1、基于 PC 的虛擬儀器技術 3 The Technology of Virtual Instrument Based on PC王紅超 陳永明 黃元慶(廈門大學機電系 , 福建 廈門 361005摘 要 :本文簡要介紹了基于 PC 的虛擬儀器的概念、 特點、 系統組成、 應用和發展趨勢關鍵詞 :虛擬儀器 ;LabVIEW; 驅動程序 ;VIS A1 虛擬儀器的概念傳統儀器由信號采集 、 信號處理 、 結果表達與儀器控 制這三部分組成 。 在傳統儀器里 , 這三部分都是用硬件 和一些固化的軟件來實現的 。隨著計算機技術的發展 , 尤其是數字信號處理技術的進步 ,能的軟件算法精度越來越高 ,號處理

2、部分 , ,電子線路 , 。 同時 , 結 果表達與儀器控制原本就是計算機的特長 。這樣 , 把傳 統儀器的后兩部分 (信號處理 、 結果表達與儀器控制 用 計算機軟件來實現 , 而不再采用硬件 (電子線路 來實現 , 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 , 就是在以通用計算機為 核心的通用硬件平臺上 , 由用戶設計定義 , 具有虛擬面 板 , 測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統 。 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算機顯示器上生成類似于 真實儀器的操作面板 , 物理的開關 、 按鍵 、 旋鈕以及數碼 管

3、等顯示器件都是由與實物外觀很相似的圖形控件來代 替 , 操作人員通過鼠標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 由軟件實現儀器的測量功能在虛擬儀器系統中 , 儀器功能是由軟件編程來實現 的。 它不僅能實現傳統儀器的測量功能 , 也能實現傳統儀 器不能實現或者很難實現的一些數據處理功能 , 如 FFT 分 析、 小波分析、 數字濾波、 回歸分析、 統計分析等。 通過不 同軟件模塊的組合 , 還可以實現多種自動測試功能。 2 虛報儀器的特點虛擬儀器是計算機技術介入儀器領域所形成的一種 新型的 、 富有生命力的儀器種類 。 與傳統儀器相比 , 虛擬 儀器的特點可以概括為以下幾個方

4、面 :(1 豐富和增強了傳統儀器的功能3廈門大學預研基金資助項目 , 項目編號 :0620 y07001虛擬儀器融合了計算機強大的硬件資源 , 突破了傳 統儀器在數據處理 、 , 大大增強的新概念, 實現了部分儀器硬件 , 節省了物質資源 , 增加了系統靈活性 ; 通過軟 件技術和相應數值算法 , 實時 、 直接地對測試數據進行各 種分析與處理 ; 通過圖形用戶界面 (G Ul 技術 , 真正做到 界面友好 、 人機交互 。(3 虛擬儀器的功能 、 性能 、 指標可由用戶定義 即可以根據用戶的不同要求對同一儀器的功能 、 性 能 、 指標進行修改或增刪 , 徹底打破了傳統儀器一經設 計 、 制

5、造完成后 , 其功能 、 性能 、 指標不可改變的封閉性 、 單一性 。 另一方面也可以將多種儀器的功能 、 性能 、 指標 等以軟件的形式集成在一個 “ 功能軟件庫” 虛擬儀器 庫內 , 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 , 使得用一臺個人計算機就可實現各種儀器的 不同功能 , 大大提高了儀器功能的靈活性 , 甚至可以進行 非常復雜性的測試工作 。(4 易于構建網絡化的測量儀器基于計算機網絡技術和接口技術 , 虛擬儀器系統具有 方 便、 靈活的互聯性 (connectivity , 廣泛支持諸如 C AN 、 FieldBus 、 PROFI BUS 等各種工業總線標準。

6、 因此 , 利用虛 擬儀器技術可方便地構建遠程自動測試系統 (A TS ,Auto 2 matic T est System , 實現測量、 控制過程的網絡化。(5 開放的工業標準虛擬儀器的硬 、 軟件都具有開放性 、 模塊化 、 可重復 使用及互換等特點 。 因此 , 用戶可根據自己的需要 , 選用 不同廠家的產品 , 使資源的可重復利用率提高 , 所組建的 儀器系統功能易于擴展 , 維護和開發費用降低 。3 虛擬儀器的組成虛擬儀器通常是由計算機 、 硬件接口電路和軟件這 三部分組成 。311 計算機 計量與測試技術 2005年第 32卷第 6期計算機管理著虛擬儀器的硬軟件資源 , 是虛擬儀

