋果電腦率先于1998年使用USB做為其唯一的串口，目前在PC機上已被廣泛使用。由于其即插即用的易用性和USB2.0高達480Mb/s的傳輸速率，USB總線已逐漸成為儀器控制的主流總線技術。

USB總線只有一對信號線和一對電源線，輕巧簡便、價格便宜，能連接127個裝置?，F(xiàn)在計算機上的USB接口越來越多，這使得工程師可以很方便地將基于USB的測量儀器連接到整個系統(tǒng)中。但是USB在儀器控制方面亦有一些缺點。比如說USB的排線沒有工業(yè)標準的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，可能造成數(shù)據(jù)的丟失；此外，USB對排線的距離也有一定的限制。

IEEE1394總線又稱火線總線，是蘋果電腦公司于1989年設計的高性能串行總線，目前的標準為IEEE1394-1995。IEEE1394總線的傳輸速率為100Mb/s、200Mb/s、400Mb/s，甚至可以達到3.2Gb/s。IEEE1394總線具有兩對信號線和一對電源線，可采用任意方式連接63個裝置。

5．其他總線

安捷倫科技和VXITechnology公司于2004年推出了LXI(LANeXtensionsforInstrumentation)總線。2004年11月，LXI聯(lián)盟(LXIConsortium)成立，旨在開發(fā)、支持和促進LXI標準。2005年9月，LXI聯(lián)盟正式公布了LXI1.0標準。2006年第一季度首批通過LXI認證的產品即被推出。

LXI基于IEEE802.3以太網技術，是以太網在儀器領域的擴展。LXI總線速度現(xiàn)在最快達到千兆位每秒，還將發(fā)展為萬兆位每秒。

LXI理論上支持的設備數(shù)目不受限制，并且通過使用路由器、交換機和中繼器，對線纜長度幾乎沒有限制，還可以使用無線局域網技術。LXI不受地理限制，可以實現(xiàn)遠程測量應用。LXI被認為在未來將取代GPIB，但相比GPIB，LXI