7、器的 核心。 計算機技術在顯示、 存儲能力、 處理性能、 網絡、 總 線標準等方面的發展 , 導致了虛擬儀器系統的快速發展。圖 1 虛擬儀器的組成312 硬件接口電路根據硬件接口電路的不同 , G PI B 系統 、 VXI 系統 DAQ 系 統等幾種常用的類型 一下簡要介紹 :(1 G PI B (G eneral Purpose Interface Bus 系統G PI B 的硬件規格和軟件協議已納入國際工業標準 IEEE488. 1和 IEEE488. 2, 它是最早的儀器總線 , 目前多 數儀器都配置了遵循 IEEE488的 G PI B 接口 。典型的 G PI B 測試系統包括一臺

8、計算機 、 一塊 G PI B 接口卡和若 干臺 G PI B 儀器 。 每臺 G PI B 儀器有單獨的地址 , 由計算 機控制操作 。 系統中的儀器可以增加 、 減少或更換 , 只需 對計算機的控制軟件作相應改動 。 這種概念已被應用于 儀器的內部設計 。 在價格上 , 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 的數據傳輸速度一 般低于 500kb/s , 不適合于對系統速度要求較高的應用 。(2 VXI (VMEbus eX tension for lnstrumentation 系統 VXI 總線是 VME 總線在儀器領域的擴展 , 是 1987年

9、在 VME 總線 、 Eurocard 標準 (機械結構標準 和 IEEE488等的基礎上 , 由主要儀器制造商共同制訂的開放性儀器 總線標準 。 VXI 系統最多可包含 256個裝置 , 主要由主 機箱 、 “ O 槽” 控制器 、 具有多種功能的模塊儀器和驅動軟 件 、 系統應用軟件等組成 。系統中各功能模塊可隨意更 換 , 即插即用組成新系統 。 但是 VXI 價格相對較高 , 適合 于尖端的測試領域 。(3 PXI (PCIeX tension for lnstrumentaion 系統PXI 總線是 PCI 總線在儀器領域的擴展 , 是 NI 公司 于 1997年發布的一種新的開放性

10、 、 模塊化儀器總線規 范 。 其核心是 C om pactPCI 結構和 Micros oft Windows 軟件 。 PXI 是在 PCI 內核技術上增加了成熟的技術規范和要求 形成的 。 PXI 增加了用于多板同步的觸發總線和參考時 鐘 、 用于精確定時的星形觸發總線 、 以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等 , 以滿足試驗和用戶的要求 。 PXI兼容 C om pactPCI 機械規范 , 并增加了主動冷卻 、 環境測 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的易集成性 。(4 串行總線系統它是以 Serial 標準總線儀器與計算

11、機為硬件平臺的 系統 , 包括符合 RS -232標準的 P LC 系統和單片機系統 。 串行總線儀器比較普遍 , 這是由于大多數電腦都有一至兩 個串行通信接口 , 且連接和編程都比較方便。 然而串行通 信的缺點是一個串行接口只能與一個設備進行通信而且 速度相對比較慢 , 僅適用于簡單、 低速的測控系統。(5 DAQ (Data 系統 , , 大大增加 利用 DAQ 可方便快速地 (C om puter -Based lnstruments , 實 “ 一機多型” 和 “ 一機多用” 。 由于計算機技術的飛速發 展 ,PC 機的性能得到了極大的提高 。它擁有強大的硬件 基礎 、 廣泛的軟件支持

12、 、 一大批熟練的用戶以及低廉的價 格 。 因此 , 基于 PC -DAQ 的虛擬儀器將成為虛擬儀器的 一個重要發展方向 。 3. 3 軟件虛擬儀器技術最核心的思想 , 就是充分利用計算機 的軟件資源 , 使本來需要硬件實現的功能軟件化 , 以便最 大限度地降低系統成本 , 增強系統的功能與靈活性 。虛 擬儀器的軟件系統框架從低層到頂層 , 包括三部分 :VISA 庫 、 儀器驅動程序 、 應用軟件 。VIS A (Virtual Instrumentation s oftware Architecture 虛擬 儀器軟件體系結構 , 實質就是標準的 I/O 函數庫及其相 關規范的總稱 。一般

13、稱這個 I/O 函數庫為 VIS A 庫 。它 駐留于計算機系統之中執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 , 用于實現對儀器的程控 。 它對于儀器驅動程序開發者來說是一個個可調用的操作 函數集 。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 , 儀器廠商以源碼的 形式提供給用戶 。應用軟件建立在儀器驅動程序之上 , 直接面對操作 用戶 , 通過提供直觀友好的測控操作界面 、 豐富的數據分 析與處理功能 , 來完成自動測試任務 。虛擬儀器應用軟 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 ; 也可以采用專業圖形化編程軟件進行開發 , 如 HP 公 司的 VEE 、 NI 公司的 LabVIEW 等 。 4 虛擬儀器的應用和發展前景 王紅超等 :基于 PC 的虛擬儀器技術 虛擬儀器技術先進 、 功能靈活 、 容易構建 , 應用面極為廣泛 , 下面主要針對虛擬儀器技術在工業自動化 、 儀器 產業改造和實驗室方面的應用前景和效益進行分析 。 4. 1 工業自動化在工業自動控制領域 , 絕大多數閉環控制系統要求 精確的采樣 , 及時的數據處理和快速

15、的數據傳輸 。虛擬 儀器系統恰恰符合上述要求 , 十分適合測控一體化的設 計 。 尤其在制造業 , 虛擬儀器卓越的計算能力和巨大的 數據吞吐能力必將使其在溫控系統 、 在線監測系統 、 電力 儀表系統 、 流程控制系統等工業領域發揮巨大的作用 。 另一方面 , 采用虛擬儀器技術 , 根據實際流程和控制要 求 , 將分布在企業不同位置的各種測量儀器和控制裝置 連接為一個網絡系統 , 通過計算機實施集中控制和管理 , 可以改變采用傳統單元分散工作時成本高 、 維護困難 、 資 源配置重復等缺點 , 提高工業自動化改造的經濟效益 , 低管理成本 。 4. 2 儀器產業改造 一個重要領域 。 , 對整

16、 個國家的科技開發能力 、 國防高科技水平和工業現代化 水平都有直接或潛在的重要影響 。 由于工業基礎比較落 后 , 我國的儀器制造 , 尤其是高性能科學儀器的制造還遠 遠不能滿足國防和經濟建設發展的需要 。目前 , 像數字 示波器 、 頻譜分析儀和邏輯分析儀等中高檔儀器還主要 依賴進口 , 即使像數字萬用表 、 函數發生器等基礎測量儀 器 , 國產與進口產品在功能 、 易用性等方面仍然存在差 距 。 傳統臺式儀器制造水平不僅取決于設計 , 還依賴于 工藝和加工水平 , 因此短期內提高有一定困難 。采用虛 擬儀器技術 , 將過去儀器中許多靠硬件實現的功能用軟 件來代替 , 利用商品化的數據采集

17、和 PC 技術 , 完全可以 開發出各行各業急需的各種測量儀器 , 縮短我國與先進 國家在儀器領域的差距 。 這是采用高新技術改造傳統產 業的一個大有作為的領域 。4. 3 實驗室應用電子儀器與測試實驗室是高等理工院校必備的教學 實驗條件 。 為了提供一定的實驗規模 , 保證每個學生得 到實際動手能力的訓練 , 傳統的實驗室一般需購置大量 的基礎測量儀器 , 如示波器 、 萬用表 、 信號源等 , 投資大 、 技術更新慢 、 維護成本高 。 利用虛擬儀器技術 , 我們可以 設計出與實際儀器在原理 、 功能和操作等方面一樣的虛 擬儀器 。 利用這些虛擬儀器 , 學生在計算機上就可以學 習和掌握儀

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 , 完成實際測試過程 , 達到與實際儀 器教學的相同目的 。 這種思想對從根本上改變傳統實驗 , , 實現遠程實驗教 , 完全可以實現設 。通過這樣一種實驗方式 , 也 。 隨著計算機的普 及 , 虛擬儀器甚至可以進入中學物理和化學實驗課堂 。 虛擬儀器技術是一項涉及多種技術領域的綜合性技 術 , 并且也是一項仍然在不斷發展的新技術 。 總的說來 , 虛擬儀器的出現是儀器發展史上的一次革命 , 它代表著 儀器發展的最新方向和潮流 , 對科學技術的發展和工業 生產的進步將產生不可估量的影響 。參考文獻1楊樂平 , 李海濤等 . 虛擬儀器技術概論 . 北京 :電子工業出版社 , 2003.2石博強等 ,Labview 6. 1編程技術實用教程 . 北京 :中國鐵道出版社 ,2002.3張易知等 , 虛擬儀器的設計與實現 , 西安 :西安電子科技大學出版社